摘要

工业生产过程中约有 50%~70% 的能源以各种形式的余热排放到环境中，不仅造成巨大的能源浪费，还加剧了热污染和温室气体排放。本文系统梳理了工业余热的分类与资源潜力，全面介绍了当前主流的余热利用技术体系，分析了不同技术的适用场景和技术经济性，并探讨了我国工业余热利用面临的挑战与未来发展方向。研究表明，通过梯级利用、多能互补和系统集成，工业余热利用可实现显著的节能降碳效益，是我国实现 "双碳" 目标的重要技术路径。

一、工业余热资源概况

1.1 工业余热的定义与分类

工业余热是指工业生产过程中未被利用的热能，它存在于废气、废水、废渣以及产品和物料的显热和潜热中。根据温度等级，工业余热可分为三类：

• 高温余热：温度高于 500℃，主要来自冶金炉窑、玻璃窑炉、水泥窑、燃气轮机排气等，能量品位最高，回收价值最大

• 中温余热：温度在 200℃~500℃之间，主要来自内燃机排气、蒸汽锅炉排烟、化工反应余热等，占工业余热总量的 30% 左右

• 低温余热：温度低于 200℃，主要来自工业循环冷却水、冷凝水、低温烟气、空压机排气等，占工业余热总量的 60% 以上，但回收难度最大

根据余热载体的不同，又可分为烟气余热、废水余热、固体物料余热、废气余热和化学反应余热等五大类。其中，烟气余热占比最大，约为 50%；废水余热次之，约为 25%；固体物料余热约为 15%；化学反应余热约为 10%。

1.2 我国工业余热资源潜力

我国是世界第一工业大国，工业能耗占全国总能耗的 65% 以上。据中国节能协会 2022年最新统计，我国工业领域每年产生的余热资源总量约为 15.8 亿吨标准煤，其中可回收利用的约为 6.3 亿吨标准煤，相当于我国全年能源消费总量的 15.7% 左右。

不同行业的余热资源分布差异显著：钢铁行业约占 37%，化工行业约占 20%，建材行业约占 15%，有色金属行业约占 10%，其他行业约占 18%。这些余热资源如果得到充分利用，每年可减少二氧化碳排放约 16.8 亿吨，相当于种植 45 亿棵树的碳汇效果，节能降碳潜力巨大。

二、主流工业余热利用技术体系

2.1 余热直接利用技术

余热直接利用是将余热直接用于加热、干燥、制冷等工艺过程，是最简单、最经济的余热利用方式，能源利用效率可达 80% 以上。

• 余热换热技术：通过换热器将余热从高温载体传递给低温介质，用于预热空气、给水、物料等。典型应用包括钢铁厂的空气预热器、化工厂的废热锅炉等。目前，高效板式换热器、热管换热器等新型换热设备的应用，使换热效率提高了 10%~15%。

• 余热干燥技术：利用低温烟气或蒸汽余热干燥物料，广泛应用于建材、化工、食品等行业。例如，利用水泥窑尾废气烘干原料，可节约燃料消耗 20% 以上。

• 余热制冷技术：通过吸收式制冷机将余热转化为冷能，用于工业生产工艺冷却或建筑空调。溴化锂吸收式制冷机可利用 80℃以上的热水或 120℃以上的烟气驱动，COP 值可达 1.0~1.2。

2.2 余热发电技术

余热发电是将余热转化为电能，是高品质的余热利用方式，适用于中高温余热资源。

• 蒸汽朗肯循环发电：利用余热产生蒸汽，推动汽轮机发电，是目前应用最广泛的余热发电技术，技术成熟度高，适用于 300℃以上的余热资源，发电效率可达 20%~30%。

• 有机朗肯循环 (ORC) 发电：采用低沸点有机物作为工质，适用于 100℃~300℃的中低温余热发电，发电效率可达 10%~20%。

• 卡琳娜循环发电：采用氨 - 水混合物作为工质，热效率比 ORC 循环高 10%~20%，适用于 200℃~450℃的余热资源。

• 超临界 CO₂发电：采用超临界 CO₂作为工质，热效率比蒸汽循环高 5%~10%，是未来高温余热发电的重要发展方向。

2.3 余热梯级利用技术

余热梯级利用是根据余热的温度等级，按照 "高质高用、低质低用" 的原则，逐级利用余热资源，实现能源利用效率的最大化。典型的梯级利用模式包括：

• 高温余热用于发电

• 中温余热用于工艺加热或制冷

• 低温余热用于供暖、生活热水或农业温室

例如，某钢铁企业的余热梯级利用系统：首先利用高炉煤气燃烧产生的 1500℃高温烟气加热钢水，然后将 1000℃的烟气用于预热空气，再将 500℃的烟气用于产生蒸汽发电，最后将 200℃的烟气用于干燥原料，整个系统的能源利用效率达到了 90% 以上。

三、典型行业余热利用应用案例

3.1 钢铁行业

钢铁行业是我国余热资源最丰富的行业，吨钢余热资源量约为 8.5GJ。目前，钢铁行业已广泛应用了烧结余热发电、高炉煤气余压发电 (TRT)、转炉煤气回收发电、干熄焦余热发电等技术。

