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余熱利用

低品位余熱利用技術(shù)的研究現(xiàn)狀、困境 和新策略

  0 引言
 
  能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟發(fā)展的原動力。但2008 年金融危機為世界能源市場帶來了一場巨大的考驗，受其影響，全球一次能源需求增速放緩。現(xiàn)行能源政策受到了嚴重挑戰(zhàn)，如不加以改觀，到21 世紀末全球氣溫可能上升6℃，為了實現(xiàn)全球溫度上升控制在2℃以內(nèi)的目標，低碳能源革命時代必將悄然而至，廉價能源時代則將一去不復返[1]。
 
  隨著經(jīng)濟高速增長，中國的能源消費量與日俱增，現(xiàn)已成為世界上僅次于美國的能源消費大國，其中工業(yè)能源消費量占總消費量的70％以上[2]。中國政府于2008 年哥本哈根會議前夕提出節(jié)能減排目標：到2020 年，單位GDP 二氧化碳排放比2005 年下降40％~45％， 非化石能源消費占一次能源消費的比重達15％左右，森林面積比2005 年增加4000 萬hm2，森林蓄積量比2005 年增加13 億m3（圖1）[3]。中國是以煤炭為基本能源的國家，煤炭比重長期保持在65%以上，而非化石能源占一次能源消費的比重僅約8%，因此面對環(huán)境污染、資源和能源短缺等硬性約束， 必須尋求新的能源發(fā)展道路，才有可能突破經(jīng)濟增長的“瓶頸”。
 
  目前，中國能源利用率僅為約30%，大量余熱以各種形式被排放到大氣中，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例不足8%。因此，回收利用余熱在提高中國一次能源利用率方面具有舉足輕重的作用。目前，中國回收利用的余熱主要來自高溫煙氣的顯熱和生產(chǎn)過程中排放的可燃氣，中低溫余熱（即低品位余熱）基本上還沒有回收[4]。相對于煤、石油、天然氣等高品位能源而言， 低品位余熱在相同單位內(nèi)包含的能量很低，利用難度大。但從能源利用的格局來看，低品位余熱將作為產(chǎn)能和用能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 對節(jié)能減排的戰(zhàn)略起到重要作用。現(xiàn)有的低品位余熱的回收利用中普遍采用水冷介質(zhì)，受到水資源、運輸、地域等多方面的限制，一定程度上阻礙了余熱的大規(guī)模應(yīng)用。2010 年初，中國南方多省市及東南亞多個國家和地區(qū)遭受嚴重旱災，使這一問題顯得尤為突出。因此，尋找可重復利用的新型無水高效傳熱介質(zhì)是推進低品位余熱利用的關(guān)鍵所在。本文在回顧國內(nèi)外低品位余熱利用方面的研究進展并評述其所面臨困境的基礎(chǔ)上，提出并論述了采用室溫金屬流體實現(xiàn)大規(guī)模余熱利用的具有一定普遍意義的全新解決策略。
 
  1 工業(yè)余熱利用概況
 
  工業(yè)余熱主要指工礦企業(yè)熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備及用能設(shè)備在生產(chǎn)過程中排放的廢熱、廢水、廢氣等低品位能源，利用余熱回收技術(shù)將這些低品位能源加以回收利用，提供工業(yè)、生活熱水或者為建筑供熱， 不僅可以減少工業(yè)企業(yè)的污染排放，還可以大幅度降低工業(yè)企業(yè)原有的能源消耗[5]。
 
  工業(yè)余熱資源十分豐富且廣泛存在于各種生產(chǎn)過程中，特別在煤炭、石油、鋼鐵、化工、建材、機械和輕工等行業(yè)更是如此（圖2），被視為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第5 大常規(guī)能源。在中國，各主要工業(yè)部門的余熱資源率平均達7.3%，而余熱資源回收率僅34.9%，回收潛力巨大[6]。因此，充分利用余熱資源是實現(xiàn)工業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的主要手段之一。
 
  1.1 石油行業(yè)
 
