废热回收的艺术：为可持续未来 harnessing 能源

在一个日益关注可持续性和能源效率的世界里，废热回收（WHR）的概念正 gaining 显著的关注。 WHR 涉及捕获和再利用本应作为工业流程、发电或其他活动的副产品释放到环境中的热量。 然后，这些回收的热量可用于各种目的，例如发电、为建筑物供暖或为其他工业流程提供动力。 本博客文章深入探讨了 WHR 的原理、技术和全球应用，探讨了其改变行业的潜力并为更可持续的能源未来做出贡献。

什么是废热？

废热是在一个过程中产生的热能，该过程不直接使用该热能，通常会释放到大气或冷却介质（如水）中。 它是各行各业普遍存在的现象，包括：

• 工业制造： 钢铁制造、水泥生产、玻璃制造和化工等工艺会产生大量的废热。 例如，水泥窑的废气温度可达 300°C 以上。
• 发电： 传统发电厂（煤、天然气、核能）通过其冷却系统以废热的形式释放相当一部分输入的能量。
• 交通运输： 车辆中的内燃机通过排气和冷却系统将大量燃料能量以热量的形式散发掉。
• 商业建筑： HVAC（供暖、通风和空调）系统通常会将热量排放到环境中，尤其是在以制冷为主的气候下。 数据中心也会产生大量废热。

废热的量非常可观。 据估计，全球总消耗能源的相当一部分最终会以废热的形式损失。 回收即使是一小部分被浪费的能源，也为减少能源消耗、降低温室气体排放和提高整体效率提供了巨大的潜力。

废热回收的原理

WHR 的基本原理基于热力学定律。 能量不能被创造或毁灭，只能被转化。 因此，废热代表着一种可以捕获和再利用的有价值的能源资源。 WHR 系统的有效性取决于几个因素：

• 温度： 较高的废热温度通常更容易且更具成本效益地回收和利用。
• 流量： 可用的废热量（与载热介质的流量相关）是一个关键因素。
• 距离： 废热源与潜在用户或应用的接近程度会影响运输和基础设施的成本。
• 时间可用性： 废热可用性的一致性和持续时间对于设计高效可靠的 WHR 系统很重要。 间歇性或季节性废热源可能需要储存解决方案。
• 成分： 废热流（例如烟道气）的成分会影响可使用的 WHR 技术类型，并可能需要预处理以去除污染物。

废热回收技术

有各种技术可用于回收和利用废热，每种技术都适用于特定的应用和温度范围。 以下是一些最常见的：

热交换器

热交换器是最基本和最广泛使用的 WHR 技术。 它们在不直接混合的情况下将热量从一种流体传递到另一种流体。 常见类型包括：

• 管壳式换热器： 这些换热器坚固耐用且用途广泛，适用于高压和高温应用。
• 板式换热器： 这些换热器具有高传热效率，适用于清洁流体。
• 空气预热器： 在锅炉和熔炉中用于从废气中回收热量并预热进入的助燃空气，从而提高效率。
• 余热锅炉： 这些锅炉利用废热产生蒸汽，然后可用于发电或工艺加热。

示例： 钢厂使用管壳式换热器从其熔炉的废气中回收热量，为燃烧预热进入的空气，从而减少燃料消耗。

有机朗肯循环 (ORC)

ORC 系统特别适用于从中低温度源（80°C 至 350°C）回收热量。 它们使用沸点比水低的有机流体来发电。 有机流体被废热汽化，驱动连接到发电机的涡轮机。

示例： 冰岛的一个地热发电厂利用 ORC 技术从相对低温的地热资源发电。 地热源的热水使有机流体汽化，驱动涡轮机发电。

热泵

热泵将热量从低温源转移到高温汇。 虽然它们需要能量来运行，但它们可以有效地将低品位废热升级到可用温度。 热泵可用于加热和制冷应用。

示例： 瑞典的一个区域供热系统使用大型热泵从污水处理厂回收废热，为附近的住宅楼提供供暖。

热电联产（热电联产 - CHP）

热电联产涉及从单一燃料源同时生产电力和热量。 CHP 系统非常高效，因为它们利用了产生的电力和发电过程中产生的废热。 CHP 系统通常用于工业设施、医院和大学。

示例： 加拿大的一所大学校园运营着一个 CHP 系统，该系统使用天然气发电，并捕获废热为校园建筑提供供暖和制冷。 这减少了大学对电网的依赖并降低了其碳足迹。

热电发电机 (TEG)

TEG 使用塞贝克效应将热量直接转化为电能。 TEG 的效率虽然低于其他 WHR 技术，但它们结构紧凑、可靠，可用于偏远或小型应用。 它们特别适用于将来自排气系统或高温工业过程的废热直接转化为电能。

