西安交通大学科技成果——工业余热利用
CE图_一种余热利用循环及工质选择的定量评价方法_席奂_李明佳_何雅玲_陶文铨
第47卷第9期西 安 交 通 大 学 学 报 V ol.47 No.9 2013年9月 JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Sep. 2013DOI:CE图—一种余热利用循环及工质选择的定量评价方法席奂，李明佳，何雅玲，陶文铨（西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，710049，西安）摘要：鉴于当前余热利用循环的系统优劣性评价和工质筛选缺乏合理的、定量的方法和评价准则，以帕累托最优解为基本思想，以多目标函数遗传算法为实现手段，在综合考虑年度经济收益及能量利用效率的基础上，提出了余热利用评价火用效率-年度现金流量双效图（以下简称CE图），给出了CE图的制作方法，分析说明了CE图中各特殊点的意义。
以两种常见的余热利用循环系统——基本有机朗肯循环和内回热有机朗肯循环为例，采用30种常见有机工质为例，在100~300℃之间的不同余热温度下解释说明了所提出的CE图如何用来评价余热利用循环系统的优劣性，以及如何用来进行工质的筛选。
对不同系统、不同工质CE图的对比方法进行了阐述，并且对CE图在余热利用领域的进一步开发利用进行了展望。
关键词：余热利用评价图；评价方法和评价准则；有机朗肯循环；有机工质中图分类号：TK11 文献标志码：A 文章编号：0253-987X(2013)09-0000-00CE Diagram：a Quantitative Evaluation Criterion for Waste Heat Recovery Power System and Working Fluids and Its ApplicationsXI Huan, LI Mingjia, HE Yaling, TAO Wenquan(Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)Abstract:On the basis of the concept of Pareto optimum solution to the multi-object function and the comprehensive considerations of both annual cash-flow and energy utilization efficiency, a double- efficiency diagram of annual cash flow-exergy efficiency (CE) was proposed by the implementation of the multi-objectives genetic algorithm. For the CE diagram, the graphing method was described, and the meaning of endpoints was analyzed. Under 6 different heat-source temperatures ranging between 100 to 300 o C, 30 chlorine-absent working fluids were employed and tested. Typical ORC systems (i.e. basic organicexamples. As a novel method for working fluids selection and thermodynamic system comparison, case studies were then given by segmenting the CE diagrams into different parts. In addition, an outlook for the further applications of CE in the utilization of waste heat was