节能

工业余热回收再利用的发展前景解析

2020-05-27 12:06:49 烟气余热利用

一、工业余热可回收率高,政策支持余热利用

 1、工业余热可回收利用率达 60%,节能潜力大

我国工业余热资源丰富,余热资源约占其燃料消耗总量的 17%~67%,其中可回收率达 60%。余热资源非常丰富,特别是在钢铁、有色、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等行业,余热资源约占其燃料消耗总量的 17%~67%,其中可回收利用的余热资源约占余热总资源的 60%。目前我国余热资源利用比例低,大型钢铁企业余热利用率约为 30%~50%,其他行业则更低,余热利用提升潜力大。余热资源是指在现有条件下有可能回收利用而尚未回收利用的能量。余热资源从其来源可分高温烟气余热和冷却介质余热等六类,其中高温烟气余热和冷却介质余热占比最高,分别达到余热总资源的 50%和 20%左右,是余热回收利用的主要来源。

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图1:余热资源分布情况,高温烟气余热约占 50%

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表1:余热资源及其特点

2、 国家政策大力支持余热回收利用

我国政府计划到 2020 年将碳排放量减少 40%-45%,目前面临着巨大的减排压力。

政府正在推行各项有利于节能减排的政策,其中余热回收利用作为提高能源利用效率的有效途径,国家出台多项政策鼓励企业进行余热回收利用。

(1) 2009 年 12 月 29 日工信部推出《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》, 计划用 3 年时间即 2010-2012 年,投资超过 50 亿元,在全国 37 家重点钢铁企业,对 82 台烧结机推广实施烧结余热发电技术,以降低钢铁企业的能耗水平。今年 3 月国务院常务会议提出,要求建立钢铁行业碳排放考核体系,预计余热回收利用将获得进一步推进。

(2) 2010 年 4 月 2 日国务院下发《关于加快推行合同能源管理促进节能服务产业发展的意见》,要求加快推行合同能源管理,积极发展节能服务产业,同时加大资金支持力度和实行税收扶持政策。

(3)在《当前国家鼓励发展的环保产业设备(产品)目录》中,鼓励发展用于电力、石化、冶金、钢铁、水泥建材、印染、造纸、地热、糖酒工业等废热、余热回收利用发电设备。

(4)《节能中期专项规划》中明确将“余热余压利用工程”列为重点工程之一。2006 年,发改委在《节能中期专项规划》中明确将“余热余压利用工程”列为重点工程,提出“十一五”期间在钢铁联合企业实施干法熄焦、高炉炉顶压差发电、全高炉煤气发电改造以及转炉煤气回收利用。

(5)《“十一五”十大重点节能工程实施意见》要求研究制定鼓励利用余热余压发电、供热和制冷的优惠政策,并在钢铁、水泥行业推广利用。国家发改委 2006 年7 月发布的《“十一五”十大重点节能工程实施意见》的第三项为“余热余压利用工程”, 要求在钢铁行业推广干法熄焦技术、高炉炉顶压差发电技术;在水泥行业推广纯低温余热发电技术,建设水泥余热发电装置,研究制定鼓励利用余热余压发电、供热和制冷的优惠政策。

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表2:与余热回收利用相关的各项政策内容

3 、余热利用三大主要途径

目前余热利用的途径主要有三种:

第一种是热交换;是回收工业余热最直接、效率较高的经济方法,该类途径不改变余热能量的形式,只是通过换热设备将余热能量直接传递给自身工艺的耗能流程,降低一次能源消耗。主要利用方式有间壁式换热、余热锅炉、蓄热式热交换、热管的换热等。

第二种是热工转换;利用热功转换可提高余热的品位。主要采用余热锅炉发电,是工业余热利用的主要形式;

第三种是采用热泵(溴冷机)系统回收余热,适用于工业和民用的低温余热回收。

1)工业余热利用主要形式:余热锅炉发电

余热锅炉是余热发电系统中的重要设备。根据用途不同,余热锅炉可细分为电站余热锅炉和工业余热锅炉。相对电站余热锅炉,工业余热锅炉运行环境恶劣,设计、制造工艺较为复杂,多为非标产品。

