淺析低溫廢熱的綜合利用與有效開發(fā)

2020-02-15 22:03:35

應(yīng)用能源技術(shù) 2020年3期

(北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100080)

0 引言

廢熱，指人類生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的熱能，在利用結(jié)束后排放的部分，又稱為余熱，分為高溫廢熱(高于800 ℃)、中溫廢熱(200～800 ℃)和低溫廢熱(200 ℃以下)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、工業(yè)化程度不斷提高，廢熱排放問題越來越嚴(yán)重。廢熱的排放不僅造成能源浪費(fèi)，而且破壞環(huán)境，影響生態(tài)。例如，火力發(fā)電廠的廢熱排入河水，使水溫升高，降低了水中的溶解氧含量，影響水生動物的生長與繁殖；加速水中富營養(yǎng)化藻種的生長，造成赤潮；水溫的上升還會降低水的粘度，加速水中懸浮物的沉降，使河床抬高，形成懸河，大大增加了水利隱患[1]。隨著世界范圍內(nèi)的能源緊缺，各國正致力于節(jié)能、減排，力爭可持續(xù)的發(fā)展。因此，對各種廢熱進(jìn)行合理利用、有效開發(fā)，刻不容緩，意義重大。

1 火力發(fā)電廠廢熱的利用

火力發(fā)電廠中，燃料燃燒所產(chǎn)生總熱量僅40%轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽Ｏ?0%都成為廢熱。廢熱分為兩個部分，一部分是由循環(huán)水帶走的蒸汽余熱，另一部分是燃煤鍋爐煙氣的熱量。

由于火力發(fā)電廠規(guī)模大，集中且固定，它的廢熱利用目前被研究較多且成果豐碩。全國已經(jīng)有16%的火力發(fā)電廠實(shí)施了廢熱利用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。火力發(fā)電廠廢熱主要有以下幾種利用方式：

(1) 用于供暖

冬季火力發(fā)電廠循環(huán)水的溫度一般為20至35 ℃，而城市集中供暖需要90 ℃的熱水。所以火電廠循環(huán)水用于城市居民供暖需要使用熱泵來提高溫度。

假設(shè)有一個理想熱泵從30 ℃(303 K)的發(fā)電廠循環(huán)水吸收熱量，用于加熱90 ℃(363 K)的供暖熱水，工作物質(zhì)為理想氣體，做卡諾逆循環(huán)，則致冷系數(shù)為：

每輸入1 J的功，理想熱泵可以從發(fā)電廠循環(huán)水中提取出5.05 J熱量，向供暖熱水釋放6.05 J熱量。如果不使用火力發(fā)電廠循環(huán)水，而是從-10 ℃(263 K)的大氣中吸收熱量，則致冷系數(shù)為：

在這種情況下，每輸入1 J的功，只能從大氣中吸收2.63 J能量，為供暖熱水提供3.63 J熱量。所以，與直接從大氣提取熱量相比，利用火力發(fā)電廠的廢熱可以使能量效率提高67%。

實(shí)際情況下，熱泵可以選擇壓縮式熱泵和吸收式熱泵。

壓縮式熱泵的原理與空調(diào)和電冰箱類似，工作物質(zhì)初始時為氣態(tài)，先被絕熱壓縮，再等壓降溫并液化，向高溫?zé)嵩捶懦鰺崃浚缓蠊?jié)流膨脹，最后在低壓下汽化，從低溫?zé)嵩次諢崃俊嚎s式熱泵需要大量的電能。

吸收式熱泵一般使用溴化鋰溶液和水作為工作物質(zhì)。以一個高溫?zé)嵩醋鳛轵?qū)動力，將大量熱量從低溫?zé)嵩?火力發(fā)電廠循環(huán)水)提升到中溫?zé)嵩?供暖熱水)中，耗電量極少。由于火力發(fā)電廠鍋爐本身就產(chǎn)生高溫蒸汽，可以分出一小部分用作高溫?zé)嵩矗帐綗岜梅浅＿m合于火力發(fā)電廠的廢熱利用[3]。

