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炙熱良機(jī)

目前工業(yè)生產(chǎn)工藝中消耗的初級(jí)能源約有一半被白白浪費(fèi)掉。尤其是在余熱方面，眼下幾乎沒(méi)有任何經(jīng)濟(jì)上切合實(shí)際、技術(shù)上成熟的能源回收方法。西門(mén)子正在潛心研究能夠巧妙地利用大部分此類(lèi)能源的途徑。

鋼鐵無(wú)處不在。若沒(méi)有了鋼鐵，難以想象機(jī)械工程、汽車(chē)制造，乃至整個(gè)工業(yè)世界會(huì)是什么樣子。2011年，全球原鋼產(chǎn)量達(dá)到15億公噸左右，這個(gè)數(shù)字意味著消耗大量能源來(lái)支撐。即便是通過(guò)回收利用金屬?gòu)U料生產(chǎn)的鋼材，例如利用電弧爐來(lái)回收，每公噸鋼也需要消耗約370度電。在這種電弧爐中，若干電極之間會(huì)放出電弧。由此產(chǎn)生的熱量使鋼材發(fā)生融化。然后呢？電弧爐的出鋼口釋放出溫度高達(dá)1700℃的混合氣體，這些原本可以用來(lái)發(fā)電的巨量余熱就這樣浪費(fèi)掉了。

在奧地利林茨的西門(mén)子奧鋼聯(lián)鋼鐵科技有限公司，收集這些余熱正是Alexander Fleischanderl所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)目前研究的目標(biāo)。但這并非易事。從材料入爐到整個(gè)熔煉過(guò)程，再到“出鋼”，需要45到60分鐘的時(shí)間，具體時(shí)長(zhǎng)視系統(tǒng)而定。在此期間，廢氣溫度和流速千差萬(wàn)別，這對(duì)工程師提出了巨大挑戰(zhàn)。Fleischanderl指出，“要確保高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪機(jī)必須有持續(xù)的蒸汽供應(yīng)。為保障蒸汽供應(yīng)，我們?cè)跓掍摖t和渦輪機(jī)之間引入了熱存儲(chǔ)系統(tǒng)。”

這種熱存儲(chǔ)功能是通過(guò)熔點(diǎn)很低的鹽混合物（也被用于太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)裝置）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鹽混合物通過(guò)熱交換器系統(tǒng)從廢氣中吸取熱量。在第二個(gè)回路中，水流過(guò)加熱的鹽混合物，生成能為渦輪機(jī)提供動(dòng)力的蒸汽，渦輪機(jī)則生產(chǎn)出電力。第二個(gè)回路是持續(xù)的過(guò)程，它獨(dú)立于煉鋼爐作業(yè)循環(huán)。

Fleischanderl介紹道，“鹽熔體的優(yōu)勢(shì)是它們不需要壓力、存儲(chǔ)能力強(qiáng)并且對(duì)環(huán)境無(wú)害。”因此，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)需價(jià)格不菲的高壓容器，易于建造和獲得審批，同時(shí)操作安全。此外，由于鹽的溫度高達(dá)500℃，該工藝的能效等級(jí)也高達(dá)24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)能效等級(jí)只有17%的蒸汽蓄熱器。

上圖：在莫斯科，科學(xué)家們利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)來(lái)回收大量余熱。

據(jù)Fleischanderl估計(jì)，全球市場(chǎng)約有300個(gè)此類(lèi)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的成本在3000萬(wàn)歐元左右。他指出，“融化金屬?gòu)U料所需的電力有多達(dá)20%可以從余熱中回收。通過(guò)這種方式，可使生產(chǎn)每公噸鋼材所排放的二氧化碳約減少40 公斤。當(dāng)前系統(tǒng)的二氧化碳排放量約為270公斤，其中220公斤是因電力生產(chǎn)而來(lái)。這意味著，對(duì)于一個(gè)典型的120公噸級(jí)煉鋼爐，每年的二氧化碳排量可降低3萬(wàn)公噸。”

西門(mén)子的專(zhuān)家們目前正在對(duì)不同的容器材料和鹽混合物進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)自2012年2月開(kāi)始，一個(gè)試點(diǎn)系統(tǒng)也已經(jīng)在德國(guó)的一家鋼鐵廠開(kāi)始運(yùn)行。商用熱能回收系統(tǒng)有望于2013年面市。