  目前，中國油田采出水總量在幾億立方米以上，常規(guī)油田采出水溫度為38~43℃， 稠油油田采出水溫度為60~65℃，蘊藏著大量的熱能資源[7]。面對余熱回收利用的巨大潛力，許多油田進行了積極的探索，如大慶、遼河等油田將熱泵回收采出水余熱技術(shù)用于站內(nèi)生活采暖，并提取采出水中的余熱用于油水分離及原油輸送過程的加熱，收到明顯的經(jīng)濟和社會效益[8]。隨著原油價格上漲及能量優(yōu)化研究的深入，煉油工業(yè)中低溫余熱的回收利用也越來越受到重視，正成為煉廠節(jié)能的重點方向之一[9]。
 
  1.2 鋼鐵行業(yè)
 
  鋼鐵企業(yè)余熱的主要來源有焦炭及燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐、加熱爐的煙氣[10]，采用余熱鍋爐對這些煙氣進行冷卻，可以回收大量的蒸汽，這些蒸汽可用于發(fā)電、采暖等生產(chǎn)、生活領(lǐng)域。從圖3可以看出，鋼鐵企業(yè)的各工序的余熱回收利用潛力都在30%以上，而余熱資源總量相當大，可見實現(xiàn)余熱回收具有十分廣闊的前景。
 
  1.3 水泥行業(yè)
 
  水泥窯存在大量的余熱，窯尾一級預熱器排出的廢氣帶走的熱損失和窯頭冷卻機廢氣帶走的熱損失占總熱量的近50％。水泥窯的余熱除了工藝自身利用外，還有很大一部分熱量，一般將其用于余熱發(fā)電，目前廣泛采用的是純低溫余熱發(fā)電技術(shù)。另外，將余熱轉(zhuǎn)換后供給吸收式制冷機，用于企業(yè)或居民區(qū)的中央空調(diào)，也是一種有效的余熱利用方式。
 
  1.4 其他行業(yè)
 
  除以上各主要高能耗行業(yè)外，余熱利用在汽車、船舶、造紙、紡織、釀酒、橡膠、冶金、鑄造、建材、玻璃窯、陶瓷窯、油脂生產(chǎn)、海水凈化、冷藏冷凍等行業(yè)和領(lǐng)域中也日漸得到重視，出現(xiàn)了許多與生產(chǎn)相結(jié)合的余熱利用方法。
 
  2 最新研究進展和困境
 
  2.1 研究進展
 
  2.1.1 吸收式系統(tǒng)
 
  溴化鋰吸收式熱泵在工廠余熱回收中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，它可以回收利用工廠低溫余熱熱源的熱量，將低品位熱轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺粺幔瑥V泛應(yīng)用于有余熱資源或有低溫熱源的石油、石化、制藥、釀造和鋼鐵等行業(yè)[12]。另外，在煉油工業(yè)、天然氣和熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)中，可以配置吸收式系統(tǒng)實現(xiàn)對各種低溫余熱的高效利用。
 
  2.1.2 吸附式系統(tǒng)
 
  吸附式制冷技術(shù)作為一種余熱利用的新技術(shù)，其研究開發(fā)正日益成熟。它可以將太陽能或余熱等低品位熱源作為驅(qū)動熱源，采用對環(huán)境友好的工質(zhì)對，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，一次性投資少，運行費用低，使用壽命長，無運動部件，無噪音，無環(huán)境污染，特別適用于有大量低品位余熱排放的工業(yè)過程及有頻繁震動的移動機械上。
 
  2.1.3 新型材料
 
  針對冶金、玻璃、水泥、陶瓷等行業(yè)中高能耗的窯爐，回收煙氣余熱的傳統(tǒng)做法是利用耐火材料的顯熱熔變化來儲熱，這種儲熱設(shè)備的體積大、儲熱效果不明顯。改用相變儲熱材料，是研究較為廣泛的一種方法[14-17]，這樣儲熱設(shè)備體積可減小30%~50%[18]，還可起到穩(wěn)定運行的作用。目前正在研究的新型相變材料有潛熱型功能熱流體、納米復合相變儲能材料、定型相變蓄能材料和無機鹽/陶瓷基復合相變蓄能材料等[17]。
 
