關于余熱余能與能源的合理利用

一、所謂余熱余能：即為了滿足工藝過程、生產某種產品，或為了滿足人們生活、工作的需求，需要消耗一定數(shù)量的能源。
除了為滿足這種需求理論上所需消耗的能源以外的、認為無用的、剩余的熱與能即為相關過程和需求的余熱余能。
余熱余能是相關過程和需求之中被認為無用的熱與能，并非全部都不可被再利用，實際上通過一定的方式仍然可以有效地利用這部分熱與能。這也是我們討論、關心這部分能量的目的之一。
另外，從能源科技的發(fā)展而言，能的合理利用與不斷提高的余熱余能利用水平有著密切的關系。
余熱余能的利用水平與相關時代的科技水平、生活、工作方式密切相關。
隨著可現(xiàn)代科技的不斷進步，今天的余熱余能，明天即可能部分的成為理論上的需求。也就是說能的利用水平的提高是與余熱余能的合理利用密切相關的。
今天被認為是余熱余能，明天即成了有效能或者減少了的余熱余能。
例如，在煉鋼過程中，過去將鋼水變成產品，要求先澆鑄→冷卻→變成鋼錠→加熱→滿足軋鋼工藝→產品，這樣在冷卻過程中會產生余熱，在加熱過程中又要增加能的消耗。
由于發(fā)明了連鑄技術，則可直接利用鋼水進行軋制，不僅減少了加熱能的消耗，同時還減少了冷卻過程中的余熱。
再如，過去火力發(fā)電系統(tǒng)，由于燃燒與傳熱火用損失和其它原因，使發(fā)電過程產生了大量煙氣余熱及冷凝余熱，并散失至大氣之中，系統(tǒng)效率很低。
近代，由于改善了燃燒及傳熱過程等，減少了火用損失引起的排煙損失及冷凝損失，使發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率達到了較高水平，低的達到40%左右，高的達到60~70%左右。
也就是說隨著發(fā)電方式的改變，充分利用了以火用損失表現(xiàn)的高位余能，達到了能的合理利用，獲得了系統(tǒng)發(fā)電效率的提高。
再例如，廢熱鍋爐的利用，大大地改善了工藝系統(tǒng)余熱的利用，從而將余熱變成了人們所需要的熱、功、電。
一般情況下，余熱余能既可能是由高位火用損失引起，也可能是由低位的熱損失引起。余熱余能雖然均屬于低位能，但是它們的來歷卻大不相同。有的是由于利用不好，產生了大量的火用損失而形成的;有的卻是正常利用后較少產生火用損失而形成的。
雖然它們在余熱余能的形式下屬于低位能源，但由于來歷不同，我們在考慮它們的回收利用時，即可能產生不同的方法與措施。
對于前者，我們可以利用減少火用損失、改善燃燒傳熱等方法，可以使余熱余能得到較好的利用。
后者則可采用多能互補的方法，從而合理利用余熱余能。這樣我們即對余熱余能的產生、性質及其利用有了一個較全面的理解與認識。
總之，余熱余能的概念是相對的，是隨時變化的。它的研究、利用與能源的合理利用、發(fā)展是密切相關的。余熱余能的利用及研究過程，在一定程度上代表了能源的合理利用與發(fā)展水平。
以往多以直觀的熱力學第一定律(熱平衡)來研究余熱余能的利用，也的確取得了很大的成就，使總能利用系統(tǒng)效率有3~6%的提高。
但是人們忽略了在余熱余能的利用方面，聯(lián)合熱力學第二定律研究問題所取得的成就?；鹆Πl(fā)電今天能取得40~70%的發(fā)電效率，僅僅按照熱平衡來研究是難以達到的。
所以，我們在考察研究余熱余能的潛力及措施時，也務必按此方法及理念來分析問題，并制定相應地措施，才會取得理想的效益。
注：未被利用的余熱余能仍然屬于能，只不過是難以利用的能，其火無的比例很高，或全為火無。

二、需要關注余熱余能利用的意義
隨著社會的發(fā)展，人們對能源的依賴程度在加強。人們成倍增加的對能源的需求，造成了地球化石能源的儲量在迅速減少，形成了難以持續(xù)發(fā)展的格局。
同時人們大量地利用能源，也造成了嚴重的環(huán)境污染與生態(tài)惡化。
從理論上講，可再生能源(太陽能、風能、水能等)的數(shù)量幾乎取之不盡、用之不竭，即可持續(xù)發(fā)展、長期利用。
但由于其密度低、隨時性很強(隨時間變化十分明顯)的特性，使人們的對其的利用極為困難，往往是投入產出不合算。
所以，在沒有出現(xiàn)合理的利用方式或可持續(xù)發(fā)展的新能源、可再生能源或實現(xiàn)經濟、安全利用的技術之前，人們依然還要依靠化石能源。
在這種現(xiàn)實的情況下，節(jié)能減排或能的合理利用則具有重大意義。在化石能源的利用過程中，實踐證明只能有效地利用一部分，另一部分則以不同形式變成了余熱余能。在能源利用的過程中，人們通常將變成余熱余能的過程稱為損失的過程，例如摩擦損失、節(jié)流損失、散熱損失、燃燒損失、傳熱損失等。