示例： 一些汽车制造商正在探索使用 TEG 来回收车辆排气系统的废热，并产生电力来为辅助系统供电，从而提高燃油效率。

其他技术

其他 WHR 技术包括：

• 吸收式制冷机： 利用废热产生冷水用于制冷应用。
• 直接利用： 将废热直接用于工艺加热、预热或干燥应用。
• 储热： 储存废热以备后用，解决间歇性废热可用性问题。

废热回收的全球应用

WHR 技术正在全球各种行业和地区实施。

• 工业部门： 在德国，许多工业设施利用 WHR 系统来降低能源消耗和提高竞争力。 例如，钢铁行业已经实施了先进的 WHR 技术来回收各种工艺的废热，为节能做出了重大贡献。
• 发电： 联合循环发电厂结合使用燃气轮机和蒸汽轮机，是发电中 WHR 的主要例子。 燃气轮机的废热用于产生蒸汽，驱动蒸汽轮机，从而提高电厂的整体效率。
• 区域供热： 丹麦和其他斯堪的纳维亚国家的城市拥有广泛的区域供热网络，这些网络利用发电厂、工业设施和垃圾焚烧厂的废热为家庭和企业供暖。
• 交通运输： 正在进行研究和开发工作，以改进车辆的 WHR 技术，包括热电发电机和朗肯循环系统。
• 建筑部门： 世界各地的建筑物都使用地源热泵从地热中回收热量并提供供暖和制冷。

废热回收的好处

WHR 的好处是多方面的，而且影响深远：

• 提高能源效率： WHR 减少了满足能源需求所需的初始能源量。
• 降低能源成本： 降低能源消耗意味着企业和消费者的能源账单降低。
• 降低温室气体排放： 通过减少对化石燃料的需求，WHR 有助于缓解气候变化。
• 改善空气质量： 减少化石燃料燃烧可降低空气污染物排放。
• 提高资源利用率： WHR 促进资源的有效利用并减少浪费。
• 提高竞争力： 较低的能源成本可以提高行业的竞争力。
• 能源安全： WHR 可以减少对进口能源的依赖。
• 经济增长： WHR 技术的发展和部署可以创造新的就业机会并刺激经济增长。

挑战与机遇

虽然 WHR 提供了巨大的潜力，但其广泛采用也面临挑战：

• 高初始投资成本： 实施 WHR 系统的前期成本可能是一个障碍，尤其是对于中小型企业 (SME)。
• 技术复杂性： 设计和实施有效的 WHR 系统可能在技术上具有挑战性。
• 空间限制： 一些 WHR 技术需要大量空间，这在现有设施中可能是一个限制因素。
• 经济可行性： WHR 项目的经济可行性取决于能源价格、政府激励措施和融资可用性等因素。
• 缺乏意识： 一些企业和政策制定者对 WHR 的潜在好处仍缺乏认识。

然而，可以通过以下方式克服这些挑战：

• 政府激励措施： 提供税收抵免、赠款和补贴等财政激励措施，有助于降低 WHR 项目的初始投资成本。
• 技术进步： 持续的研发工作正在带来更高效、更具成本效益的 WHR 技术。
• 公众宣传活动： 提高对 WHR 好处的认识有助于促进其采用。
• 协作与伙伴关系： 企业、研究人员和政策制定者之间的协作有助于加速 WHR 技术的部署。
• 能源审计： 进行能源审计以识别 WHR 的机会，可以帮助企业就能源效率投资做出明智的决定。

废热回收的未来

WHR 的未来充满希望。 随着能源价格的持续上涨以及对气候变化的担忧加剧，对 WHR 技术的需求预计将大幅增长。 几项趋势正在塑造 WHR 的未来：

• 与智能电网集成： WHR 系统可以与智能电网集成，以提供灵活可靠的能源供应。
• 先进材料的开发： 具有改进传热性能的先进材料的开发正在带来更高效的 WHR 系统。
• WHR 技术的微型化： WHR 技术的微型化使其能够在住宅建筑和车辆等小型应用中使用。
• 专注于低品位热量回收： 越来越重视开发从低温源回收热量的技术，这些低温源通常丰富但难以利用。
• 数字化和物联网： 数字技术和物联网 (IoT) 的使用使得 WHR 系统的远程监控和控制成为可能，从而提高了效率和可靠性。

结论

废热回收代表着提高能源效率、减少温室气体排放和创造更可持续能源未来的重要机遇。 通过利用目前正在浪费的能源，我们可以减少对化石燃料的依赖，降低能源成本，并改善环境。 尽管仍存在挑战，但持续的技术进步、有利的政府政策和提高的公众意识正在为 WHR 技术在各种行业和部门的广泛采用铺平道路。 拥抱废热回收的艺术不仅是环境的必然； 它是一项明智的经济战略，可以惠及企业、社区和整个地球。 随着我们努力建设一个更可持续的世界，废热回收无疑将在塑造我们的能源格局方面发挥至关重要的作用。