(2)用于海水淡化

對于沿海地區(qū)，尤其是在淡水資源匱乏的沙漠地區(qū)來說，如果能夠利用火力發(fā)電廠70 ℃的低品位蒸汽作為熱源，使用低溫多效蒸餾法淡化海水，將產(chǎn)生不錯的效益。

具體原理是設(shè)置多級蒸餾，在第一級蒸發(fā)器中用70 ℃蒸汽加熱海水，使海水蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入第二級加熱海水，自身被冷凝成淡水。第二級產(chǎn)生的蒸汽又進(jìn)入第三級。通過這種方式實(shí)現(xiàn)對蒸汽余熱盡可能完全的利用[4]。

與目前海水淡化常用的反滲透法相比，低溫多效蒸餾法的優(yōu)勢在于方便維護(hù)且成本低廉。因?yàn)榈蜏囟嘈д麴s法直接使用火電廠的低品位蒸汽廢熱，而反滲透法需要對海水施加較大壓強(qiáng)使其通過反滲透膜，而反滲透膜需頻繁更換且價格昂貴。

(3)作為火力發(fā)電廠煙氣脫硫廢水蒸發(fā)濃縮的熱量來源[5-6]

目前火力發(fā)電廠大多采用石灰石-石膏法去除燃煤廢氣中的二氧化硫。其原理是將廢氣通入石灰石漿料中，鼓入空氣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為石膏[7]：

2CaCO3+2SO2+O2=2CaSO4+2CO2

隨著脫硫漿液循環(huán)利用，廢氣中含有的氮氧化物、金屬鹽類溶解在漿液中，日積月累，漿液達(dá)不到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

如果用火力發(fā)電廠循環(huán)水來加熱脫硫漿液，蒸發(fā)結(jié)晶，不僅可以減少污染排放，而且可以富集廢氣中的分散元素，例如Ge。但是，需要注意，由于脫硫漿液含有大量的硫酸鈣，容易形成水垢，降低傳熱效率，應(yīng)定期清理水垢。

2 中央空調(diào)的廢熱利用

中央空調(diào)主要用于豪華酒店、商業(yè)購物中心、大型寫字樓、火車站、醫(yī)院等場所，是名副其實(shí)的耗能大戶。一般建筑總能耗中，中央空調(diào)能耗約占50%，商場的中央空調(diào)能耗更是占到60%以上[8]。

(1) 用于商業(yè)干衣

酒店、商場、醫(yī)院常常設(shè)置了商業(yè)洗衣房，需要洗滌大量的衣物、床上用品，可以用中央空調(diào)廢熱進(jìn)行烘干作業(yè)。這種方案利用了溫度越高，空氣流速越快，液體的蒸發(fā)速率越快的原理。

為了估計(jì)水的蒸發(fā)速率隨溫度的變化，假設(shè)有一個半徑為r的球形水滴，水滴與空氣的界面上達(dá)到相平衡的速度足夠快，即近處水蒸汽的分壓始終等于水在當(dāng)前溫度下的飽和蒸氣壓ps。遠(yuǎn)處空氣的相對濕度為φ。水蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為D，水滴的蒸發(fā)速率(單位時間蒸發(fā)的質(zhì)量)為W，水的相對分子質(zhì)量為M。

水滴近處水蒸汽的密度為：

水滴遠(yuǎn)處水蒸汽的密度為：

以水滴中心為球心，作一個半徑為x(x>r)的球面。由于整個體系是球?qū)ΨQ的，該球面上各處的粒子流密度大小相等，方向垂直于球面向外。根據(jù)菲克擴(kuò)散定律，單位時間內(nèi)通過該球面的水蒸汽質(zhì)量為：

由此得到距離水滴中心x處的水蒸汽密度梯度為：

水滴近處與遠(yuǎn)處的密度差為：

由此得到水滴的蒸發(fā)速率為：

水在溫度T下的飽和蒸氣壓為：

其中，Lm是水的摩爾汽化熱，為4.07×104J/mol。

水蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)D與溫度的1.5次方成正比，設(shè)比例系數(shù)為a，則：