presented.The proposed quantitative method would be applicable to any closed loop waste heat recovery thermodynamic system and working fluids.Keywords: performance evaluation diagram for waste heat recovery; evaluation method and criterion; organic Rankine cycle; organic working fluid工业余热的高效综合利用是实现我国节能减排战略目标的重要途径，也是当前能源领域的热点问题。
西安交通大学科技成果——二恶英重金属近零排放的生活垃圾气化及飞灰熔融技术
西安交通大学科技成果——二噁英重金属近零排放的生活垃圾气化及飞灰熔融技术项目简介我国每年城市生活垃圾清运量超过2亿吨，且每年增长约8%-10%，到2020年预计可达2.5亿吨，中国城市生活垃圾无害化处理能力逐年提高，官方数据显示2016年大中城市生活垃圾无害化率已超过90%，但我国农村部分，无害化率仅为60%。
垃圾处理面临占用土地、资源浪费、环境污染等问题。
当前我国城市垃圾处理仍然以填埋为主，但以焚烧技术为代表的能源化利用技术增长很快。
该技术伴随着设备投资高、产生强致癌剧毒物质、重金属污染、工艺优化不足等缺陷，急需探寻其他方法。
该项技术利用气化熔融技术原理，对垃圾进行减容减量处理，处理后体积减小90%以上，大大降低填埋场的压力。
气化熔融技术真正做到垃圾的无害化处理，可以做到二噁英、重金属污染物的超低排放，环保性能大大优于目前的垃圾焚烧技术，消除公众抵触情绪，易于推广。
技术创新性和领先性1、针对我国垃圾特点：高含水率、成分复杂、热值较低。
2、有机结合垃圾前处理技术：挤压脱水、筛分、分选。
3、充分利用气化熔融过程中产生的余热、余气、余渣，保证处理过程的经济性。
4、通过系统工艺优化及多种环保技术相结合，保证处理过程的环境友好。
5、二噁英排放值<0.05-0.005ng-TEQ/Nm3，大大低于新国标0.1ngTEQ/Nm3重金属熔渣重金属浸出率。
6、熔渣重金属浸出率各项指标在国家标准的1/10以内。
7、硫、氯、氮等污染物排放均达到国家标准。
气化熔融技术市场前景及应用“十三五”期间我国环保总投资将达到17万亿以上，固废处理行业投资将达4万亿元。
根据统计年鉴推算：2018年，全国产生城市垃圾约2.3亿吨；逐年增长速度4%-5%，以处理规模为100t/d的垃圾处理设施为例，垃圾气化熔融装置需求至少在2000套以上。
全国668座大中城市，2856个县级单位，假设平均每个城市需要2个垃圾处理设施，平均每个县城需0.5个垃圾处理设施，除去全国已有垃圾处理设施627个，则垃圾处理设施还需2000套以上。
科技成果——玻璃板式换热器余热回收技术
科技成果——玻璃板式换热器余热回收技术适用范围石化行业加热炉、锅炉等烟气余热回收行业现状在石化、电力和化工等行业，加热炉的排烟温度通常在140℃左右，烟气直接排放到大气中会带走大量的热量，导致系统的热效率降低。
如果对加热炉排出的高温烟气进行余热回收，当烟气温度低于露点时，会因腐蚀而损坏设备，缩短设备的使用寿命，因此传统余热回收将排烟温度控制在露点以上。
在高的排烟温度下，不仅高温烟气会带走大部分热量，而且烟气中的水蒸气也因不能被冷凝释放出潜热，随烟气一起排放。
玻璃板式换热器余热回收技术不仅可降低排烟温度，回收烟气中的热量，而且可将烟气中的水蒸气冷凝，回收冷凝水释放的潜热，同时解决设备露点腐蚀问题，可对120-200℃的低温烟气进行深层次余热回收，从而提高加热炉的效率。
目前，采用热管式空气预热器的加热炉效率约92%，而采用新型玻璃板式换热器技术，加热炉效率可提高至95%左右，具有较大的节能潜力。
成果简介1、技术原理采用耐热玻璃作为换热元件，解决烟气对设备的露点腐蚀问题，降低排烟温度，并实现烟气冷凝，回收冷凝水潜热；采用板式换热结构，提高流膜传热系数；采用弹性良好的支撑和密封材料，大大减少板片间的压差和泄漏量。
