低品位余熱利用技術的研究現狀、困境 和新策略

  0 引言

 

  能源是人類賴以生存和發展的重要基礎，也是經濟發展的原動力。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。現行能源政策受到了嚴重挑戰，如不加以改觀，到21 世紀末全球氣溫可能上升6℃，為了實現全球溫度上升控制在2℃以內的目標，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]。

 

  隨著經濟高速增長，中國的能源消費量與日俱增，現已成為世界上僅次于美國的能源消費大國，其中工業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%，因此面對環境污染、資源和能源短缺等硬性約束， 必須尋求新的能源發展道路，才有可能突破經濟增長的“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構中所占比例不足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能和用能的關鍵環節， 對節能減排的戰略起到重要作用。現有的低品位余熱的回收利用中普遍采用水冷介質，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模應用。2010 年初，中國南方多省市及東南亞多個國家和地區遭受嚴重旱災，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是推進低品位余熱利用的關鍵所在。本文在回顧國內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上，提出并論述了采用室溫金屬流體實現大規模余熱利用的具有一定普遍意義的全新解決策略。

 

  1 工業余熱利用概況

 

  工業余熱主要指工礦企業熱能轉換設備及用能設備在生產過程中排放的廢熱、廢水、廢氣等低品位能源，利用余熱回收技術將這些低品位能源加以回收利用，提供工業、生活熱水或者為建筑供熱， 不僅可以減少工業企業的污染排放，還可以大幅度降低工業企業原有的能源消耗[5]。

 

  工業余熱資源十分豐富且廣泛存在于各種生產過程中，特別在煤炭、石油、鋼鐵、化工、建材、機械和輕工等行業更是如此（圖2），被視為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第5 大常規能源。在中國，各主要工業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工業節能減排戰略目標的主要手段之一。

 

  1.1 石油行業

 

  目前，中國油田采出水總量在幾億立方米以上，常規油田采出水溫度為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用于站內生活采暖，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，收到明顯的經濟和社會效益[8]。隨著原油價格上漲及能量優化研究的深入，煉油工業中低溫余熱的回收利用也越來越受到重視，正成為煉廠節能的重點方向之一[9]。

 

  1.2 鋼鐵行業

 

  鋼鐵企業余熱的主要來源有焦炭及燒結、轉爐、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，這些蒸汽可用于發電、采暖等生產、生活領域。從圖3可以看出，鋼鐵企業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，可見實現余熱回收具有十分廣闊的前景。

 

  1.3 水泥行業

 

  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電，目前廣泛采用的是純低溫余熱發電技術。另外，將余熱轉換后供給吸收式制冷機，用于企業或居民區的中央空調，也是一種有效的余熱利用方式。

 

  1.4 其他行業

 

  除以上各主要高能耗行業外，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、海水凈化、冷藏冷凍等行業和領域中也日漸得到重視，出現了許多與生產相結合的余熱利用方法。

 

  2 最新研究進展和困境

 

  2.1 研究進展

 

  2.1.1 吸收式系統

 

  溴化鋰吸收式熱泵在工廠余熱回收中的應用已經越來越廣泛，它可以回收利用工廠低溫余熱熱源的熱量，將低品位熱轉變為高品位熱，廣泛應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[12]。另外，在煉油工業、天然氣和熱電冷三聯供系統中，可以配置吸收式系統實現對各種低溫余熱的高效利用。

 

  2.1.2 吸附式系統

 

  吸附式制冷技術作為一種余熱利用的新技術，其研究開發正日益成熟。它可以將太陽能或余熱等低品位熱源作為驅動熱源，采用對環境友好的工質對，設備結構簡單，一次性投資少，運行費用低，使用壽命長，無運動部件，無噪音，無環境污染，特別適用于有大量低品位余熱排放的工業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、陶瓷等行業中高能耗的窯爐，回收煙氣余熱的傳統做法是利用耐火材料的顯熱熔變化來儲熱，這種儲熱設備的體積大、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]，這樣儲熱設備體積可減小30%~50%[18]，還可起到穩定運行的作用。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電，也是工業余熱的一個應用領域，如利用煉鋼高爐等工業廢熱和利用汽車發動機的余熱進行溫差發電。文獻[19]通過模型證明了采用熱電材料將余熱直接轉換成熱，理論上可以到達卡諾循環效率的40%。

 

  另外，金屬氫化物在空調、供熱方面的應用也逐漸引起人們的重視[20]。

 

  2.1.4 熱管技術

 

