关于化工厂余热余压的利用

科研训练结题报告

指导教师：..苏泷

小组成员：..扬光 ..绿亮于..洋

项目专业：建筑环境与设备工程

项目名称：化工厂余热余压的处理

2013年9月

科研训练结题报告

摘要：介绍了化工厂企业在工业生产中余热余压资源利用的基本现状，探讨了各种余热余压利用技术的进展，分析了余热利用等方面存在的主要问题，为科学合理地进行余热余压利用提出了相关建议。关键词：余热余压利用化工企业低温热能余热锅炉热管吸收式热泵其他工质

一、引言

化工企业是维系人类社会发展进步的重要部门，化工产品与人类生活关系密切，从衣食住行等物质生活到文化艺术娱乐等精神生活都离不开化工产品。但是，化工企业又是当今污染大源、能耗大户的代名词，在能源消耗方面尤为突出，它们的热效率都很低，一般只有30％左右，而被高温烟气、高温炉渣、高温产品等带走的热量却达到40％～60％，其中可利用的余热约占燃料消耗量的三分之一。节能减排是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是一项极为紧迫的任务。回收余热降低能耗对我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的现实意义。同时，余热利用在对改善劳动条件、节约能源、增加生产、提高产品质量、降低生产成本等方面起着越来越大的作用，有的已成为工业生产中不可分割的组成部分。自上世纪六七十年代以来，世界各国余热利用技术发展很快。目前，我国的余热利用技术也得到了长足进步，但是与世界先进水平还有一定的差距，有一部分余热尚未被充分利用，有一部分余热在利用中还存在不少问题。

二、前期准备

虽然此科研训练与我们建筑环境与设备的专业所学的知识有联系，但是在完成科研训练的过程中碰到了很多超出我们所了解和掌握的知识范围的难题，所以我们花费了大量的时间和精力做准备工作。

第一阶段，我们通过查阅图书馆查阅了很多相关化工厂余热余压利用的文献和上网查找相关资料（《余热回收利用系统实用手册》机械工业出版社一色尚次著，《余热回收手册》中南工业大学出版社 R.J.GOLDSTICK著，《余热回收》天津科学技术出版社霍光云编）。

第二阶段，在我们查阅资料之后，我们再次联系了李老师，跟李老师汇报了我们所遇到的问题，李老师答疑解惑之后，还送了我们一本关于余热余压处理的博士生毕业论文让我们参考。

第三阶段，正式开始科研训练。

三、化工厂余热余压的处理

1 余热利用概述

余热属于二次能源，它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物，是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。一般分成下列七大类：高温烟气余热、高温蒸汽余热、高温炉渣余热、高温产品余热(包括中间产品)、冷却介质余热、可燃废气余热、化学反应及残炭的余热、冷凝水余热等。常见的余热利用方法主要有：余热锅炉、热水法、预热空气、烟气一流体换热器、加工物料

等。由于使用的生产方法、生产工艺、生产设备以及原料、燃料条件的不同和工艺上千变万化的需要，从而给余热利用带来很多困难。一般说来余热热源往往有以下特点：

(1)热负荷不稳定。不稳定是由工艺生产过程决定的。例如：有的生产是周期性的，有的高温产品和炉渣的排放是间断性的，有的工艺生产虽然连续稳定，但热源提供的热量也会随着生产的波动而波动。(2)烟气中含尘量大。如氧气顶吹转炉烟气中的含尘量达8()～150 g ／nl 、沸腾焙烧炉150～350 g／m。、闪速炉80～130 g／m 、烟气炉80～160 g,／m ，含尘数量大大超过一般的锅炉。同时烟尘的物理、化学性质也特别恶劣，尤其是炉烟温度高、含尘量大时，更容易粘结、积灰，从而对余热回收的设备有可能产生严重磨损和堵塞的后果。(3)热源有腐蚀性。余热烟气中常常含有二氧化硫等腐蚀性气体，在烟尘或炉渣中含有各种金属和非金属元素，这些物质都有可能对余热回收设备造成受热面的高温腐蚀或低温腐蚀，

(4)受安装场所固有条件的限制。如有的对前后工艺设备的联接有一定的要求，有的对排烟温要求保持在一定的范围内等。这些要求与余热回收设备常发生一定的矛盾，必须认真研究统筹解决。

2 化工厂余热余压利用的技术进展

2.1 石油化工低温热能的应用

我国化工行业的余热资源主要集中在低温热能，余热资源回收率仅41.9%。低温余热资源分布比较分散，传热温差小，回收比较困难，但回收价值可观。这类热源存在于气态及业态载热体中，液态主要是

