工业余热高效综合利用 |《科学通报》专题
何雅玲，中国科学院院士，工程热物理专家，现为西安交通大学教授，“973项目”首席科学家，教育部长江学者奖励计划特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，《科学通报》副主编。
能源是人类生存和发展的重要物质基础, 也是当前和今后相当长一个时期制约经济和社会发展的突出瓶颈。节能减排是我国的一项基本国策, 是我国实现可持续发展的重大战略保障所面临的极为迫切的任务。我国工业能耗占总能耗的70%以上, 其中至少50%转化为载体不同、温度不同的工业余热, 大部分可回收利用; 而目前我国工业余热资源回收率仅约为30%, 能源利用效率偏低。因此, 根据我国工业余热的国情及其高效利用的重大需求, 进一步强化节能降耗措施, 制定积极的节能降耗定量目标, 大力开展工业余热综合利用的基础研究和工业实践, 对推动我国节能减排重大战略目标的实现具有重要的意义。
近年来, 团队围绕所承担的国家重点基础研究发展计划(973项目)——工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究项目，开展了广泛而深入的研究。
掌握工业余热资源利用的共性问题是高效利用工业余热的必要前提。工业余热中,一部分是与具体工艺过程密切相关的, 通过工艺过程的改进, 其利用程度会大为改进; 而大部分工业余热是随着排向环境的废气、废液而散失的, 这种占余热总资源的80%以上。这部分非工艺余热资源具有相当多的共性，如温度范围较广、往往具有间歇性、工作介质复杂(常常有腐蚀性和尘粒)以及资源比较分散等, 高效地利用这些余热不仅可回收大量能量,而且可大大减轻对环境的热污染。
总的来看, 工业余热利用方式可分为三类: 一是余热的直接热交换利用，即实现供热(利用余热加热)和冷却(利用余热制冷)；二是余热的热功转换利用，即利用余热作为热力循环的高温热源来加热热力循环工质变为具有一定温度和压力的气体，进而工质进入膨胀动力装置对外作功, 实现动力输出; 或者余热工质直接进入膨胀机作功, 实现动力输出; 三是余热的提质利用或综合利用，即通过热泵系统将余热提升至要求的温度后再进行供热和冷却，或与其他利用装置相结合实现综合利用。余热的热功转换和热泵利用都是提升余热品位的方法。
无论哪种工业余热的利用方式, 都存在热能存储、传递、强化及热功转化等过程, 都需要考虑不同于高品位能量利用以及干净工质的热能利用方面的一些新问题, 必须处理好工业余热的中低温、资源分散、间歇波动、工作介质常常有腐蚀性和尘粒等共性问题。
目前我国工业余热利用还存在以下问题亟需解决: 余热梯级利用的定量分析和评价方法缺乏; 工业余热利用的传递和存储技术落后; 中低温余热利用的热功转换效率偏低等。解决工业余热利用的上述技术瓶颈是其高效综合利用的关键。因此，近几年, 我们围绕以下关键科学问题开展了深入细致的研究。(1)工业余热“温度对口、梯级利用”科学用能原则的定量化；(2)余热利用中多形态热质传递、热能存储的协同强化原理与机制；(3)中低品位余热高效热功转换及能级提升的机理与集成优化理论。
《科学通报》第17期发表“工业余热高效综合利用”专题反映了我们针对以上关键科学问题，在热流科学基本原理、余热高效利用技术与工程应用3个层面的部分研究结果。在基本原理层面，以传热过程优化的（火积）耗散分析为基础,进一步发展了用于换热器设计的动量（火积）和质量（火积）概念, 总结了朗肯循环中凝汽器管束布置的原则与要点并应用于新型管束布置的设计; 针对能量梯级利用中的能级匹配问题，提出了可用能势和可用势能级作为定量化评价指标，指导了不同余热资源利用的有机朗肯循环工质匹配。在余热利用技术层面, 针对工业余热间歇性特点, 研究了多孔介质对相变和热化学蓄热特性的影响；针对工业余热工作介质含尘的特点，构建了包含积灰形状演化、颗粒沉积和脱离机理的数值模型, 模拟了单排换热管表面的积灰过程, 获得了积灰的生长规律; 针对工业烟气具有含尘量大、含黏性物质及含腐蚀性气体多的特点,从烟气侧积灰、磨损及腐蚀3个方面，分别总结了形成原因的机理和影响因素、特性计算及部分实验研究的进展，同时介绍了作者团队近年来的主要研究结果，并展望了未来研究方向, 希望对解决防积灰、防磨、防腐烟气换热器的设计难题、推动中低温烟气余热高效利用相关技术的发展起到积极作用。在工程应用层面, 基于以上理论和技术，建立了水泥回转窑余热回收系统，并进行了余热锅炉性能的全尺寸数值模拟研究，为新型余热锅炉运行参数的选择提供了参考; 针对热功转换效率偏低的瓶颈, 开发了适用于中低温余热资源利用的单螺杆膨胀机技术，并以压缩空气及水蒸气为工质进行了实验研究。
节能减排是我国的基本国策, 通过解决我国工业余热利用存在的技术瓶颈的关键科学问题，将对提高我国工业余热的回收利用水平、实现节能减排的基本国策具有重要的战略意义。希望通过本专题研究内容的介绍, 抛砖引玉, 促进我国工业余热利用技术的交流, 为该领域的学术研究和技术开发提供建议和参考，提升我国工业余热高效利用的基础理论和关键技术的自主创新能力，推动我国工业领域的节能减排，为提高我国工业的能源利用效率做出应有的贡献。
编者按
◢ 工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究
何雅玲
评述
◢ 中低温烟气换热器气侧积灰、磨损及腐蚀的研究
何雅玲，汤松臻，王飞龙，赵钦新，陶文铨
论文
◢ 管束布置对凝汽器性能影响的(火积分)分析及其应用
孟继安, 李志信
◢ 多孔介质的相变和热化学储热性能
赵长颖，潘智豪，王倩，徐治国
◢ 利用LBM-FVM-CA耦合方法模拟管表面上的颗粒沉积与脱离过程
童自翔， 何雅玲，李印实，谭厚章
◢ 水泥生产过程中低温烟气用余热锅炉性能的全尺寸数值模拟
杜文静，赵春雷，程林
◢ 以压缩空气及水蒸气为工质的单螺杆膨胀机动力特性实验拟
王景甫，张勇，张新欣，薛艳青，吴玉庭，马重芳
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