工业中低温余热回收系统优化研究

一、余热回收系统概述

1.1 余热定义及其工业重要性

余热是工业生产过程中因热能转换效率有限，未被充分应用就排向外界的热量。在当前能源紧张的大环境下，余热回收利用显得尤为关键。据相关统计，工业生产时大约 30%-70% 的能量都会以余热的形式白白浪费掉，这既带来了严重的经济损失又加重了环境污染。拿钢铁、水泥、化工等行业来说，那些高温炉窑所排出的烟气里蕴藏着大量热能，如果能把这些余热有效地回收起来加以利用，既能提升能源使用效率又能削减温室气体排放量，这对于加快工业绿色转型有着十分重要的意义。

1.2 中低温余热的来源与特性

中低温余热是工业生产过程中，由于热能转换不完全，而排出的温度低于一般热源（如高温炉、锅炉等）的热能。这种余热主要来自工业炉窑、发电站的排气、冷却系统、化学反应过程等。中低温余热具备温度低、热能密度小的特点，直接利用效率较低，但总量庞大，回收价值较高。水泥生产过程中，窑炉尾气温度约为 300^∘ C，通过余热回收系统可转变为电能或热能，用于工厂自身或者并入电网供电。在优化策略方面，采用高效换热器与热泵技术，可以优化中低温余热回收效率，比如采用新型板式换热器，由于其具有较大传热面积且热阻较小，热交换效率较高，进而使余热回收系统的整体性能得以改善。中低温余热的回收和利用既节省了能源，降低了生产成本，又减少了温室气体排放，对环境保护有积极作用。

二、关键技术与创新点

2.1 新型换热器的设计与材料选取

工业中低温余热回收系统里，新型换热器的设计与材料选取是改良系统效率和可靠性的关键部分，比如选用具备较高热导率的材料，铜或者铜合金，会明显提升换热效率，因为这类材料能迅速传导热量，缩减热阻。针对特定工业应用的换热器设计，像板式换热器或者螺旋式换热器，按照余热的温度和流量特性加以改良，从而做到更为有效的热交换。在某些情形下，借助纳米材料或者涂层技术，换热器的性能可以得到加强，纳米结构表面可以削减污垢积聚，进而优化换热器的长期运行效率。按照热力学第二定律，能量梯级利用原理在余热回收方面的应用，要求换热器的设计不能忽略不同温度水平的热能转换，这样才能做到最大限度地利用能量。

2.2 热泵技术在余热回收系统中的应用

在工业低温余热回收系统中，热泵技术的运用是其成为能源高效利用的重要创新之处之一，热泵技术采用少量高品位能源诸如电能之类的作为推动热泵循环运转的能源，进而从低温热源中汲取能量转移给需加温的介质当中。工业余热回收项目会把处于 100 度到 200 度左右余热的能量从排气系统里收回，然后用于加热工艺水或者室内的暖通空调体系，根据 IEA 发布的报告可知，在工业领域利用热泵技术回收余热能够优化能源使用率高达 3% 到 4%。从技术角度来讲，热泵系统的设计要考虑到热源与热汇的温度差别，还要考量热泵的 COP数值，COP 数值体现着热泵的效率高低，COP 数值表示的是热泵每耗费单位能量能转移的热量。譬如说热泵的 COP 数值达到 4，就表明该热泵每消耗 1 千瓦时的电能就能转移 4 千瓦时的热能。实际应用当中，通过改进热泵的工作介质和循环流程，能够进一步加大热泵系统的 COP 数值，进而改善余热回收的经济性和环保性。案例分析表明，某个钢铁厂使用热泵来回收高炉煤气的热量，并且将回收的热量用来给厂区供暖以及供应生活用水所需的热水，这样一来不但减小了对外界能源的依赖性还减少了温室气体的排放。

三、系统优化策略

3.1 余热回收中能量梯级利用原理的应用

在工业中低温余热回收系统优化策略当中，能量梯级利用原理发挥着非常关键的作用，这个原理依照热力学第二定律，着重指出在能量转换及利用时，要尽量减小能量品质损失，做到能量高效利用。像钢铁生产进程中，高炉、转炉、轧机这些设备所散发出的余热，其温度跨度很大，从几百摄氏度到几十摄氏度都有可能，采用能量梯级利用之后，就能把这些不同温度级别的余热分别用作发电、供暖、热水供应等等，从而做到能量多级利用并实现最大回收。有关研究显示，借助能量梯级利用，工业余热回收系统能源效率能提升 10%～20% 。实际应用时，能量梯级利用原理要同具体的工业流程与余热特性结合起来，某个化工厂实施能量梯级利用以后，把反应器产生的高温余热用来推动热泵，热泵产生的中温热能被用来预热原料，剩下的低温余热就拿来给工厂制冷，这样既提升了能源的利用效率，又削减了对外部能源的依靠，减少了生产成本。按照该厂的实例来看，能量梯级利用每年大概能为工厂省下 30% 的能源消耗，而且削减了 25% 的温室气体排放。在制定优化策略的时候，能量梯级利用原理的应用包含系统集成和控制策略的优化，在集成先进控制系统之后，可以随时观察和调节余热回收系统的运作状况，保证能量在各个级别之间高效转化和应用。拿智能控制算法来说，它可以根据余热的温度和流量，动态改变热交换器的工作参数，做到能量的最优分配，这种智能化的控制策略，既增强了系统的运作效能，又延长了设备的使用寿命，进而提升了工业余热回收系统的经济性和环境效益。

3.2 系统集成与控制策略优化

在工业中低温余热回收系统的优化策略里，系统集成与控制策略的改善是加强总体效率和经济性的关键，采用先进的控制策略，可以做到余热回收系统动态响应并高效运行，利用模糊逻辑控制算法，依据实时数据来调节换热器工作状态，在不同工业生产环境下，保证最佳热交换效率。研究显示，借助这样的智能控制策略，余热回收系统的能效比传统控制方法高出了 10%～15% 。系统集成方面，把余热回收系统同工厂的其他能源系统融合起来，可以做到能源梯级利用，拿余热锅炉进水或者为空气压缩机供应热源来说，这就可以明显缩减工厂的能源耗费。按照一则案例分析，某个钢铁厂通过整合余热回收系统，不但把能源成本削减了 30% ，而且把 CO2 排放量缩减了 20% ，这种整合策略的推行，要顾及工厂的能源需求，余热的温度和流量特性，还要考虑到系统的经济性。控制策略的改进也涉及对系统运作数据的即时监控与分析，采用数据驱动的 MPC 可以预估系统行为，改善运作参数，缩减能源浪费，以实时监测余热温度及流量为例，MPC 能够及时调节热泵的工作点，保证在满足工厂热需求的前提下，尽可能多地回收余热，这样的控制策略执行时需创建精准的数学模型，并借助先进计算工具展开模拟与改良。

参考文献：

[1] 左建云 , 张佩佩 . 低温余热回收系统能量管理优化策略研究 [J]. 黑龙江科学 ,2024,15(12):144-146+150.

[2] 孙鹏 . 工业锅炉烟气余热回收技术及其节能应用研究 [J]. 工业加热 ,2025,54(3):60-63.