  采用熱電材料進行溫差發(fā)電，也是工業(yè)余熱的一個應(yīng)用領(lǐng)域，如利用煉鋼高爐等工業(yè)廢熱和利用汽車發(fā)動機的余熱進行溫差發(fā)電。文獻[19]通過模型證明了采用熱電材料將余熱直接轉(zhuǎn)換成熱，理論上可以到達卡諾循環(huán)效率的40%。
 
  另外，金屬氫化物在空調(diào)、供熱方面的應(yīng)用也逐漸引起人們的重視[20]。
 
  2.1.4 熱管技術(shù)
 
  熱管是一種由管殼和工質(zhì)組成的高效導熱元件，以相變（蒸發(fā)與凝結(jié)）換熱作為傳熱的主要方式，具有傳熱能力大、溫度控制能力強、傳熱效率高等特點。現(xiàn)在熱管換熱器已在電力、冶金、石化、玻陶、電子、輕工等行業(yè)的余熱回收領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在鋼鐵企業(yè)中，有別于以往煙氣通過各種換熱器和余熱鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽或者熱水進行熱利用的方式，熱管廢熱發(fā)生器能夠直接利用煙氣余熱[21]。
 
  2.1.5 熱聲技術(shù)
 
  熱聲熱機是通過熱聲效應(yīng)實現(xiàn)熱能與聲能的相互轉(zhuǎn)化的裝置。從聲學角度來說，熱聲效應(yīng)是由于處于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩的流體之間相互作用，使得距固體壁面一定范圍內(nèi)沿著（或逆著）聲傳播方向產(chǎn)生一個時均熱流，并在這個區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生或者吸收聲功的現(xiàn)象[22]。熱聲熱機可利用低品位熱源， 將難以利用的余熱（如鋁電解槽中槽殼側(cè)部溫度為300℃的余熱）轉(zhuǎn)化成便于利用的電能，這也是它應(yīng)用到工業(yè)中的立足點。
 
  2.2 困境和展望
 
  盡管眾多先進的技術(shù)在一定程度上推動了余熱利用的發(fā)展，但各自的缺陷也在一定程度上制約了余熱利用技術(shù)的進一步推廣應(yīng)用。在溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)中，溴化鋰對金屬材料有腐蝕性，且會出現(xiàn)結(jié)晶導致?lián)Q熱性能下降甚至換熱器無法正常運行；與吸收式制冷系統(tǒng)相比，吸附式制冷系統(tǒng)不存在結(jié)晶問題，但需要采用風冷、水冷方式進行冷卻，受到風能和水能的制約；各種新型材料在蓄能、熱轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)出優(yōu)良的特性，但是如果不采取合理的散熱，很難達到理想的蓄能和發(fā)電水平；熱管制作工藝，如芯體材料的制備、工質(zhì)封裝等相當復雜，對安裝、維護、工作溫度等有特殊要求，這使其應(yīng)用受到很大限制；利用熱聲技術(shù)進行余熱轉(zhuǎn)化的過程中，需要先將熱源的熱量通過換熱器傳到熱聲介質(zhì)，而常規(guī)的水冷換熱器在運行和維護方面存在一定的不便。
 
  中國工業(yè)余熱回收利用水平雖已有較大提高，但這些余熱利用技術(shù)面臨的障礙，很大程度上限制了中國工業(yè)余熱利用的規(guī)模，致使中國工業(yè)余熱回收利用水平與國際先進水平仍存在較大差距。為突破這一困境，除進一步對相關(guān)技術(shù)進行深入研究，攻克材料性能、封裝工藝等技術(shù)難關(guān)之外，對換熱設(shè)備及換熱工質(zhì)進行改進，也是今后較長時期的一個重要發(fā)展方向。
 
