余热回收

废热回收

废热是在过程中由于燃料的燃烧或化学反应而产生的热量，然后在没有投入实际使用的情况下排放到环境中。余热的来源包括排放到大气中的热燃烧气体、工艺废气、设备的传导、对流和辐射损失以及离开各种工业过程的加热产品（热焦炭、铁水、钢水和热轧产品等）。 ，以及从热设备表面传热（传热到冷却水）。

废热回收包括收集和再利用工业过程的废热用于加热或产生机械或电力工作。典型用途包括助燃空气预热、燃气预热、锅炉给水预热、原料预热、工艺蒸汽产生、发电用蒸汽生产等。余热回收的基本思想是尽量回收最大限度地利用植物中的热量并尽可能地重复利用，而不是仅仅将其释放到环境中（空气或附近的河流）。

废热是所有制造过程所固有的。在工业制造过程中，大约 20% 到 50% 的能源消耗最终会通过热废气和液体流中的废热以及热设备表面的热传导、对流和辐射而损失掉以及来自加热的产品。废热回收是提高工业炉整体能源效率的一种有价值的替代方法。通过废热回收可以实现的能源效率通常在 10% 到 50% 之间。

重要的事实不是热量，而是它的价值。回收未使用热量的机制取决于废热流体的温度和所涉及的经济性。废热回收技术经常通过提高能源生产力来降低设施的运营成本。收集和再利用的废热是一种零排放的替代品，可以替代昂贵的购买燃料或电力。

图 1 显示了没有和有热回收的典型能量流。

图 1 没有和有热回收的典型能量流

废热回收所必需的三个基本组成部分是 (i) 可获取的废热来源，例如燃烧废气、工艺废气、来自熔炉的热气、冷却塔水等，(ii) 回收技术，例如再生器、换热器、省煤器、废热锅炉、热电发电机等，以及 (iii) 用于回收能源的用途，例如锅炉给水的预热、原材料和助燃空气的预热、蒸汽或/和电力的产生以及预热高炉煤气等低热值燃烧气体。

余热回收设备

  钢铁厂使用了几种热回收设备。其中的主要内容如下。热交换器最常用于将热量从燃烧废气传递到进入熔炉的燃烧空气。由于预热的燃烧空气以更高的温度进入炉膛，因此燃料需要提供的能量更少。空气预热的典型技术如下。

• 换热器 - 换热器在中高温应用中回收废气余热。换热器可以基于辐射、对流或组合的热传递原理。换热器由金属或陶瓷材料制成。金属换热器用于温度低于 1050 摄氏度的应用，而较高温度下的热回收更适合陶瓷管换热器，它可以在高达 1500 摄氏度的热侧温度和约 950 摄氏度的冷侧温度下运行。
• 再生器 - 再生器由两个砖砌的“检查工作”室组成，冷热气流交替通过这些室。当燃烧废气通过一个燃烧室时，砖块会从燃烧气体中吸收热量，并且其温度会升高。砖块吸收热量后，改变流动，使进入的燃烧空气通过热格子工作，将热量传递给进入炉膛的燃烧空气。至少使用两个燃烧室，这样一个燃烧室从废气中吸收热量，另一个燃烧室将热量传递给燃烧空气。气流的方向在固定的时间间隔内改变。再生器特别适用于排气脏污的高温应用。一个主要缺点是体积大和资本成本，这大大高于回收器的成本。
• 被动式空气预热器 - 这些是气对气热回收设备，适用于需要防止气流之间交叉污染的中低温应用。无源预热器通常有两种类型，即（i）板式和（ii）热管式。板式预热器由多个平行板组成，为冷热气流创建单独的通道。热流和冷流在板之间交替，并允许大量区域进行热传递。热管式换热器由几根末端密封的管子组成。每个管道都包含一个毛细芯结构，该结构有助于工作流体在管道的热端和冷端之间移动。热气体通过热管的一端，导致管内的工作流体蒸发。沿管道的压力梯度导致热蒸汽移动到管道的另一端，在那里蒸汽冷凝并将热量传递给冷气体。然后冷凝水通过毛细作用循环回到管道的热端。
• 蓄热式或蓄热式燃烧器 - 采用蓄热式或蓄热式系统的燃烧器在设计和构造上比独立的蓄热器或蓄热器更简单、更紧凑。与使用环境空气运行的燃烧器相比，这些系统提供了更高的能源效率。自热式燃烧器将热交换表面作为燃烧器主体设计的一部分，以从排出的烟气中捕获能量，然后通过主体返回。自再生燃烧器将废气通过燃烧器主体进入耐火介质箱，并以类似于再生器的方式成对运行。通常，蓄热式燃烧器系统的热交换面积较小，而蓄热式燃烧器系统的质量比独立单元低。因此，它们的能量回收率较低，但成本较低且易于改造，因此它们是一种有吸引力的能量回收替代方案。
• 管壳式换热器 - 当含有废热的介质是液体或加热另一种液体的蒸汽时，通常使用管壳式换热器，因为必须密封两条路径以容纳各自流体的压力.外壳包含管束，通常还有内部挡板，以将外壳中的流体引导通过管子多次通过。外壳本质上比管弱，因此高压流体在管中循环，而低压流体流过外壳。当蒸汽含有废热时，它通常会冷凝，将其潜热释放给被加热的液体。在这种应用中，蒸汽几乎总是包含在外壳内。如果尝试相反，小直径平行管内的蒸汽冷凝会导致流动不稳定。管壳式换热器有多种标准尺寸可供选择，管壳材料有多种组合。
• 翅片管式换热器或省煤器 - 翅片管式换热器用于从低温到中温废气中回收热量以加热液体。应用包括锅炉给水预热和热工艺液体等。翅片管由带有附加翅片的圆管组成，可最大限度地提高表面积和传热率。液体流过管子并从流过管子的热气体中接收热量。将锅炉废气用于给水预热的翅片管换热器通常称为锅炉省煤器。
• 余热锅炉 - 余热锅炉是一种水管锅炉，利用中高温废气产生蒸汽。余热锅炉有多种容量可供选择，允许从 30 到 25000 Cum /min 的进气量。在废热不足以产生所需水平的蒸汽的情况下，通常添加辅助燃烧器或后燃烧器以获得更高的蒸汽输出。可以产生蒸汽用于工艺目的或用于发电。产生过热蒸汽通常需要在锅炉中增加一个外部过热器。
• 负载预热——是指利用离开系统的余热对进入系统的负载进行预热。最常见的例子是锅炉给水预热，其中省煤器将热燃烧废气中的热量传递给进入锅炉的水。其他应用利用燃烧废气和进入不同熔炉的固体材料之间的直接热传递。
• 热泵 - 有时可以在低于潜在负载要求的温度下获得废热。在这种情况下，需要废热升级。废热升级是指提高废热流的能量水平，使其可以发挥原本可以实现的有用功能。这是通过使用热泵或通过直接蒸汽压缩来实现的，其中废热以蒸汽的形式提供。大多数热泵的工作原理是蒸汽压缩循环。在这个循环中，循环物质与源（废热，温度为锡）和用户（过程中使用的热量，Tout）流进行物理分离，并以循环方式重复使用，因此称为封闭循环热泵。