案例：宝钢股份宝山基地建成了国内最完善的钢铁余热余能利用系统，包括 12 台 TRT 机组、8 台干熄焦余热锅炉、6 台烧结余热锅炉和 4 台燃气 - 蒸汽联合循环发电机组。该基地的余热余能自发电率达到了 62%，年节约标准煤约 120 万吨，年减少二氧化碳排放约 320 万吨。

3.2 水泥行业

水泥行业的余热主要来自窑头和窑尾的废气，温度约为 300℃~400℃。纯低温余热发电技术已在水泥行业得到全面推广，全国 90% 以上的新型干法水泥生产线都配套了余热发电系统。

案例：海螺水泥铜陵海螺水泥有限公司拥有两条 12000t/d 新型干法水泥生产线，配套建设了两套 18MW 纯低温余热发电系统。该系统利用窑头和窑尾的废气余热发电，吨水泥发电量可达 42kWh，年发电量约为 2.5 亿 kWh，年节约标准煤约 8 万吨，年减少二氧化碳排放约 21 万吨。

3.3 化工行业

化工行业的余热资源种类多、分布广，包括反应余热、精馏塔余热、烟气余热等。典型应用包括合成氨厂的变换气余热回收、炼油厂的催化裂化余热回收、乙烯装置的裂解气余热回收等。

案例：中国石化镇海炼化分公司建成了国内最大的炼油化工一体化余热利用系统。该系统回收了催化裂化、加氢裂化、乙烯裂解等装置的余热，用于产生蒸汽和发电。该公司的余热余能利用率达到了 85%，年节约标准煤约 50 万吨，年减少二氧化碳排放约 135 万吨。

四、我国工业余热利用面临的挑战

4.1 技术瓶颈

• 低温余热利用技术效率低、投资回收期长。目前，100℃以下的低温余热利用率不足 10%，主要原因是缺乏高效、低成本的回收技术。

• 余热资源不稳定、间歇性强，难以稳定利用。许多工业生产过程是间歇式的，导致余热资源的流量和温度波动较大，影响了余热利用系统的运行效率和稳定性。

• 高温余热回收设备的耐高温、耐腐蚀性能有待提高。在高温、高腐蚀环境下，设备的使用寿命短，维护成本高。

4.2 经济性问题

• 余热利用项目初始投资大，融资困难。一个典型的 10MW 余热发电项目投资约为 5000 万元，许多中小企业难以承担。

• 部分地区电价偏低，余热发电收益不足。在一些工业电价较低的地区，余热发电的上网电价甚至低于成本，导致企业积极性不高。

• 缺乏统一的余热资源定价机制和交易市场。余热资源的价值难以量化，企业之间的余热交易难以开展。

4.3 管理与政策问题

• 企业对余热利用的认识不足，积极性不高。许多企业只关注生产效率，忽视了能源利用效率的提高。

• 缺乏完善的标准体系和监管机制。目前，我国还没有统一的工业余热资源评价标准和余热利用系统的能效标准。

• 政策支持力度有待进一步加强。虽然国家出台了一系列支持余热利用的政策，但在执行过程中还存在一些问题，如补贴资金到位不及时、审批流程复杂等。

五、未来发展方向

5.1 技术创新

• 发展高效低温余热利用技术，如 ORC 与热泵联合循环、有机闪蒸循环等，提高低温余热的回收效率。

• 研发超临界 CO₂发电、磁流体发电等新型发电技术，提高高温余热的发电效率。

• 开发余热储能技术，如相变储能、热化学储能等，解决余热资源间歇性问题。

• 研发耐高温、耐腐蚀的新型材料，提高余热回收设备的使用寿命和可靠性。

5.2 系统集成

• 推进工业余热与城市供热、供冷系统的集成，实现 "工业余热进城"。例如，利用钢铁厂、化工厂的余热为周边居民供暖，可替代大量燃煤锅炉。

• 发展工业互联网 + 余热利用，实现智能化管控。通过传感器、大数据、人工智能等技术，实时监测余热资源的流量和温度，优化余热利用系统的运行参数，提高系统效率。

• 构建多能互补的综合能源系统。将余热利用与太阳能、风能、储能等技术相结合，实现能源的梯级利用和互补供应。

5.3 政策与市场

• 完善余热发电上网电价政策，实行 "分质定价"，提高中低温余热发电的上网电价。

• 建立余热资源交易市场和碳交易机制，将余热利用的碳减排量纳入碳交易市场，增加企业的收益。

• 加大对余热利用项目的财政支持力度，设立专项基金，对余热利用项目给予补贴和贷款贴息。

• 完善标准体系和监管机制，制定工业余热资源评价标准、余热利用系统能效标准和检测方法。

六、结论

工业余热利用是提高能源利用效率、减少温室气体排放的重要途径，对于我国实现 "双碳" 目标具有重要意义。虽然目前我国工业余热利用取得了显著进展，但仍面临技术、经济和管理等多方面的挑战。未来，通过技术创新、系统集成和政策支持，我国工业余热利用将迎来更加广阔的发展空间，为推动工业绿色低碳转型提供有力支撑。