  3 液態(tài)金屬工業(yè)余熱利用技術(shù)———一個全新的領(lǐng)域3.1 液態(tài)金屬余熱利用換熱器技術(shù)的提出和特點在至今所發(fā)展的各種余熱利用方法中，基本上都是以水作為冷卻工質(zhì)。但是能被人們生產(chǎn)和生活利用的水資源不僅短缺而且地區(qū)分布極不平衡，年際差別很大，再加上污染嚴重，造成水資源嚴重不足。中國為此啟動了“引黃工程”、“南水北調(diào)”等水資源利用項目，但是對于這些項目未能惠澤的眾多地區(qū)，尤其是交通不便的偏遠地區(qū)，水源緊缺、運輸困難成為制約其余熱利用技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。因此，發(fā)展非水冷卻工質(zhì)的換熱器成為推廣余熱利用技術(shù)、促進經(jīng)濟發(fā)展的重要課題。劉靜等[23-26]首次將低熔點金屬及其合金流體引入到計算機芯片熱管理領(lǐng)域，從而開啟了旨在解決高端芯片熱障的液態(tài)金屬散熱方法。筆者實驗室前期開展的一系列研究，揭示了室溫金屬流體換熱器高效的傳熱特性和低功耗驅(qū)動優(yōu)勢。實際上，這種先進的傳熱方式，不僅限于以高熱流密度芯片著稱的IT 行業(yè)，在工業(yè)及生活領(lǐng)域隨處可見的大量低熱流密度、低品位熱能傳遞及應(yīng)用上，也可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。
 
  這主要源于液態(tài)金屬散熱技術(shù)所體現(xiàn)出來的一系列獨特價值。
 
  歸納起來，液態(tài)金屬傳熱方式具有如下特點及優(yōu)勢。
 
  1） 適用于換熱器的室溫金屬流體工質(zhì)工作溫區(qū)廣，比如最典型者鎵基合金的最低熔點可達-19℃， 最高沸點則高達2400℃，這使其可用于發(fā)展傳熱性能穩(wěn)定的單相換熱器，從而廣泛適用于大量室溫區(qū)的工業(yè)余熱利用領(lǐng)域。
 
  2） 具有遠高于單相水的對流換熱系數(shù)，這種高效的換熱能力有助于發(fā)展體積緊湊的換熱器。
 
  3） 可采用電磁泵驅(qū)動，無任何機械運動部件，由此發(fā)展的換熱器運行穩(wěn)定可靠且無噪音。
 
  4） 作為金屬介質(zhì)， 液態(tài)金屬傳熱流體可采用電磁泵驅(qū)動，因此換熱器運行無機械損耗，效率高，功耗低，節(jié)能效果明顯。
 
  5） 典型的金屬流體如鎵基合金流體性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不與空氣或水反應(yīng)，無毒性，且飽和蒸汽壓低，不易蒸發(fā)；表面張力大，不易泄漏。
 
  6） 金屬流體成本雖高，但容易回收，在高回收率的情況下液體成本極低，而且金屬流體換熱器維護方便，不涉及水處理及由此可能產(chǎn)生的可能污染問題， 總的運行成本較低，這使其可廣泛用于大量工業(yè)領(lǐng)域。
 
  以上特點，實際上確保了液態(tài)金屬換熱器作為未來一大類優(yōu)質(zhì)換熱器存在的可能。目前，這種新型換熱器在余熱利用領(lǐng)域的普及， 在很大程度上并非是受成本和技術(shù)阻礙，實際上是受到了觀念的制約。
 
  3.2 液態(tài)金屬在工業(yè)領(lǐng)域替換現(xiàn)有工質(zhì)的可行性分析液態(tài)金屬以其出色的換熱性能， 正在IT 行業(yè)嶄露頭角。
 
  在工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)工質(zhì)受到水源、處理、運輸?shù)确矫娴南拗圃絹碓酵怀觯瑢⒁簯B(tài)金屬拓展應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，成為一個可預見的趨勢。為適應(yīng)這一趨勢，對液態(tài)金屬在工業(yè)領(lǐng)域替換現(xiàn)有工質(zhì)水的可行性進行如下分析。
 
