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工业余热回收再利用的发展前景解析

发布时间:2020年5月28日 11:25    作者:    文章来源: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。
图1:余热资源分布情况,高温烟气余热约占50% 
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。
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。
表3:电站余热锅炉和工业余热锅炉特点
 
  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。
 
  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。
 
  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%。
图8:余热锅炉产量加速增长(按蒸吨计算),08年增长率达30% 
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。
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。
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。
 
  (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。
 
  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。
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。
 
  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5000t/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。
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。
 
  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。
 
  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。
图16:预计2010年水地源热泵市场容量达到20亿元
 
  原标题:工业余热回收再利用的发展前景解析