  熱管是一種由管殼和工質組成的高效導熱元件，以相變（蒸發與凝結）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。現在熱管換熱器已在電力、冶金、石化、玻陶、電子、輕工等行業的余熱回收領域獲得了廣泛的應用。在鋼鐵企業中，有別于以往煙氣通過各種換熱器和余熱鍋爐轉化為蒸汽或者熱水進行熱利用的方式，熱管廢熱發生器能夠直接利用煙氣余熱[21]。

 

  2.1.5 熱聲技術

 

  熱聲熱機是通過熱聲效應實現熱能與聲能的相互轉化的裝置。從聲學角度來說，熱聲效應是由于處于聲場中的固體介質與振蕩的流體之間相互作用，使得距固體壁面一定范圍內沿著（或逆著）聲傳播方向產生一個時均熱流，并在這個區域內產生或者吸收聲功的現象[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部溫度為300℃的余熱）轉化成便于利用的電能，這也是它應用到工業中的立足點。

 

  2.2 困境和展望

 

  盡管眾多先進的技術在一定程度上推動了余熱利用的發展，但各自的缺陷也在一定程度上制約了余熱利用技術的進一步推廣應用。在溴化鋰吸收式制冷系統中，溴化鋰對金屬材料有腐蝕性，且會出現結晶導致換熱性能下降甚至換熱器無法正常運行；與吸收式制冷系統相比，吸附式制冷系統不存在結晶問題，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、熱轉換方面表現出優良的特性，但是如果不采取合理的散熱，很難達到理想的蓄能和發電水平；熱管制作工藝，如芯體材料的制備、工質封裝等相當復雜，對安裝、維護、工作溫度等有特殊要求，這使其應用受到很大限制；利用熱聲技術進行余熱轉化的過程中，需要先將熱源的熱量通過換熱器傳到熱聲介質，而常規的水冷換熱器在運行和維護方面存在一定的不便。

 

  中國工業余熱回收利用水平雖已有較大提高，但這些余熱利用技術面臨的障礙，很大程度上限制了中國工業余熱利用的規模，致使中國工業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，除進一步對相關技術進行深入研究，攻克材料性能、封裝工藝等技術難關之外，對換熱設備及換熱工質進行改進，也是今后較長時期的一個重要發展方向。

 

  3 液態金屬工業余熱利用技術———一個全新的領域3.1 液態金屬余熱利用換熱器技術的提出和特點在至今所發展的各種余熱利用方法中，基本上都是以水作為冷卻工質。但是能被人們生產和生活利用的水資源不僅短缺而且地區分布極不平衡，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”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，尤其是交通不便的偏遠地區，水源緊缺、運輸困難成為制約其余熱利用技術發展的關鍵問題。因此，發展非水冷卻工質的換熱器成為推廣余熱利用技術、促進經濟發展的重要課題。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域，從而開啟了旨在解決高端芯片熱障的液態金屬散熱方法。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動優勢。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，在工業及生活領域隨處可見的大量低熱流密度、低品位熱能傳遞及應用上，也可以發揮關鍵作用。

 

  這主要源于液態金屬散熱技術所體現出來的一系列獨特價值。

 

  歸納起來，液態金屬傳熱方式具有如下特點及優勢。

 

  1） 適用于換熱器的室溫金屬流體工質工作溫區廣，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℃，這使其可用于發展傳熱性能穩定的單相換熱器，從而廣泛適用于大量室溫區的工業余熱利用領域。

 

  2） 具有遠高于單相水的對流換熱系數，這種高效的換熱能力有助于發展體積緊湊的換熱器。

 

  3） 可采用電磁泵驅動，無任何機械運動部件，由此發展的換熱器運行穩定可靠且無噪音。

 

  4） 作為金屬介質， 液態金屬傳熱流體可采用電磁泵驅動，因此換熱器運行無機械損耗，效率高，功耗低，節能效果明顯。

 

  5） 典型的金屬流體如鎵基合金流體性質穩定，常溫下不與空氣或水反應，無毒性，且飽和蒸汽壓低，不易蒸發；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領域。

 

  以上特點，實際上確保了液態金屬換熱器作為未來一大類優質換熱器存在的可能。目前，這種新型換熱器在余熱利用領域的普及， 在很大程度上并非是受成本和技術阻礙，實際上是受到了觀念的制約。

 

  3.2 液態金屬在工業領域替換現有工質的可行性分析液態金屬以其出色的換熱性能， 正在IT 行業嶄露頭角。

 

