热能回收的无限潜力

高温废气的能源利用

作者:Thorsten Sienk 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:49 发布时间:2019-08-05
物理原理决定了压缩空气是迄今为止最昂贵的能源,同时,热动力学定律也清楚地告诉我们,不消耗热能就得不到压缩空气。在压缩机长时间的运行之后,压缩空气时的热能回收再利用非常重要。为什么流程企业在生产压缩空气时的热能回收是一项快回报的投资呢?本文介绍了如何在生产压缩空气的同时回收这些可以利用的热能。
热能回收的无限潜力

从能源方面考虑,压缩空气是一个非常热门的话题。有限的资源、严格的环保法规、限定的CO2排放量和不断上涨的能源价格都是能效项目建设的推动力。一方面,精心设计的流程,其中包括利用变频技术调节空气压缩机的转速、尽可能地让空压机在最佳工作点附近工作,以及为了保障企业生产过程的安全进行的适当功率储备等都为项目奠定了良好基础。另一方面,压缩机在提高空气压力时提高了空气的温度,这也为热能回收再利用带来了巨大的潜力。

压缩机的运用在环境保护方面也提出了可持续性的保护要求。基于企业的成本效益考虑,流程设备运营商们也越来越关注热能回收再利用的问题了。热能回收再利用的投资回报率很高,通常不到两年就能收回全部投资。为什么压缩空气的热能回收有着这样的潜力呢?本文将详细解答。

压缩空气通过热交换器的冷却器管,冷却水在管子中逆向流动,薄片设计的冷却管确保了有效的热传递并减少了压力损失
压缩空气通过热交换器的冷却器管,冷却水在管子中逆向流动,薄片设计的冷却管确保了有效的热传递并减少了压力损失

热力学定律的利用

据热力学定律可得,当封闭空间内的空气被压缩时,气体温度会升高,在封闭的空间里,气体受到压缩时,空气分子之间的距离缩短,因此产生的摩擦增加。此外,理想气体定律也适用于典型的流程工艺领域。根据这些热力学原理,结合空压机各个工作点的效率可以计算空气压缩后的温度。

温度的高低还取决于压缩比。例如进气温度为20℃,压缩比为3,压缩机的等熵效率为74%时,空气压缩时的温度会达到166 ℃。温度越高,废热利用的范围就越广泛。在热力学中,热量的质量是用卡诺系数来描述的,即废热和散发热量的绝对温度之比,也就是废热利用率。流程工艺中气体中所含有的热量通常占可回收利用总热量的85%左右。剩下的15%大致均匀分配给炽热空气压缩阶段的驱动电机消耗、机械消耗以及热辐射等。

典型的干式螺杆式空气压缩机的能量平衡
典型的干式螺杆式空气压缩机的能量平衡

采暖的余热利用

在热能回收再利用措施的空间内,可回收利用总热量剩下的15%也可以直接利用,其可以作为附近办公室和生产车间的采暖用热能。为了利用这些热量,与以往的热气在压缩阶段、消音阶段和消音罩内管道系统中被冷却的情况不同,Aerzen公司为Delta Blower型扭叶风机、Delta Hybrid型扭叶螺杆风机和Delta Screw型螺杆压缩机配备了一根排气管,空气经这一排气管道排出。中央排气管中的废气温度在30℃~60℃之间,这一温度范围的废气经分支管路返回,供室内采暖使用。同时,这一采暖系统利用闸板阀来控制各个不同空间的具体采暖温度。

在85%的可回收再利用的热能中,最重要的是利用这些热能的比例,也就是压缩空气再利用的比例。

Aerzen公司已经成功地在许多项目中使用了流量优化的管壳式换热器,紧凑型的管壳式换热器位于空压机的压力侧,管壳式换热器可以简单方便地集成到原有的压缩空气供应系统中。因此这一技术也被推荐用于空压机站的技术改造,以显著提高空压机设备的能源利用效率,同时还能明显改善CO2平衡。

管壳式换热器的设计基于内部介质的流动特性,随着排气管道系统压力的增高,带来的功率损失只有2%,与热能回收带来的节约相比几乎可以忽略不计。纯净废气的热能可以有效地直接用于室内采暖,但管壳式换热器的出现则开辟了高温废气能源利用的新天地。

管壳式换热器带来了许多新的热能利用的可能性。最典型的就是对加热系统、淋浴和洗手间用水以及工业用水等设备进行加温。在废水处理技术领域中,回收的热能可以用于烘干污泥滤饼。但在设计这类系统时要注意其规格尺寸要与空气压缩设备的基本负荷相匹配,而空压机站的基本负荷可以在长期累积的特性曲线中轻松获得。

最佳废热利用的基础是确定可回收再利用热量的多少,而可回收再利用热量的多少取决于可用的温度差、能够掌控的体积流量(不同时间可以使用的流量)以及生产和使用压缩空气的同时性程度等因素。从这错综复杂的相互关系出发,Aerzen公司提供了相应的智能化回收再利用解决方案,可将回收再利用的热能有效地回送到生产过程、热水处理或者采暖中使用。

总结

基于热力学原理,在生产压缩空气时系统会自动产生废热。为了更好地利用热力学定理,企业应将过去没有充分利用的热集成到其能源需求的解决方案里。应该注意的是,流程设备运营商常常不了解可回收再利用的热能情况,但实践表明利用压缩空气废热的投资可以很快有所收获,这同时也减少了CO2排放。