冷凝水和冷却水及可燃性废液，气态主要是工业生产气体。回收和利用这部分能量既有助于解决能源问题，又能减少能源生产过程中的环境污染。

炼油厂的低温余热是指炼油生产过程中高于油品储存温度或工艺本身需要温度而未被回收利用的热量。一般认为温度在85～160度的热量均可作为低温余热进行回收利用。通常炼油厂低温热主要来自常压、催化裂化、延迟焦化、制氢、加氢裂化和重整等工艺装置。

低温余热的利用有同级利用和升级利用两种方式。同级利用主要包括：气体分馏、烷基化和产品精制等低温加工装置原料及塔底重沸器加热；动力系统除盐水、新鲜水的加热；油品储运及油罐的加热；管道和仪表的伴热及生活采暖等。升级利用的方式主要包括：低温热发电、低温热制冷和热泵等。

炼厂低温热的用户可分为三类：第一类是生产用户，第二类是生活用户，第三类是辅助负荷。随着炼油厂和工艺装置的大型化，可回收的低温余热越来越多，将多余的低温余热用于发电、制冷或热泵等形式是提高利用水平的途径之一。

2.2 余热锅炉技术

余热锅炉，也称废热锅炉，它的原理和构造基本上与普通锅炉相同，基本组成为：锅炉本体的汽包、受热面、给水预热省煤器、蒸汽过热器等等。相对于普通锅炉，余热锅炉的热源为生产过程的剩余热量或过程尾部排出的热量，没有一个固定的理论燃烧温度；在石油、

化工企业中，由于排放废热的部位不固定，锅炉部件的布置也一般比较分散；余热锅炉需要有完善的除灰清焦装置；在一些石油化工企业中，有的余热锅炉不但水侧（或汽侧）是高温（高压），而且工艺气侧也是高温（高压），因此对余热锅炉设备的严密性，材料的耐热性及水质和避免产生不必要的热应力等等都有很高的要求。

水管余热锅炉的汽水循环系统如图所示，管束中的水受热后，比

重随温度升高而减少，当有蒸汽产生时，

比重显著降低，在整个管系中形成一个压

力差P，其值为

P=H（γ’-γ’’）

式中 P——管束中压力差

H——水位差

γ’γ’’——水、汽水混合物的重度

因汽水混合物的重度γ’’小，在上升管内会自然上升；下降管理的水重度γ’大，水即向下流动。当这个压力差大于整个系统的阻力时，就形成自然循环。

近年来余热锅炉技术的最新进展和创新思路，主要有以下几点：(1)采用理论分析和参数优化的研究方法进行余热锅炉本体热量分配、工质参数优化和余热锅炉整体布置选型研究，该研究将决定余热锅炉应达到的设计目标。

(2)采用试验研究的方法研究粉尘的物理、化学和外部工作过程特性，

采用数值模拟的方法进行通流结构的优化研究；采用试验研究的方法进行热交换受热面结构设计及传热、阻力特性研究。主要研究粉尘颗粒特性，粉尘沉积、污染特性，磨损及防磨技术，粉尘预分离技术清灰及除灰技术，受热面及通流结构密封设计，高效传热元件设计，并对高效传热元件的换热、阻力特性进行研究。

(3)研究余热锅炉本体设计所必须的热力、水循环、烟风阻力计算方法并编制相关的计算机辅助设计计算软件。

(4)采用理论分析和优化设计的研究方法研余热锅炉对生产工艺系统取热参数在变动工况下的适应性以及对热工参数的影响机制，并在余热锅炉方案设计的基础上对余热锅炉方案进行技术经济比较，为系统设计出能够实现提高蒸发量和余热废气利用效率为总体目标的余热锅炉。

2.3 热管技术

热管可以在温差很小的情况下传递相当大的热负荷，由于它具有热传递能力大、部件轻小、简单可靠、成本低廉的特点，近几年来，热管的研究和应用发展很快，研究热管这项传热新技术，也为回收利用余热资源开拓了新的途径。

热管结构如图，在它的长度

方向分成三段：蒸发段、传输段

和凝结段。容器内的液体在一端

的蒸发段从外部热源吸收潜热

而汽化，携带潜热的汽化蒸汽通过传输段传到容器的另一端——凝结

段，向外部冷源放出潜热，蒸汽重新凝结成液体。凝结的液体不需要外加机械装置，只靠毛细管作用即回流到原来的蒸发段，保持工质循环，从而实现热量传递。更由于他的热量纯粹是依靠饱和蒸汽流动来传递，所以通常管内温度非常接近等温，可维持温度的均一性。热管因其独特结构和相变传热机理，具有如下特点：

(1)安全可靠性高。不存在管内超压，不怕干烧，因液体工质汽化后，热管的内压不随温度变化而变化，而且热管余热回收器是二次问壁换热，与常规的换热设备一般都是问壁换热不同；