D=aT1.5

代入蒸發(fā)速率表達(dá)式得到：

當(dāng)室外溫度從35 ℃(308 K)上升至46 ℃(319 K)時，蒸發(fā)速率增長了：

=1.76倍

也就是說，使用中央空調(diào)的廢熱進(jìn)行商業(yè)干衣，比簡單地晾在室外節(jié)省43%的時間。實(shí)際上由于空調(diào)外機(jī)加速空氣流動，蒸發(fā)速率還會更快。

(2) 提供熱水

學(xué)生宿舍、酒店等集中住宿場所，熱水的需求量很大，如果用中央空調(diào)的廢熱提供熱水，則可以降低能耗。由于一般的中央空調(diào)廢熱為32～37 ℃，而生活熱水需要50～60 ℃的水溫，可以用一部分廢熱預(yù)熱冷水，另一部分廢熱將水繼續(xù)加熱至所需溫度，可以最大限度地利用廢熱，但是這種方案管路、設(shè)備、控制系統(tǒng)較復(fù)雜，實(shí)施難度較大。另一種方案是先用中央空調(diào)廢熱預(yù)熱，再用電能加熱至生活熱水所需溫度。以一棟500間客房的酒店為例，如果用廢熱提供熱水，每年可以節(jié)省1.9×106kWh能耗，節(jié)約90萬元[9]。

3 數(shù)據(jù)中心的廢熱利用

隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越大，數(shù)據(jù)中心的散熱問題也越來越嚴(yán)重，數(shù)據(jù)中心的冷卻能耗已經(jīng)占到總能耗的45%～50%。為了降低冷卻成本，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)想出了各種方法：Facebook在氣候寒冷的丹麥建設(shè)數(shù)據(jù)中心[10]。微軟將數(shù)據(jù)中心潛入海底，利用海水冷卻[11]。貴州也打出“電價低廉，溫度適宜”的招牌，吸引蘋果、阿里巴巴等企業(yè)來貴州建立數(shù)據(jù)中心。

這些冷卻方法雖然節(jié)約了成本，但是并沒有把廢熱收集起來，進(jìn)行有效利用。于是有人設(shè)計(jì)出了以計(jì)算機(jī)服務(wù)器為熱源的熱水系統(tǒng)，通過微通道換熱器將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量傳遞給供暖熱水[12]。北京市的數(shù)據(jù)中心如果全部應(yīng)用此系統(tǒng)，總計(jì)可以提供1 517 MW熱量，可供暖面積為4 336萬平方米，每年能節(jié)省13億元的燃料費(fèi)用[13]。

但是，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)并沒有太大動力去建造廢熱利用設(shè)施。以英國為例，數(shù)據(jù)中心1 kW·h時的電能價格為0.17便士，卻可以產(chǎn)生130便士的商業(yè)價值，是電價的765倍[14]。廢熱利用帶來的效益與數(shù)據(jù)中心所提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的效益相比可以忽略不計(jì)。而且，數(shù)據(jù)中心在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段必須與城市規(guī)劃相配合，選址在居民區(qū)附近，并接入供熱管網(wǎng)，否則數(shù)據(jù)中心建成后將會面臨熱量無處可供的局面[13]。

4 結(jié)束語

以上各種方法，都是將廢熱輸送給需要熱量的地方。除此之外，經(jīng)過科學(xué)家的不懈研究，低溫廢熱發(fā)電已經(jīng)取得了顯著的成果。目前已經(jīng)有回收60℃以上廢熱的發(fā)電系統(tǒng)，在造紙、冶金等行業(yè)得到應(yīng)用。

還有很多工業(yè)領(lǐng)域，例如電鍍行業(yè)、食品行業(yè)、石化行業(yè)的廢熱利用方法與上述方法大同小異，能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，替代不可再生能源。