什么是余热？为什么它值得被重视？

在工业炉窑、燃气轮机、锅炉、内燃机乃至数据中心里，总有大量热能随烟气、冷却水或辐射散失到环境中，这些未被充分利用而直接排放的热量就是“余热”。
全球一次能源约有一半最终以余热形式浪费，仅钢铁、水泥、玻璃三大行业每年排放的余热折合标煤就超过3亿吨。把这部分能量“捡回来”，不仅能降低燃料消耗，还能减少碳排，经济效益与环保价值并存。

余热利用有哪些方式？

1. 直接热交换：最简单也最可靠

通过换热器把高温烟气或热水的热量传递给低温介质，常见场景：

• 空气预热器：把锅炉排烟从250℃降到120℃，助燃空气升温到180℃，锅炉效率可提升5%～8%。
• 省煤器：利用烟气余热加热锅炉给水，减少燃料消耗。
• 板式/壳管式换热器：在食品、制药行业回收蒸汽冷凝水，用于清洗或预热原料。

2. 余热发电：把热量变成电力

当余热温度≥300℃且流量稳定时，可驱动发电机组：

1. 有机朗肯循环(ORC)：用低沸点工质替代水，适合80℃～350℃的中低温余热，系统紧凑，维护简单。
2. 蒸汽朗肯循环：传统汽轮机方案，适用于>350℃的大流量烟气，如钢铁转炉煤气。
3. 螺杆膨胀机：对蒸汽或热水直接膨胀做功，效率略低但投资回收期短，常用于造纸、化工。

3. 吸收式制冷：夏天也能“吃”余热

利用溴化锂-水或氨-水工质对，把90℃以上热水或低压蒸汽变成7℃冷冻水，为办公楼、商场供冷，实现“以热制冷”。
某化纤厂把聚合反应余热接入双效溴化锂机组，年节省电制冷耗电420万kWh，投资回收期不到三年。

4. 热泵升级：把低温余热“提温”再用

当余热温度<80℃，直接利用价值低，可用压缩式热泵或吸收式热泵把热量提升到60℃～90℃，用于：

• 区域供暖
• 工艺热水
• 污泥干化

余热回收系统原理：能量如何“搬家”？

核心思路：温差驱动+工质循环

任何余热系统都离不开热源→换热→做功或供热→冷源四步：

1. 热源端：通过烟道、夹套、盘管把热量“抓”出来。
2. 换热端：换热器、蒸发器完成热量转移，保证最小温差≥10℃避免结露腐蚀。
3. 能量转换端：汽轮机、膨胀机、热泵压缩机把热能变成机械能或更高品位热能。
4. 冷源端：冷却塔、空冷器把剩余低温热量排到环境，完成循环。

关键参数决定系统成败

设计前必须回答：

• 余热温度：决定采用何种循环，<150℃优先考虑ORC或热泵。
• 余热流量：流量太小会导致设备投资摊销过高。
• 连续性：间歇性余热需要蓄热罐或补燃装置。
• 腐蚀性：含硫、含尘烟气需先除尘脱硫，防止换热器堵塞。

实际案例：三种典型场景剖析

案例一：水泥窑尾余热发电

某5000t/d水泥生产线窑尾烟气350℃、流量28万Nm³/h，配套双压余热锅炉+汽轮机：

• 锅炉产汽：高压段3.82MPa、450℃，低压段0.45MPa、饱和
• 汽轮机额定功率：9MW
• 年发电量：7200万kWh
• 年节约标煤：2.2万吨
• 投资回收期：3.8年

案例二：数据中心服务器余热供暖

北京某云计算园区服务器总功率8MW，冷却水温度45℃，通过水源热泵升温到60℃：

• 热泵COP：4.5
• 冬季供暖面积：12万㎡
• 年节省天然气：320万m³
• 减少CO₂排放：6800吨

案例三：印染厂定型机烟气余热回收

定型机排烟180℃、含油，采用热管换热器预热新风：

• 换热器效率：65%
• 新风温度从20℃升至110℃
• 每台定型机年省天然气：12万m³
• 投资回收期：1.5年

常见疑问解答

Q：余热温度低于80℃还有价值吗？

有。通过高温热泵可把40℃～60℃的废水提升到70℃以上，用于工艺清洗或供暖，COP可达4～6，经济性取决于当地电价与蒸汽价格差。

Q：如何快速评估项目可行性？

三步法：

1. 测温度、流量、持续时间，计算可用热量Q=m·Cp·ΔT。
2. 按能源价格折算年节省费用。
3. 初估投资（ORC约8000元/kW，热泵约2000元/kW），回收期<5年即可立项。

Q：会不会影响原工艺稳定性？

只要换热器设计留有旁通烟道，并设置温度联锁，当余热系统故障时可瞬间切换回原排烟路径，不影响主机运行。

未来趋势：数字化与新材料

随着5G+工业互联网普及，余热系统将嵌入实时能效管理平台，通过AI预测负荷、动态调节阀门开度，再提升3%～5%效率。
另一方面，石墨烯涂层、纳米流体等新材料可把换热器传热系数提高30%，让更低品位的余热也能被“榨干”。
政策层面，中国《工业能效提升行动计划》明确要求2025年重点行业余热利用率达到50%以上，万亿级市场正在打开。