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表3:电站余热锅炉和工业余热锅炉特点

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图2:电站余热锅炉图3:工业余热锅炉

余热资源的利用效率和余热资源的温度有关,一般情况温度越高,利用效率越高。根据余热资源温度的高低可分为高温余热(高于 500℃),中温余热(200~500℃)和低温余热(低于 200℃)。余热锅炉发电一般适用于高温余热,而热泵回收系统则适用于低温余热。

2)低温余热利用首选设备:溴冷机和热泵

溴化锂吸收式机组是利用余热资源作为机组的动力,通过驱动机组达到制冷或供热的目的;而热泵机组回收余热则是利用热泵系统提取低温余热资源,以达到充分利用余热的目的。

溴化锂吸收式机组工作原理:溴化锂制冷机是以热能为动力源,以水为制冷剂,以溴化锂溶液为吸收剂,制取冷源水。其热源主要有蒸汽、热水、燃气和燃油等,可分为直燃型、蒸汽型和热水型。蒸汽型机组可利用蒸汽余热,如城市集中供热热网、热电冷联供系统、纺织、化工、冶金等行业;热水型机组,可利用 65℃以上的热水,如工业领域工艺过程产生的余热热水制取冷水。由于是“以热制冷”,溴化锂制冷机可以利用工业废余热为工业提供工艺所需冷水或空调。

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图4:吸收式机组原理示意图 图5:压缩式热泵原理示意图

压缩式热泵工作原理:热泵系统是通过换热介质,从低温热源吸取热量,然后在高温处释放出热量;热泵系统一般由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成。低佛点换热工质流经蒸发器时蒸发,从低温位处吸收热量,经过压缩机压缩后升温升压;然后流经冷凝器,在冷凝器冷凝中,将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量释放;释放出的热量就传递给高温热源,使其温度提高。蒸汽冷凝降温后变成液相,流经节流阀膨胀后,低压液相工质流入蒸发器,如此不断往复循环,热泵系统就能使低温热量连续不断地传递到高温热源处。

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图6:溴化锂吸收式热泵机组样机图7:压缩式热泵机组样机

二、余热利用设备市场容量大,步入黄金发展期

1、余热锅炉应用领域广,未来五年市场规模将达 680 亿元

余热锅炉市场规模加速增长,按蒸吨计算 08 年增速达 30%。据中国工业年鉴的统计,2008 年生产各类余热锅炉 1146 台,合计 29865t(蒸汽),与 2007 年的余热锅炉 722 台,合计 23124t(蒸汽)相比,台数增长 58.7%, 蒸汽吨数增长 29.2%;同时实现产值 34 亿元,较 07 年 24.8 亿元同比增长 37%。

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图8:余热锅炉产量加速增长(按蒸吨计算),08 年增长率达 30%

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图9:08 年国内余热锅炉产量大幅增长(台数)

余热锅炉属节能环保产品,随着国家节能减排工作的积极推进,特别是钢铁、焦化、水泥等重要行业节能减排工作的推进,预计余热锅炉市场将加速发展。根据估算未来 5 年国内国际余热锅炉市场容量预计达到 680 亿元

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表4:余热锅炉设备市场容量估算,未来 5 年将达到 680 亿元

1)钢铁行业:烧结余热发电将大面积推广

(1)钢铁行业余热资源约占 37%,余热利用率低,提升空间大

钢铁行业能耗约占全国工业总能耗的 15%,其中余热资源约占 37%,节能空间大。据统计,05 年我国大中型企业吨钢产生的余热总量为 8.44GJ,约占吨钢能耗的37%,其中最终产品或中间产品所携带的显热约占余热总量的 39%,各种熔渣的显热约占 9%,各种废(烟)气占 37%,冷却水携带的物理热约占 15%,余热资源丰富。

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图10:钢铁行业余热资源丰富,产品显热占比高达 39%

我国大型钢铁企业余热利用率约为 30%~50%,国外先进企业余热利用率达90%,未来提升空间大。我国大中型钢铁企业余热资源的利用率大约为 30%~50%,2010 年 4 月如果加上其他中小型钢铁厂,全国平均水平则更低;而国外先进钢铁企业余热余能的回收利用率平均达 80%,有的在 90%以上,如日本新日铁高达 92%。

(2)氧气转炉余热发电应用广泛,烧结余热发电刚刚推广,未来增长空间大

在钢铁行业中,余热回收利用部分主要有氧气转炉余热发电和烧结余热发电。目前氧气转炉余热锅炉在钢铁行业已经得到广泛的应用,而烧结余热发电在国内钢铁企业才刚刚启动,将在钢铁大面积推广。