该技术可对120℃-200℃的低温烟气进行深层次余热回收，与传统管式加换热器相比，节能效果良好。
2、关键技术（1）换热器防腐技术采用耐热玻璃作为换热元件，可抵抗除氢氟酸外其他所有酸性物质的腐蚀，抗腐蚀性能优异，解决了烟气露点腐蚀问题，使烟气冷凝换热器成为现实。
（2）高效换热技术采用板式结构，气-气换热，玻璃表面光滑，对流膜传热系数高，传热效率较管式换热器高20%，且压降阻力低。
（3）高密封性技术采用多重密封材料混合密封，板片间的压差小于10kPa，泄漏量小于0.3%。
（4）玻璃防破裂技术采用弹性良好的支撑和密封材料，具有减震和柔性支撑功能，板片可在刚性框架内自由涨缩，应力变形破坏小，很难出现失效破裂，可在-40℃到250℃之间使用。
科技成果——烧结废气余热循环利用工艺技术
科技成果——烧结废气余热循环利用工艺技术适用范围钢铁行业烧结行业现状截止2014年，我国大中型烧结机共约600台，年产烧结矿约8亿t，烧结工序的平均能耗为55kgce/t。
烧结废气余热循环利用可节省烧结能耗5%以上，减少烧结CO2排放以及废气排放总量20%以上。
从2012年起，宝钢、宁波钢铁、沙钢等烧结机废气循环改造工程已陆续建成投运。
成果简介1、技术原理烧结低温废气自烧结支管风箱/环冷机排出后，再次被引入、通过烧结料层时，因热交换和烧结料层的自动蓄热作用，可以将其中的低温显热供给烧结混合料，与此同时热废气中的二噁英、PAHs、VOC 等有机污染物在通过烧结料层中高达1200℃以上的烧结带时被激烈分解，NOx在通过高温烧结带时亦能够通过热分解被部分破坏，尽管二噁英、PAHs、VOC等有机污染物在烧结预热带又可能重新合成，但废气循环烧结仍然可以显著减少有机污染物的排放，并大幅度削减废气排放总量。
烧结废气余热循环利用可以富集SO2，提高脱硫效率，并使NOx被降解、二噁英在高温下热解、粉尘被吸附并滞留于料层，减少排入大气的烟气量，降低废气净化装置及运行成本，并提高已有烧结机的产能。
2、关键技术（1）烧结低温余热利用、废气减量、污染物同步脱除的方法、工艺和装置；（2）循环烧结系统在线控制技术包括循环烟温和氧含量调控、烟道防结露、循环风箱组合优化、循环烧结工艺与主工艺衔接等技术；（3）循环烧结过程仿真模型包括烧结终点温度控制、风氧平衡、烧结质量预报与控制、循环烧结传热、节煤量实计、管路优化等子模型；（4）循环烧结条件下配矿结构优化和提产增效技术包括提高废气循环烧结利用系数及烧结矿转鼓强度的方法，提高烧结铁精矿用量和生产率的矿料使用方法等。
4、工艺流程烧结废气余热循环利用工艺流程图主要技术指标1、烧结工艺节能5%以上；2、烟气总量减排20%以上。
技术水平本技术已申请30余项相关专利，目前已授权10项。
2014年11月，在宁钢循环烧结示范工程作为首批低碳技术创新和产业化示范工程通过了国家发改委工程验收组的项目验收。
科技成果——烧结余热能量回收驱动技术(SHRT技术)
科技成果——烧结余热能量回收驱动技术（SHRT技术）适用范围钢铁行业冶金行业余压余热能量回收行业现状冶金流程的烧结工序能耗约占吨钢能耗的10%以上，冷却机排出的废气带走的热量，其热能大约为烧结矿烧成系统热耗量的35%，烧结工序能耗约占冶金总能耗的12%，是仅次于炼铁的第二大耗能工序。
在钢铁企业烧结流程中，烧结主抽风机容量占到总装机容量的30%-50%。
由于烧结生产中部分附属设备运转率低，且选择的电机容量偏大，主抽风机耗电量占到50%-70%。
同时，我国烧结工序余热利用率还不足30%，与发达国家相比差距非常大，每吨烧结矿的平均能耗要高20kgce。
目前该技术可实现节能量6万tce/a，减排约16万tCO2/a。
成果简介1、技术原理将烧结余热能量回收发电技术与电动机拖动的烧结主抽风机驱动系统集成配置，使得烧结余热汽轮机、烧结主抽风机以及同步电动机同轴串联布置，形成烧结余热与烧结主抽风机能量回收三机组（SHRT）。
2、关键技术（1）烧结余热产生的废热通过余热锅炉产生蒸汽，再通过汽轮机转换为机械能，直接作用在轴系上，与电动机同轴驱动烧结主抽风机，提高能源利用效率；（2）机组采用大型变速离合器，能够使烧结汽轮机与机组实现在线啮合、在线脱开。
主要关键技术包括三机联合机组软件设计及组态、轴系稳定性计算等。