  1） 許多金屬的沸點通常非常高，一般大于2200℃，這就保證了液態(tài)金屬在較寬的溫度范圍是真正的單相流體，工作壓力始終保持低位，與水冷相比，避免了流動中壓力的突然變化， 而且因溫度過高導致設(shè)備燒毀的可能性要低得多，從而提高了工作回路的可靠性和安全性，簡化了設(shè)備的設(shè)計和制造，并進一步簡化了設(shè)備的操作。
 
  2） 水的導熱系數(shù)約0.6W/（m·℃）， 而液態(tài)金屬或其合金的導熱系數(shù)比水大幾十倍，           在快速導熱方面比水更具優(yōu)越性。這一性質(zhì)令其在一些核反應(yīng)堆（主要用液態(tài)鈉或鉀作為冷卻介質(zhì)）中表現(xiàn)出色，而且在一些對質(zhì)量要求較高的機械部件（如汽輪機葉片）的制造過程中，熔解鋁可以將其快速冷卻到660℃，從而有效地防止缺陷形成。
 
  3） 在常見的水冷卻系統(tǒng)中， 需要水泵驅(qū)動循環(huán)正常運行，但水泵的可靠性較差，其機械局限性不可忽略，如方向依賴性、活動部件和噪聲等。如果采用電滲透泵，由于電極電勢高，可能會引起水分子的解離。而液態(tài)金屬特有的導電特性可由電磁泵驅(qū)動：當流體流過磁場時，插在液態(tài)金屬中的一對電極引入直流電，通過磁場的電流對液態(tài)金屬產(chǎn)生洛倫茲力，從而推動液態(tài)金屬在冷卻回路中循環(huán)流動。由于電磁泵中無運動部件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，而且電磁泵體積更小，放置位置靈活，使機組更易于小型化，無運動部件的泵結(jié)構(gòu)，也使得泵體功耗大大降低。
 
  4） 水的表面張力是0.072N/m，這一數(shù)值比許多液態(tài)金屬的低，所以與水相比，液態(tài)金屬更不易泄漏，不需要重新充注。另外，雖然許多金屬的質(zhì)量比熱都小于水，但體積比熱卻接近水，如水的體積比熱是4200kJ/（m3·K），而液體鎵的體積比熱為2158kJ/（m3·K），加之其在室溫下蒸汽壓力低、導熱系數(shù)高、工作溫度范圍大，并且與氧氣和水不易發(fā)生化學反應(yīng)，種種優(yōu)點令其非常有希望成為在換熱器中替代水的液態(tài)金屬。例如：鎵不可燃、無毒，其純金屬和大部分天然形成的化合物不溶于水，因此不會被人體皮膚吸收，甚至有研究發(fā)現(xiàn)鎵具有殺菌活性，可用作藥用抗生素[27]，這些特性使鎵較其他大部分液態(tài)金屬更安全；鎵過冷度較大，在遠低于室溫的溫度下，仍可保持液態(tài)，如果將其密封在碳納米管中，甚至在-80℃的低溫下都能保持液態(tài)[28]； 鎵的動力黏度大約是水的1.5 倍，驅(qū)動耗功更小。
 
  5） 與水相比，雖然液態(tài)金屬相對成本較高，但由于其可循環(huán)利用，清潔無污染，維護費用和處理費用遠遠低于水，從而使得液態(tài)金屬換熱器的運行成本大大低于水冷換熱器。而且換熱性質(zhì)卓越的鎵相對較便宜，所以鎵或其合金在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/div>
 