烧结工序能耗占比高,回收利用可节约能耗 10kg 标煤/吨烧结矿。在钢铁企业烧结工序能耗仅次于高炉炼铁工序,占总能耗的 9%-12%。热烧结矿出炉温度约 700~800℃,采用烧结余热发电可以回收烧结矿显热约 24kg 标煤/吨,扣除设备运行能耗,可以降低烧结工序能耗约 10kg 标煤/吨。

目前国内烧结余热回收利用率不足 4%,应用比例低。目前我国已建成约 10 套烧结余热发电机组共涉及 19 台烧结机,烧结机面积 4849 平米,发电机组总装机容量13.7 万千瓦,但烧结余热发电技术推广比例不及 4%,未来提升空间大。

工信部推出了《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》大力推广烧结余热发电。2009 年 12 月 29 日工信部推出了《钢铁企业烧结余热发电技术推广实施方案》,方案计划用 3 年时间 2010-2012 年,投资超过 50 亿元,在全国 37 家重点钢铁企业,对 82 台烧结机推广实施烧结余热发电技术,以降低行业能耗水平。在 2010 年首批推广该技术的将有首钢、承钢、安钢、本钢、鞍钢、济钢、莱钢等 7 家公司的 18 台烧结机,预计可形成大约 40 万吨标准煤节能能力。目前烧结余热发电技术在国内应用已经成熟,全套设备都可国产化,具备全面推广条件,预计将获得大面积推广。

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图11:烧结余热发电技术原理示意图

(3)钢铁行业余热锅炉市场容量测算

氧气转炉余热锅炉:根据国家统计局统计数据,2009 年中国粗钢和钢材产量分别为 56803.3 万吨和 69626.3 万吨,同比分别增长 12.9%和 15.2%。氧气转炉余热锅炉的运行环境较恶劣,使用寿命较短,平均 3-5 年就需要更新。目前国内有 1000 多家钢铁厂,根据估算氧气转炉余热锅炉的国内需求量每年约 350 台/套,近6000 蒸吨;按照每套 250 万元的价格测算,每年约 8.75 亿元, 未来 5 年国内市场容量约 44 亿。烧结余热锅炉:工信部计划用 3 年时间,投资超过 50 亿元,在全国 37 家重点钢铁企业对 82 台烧结机推广实施烧结余热发电技术,加上其他钢铁企业需求,预计烧结余热锅炉需求量每年约 50 台/套,按每套 800 万测算,未来 5 年烧结余热锅炉市场容量约 20 亿元。

2)焦化行业:干熄焦余热发电目前配置比例低

(1)干熄焦余热回收效率高,成本回收期短

干熄焦余热回收系统可回收红焦显热 83%左右,使炼焦过程的热效率提高 10%以上。干熄焦余热回收系统平均每熄 1 吨红焦可回收 3.9MPa、450℃蒸汽 0.45~0.58吨,回收红焦显热 83%左右,使炼焦过程的热效率提高 10%以上;与湿法熄焦相比,可降低由每吨红焦产生的约 0.5 吨含有酚、氰化物和硫化物等有害物质的废蒸汽,同时还可改善焦炭质量、降低高炉焦比、提高产量。

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图12:干熄焦余热发电系统示意图

余热发电降低成本,投资回收期短。以年产 60 万吨的焦化企业为例,其可配套建设 2×12MW 余热锅炉,每年可节约 4000 万元,工程投资约为 1.2~1.3 亿元人民币,投资回收期约为 3 年。

目前我国干熄焦配置比例较低,发展空间大。目前国内只有 71 套干熄焦在使用,配置比例约 20%左右,比例较低,因此干熄焦装置在国内现有焦化厂的改造中将有很了干熄焦技术,按焦炭产量计算,其普及率已达到 90%。目前干熄焦技术已实现国产化,应用范围将继续扩大,干熄焦余热锅炉需求将增长。

(2)干熄焦余热锅炉市场容量测算

根据国家统计局对 2009 年全国规模以上企业累计共生产焦炭 34502 万吨,同比增长 10.5%,约占全球焦炭总量的 60%。全国焦化企业数量在 1000 家左右,截止 2009年 6 月,我国干熄焦装置已投产 71 套,在建约 52 套,目前干熄焦锅炉配置比例约20%,未来提升空间大;预计未来 5 年我国干熄焦余热锅炉的总需求量约为 200 台,按照 1300 万元/台的价格测算,未来 5 年市场容量约 26 亿元。