實踐證明，這部分“損失”在一定條件下它們又變成了余熱余能，其能的品位也出現(xiàn)了降低，而這些被降低了品位的余熱余能中的一部分又可能變成有效能。
余熱余能的可用程度往往與時間、地點、相關的技術水平、管理水平有密切的關系，而余熱余能的有效利用，又往往能促進能源的合理利用。余熱余能的利用不僅包括高位火用部分，也包括低位火用的部分。
在此我們可以說，余熱余能的合理利用，乃是能源合理利用的重要組成部分。不難想象，一個不重視余熱余能項目的地區(qū)、單位，則不可能出現(xiàn)能源利用的高水平。
總之，余熱余能的研究及完善程度乃是能源合理利用的不可缺少的極其重要組成部分。
余熱余能的優(yōu)化利用，是解決目前能源緊張、環(huán)境污染、生態(tài)惡化的重要組成部分。
余熱余能的利用目的在于提高系統(tǒng)能源利用率，千萬不能過多的去干涉其范圍大小及措施來源。
以上看法可以由以下的例子說明：
1)高爐生產過程中，產生了大量的煙氣，這種煙氣中含有大量的可燃CO等。
由于CO有害人們的健康，在上世紀70年代以前，我國大部分鋼鐵企業(yè)幾乎都將該部分余能排放至大氣或在大氣中燃燒。
以后人們利用其在鍋爐中燃燒產生蒸汽，但火用效率較低。現(xiàn)在隨著技術的提高，人們又將其應用到了燃氣蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)中，采用了熱電聯(lián)產系統(tǒng)，取得了相對較高的效率。
由于人們對這部分余熱余能的不斷優(yōu)化利用，使高爐的能源利用率提高了9%以上。煉鋼過程也有類似高爐的情況，可以達到負能煉鋼，沒有煉鋼過程中余熱余能的合理利用是不可能的。沒有類似高爐、轉爐煙氣的合理利用，鋼鐵企業(yè)的電能供應是很難達到目前的利用水平的。
另外，內燃機為了充分利用其排出煙氣的余熱余能，添置了增壓器系統(tǒng)，不僅使其熱效率大幅度提高，同時還大大地改善了內燃機的性能。
2)利用下水道水的顯熱(低位余熱)，通過水源熱泵使其溫度提升，替代鍋爐供熱，從而以極少的電能取得較多的熱能供人們取暖。
總之，這樣的例子不勝枚舉，這些都說明：余熱余能的利用，不僅可以使能源得到充分、合理地利用，還可以改善工藝過程及其產品的性能。
余熱余能的利用是能源利用及工藝改進不可缺少的重要環(huán)節(jié)及內容。
余熱余能的利用不僅要重視正常產生的余熱余能的利用，更要重視存在大量火用損失場合的余熱余能的合理利用。
三、余熱余能的潛力分析
余熱余能潛力分析的目的主要是為了更好地利用它，并引起人們的重視。
由于提高余熱余能的利用水平，使更多的、原來無用的余熱余能得到了合理利用，變廢為寶。為了正確地提高余熱余能的利用水平，更好地挖掘其潛力，必須有一個合理的分析方法及原則。
過去，人們多以熱力學第一定律來考慮能量的平衡與利用，通過建立熱平衡關系來分析問題。
這樣在實際工作中雖然也取得了大量的成績，但卻忽略了很重要的問題：不僅該有的潛力未能發(fā)現(xiàn)，也不能在某些情況下正確地選用余熱余能的利用措施。
例如用天然氣鍋爐燒蒸汽與美寶爐烘干物料等的高位低用，浪費了大量的火用，使燃料的高位能白白浪費，變成了相應的低位熱。
從第一定律的熱平衡看，系統(tǒng)已無利用的潛力，但從火用平衡角度而言，其回收的潛力則很大。所以，目前應同時考慮熱力學第一、第二定律，不僅要考慮熱平衡，更要考慮火用平衡。
即不僅要考慮能源量的大小，同時還要考慮能源質的差異。為此，要求我們在余熱余能的利用過程中，充分地考慮能的梯級利用，實現(xiàn)“溫度對口、梯級利用”及“品位對口、梯級利用”。
這樣不僅可以全面地看到其可利用潛力，還可以為其合理利用指出正確的方法、措施。
現(xiàn)結合能源利用數(shù)量比較多的行業(yè)進行分析說明如下：
1、電力行業(yè)
目前，我國的能源有30%左右被電力行業(yè)利用了，其中主要為煤炭。
上世紀末，發(fā)電系統(tǒng)的熱效率為35%左右，經過十余年的大力發(fā)展，我國發(fā)電的總裝機容量為12.5億千瓦左右。
大型火電廠以60萬千瓦的、高參數(shù)的大機組為主力軍，其中火電占了8.5億千瓦左右。系統(tǒng)熱效率達到了40%左右，最高達到了44%左右。而發(fā)達國家已經將火力發(fā)電系統(tǒng)的熱效率提升至60~70%左右，并且CO2達到零排放。
為什么我們國家過去和現(xiàn)在的系統(tǒng)熱效率低于發(fā)達國家20%左右?