  目前在工業(yè)領(lǐng)域，由于水作為冷卻工質(zhì)的工業(yè)設(shè)備受到較大程度的限制，而液態(tài)金屬長期以來一直在同步加速器和核反應(yīng)堆的冷卻過程中表現(xiàn)卓越，導熱系數(shù)高、單位體積比熱高、運動黏度低、蒸汽壓力低的液態(tài)金屬，尤其是鎵或其合金具有安全無毒的特性， 可以替換現(xiàn)有系統(tǒng)中的水工質(zhì)，從而使換熱器能擺脫對水的依賴。基于這一理念，筆者提出無水換熱器的概念。當前，水資源不足帶來的嚴重問題使得對無水技術(shù)的探索提升到一個新的高度，可以看到，隨著以金屬流體作為高效傳熱介質(zhì)的無水換熱器的推廣應(yīng)用，必將顯著推進相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進步。
 
  3.3 面向工業(yè)應(yīng)用的液態(tài)金屬換熱器研究和應(yīng)用中的關(guān)鍵科學技術(shù)問題
 
  液態(tài)金屬換熱器的研究剛處于起步階段，與任何新技術(shù)面臨的情況類似，存在一些關(guān)鍵科學技術(shù)問題有待突破。
 
  1） 低熔點液態(tài)金屬及其合金流體的研究還不充分，其物理性質(zhì)、溫度效應(yīng)、相變機制、熱物性與組分的關(guān)系等有待進一步研究。
 
  2） 金屬流體流動和傳熱特性的理論建模及試驗方法，強化換熱方案的提出和優(yōu)化，強化換熱極限的預測，新型傳熱機制如室溫金屬與常規(guī)流體基礎(chǔ)傳熱機制異同規(guī)律，以及液態(tài)金屬及其合金在各種流道包括微流道中的強化流動和傳熱關(guān)系式規(guī)律需要揭示。
 
  3） 金屬流體的電磁驅(qū)動方法、復雜多場（電磁場、流場、熱場等）耦合問題的理論建模、數(shù)值計算和預測。
 
  4） 低熔點液態(tài)金屬與基底或管材的相互作用機制，腐蝕規(guī)律的揭示及解決方法。
 
  5） 低熔點金屬合金組成的相圖規(guī)律，室溫金屬流體混合工質(zhì)實現(xiàn)最低熔點、最大強化換熱及最小流動阻力時所對應(yīng)的熱工學規(guī)律。
 
  6） 不同介質(zhì)（如液態(tài)金屬-水混合物，液態(tài)金屬-液態(tài)金屬混合物、液態(tài)金屬-空氣混合物等）的換熱器特性、應(yīng)用形式和應(yīng)用場合，以及與不同余熱利用對象的匹配關(guān)系。
 
  4 結(jié)語
 
  隨著能源形勢日趨嚴峻，節(jié)能減排越來越成為當前工業(yè)及其他部門面臨的重要問題。低品位余熱是節(jié)能減排的重要組成部分，其利用技術(shù)對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護具有深遠影響。但當前余熱利用技術(shù)基本上沿用水作為冷卻工質(zhì)，在偏遠缺水地區(qū)受到較大應(yīng)用限制。為此，筆者提出以液態(tài)金屬代替水用于余熱利用等工業(yè)領(lǐng)域，以實現(xiàn)高效換熱，而且不受空間地域限制。隨著液態(tài)金屬在國民經(jīng)濟各部門的推廣應(yīng)用，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)對應(yīng)調(diào)整，能源體系可能也會隨之發(fā)生變化。在此基礎(chǔ)上，有必要建立專業(yè)研究機構(gòu)，對液態(tài)金屬余熱利用技術(shù)的特性及應(yīng)用進行系統(tǒng)深入地研究，并將其充分應(yīng)用于實踐。此方面工作的推進可望開辟出一個工業(yè)余熱換熱器研究與應(yīng)用的新前沿，發(fā)展出一大類嶄新的以低熔點金屬及其合金流體作為流動傳熱工質(zhì)的高性能無水換熱器系統(tǒng)，通過解決由此引申出的一系列熱物性、流動、傳熱學、換熱器設(shè)計等問題，推動液態(tài)金屬換熱器這一先進學科方向的進展，從而為世界范圍內(nèi)節(jié)能減排的發(fā)展做出貢獻。