3)水泥行业:低温余热发电技术和设备国产化

(1)水泥低温余热发电技术成熟,节能效果显著采用新型干法水泥产量占比逐渐提高,余热发电规模比率将上升。截止 2008 年末,我国水泥总产量约 14 亿吨,其中先进的新型干法水泥量约 8.4 亿吨,占总量的60%,其余为落后生产工艺产量。随着行业结构调整和淘汰落后水泥产能政策的推进,预计新型干法水泥产量的比重将占到总量的 90%以上。

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表5:2008 年我国新型干法水泥熟料生产线情况

低温余热发电技术水平先进,目前技术和国产设备已经成熟。新型干法水泥生产线窑头、窑尾排放的 350 度以下的低温废气余热可进行余热发电,将水泥生产综合热利用率从 60%左右提高到 90%以上。目前我国水泥窑余热低温发电技术和自主开发的设备已经成熟可靠,尤其是补汽式汽轮机技术研发取得突破。

目前纯中低温余热发电量已达到 30~40kWh/t 熟料,使得水泥生产线的自供电量达到 1/3 以上,经济效益明显,同时窑头、窑尾废气温度进一步降低,对环境的热污染程度降低。

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图13:水泥干法回转窑余热发电原理图

水泥余热发电节能效果明显,投资回报期大约 3.5 年。以单条 5000 t/d 水泥熟料生产线为例:年设计水泥熟料产能 150 万吨,以现有平均吨熟料发电 34kWh 计算,年发电 5100 多万 kWh。扣除系统自耗电 7%,年可供电 4700 万 kWh,相当于节约标煤 1.9 万吨(按供电煤耗 404g 标煤/kWh 计算)。按电网电价 0.55 元/kWh,余热发电成本约 0.15 元/kWh 计,单条生产线年电价差 1880 万元,以项目投资 6500 万元计算,投资回收期约 3.5 年。

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表6:水泥行业余热发电投资回报测算

(2)国内水泥行业市场容量估算

截止 08 年,我国有日产 2000 吨以上新型干法窑水泥生产线 594 条,已经配套建设各种类型的纯低温余热电站约 186 座(包括已经投产运行和正在建设的余热电站),按照到 2015 年国内 1200 条新型干法水泥生产线中有 70%的新型干法水泥生产线配套建设纯低温余热电站的目标,未来 5 年水泥行业需余热锅炉约 500 套,即平均每年100 套,按每套 800 万计算,预计未来 5 年市场容量约 40 亿元左右。

4)垃圾发电:未来或将呈现爆发式增长

目前全世界每年产生约 4.9 亿吨垃圾,仅中国每年就产生近 1.5 亿吨城市垃圾。根据国家环保总局预测,2010 年我国城市垃圾年产量将为 1.52 亿吨,预计 2020 年将达到 2.1 亿吨。中国固废网发布的《2010 中国城市生活垃圾行业投资分析报告》预测,未来 10年,中国垃圾焚烧处理总量比例将由现在的 2%~3%上升到 10%~20%。城市生活垃圾焚烧发电技术主要有机械炉排炉和流化床垃圾焚烧技术。在发达国家,垃圾处理和资源化利用已成为成熟产业,垃圾焚烧发电技术正在向大型化、高效化发展。欧洲各国制定了严格的垃圾焚烧标准;英国在其非化石燃料公约、德国在其新能源法中都规定:垃圾直接焚烧发电的电力电量强制上网,并实施电价补贴或绿色电价。至 2008 年底,国内已建成 56 座垃圾电站。根据《2010 年中国能源重大新开工施工项目纵览表》,2010 年国内拟建设的垃圾电站项目达到 41 个。目前存在着对排放有害气体二恶英的担忧,但垃圾最好的处理方法仍是焚烧,预计问题一旦解决后,未来垃圾发电可能会呈现爆发式的增长。我们预计未来 5 年垃圾焚烧电站建站超过200 座,其中垃圾焚烧发电余热锅炉将到 30 亿元。