這里的主要問題是我們缺乏從火用平衡及其相關原則的角度去考察問題，當然也與我國的能源結構以煤為主有關。要想解決問題，必須從新的理念出發(fā)。
從熱平衡來看，火力發(fā)電的損失大部分是鍋爐的排煙損失及汽輪機冷凝損失的余熱給帶至大氣，我國火電效率再提高已十分困難;但如果從火用平衡的角度思考問題，只要設法降低鍋爐的燃燒火用損失及其相關的傳熱火用損失，在系統(tǒng)中充分地注意高位高用，合理集成，這樣一來火用(熱)效率也會大大提升。
因為火用損失部分被利用，發(fā)電后的熱損失也相應地下降，滿足了熱平衡的要求，所以相關的熱損失也會相應地降低。發(fā)達國家煤電系統(tǒng)發(fā)電效率達到60%左右，這個過程即是一項合理利用余熱余能的典型。
也就是說，如果我們改變理念，以創(chuàng)新的視角來改造我們的發(fā)電系統(tǒng)，我國發(fā)電系統(tǒng)尚有20%以上的利用潛力。也就是說目前從熱平衡角度而言，余熱損失可降低20%以上。
火電發(fā)電過程的發(fā)電效率的提高，表現(xiàn)為降低了的余熱余能，而上述目標實際上是將高位火用損失在改善過程中正確、合理利用的結果。
2、鋼鐵及有色冶金產業(yè)
鋼鐵及有色冶金產業(yè)不僅是一個耗能大戶，實際上還是我國制造業(yè)的重點行業(yè)，目前鋼鐵行業(yè)一年的總產能約為9億噸，是全世界的首位，占世界總量的50%以上，有色冶金行業(yè)也不例外。
雖然，在目前的產業(yè)結構調整中，可能會有大幅度地下降，但其基本格局不會有大的變化。
因為其投入太大、影響也大，鋼鐵行業(yè)在產能過剩的壓力下，十分重視相關的余熱余能的利用，進行了大量的節(jié)能技改。
例如，大力推進余熱余能的煤氣發(fā)電、干熄熱發(fā)電、余熱發(fā)電、廢鍋汽輪機發(fā)電、燃氣蒸汽輪機聯(lián)合發(fā)電等。
某鋼鐵公司，設計規(guī)模僅800萬噸/年，其余熱余能的發(fā)電能力就有48萬千瓦，占自用電比例高達75%以上。如果繼續(xù)進行深度改造，還有十余萬千瓦的潛力。如果我國的鋼鐵行業(yè)按此規(guī)模進行考慮，僅發(fā)電即有5000萬千瓦左右的裝機潛力，發(fā)電能力也會達到3500萬千瓦左右。
過去煉鋼的鋼水要先澆鑄成鋼錠，使之冷卻放出余熱;為了軋鋼又要加熱至1000℃以上再行軋制。但隨著連鑄技術的出現(xiàn)，即煉鋼以后直接軋制，冷卻余熱的合理利用使其效率提高了10%左右，為煉鋼系統(tǒng)實現(xiàn)負能冶煉出力最大。
鋼鐵行業(yè)的大型流體設備(風機、泵類、壓縮機等)利用十分廣泛，能耗也十分巨大，但是由于匹配不合理產生的節(jié)流損失以及冷卻加熱不合理的損失等浪費的能量極大。如以上述800萬噸/年的鋼廠為例，其余能的節(jié)約量約在20億千瓦時左右。
總之，鋼鐵與有色冶金產業(yè)既是我國的重要產業(yè)，又是世界的首戶，其余熱余能的潛力均在20%以上，余熱余能的數(shù)量、比例較大，節(jié)能的潛力也較大。
3、石油化工行業(yè)
這里講的石油化工行業(yè)是泛指：包括石油、石化、基礎化工、常規(guī)化工、化肥、醫(yī)藥等行業(yè)的綜合，也是我國最重要的制造產業(yè)之一，能源消耗較多的產業(yè)之一。
據不完全統(tǒng)計，上述行業(yè)的總能耗約占全國總能耗的20%以上。在上述行業(yè)中，由于化學反應是其基本的生產過程，這樣即出現(xiàn)了大量的余熱余能。
此行業(yè)與鋼鐵行業(yè)類似，具有大量的余熱余能，可以用來發(fā)電。
例如，硫酸生產過程中的工質溫度約在1000℃左右(過去利用較少)，目前僅能用來產生中壓蒸汽。但從火用損失角度分析而言，完全可以用來產生10MPa，540℃左右的蒸汽，這樣發(fā)電能力即可能增加40%以上。