(2)导热性强。导热速度快、强度大、效率高(传热效率达98％以上)，节能效果明显；

(3)等温性好。传热阻力小，在很小的温差下，传递很大的热通量；

(4)热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的面积；

(5)环境的适应性强。受环境的限制相对常规换热设备小，通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点之上，从而可防止露点腐蚀。同时热管在导热时会产生自振动，使灰不易粘附在管壁和翅片上，不易堵灰；热管可根据环境的需要而设计；

(6)使用寿命长、应用领域广。使用寿命在10年以上，单根热管可拆卸更换，维护简单、成本低，超导热管形状具有更大的灵活性，更广泛的应用领域，能适应各种恶劣的工作环境。

2.4 吸收式热泵技术

化学工业中产生大量低品位的、无法用常规方法进一步利用的废热，通常这部分废热只能排放到环境中去，吸收式热泵采用吸收的方

法实现热泵的循环，把低品（温）位的废热提高到高品（温）位，从而实现废热的回收利用。下面以化工节能中的热泵精馏过程为例讲述：

化工行业是能耗大户，其中精馏又是能耗极高的单元操作，而传统的精馏方式热力学效率很低，能量浪费很大，而热泵精馏技术节能效果很明显。热泵精馏是把精馏塔塔顶蒸汽加压升温，使其用作塔底再沸器的热源，回收塔顶蒸汽的冷凝潜热。

如图为吸收式热泵用于精馏塔的流程示意图，吸收式热泵由吸收

器、再生器、冷却器和再沸器等装置组成，

常用溴化锂水溶液或氯化钙水溶液为工

质。由再生器送来的蒸汽，发生了强烈的

吸收作用，不但升温高而且放出了热量，

该热量即可用于精馏塔的蒸发器，实际上热泵的吸收器即为精馏塔的蒸发器。浓溴化锂溶液吸收了蒸汽之后，浓度变稀，即送再生器蒸浓，再生器所耗用的热能是热泵的原动力。从再生器中蒸发出来的水蒸气，在冷却器中冷却、冷凝，而后送入精馏塔冷却器，在此冷凝器中，塔顶馏出物被冷凝，而水又重新蒸发进入吸收器，所以精馏塔的冷凝器也是热泵的再沸器。

热泵精馏在下述场合应用，可以取得比较良好的效果：

(1)塔顶和塔底温差较小。因为压缩机的功耗主要取决于温差，温差越大，压缩机的功耗越大，只要塔顶和塔底温差小于36度，就可以取得良好的经济效果。

(2)沸点相接近组分的分离。按常规方法，蒸馏塔需要较多的塔盘及较大的回流比，才能得到合格的产品，而且加热用的蒸汽或冷却用的循环水都比较大。若采用热泵激素，一般可得明显的经济效益。

(3)工厂蒸汽供应不足或价格偏高，有必要减少蒸汽用量或取消再沸器时。

(4)冷却水不足或者冷却水温偏高、价格偏贵，需要采用制冷技术或者其他方法解决冷却问题时。

(5)一般蒸馏塔塔顶温度在38～138度之间，如果用热泵流程对缩短投资回收期有利就可以采用，但如果有较便宜的低压蒸汽和冷却介质来源，用热泵流程不一定有利。

(6)蒸馏塔顶再沸器温度在300度以上，采用热泵流程往往是不合适的。

2.5 基于其他工质的余热利用技术

常规的余热利用技术主要是基于水一水蒸汽的循环系统，一些新型余热利用系统采用的工质还可以为低沸点工质、混合工质。例如，在低沸点有机物朗肯循环(ORC)发电系统中，换热器将余热传给蒸发器，有机工质蒸发成符合工作参数的蒸气进入汽轮机做功带动发电机发电，做功后的工质在冷凝器中冷凝，通过循环泵回到蒸发器实现工质的循环；在以氨水混合物为工质的Kalina循环系统 'Ⅲ中，工质变温蒸发，减少工质吸热过程的不可逆性，冷凝温度变化较小，减少了混合工质在冷凝过程中的不可逆性，抑制了混合工质在动力循环冷

端部分的不利因素，同时实现了在较低压力下工质完全冷凝；在以多种混合物为工质的新型动力制冷复合循环巾，复合了朗肯循环和吸收式制冷循环，达到了制冷和电力输出的双重效果，可以用于电站循环的底循环，或其它低温热能利用场所。

当利用低温有机工质时，主要设备有：蒸发器、汽轮机、冷凝器和有机工质循环泵。对低等及中等的焓热，ORC技术比常规的水蒸气朗肯循环有很多优点，主要是在回收显热方面有较高的效率，由于循环中显热／潜热比例不相等，ORC技术中此比例大。因此采用ORC技术比水蒸气循环会回收较多的热量。