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图14:垃圾焚烧发电系统示意图

5)其他行业:市场分散,容量不小

除了应用在钢铁、焦化、水泥行业的余热锅炉品种,还有应用在有色、化工、造纸等行业的余热锅炉等。

有色冶金余热锅炉市场容量:2007 年我国铜、铅产量分别为 344 万吨、 272万吨,预计未来 5 年有色金属冶炼炉改造仅铜、铅两项对余热锅炉的需求将达到 2700 蒸吨,约 300 台/套,平均每年 60 台/套,按照每台 750 万的价格测算,未来 5 年国内铜铅有色冶金余热锅炉的市场容量约 25 亿元。化工行业余热锅炉市场容量:化工行业的余热资源大约占整个行业燃料消耗量的15%,余热资源丰富,余热锅炉的应用前景广阔。目前需求量最大的为小化肥余热锅炉和硫磺制酸余热锅炉,2008 年的产量分别为 1907 蒸吨和 521 蒸吨,合计近 2500蒸吨。预计整个化工行业余热锅炉的市场容量在 15 亿元左右。

造纸行业余热锅炉市场容量:造纸工艺过程中会产生大量的造纸黑液,造纸黑液直接排放将严重污染水资源。将造纸黑液经蒸发浓缩后,喷入碱回收余热锅炉进行燃烧,既可回收其中的碱,又可利用燃烧产生的蒸气发电。目前,全国造纸企业约有6000 多家,预计碱回收余热锅炉的市场容量约为 15 亿元。燃气轮机电站锅炉市场容量:我国燃气轮机发电装机容量占比低,约占 3.7%。截至 2009 年底,全国发电设备容量 87407 万千瓦,燃气轮机(包括联合循环)发电机组总装机容量约为 3300 万千瓦,约占 3.7%。在国外发达国家,如美国燃气轮机占总装机容量的 10%以上,约占火电新增发电容量的 40%~50%。为了适度发展天然气发电,结合西气东输和引进国外液化天然气、管道天然气等工程的建设,近年来我国正在建设一批燃气轮机循环发电机组。余热锅炉是燃气轮机循环发电的重要设备,燃气轮机发电的高速发展必然带动燃气轮机余热锅炉的高速发展;08 年燃气轮机余热锅炉产量 15 台,合计 3175 蒸吨,预计未来 5 年燃气轮机电站余热锅炉市场容量约30 亿元。

余热锅炉的应用广泛,凡是有大量余热的地方,都可以余热锅炉回收利用,预计其他行业未来 5 年余热锅炉市场规模约达 35 亿元。

国际余热锅炉市场容量:余热锅炉产业属于技术和劳动密集型产业,随着国际产业的分工转移,预计有更多国外企业将余热锅炉的生产转移到中国或直接在中国采购,目前国内产家已经进入国际市场,余热锅炉产品出口到美国、德国、奥地利、印度、尼日利亚、非洲等国家和地区。估计国际市场余热锅炉市场约是国内市场的 1.5倍左右,未来 5 年国际余热锅炉市场容量大约 400 亿元,国内国际市场合计约 680亿元,余热锅炉市场前景非常广阔。

2、 热泵(溴冷机)工民业两用,市场应用空间广

热泵和溴冷机系统既可用于工业,回收工业低温余热;也可民用,利用低温余热为民用建筑提供制冷或供热。工业客户主要包括电厂、冶金、医药、纺织、石油化工等,回收工业的低温余热;民用客户主要为建筑用户,为建筑物提供制冷或供热。其中水源热泵技术已经被广泛应用于各类建筑中需要供暖供冷的中央空调系统,同时应用于工业领域的冷冻、冷藏等工艺系统。

水源热泵机组回收工业电厂低温余热:热泵机组可从电厂循环冷却水中提取低位热能,然后提升为可以利用的高温热能,从而提高电厂的能源利用率。如一座 300MW的凝汽式发电机组,其循环冷却水放余热热量如果回收可供约 600 万平方米建筑物采暖,低温余热资源利用节能效果明显。

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图15:热泵系统回收低温余热示意图

水源热泵市场容量:由于水源热泵可有效利用低温余热,作为节能减排的重要手段,预计将获得进一步的发展。目前水源热泵系统市场容量约 18 亿元,行业增速约达 20%-30%,预计有望继续保持 20%以上行业增速。

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图16:预计 2010 年水地源热泵市场容量达到 20 亿元

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