余热的收益大致可分为两类，即（i）直接收益，（ii）间接收益。

• 直接收益体现在资源和公用事业消耗的减少以及运营成本的减少上，因为废热回收提高了流程的能源生产力，并对流程的效率产生了直接影响。在当前全球气候变化的情况下，余热回收的最大好处是它是一种不含温室气体的能源。
• 废热回收的间接好处是减少环境污染、减少辅助能源消耗和减小设备尺寸。余热回收降低了燃料消耗，从而减少了产生的烟气。这导致所有燃气处理设备（例如风扇、烟囱、管道、燃烧器等）的设备尺寸减小。设备尺寸的减小以减少辅助能源消耗的形式带来额外的好处，例如风扇、泵等的电力.

余热回收系统的其他方面是需要额外的空间、资金和运营成本，这需要从废热回收所获得的收益中得到证明。

废热回收技术虽然目前在钢铁厂的许多地方不同程度地采用，但面临阻碍其更广泛应用的技术和经济障碍。尽管许多废热回收技术（例如换热器和再生器等）已经得到了很好的开发，但存在的挑战是这些技术对于给定的应用（例如脏废气流的应用）并不总是经济的。

有许多障碍会影响热回收设备的经济性和有效性，并阻碍其更广泛的安装。这些障碍中有许多是相互关联的，但通常可以归类为与成本、温度限制、化学成分、应用细节以及热源的不可达性/可运输性有关。

目前用于废热回收的实践表明，在大容量系统中，废热通常是从清洁的高温废热源中回收的。因此，在优化现有系统、开发化学腐蚀系统技术、从非流体热源回收热量以及回收低温废热方面存在机会。

虽然经济性通常限制了低温废热回收的可行性，但在各种应用中，低品位废热已被成本有效地回收以用于工业设施。大量的工业余热只能在低温范围内获得。例如，锅炉等燃烧系统经常使用回收技术，在 120 摄氏度到 150 摄氏度的温度范围内排放废气。此外，工业冷却水和冷却空气中也存在大量废热。日本的一家综合钢铁厂安装了一个容量为 3.5 兆瓦的发电厂，使用温度仅为 98 摄氏度的冷却水。

在燃烧废气的情况下，如果气体中包含的水蒸气被冷却到较低的温度，则可以回收大量的热量。经常使用大约 120 摄氏度到 150 摄氏度的最低温度限制，以防止废气中的水在热交换器表面冷凝和沉积腐蚀性物质。然而，进一步冷却烟道气可以通过回收蒸发潜热来显着提高热回收率。这种潜热包括废气中所含能量的很大一部分。在将废气冷却至冷凝点以下的同时最大限度地减少化学侵蚀的技术可以通过回收蒸发潜热来显着提高能源效率。

目前低温热回收面临至少三个挑战，即（i）热交换器表面的腐蚀，（ii）传热所需的大热交换表面，以及（iii）寻找低温热的用途。

现有技术可以将气体冷却到露点温度以下以回收低温废热。这些技术包括深度省煤器、间接接触冷凝回收、直接接触冷凝回收和最近开发的运输膜冷凝器。由于成本高以及设施缺乏回收热的最终用途，这些技术的商业化受到限制。当设施缺乏废热的最终用途时，一些人找到了其他回收手段，包括热泵和低温发电。这些技术的使用也经常受到经济限制。