3、工艺流程一般烧结厂烧结烟气平均温度≤150℃，机尾温度达300-400℃。
烧结机尾风箱及冷却机密闭段的烟气除尘后，加热余热锅炉以回收低品位余热，产生过热蒸汽推动汽轮机做功，汽轮机通过变速离合器与双出轴驱动的烧结主抽风机连接，烧结主抽风机的另一侧与同步电动机连接。
机组中余热汽轮机及同步电动同轴驱动烧结主抽风机做功，降低电机电流从而达到节能的目的。
主要技术指标烧结环冷系统：220m2；配套余热回收汽轮机：5000kW；烧结主抽风机：SJ22000；电机：8000kW，余能利用效率提高5%。
技术水平该技术已获得2项目实用新型专利。
西安交通大学科技成果——采油井场原油加热低温空气源热泵装置
西安交通大学科技成果——采油井场原油加热低温
空气源热泵装置
成果简介
本项目组针对这一生产需求，研发出了一种压缩式低温空气源热泵装置，该装置从空气中取热用于原油加热，适用于没有套管气作为加热炉燃料的井场，能解决燃煤方案所带来的实施不便，电加热经济性差，太阳能装置的占地、初投资、运行成本、可靠性、维护工作量等问题。
该装置主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等部件构成。
系统中还设置有应急用的电辅助加热器，在压缩机出现故障或维护时用于保证系统供热，目前该产品在国内市场尚处于空白阶段，是产业介入的良好时机。
采油井场及站房（左）井场太阳能加热装置（中）
井场采出液加热热泵装置（右）
技术特征与优势描述
该产品整机重量约500公斤左右，占地约6平米，输入功率10-20kW。
系统总体运行能耗约为电加热装置的50%左右，节能效果显著。
该装置整体撬装，室外安放，全天候自动运行，并可实现远程
联网监控和管理。
本项目组长期从事工业热泵节能技术研究与开发工作，具有深厚的研究成果积累及丰富的相关产品开发经验，并曾或陕西省科技进步二等奖、陕西省高校科技进步一等奖。
科技成果——焦炉上升管荒煤气余热利用技术
科技成果——焦炉上升管荒煤气余热利用技术所属行业焦化适用范围钢铁企业焦炉炼焦工序成果简介1、技术原理焦炉煤气流经上升管时，大量显热放散到空气中，因此在这一环节回收余热，效果将相当明显。
目前国内现有焦炉的焦化工艺流程基本相同，煤在碳化室内干馏过程所产生的高温荒煤气汇集到碳化室顶部空间，先通过上升管，然后经过桥管氨水喷洒进行汽化冷却，使得冷却后的煤气进入到集气管内，然后进入化产回收工段。
焦炉荒煤气的温度将在450℃-850℃左右变化，这个温度足以使水变成蒸汽，因此我们利用上升外围把水加热，再经过汽水分离装置将蒸汽排出，排出的蒸汽可直接利用。
2、关键技术与装备（1）热交换技术；（2）自动控制技术；（3）汽水分离技术。
主要技术指标1、焦炉煤气经上升管后温度：450-650℃；2、蒸汽产量：80kg/t焦；3、蒸汽温度：≥150；4、蒸汽压力：≥0.6MPa；5、节约资源（折合合成标准煤）：10242tce/a。
技术水平产品获得专利授权3项：（1）“一种焦炉上升管换热热能回收装置”，201520115255.2；（2）“一种密筋螺旋式焦炉上升管余热回收装置”，201520329570.5；（3）“一种焦炉上升管水封阀控制结构”，201520571671.3。
典型案例以本钢集团北营焦化厂三区8号焦炉为例。
自2015年8月初，本钢集团北营焦化厂三区8号焦炉的1、2号上升管更换为我公司的专利产品“具有换热功能的上升管”，经历两个月的实验以及零下25℃的寒冷运行考验，由我公司生产具有换热功能的上升管在此实验期间运行良好。
在实验至一个月时，进行了长达48h的干烧破坏性实验，破坏后再通水运行正常，蒸汽产量无变化，也无漏水至碳化室现象。
实验结束后，开始对焦化三区的4.3m×2焦炉的144根上升管进行施工更换，包括所用除盐水、上升管循环装置、上升管本体、阀门管道及相应的仪表。
此项目总额5000万元，目前推广比例1%，结合设计及实验数据，每炼1吨焦产生蒸汽80kg，折合10.08kgce（0.6MPa表压饱和蒸汽），结合本钢北营焦化厂实际焦炭产量为90万t/a，故该项目产生蒸汽7.2万t/a（0.6MPa饱和蒸汽）。
西安交通大学科技成果——基于机械蒸汽再压缩(MVR)的结晶系统优化