3 讨论

3．1工业炉余热利用的原则

工业炉余热利用技术经过多年实践和发展，已经逐渐使我们认识到，必须根据余热种类、介质温度、数量及利用的可能性来确定使用回收利用设备的类型及规模。其总的原则是：

(1)遵循能量梯级的原则，高温余热要优先用于需要高温的设备，减少能量转换次数；

(2)余热回收后应优先用于本系统设备，降低一次能源消耗；

(3)加强回收后的保温措施，安全措施要齐备，确保发生意外事故时不影响本工艺的正常生产。

3.2 循环工质的选择

循环工质(特别是一些新的环保型工质)的选择是余热发电技术研究的重要内容。如何选择工质使其技术可行、经济性好，并且符合

环保要求，是余热发电技术的重要问题之一。首先从技术可行性角度讲，其最重要的因素就是工质在循环过程中的压力不能过高，也不能太低，必须在装置抗压性和密封性允许的范围之内。另外，工质需尽量选择干性工质，以保证透平工作的安全性。其次从经济性角度讲，主要从系统的效率因素考虑，系统的效率尽可能

高。不同的有机物工质主要通过以下3个方面来影响系统的效率：

(1)工质热物性影响整个系统的循环特性；

(2)工质的传热特性影响换热器换热特性以及在其它部件中的换热损失；

(3)工质的流动特性影响系统的流动损失。

从环保角度，工质应该是环境友好的，包括对臭氧层没有破坏作用，且温室效应低。评价工质的环保性质主要有两个指标：分别是臭氧层衰减指数(ODP)和温室效应指数(GWP)。上世纪七八十年代建造的大量低温热能电站系统，大多是采用各种CFC(指含氯、氟、碳的完全卤代烃)等对环境有破坏的有机物工质，如今将被大量淘汰。今后应尽量选择环保的HFC(含氢、氟、碳的不完全卤代烃)。另外，工质选择还需要考虑以下一些因素：传热性和流动性、化学稳定性和热稳定性、毒性、价格等。特别还需要注意工质可燃性，应该尽量采用不可燃的工质，以使系统更具安全性。

3.3 余热利用的建议

从技术方面看，高温余热利用技术经过多年的发展已比较成熟，一些成功的案例也表明其经济效益比较明显，但潜力巨大的中低温余

热利用技术尚需进一步发展。另外，由于信息传播渠道及企业缺乏资金等问题，制约了余热利用技术的大量推广。

一方面，高耗能企业缺少正确认识这些节能技术和利用清洁发展机制(CDM)、合同能源管理(EPC)等先进机制推进实现技术进步的机会；另一方面，国内外先进技术服务商也无法了解这些企业的情况。针对上述余热利用技术推广过程中的问题和障碍，提出如下建议：

(1)建议通过开展余热资源调研、收集汇编国内外相关先进技术、方法、先进的管理机制及案例等方式加强信息传播，并加强中低温余热利用技术的研究，促进余热技术的广泛应用。

(2)由于技术难度较大、投资回收期较长、经济性不明显等原因，企业在利用中低温余热时积极性不高。但中低温余热利用节能潜力巨大，建议给予企业财政、税收上的支持和优惠。

(3)中低温余热利用项目投资一般较大，在企业资金不充裕的情况下无法开展。而中国目前的节能服务公司(ESCO)多数为中小型公司，在投资项目时主要考虑总投资和投资回收期，不利于中低温余热的利用。建议国家支持组建大型ESCO公司。

(4)建议有余热利用潜力的企业和ESCO公司进行EPC项目时，尽量做到将多种用能系统综合考虑，整体改进，并注重自动控制系统的精细化使用。

4 结论

本文在对化工厂余热余压利用现状分析的基础上，分析了近年来余热利用的主要技术进展，包括石油化工低温热能应用技术，余热

锅炉技术，热管技术，吸收式热泵技术，基于其他工质的余热利用技术等，剖析了一些行业在余热利用中存在的问题，提出了余热利用技术的原则和建议。

四、科研训练心得体会

此次科研训练让我们深切的体会到搞科研的过程是艰苦的，同时在余热余压处理方面有了更深的了解；此外加深我们对课堂所讲授的内容的理解，巩固学习成果，掌握毕业设计的一般步骤和方法；培养学生运用所学知识分析和解决实际工程设计问题的能力；使我们查阅外文文献资料、手册以及使用设计规范等技能上得到初步训练，为将来从事实际工作打下良好的基础。与以往理论课学习不同，具有巩固、深化和运用所学理论知识的作用。科研训练也是培养学生实践、创新能力的一个重要阶段。