大量的化工產品需要烘干，為此相當多的企業(yè)采用以天然氣或煤燃燒后的煙氣直接烘干，這樣一來高位能即隨著過程的排煙余熱而損失掉了，利用率極低。
如果合理利用，采用燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)或熱電聯(lián)產，上述經余熱帶走能量(煙氣)中的30%可能被回收?；ば袠I(yè)是電能消耗最大的行業(yè)，流體機械的數(shù)量及能耗都是各行業(yè)之首，這里的節(jié)流損失、不合理的冷卻及加熱損失、布置位置不合理產生的不必要流阻損失約占其總電耗的28%以上。
目前由于采用了各種調速、合理匹配等措施，回收了大約15%以上的電能。但仍有大量的設備由于各種原因，未能回收這部分余能。石化行業(yè)為了工藝的需要消耗數(shù)以億噸/小時的蒸汽，但是由于裝置及系統(tǒng)的問題，真正有效的利用僅50%左右，大量的熱能隨著過程的進行，損失在過程傳輸與使用不合理之中。
如能合理回收，大約有30%左右的量可能被回收。為了輸送天然氣、石油，必須加壓，從而消耗了大量的電能及其它形式的能量。
在使用時又產生了大量的節(jié)流或排放損失。目前出現(xiàn)的壓差發(fā)電系統(tǒng)是解決上述問題的好方法之一。
——在采油采氣過程中，耗費了大量的電能或其它形式的能量，注氣、注水以后又變成了余壓余能。如何利用這部分余壓余能，值得人們研究。
——石化系統(tǒng)的各種產品主要是各種油品、天然氣，除了供給化工、交通、軍工、其它系統(tǒng)外，相當一部分用于鍋爐燃燒產生蒸汽等。這種形式存在嚴重的高位低用，產生了大量的高位余能(火用損)。
目前全國尚有天然氣、油鍋爐10萬余臺，能耗1億噸標煤/年左右。這部分高位余能如能合理利用，可以多回收電能約80億度/年。
4、煤炭行業(yè)
對我國而言，煤炭行業(yè)具有特殊地位。2010年以前，我國能耗的70%以上由煤炭來承擔。
由于節(jié)能減排的需要，近年來我國大力開發(fā)石油、天然氣及其它可再生能源，煤炭的比例在縮小，但總量并未減少。
煤炭行業(yè)的能耗并不太高，但在開發(fā)過程中，也有大量的煤層氣(余能)及瓦斯氣大量的隨行產出，但這部分余能的利用水平不高，其潛力很大。
5、建筑、機械制造及其它行業(yè)
建材行業(yè)中，特別是水泥生產中，消耗了大量的能源，同時也排放了大量的余熱。對這部分余熱的利用，近年來作出了較突出的成績。
另外，玻璃行業(yè)等均有大量余熱余能可以被重視。目前為此也建立了很多相關的余熱發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電能力達到160萬千瓦左右。
機械制造行業(yè)是一個十分廣泛的行業(yè)，在此行業(yè)中有大量的各種類型的熔煉爐、加熱爐和使用蒸汽的工藝設備，其煙氣、蒸汽余熱余能大量存在。
另外，食品行業(yè)需要大量的蒸汽和各種小型鍋爐，產生了大量的高溫煙氣和蒸汽余熱。
目前，由于量少、十分分散，利用十分困難，所以其利用的程度十分低下。
按照以上行業(yè)的余熱余能總量來看，其可用潛力目前約為總能耗的20%左右，數(shù)量十分龐大，應引起高度重視。
總之，凡是用能(電、功、熱等)地點都會有不同形式的余熱余能存在。凡是利用不充分的工藝過程，都大量存在著能的不同程度的降位，即由電、功變?yōu)闊?，或者由高位的蒸汽變?yōu)闊崴驘崴鋮s散熱至大氣的過程。這樣說來，凡是降位的能源的運行過程中，未被有效利用的能量就是余熱余能。
目前，各種工藝過程的能源有效利用水平都在50%左右，所以余熱余能的總量約占了實際能耗的50%左右。考慮到其它資源在利用的過程中，也會產生余熱(如硫酸生產過程)，所以余熱余能可用潛力應在20%以上。對具體項目而言，至于能回收多少?