西安交通大学科技成果——基于机械蒸汽再压缩（MVR）的结晶系统优化项目简介蒸发结晶作为工业生产中最基本的工艺流程，可广泛应用于化工生产、食品制药、海水淡化、工业废水或废液处理等领域。
主要技术有单效蒸发、多效蒸发、热泵蒸发等几大类，单效蒸发和多效蒸发均属于传统蒸发方式，基于传统蒸发方式的结晶系统中，产生的二次蒸汽直接被排放或通过冷却水处理后排放，造成大量热量能源和冷却水资源的浪费。
在热泵蒸发技术中，机械蒸汽再压缩（MVR）技术采用机械压缩的方法，将蒸发过程产生二次蒸汽的压力和温度提高后再次作为热源蒸汽，该过程在蒸汽压缩机中进行，同时免去了后续的冷却处理。
通过消耗少量的电力能源，可回收大量热能和蒸汽，具有显著的节能和节水优势。
该技术在对物料进行处理后的产物为冷凝水、浓缩液或晶体，过程无污染，属于环境友好型技术。
对高效且节能的蒸发结晶处理技术进行分析研究，能够带来明显的经济效益和社会效益。
本项目开发的是一种MVR并联双效蒸发结晶系统，主要部件有降膜蒸发器、强制循环蒸发器、离心式蒸汽压缩机等。
本系统考虑到不同类型蒸发器的物料适用性及节能性，将降膜蒸发器与强制循环蒸发器联用，建立系统及部件的数学模型，与传统蒸发结晶系统进行性能对比，并对系统的操作参数组合进行了多目标优化。
图1 MVR并联双效蒸发结晶系统流程图①—原料液泵；②—预热器；③—凝水泵；④—凝水箱；⑤—降膜蒸发器；⑥—强制循环蒸发加热室；⑦—强制循环蒸发室；⑧—气液分离器；⑨—蒸汽压缩机；⑩—循环泵原料液泵；⑪—结晶分离器；⑫—晶体储存罐产品性能优势本项目为一种MVR并联双效蒸发结晶系统，其流程如图1所示。
本系统中原料液先通过降膜蒸发器进行蒸发浓缩处理，产生的浓溶液再经过强制循环蒸发器进行结晶，既克服了降膜蒸发器不适用于结晶物料的限制，也减少了强制循环蒸发器运行需要的驱动功率。
项目组建立了系统和各部件的数学模型，计算确定系统中各管段不同介质的热力学参数。
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西安交通大学科技成果——工业余热利用（1）油田采油污水余热回收热泵装置
本项目基于压缩式热泵的基本工作原理，研发了一种从三相分离器排放的污水中回收热量用于站外来液加热的余热回收热泵装置，该装置在污水回注地下前将其中的热量提取出来并升温使用，从而取代原来的燃气或燃油锅炉，节省燃料消耗，降低生产费用。
三相分离器（左）热泵基本工作原理（中）
长庆油田节能效益分析（右）
以长庆油田为算例的计算结果，总体运行能耗费用约降低60%，燃油锅炉相比于燃气锅炉的占比越多节能量越可观。
整个长庆油田原油脱水环节全面实施热泵余热回收节能改造，理论上每年最高可节省能耗费用1.64-6.16亿元，经济效益十分可观，项目的投资回收期在1.5-4年之间，目前该项目尚处于市场空白阶段。
该采油污水余热回收热泵装置的主要构成部件是压缩机、换热器、膨胀阀等设备，构成封闭热泵系统，系统中充注高温制冷剂，形成制冷循环；另外，整个装置中还包括热管、循环泵、中间换热器等辅助设备。
这些部件整体集成为撬装化的成套热泵装置，现场安装使用方便。
该产品采用模块化设计方案，以有限的规格满足不同规模的生产需求，一个联合站可能使用3-10台，根据热负荷及处理量进行选择。
单机重量约10-30吨，产热量500-2000kW，电力消耗约100-500kW。
（2）化工生产中的热泵精馏等节能技术与装备
化工生产中存在大量的蒸发、浓缩、精馏、结晶、干燥等分离过程，这一过程需要消耗巨大的能量作为塔釜热源，同时消耗大量的冷却水将塔顶蒸发产物冷凝成液态。
本项目针对这一背景，基于压缩式热泵技术，提出了一种适用于此类工艺过程的节能改造技术，其基本思路是用压缩机对塔顶气态物料进行压缩，使其温度提高后用于塔釜液态物料加热，同时使塔顶物料冷凝为液态产物，形成一套压缩式热泵精馏（蒸馏）工艺及其成套装置设计技术。
项目成果应用于燃料乙醇热泵恒沸精馏工艺
与现有的塔底采用蒸汽加热液态物料、塔顶采用冷却水冷凝气态产物的工艺相比，本项目技术方案实现了能量在系统中的循环使用，塔底不再需要加热蒸汽，塔顶也不再需要冷却水，从而可节能节水50%以上，经济和环境效益极为显著。