  在工業領域，傳統工質受到水源、處理、運輸等方面的限制越來越突出，將液態金屬拓展應用于工業領域，成為一個可預見的趨勢。為適應這一趨勢，對液態金屬在工業領域替換現有工質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，簡化了設備的設計和制造，并進一步簡化了設備的操作。

 

  2） 水的導熱系數約0.6W/（m·℃）， 而液態金屬或其合金的導熱系數比水大幾十倍，           在快速導熱方面比水更具優越性。這一性質令其在一些核反應堆（主要用液態鈉或鉀作為冷卻介質）中表現出色，而且在一些對質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中， 需要水泵驅動循環正常運行，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。而液態金屬特有的導電特性可由電磁泵驅動：當流體流過磁場時，插在液態金屬中的一對電極引入直流電，通過磁場的電流對液態金屬產生洛倫茲力，從而推動液態金屬在冷卻回路中循環流動。由于電磁泵中無運動部件，大大提高了系統的可靠性，而且電磁泵體積更小，放置位置靈活，使機組更易于小型化，無運動部件的泵結構，也使得泵體功耗大大降低。

 

  4） 水的表面張力是0.072N/m，這一數值比許多液態金屬的低，所以與水相比，液態金屬更不易泄漏，不需要重新充注。另外，雖然許多金屬的質量比熱都小于水，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、導熱系數高、工作溫度范圍大，并且與氧氣和水不易發生化學反應，種種優點令其非常有希望成為在換熱器中替代水的液態金屬。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，甚至有研究發現鎵具有殺菌活性，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，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[28]； 鎵的動力黏度大約是水的1.5 倍，驅動耗功更小。

 

  5） 與水相比，雖然液態金屬相對成本較高，但由于其可循環利用，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。而且換熱性質卓越的鎵相對較便宜，所以鎵或其合金在工業領域將大有作為。

 

  目前在工業領域，由于水作為冷卻工質的工業設備受到較大程度的限制，而液態金屬長期以來一直在同步加速器和核反應堆的冷卻過程中表現卓越，導熱系數高、單位體積比熱高、運動黏度低、蒸汽壓力低的液態金屬，尤其是鎵或其合金具有安全無毒的特性， 可以替換現有系統中的水工質，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的無水換熱器的推廣應用，必將顯著推進相關行業的技術進步。

 

  3.3 面向工業應用的液態金屬換熱器研究和應用中的關鍵科學技術問題

 

  液態金屬換熱器的研究剛處于起步階段，與任何新技術面臨的情況類似，存在一些關鍵科學技術問題有待突破。

 

  1） 低熔點液態金屬及其合金流體的研究還不充分，其物理性質、溫度效應、相變機制、熱物性與組分的關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化，強化換熱極限的預測，新型傳熱機制如室溫金屬與常規流體基礎傳熱機制異同規律，以及液態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系式規律需要揭示。

 

  3） 金屬流體的電磁驅動方法、復雜多場（電磁場、流場、熱場等）耦合問題的理論建模、數值計算和預測。

 

  4） 低熔點液態金屬與基底或管材的相互作用機制，腐蝕規律的揭示及解決方法。

 

  5） 低熔點金屬合金組成的相圖規律，室溫金屬流體混合工質實現最低熔點、最大強化換熱及最小流動阻力時所對應的熱工學規律。

 

  6） 不同介質（如液態金屬-水混合物，液態金屬-液態金屬混合物、液態金屬-空氣混合物等）的換熱器特性、應用形式和應用場合，以及與不同余熱利用對象的匹配關系。

 

  4 結語

 

  隨著能源形勢日趨嚴峻，節能減排越來越成為當前工業及其他部門面臨的重要問題。低品位余熱是節能減排的重要組成部分，其利用技術對可持續發展和環境保護具有深遠影響。但當前余熱利用技術基本上沿用水作為冷卻工質，在偏遠缺水地區受到較大應用限制。為此，筆者提出以液態金屬代替水用于余熱利用等工業領域，以實現高效換熱，而且不受空間地域限制。隨著液態金屬在國民經濟各部門的推廣應用，相應的產業結構可能會出現對應調整，能源體系可能也會隨之發生變化。在此基礎上，有必要建立專業研究機構，對液態金屬余熱利用技術的特性及應用進行系統深入地研究，并將其充分應用于實踐。此方面工作的推進可望開辟出一個工業余熱換熱器研究與應用的新前沿，發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的高性能無水換熱器系統，通過解決由此引申出的一系列熱物性、流動、傳熱學、換熱器設計等問題，推動液態金屬換熱器這一先進學科方向的進展，從而為世界范圍內節能減排的發展做出貢獻。