如果按照熱的火用平衡及火用效率原理，其數(shù)量據不完全統(tǒng)計，也在總能耗的20%以上。余熱余能的潛力及總量愈大，說明能源的利用水平愈低。
我們的目標是通過余熱余能的合理利用，使其總量及潛力愈小，說明我們對能源的利用有了較好的利用與提高。
四、余熱余能合理利用的原則及主要途徑
在分析余熱余能的利用問題期間，必須明確以下的認識與原理：余熱余能與生產工藝、能源利用過程的關系十分密切，它們伴生于生產工藝、能源利用過程之中。
因而，它們的來源品位有高低之分，不能簡單地認為只包括低位余熱余能。它們的產生是由工藝及能源轉換過程進行的不完善而產生的各種損失(這里包括燃燒損失、傳熱損失、傳遞損失、化學不完善損失、散熱損傷、摩擦損失、漏失損失等)所造成。
所以為了合理利用這部分余熱余能，則要與上述原因相結合的系統(tǒng)及過程特點相聯(lián)系。
環(huán)保的惡化與工藝與能源轉換過程相關，它是影響人們身體健康、生態(tài)變化的重要因素。過去是先污染后治理，效果并不盡如人意，不僅給社會帶來了巨大的投入與壓力，還給人們帶來的是一種難以回避的災難。
為此，人們在長期探索與研究中找到了一種最有效的治理方法，即：工藝、能源、環(huán)境治理一體化的原則，即在工藝及能源轉換利用過程中一體化地統(tǒng)一解決。
余熱余能的利用與治理，也與工藝、能源轉化過程密切相關。它們利用的好壞直接影響著、標志著能源利用的好壞。
如果對已經表現(xiàn)出的余熱余能僅采用簡單的方法來治理、利用，對能源合理利用的收益并不大。只有按照相關系統(tǒng)火用損失的特點，去系統(tǒng)地考慮其利用的方法及措施，方能取得灼人的成就。
例如，用天然氣來燒熱水或蒸汽，僅僅利用了轉換過程的余熱，僅能回收的熱效率為10%左右，火用效率僅1~2%。在這個過程中，出現(xiàn)了能量的高位低用，系統(tǒng)火用損失很大。
如果采用天然氣蒸汽聯(lián)合電熱系統(tǒng)，系統(tǒng)的火用效率即可提高30%以上。余熱余能利用的目的在于提高總系統(tǒng)的能源利用率，所以這種比較一目了然!對于煤燒熱水或蒸汽的系統(tǒng)，則要考慮利用IGCC系統(tǒng)進行回收。
這里也要注意，在考慮余熱余能的利用時，不僅要考慮系統(tǒng)能源利用的優(yōu)劣程度，同時也要考慮投入產出的合理性以及難易程度。對不同條件及大小的項目可以采用不同的方法處理，不能一概而論。
在考慮余熱余能利用時，不能僅以熱效率來分析，解決問題，更要以火用效率來分析、解決問題。
因為，在火用效率與熱效率相同的條件下，根據熱泵工作的原理：COP可以大于1，一般情況多在3~4之間，這樣即可證明用火用效率來分析解決問題，可能取得較好的結果。
當然，這也要視條件而定：如果用量不多，僅僅需要熱水或低壓蒸汽，直接燃燒產生也是可以的。例如，家庭利用的天然氣熱水器，雖然效率很低，相對余熱也很大，但在此條件下也只能如此。
余熱余能是來自于工藝及能源轉換過程，其利用與回收也只能以系統(tǒng)分析的方法來處理。余熱余能利用的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在系統(tǒng)集成方面的創(chuàng)新，即結合特定條件，經過創(chuàng)新提供最佳的集成系統(tǒng)結構，體現(xiàn)熱力學基本定理的梯級利用、綜合利用的原理。