但是目前大部分工業(yè)余熱并未得到有價(jià)值的利用。愛(ài)爾蘭根西門(mén)子中央研究院的Martin Tackenberg博士稱(chēng)，“如今工業(yè)生產(chǎn)工藝和發(fā)電過(guò)程中消耗的初級(jí)能源約有一半被浪費(fèi)。對(duì)于溫度在300℃以下的余熱而言，尤其如此，目前幾乎沒(méi)有任何經(jīng)濟(jì)上切合實(shí)際而技術(shù)上成熟的相應(yīng)工藝。”考慮到這一現(xiàn)狀，西門(mén)子在一個(gè)側(cè)重于熱管理的特殊項(xiàng)目中，廣泛探索了一系列工藝，并篩選出20個(gè)可能會(huì)帶來(lái)巨大的熱回收利用潛力的方案。在從大約80個(gè)用例選出的方案中，潛力的項(xiàng)目有4個(gè)，這些項(xiàng)目均可應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）技術(shù)。ORC技術(shù)尤其適用于以下余熱利用領(lǐng)域：玻璃工業(yè)的高爐余熱、柴油機(jī)或汽油機(jī)的余熱、精煉廠的天然氣燃除余熱和壓縮站燃?xì)廨啓C(jī)的余熱。與傳統(tǒng)的蒸汽回路工藝相比，ORC中循環(huán)的并非水，而是一種有機(jī)介質(zhì)，它能確?；芈芬暂^低的余熱溫度和功耗實(shí)現(xiàn)效率，并且非常適用于緊湊型設(shè)計(jì)。

易揮發(fā)的介質(zhì)。在與莫斯科動(dòng)力工程學(xué)院和莫斯科國(guó)立大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展的ORC研究項(xiàng)目中，西門(mén)子采用了美國(guó)3M公司出產(chǎn)的一種新型工作介質(zhì)，該介質(zhì)由碳、氟和氧組成，在正常壓力下溫度達(dá)到49℃時(shí)便會(huì)蒸發(fā)。Tackenberg指出，“更為重要的是，這種有機(jī)介質(zhì)對(duì)于環(huán)境*無(wú)污染。在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于西門(mén)子而言非常重要。”*個(gè)示范系統(tǒng)于2011年11月在莫斯科國(guó)立大學(xué)開(kāi)始投入運(yùn)轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的輸出功率為1.2千瓦。另有一個(gè)加大規(guī)模的示范系統(tǒng)預(yù)定將于2012年秋季在德國(guó)玻璃纖維制造商Lauscha的工廠投入運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出功率為100千瓦。該示范系統(tǒng)將利用玻璃纖維生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)生的高溫余熱發(fā)電——發(fā)電溫度只有220℃。Tackenberg表示，“此ORC單元每年將額外產(chǎn)出約80萬(wàn)度電，能效達(dá)到20%左右，這個(gè)產(chǎn)能價(jià)值約相當(dāng)于8萬(wàn)歐元。在此案例中，每千瓦電能的投入成本約為2200歐元。因此，這個(gè)系統(tǒng)在不到三年時(shí)間內(nèi)，就可以逐步收回成本。”據(jù)他估計(jì)，ORC解決方案的年度市場(chǎng)額可達(dá)30億歐元左右。

上圖：圖為紅外顯示的ORC工藝，該工藝可以在低溫條件下發(fā)電。

用余熱凈化水。余熱不僅可以發(fā)電，它還可以用來(lái)對(duì)水進(jìn)行凈化。這正是西門(mén)子EvaCon（蒸發(fā)和冷凝）工藝背后的理念。愛(ài)爾蘭根西門(mén)子中央研究院的EvaCon項(xiàng)目經(jīng)理Thomas Hammer博士解釋道，“工業(yè)生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的余熱往往溫度太低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)劃算的發(fā)電。EvaCon可以利用溫度在65℃到90℃之間的余熱來(lái)進(jìn)行水凈化。”

在此應(yīng)用中，廢水經(jīng)過(guò)加熱、蒸發(fā)，然后進(jìn)入冷凝器，蒸汽在冷凝器中重新液化為水。Hammer介紹道，“這就是從高濃度廢水分離潔凈水的過(guò)程，最終得到的是去礦物質(zhì)水。”潛在的熱源包括造紙廠、瓶裝飲料廠等等，這些地方產(chǎn)生的廢水在污水處理廠無(wú)法立即得到處理。利用EvaCon不僅可以生產(chǎn)出新的潔凈水，同時(shí)亦可以減輕污水處理的負(fù)擔(dān)。

西門(mén)子中央研究院的研究人員目前正在探索用于蒸發(fā)器和冷凝器的設(shè)計(jì)和材料。預(yù)計(jì)在2012年9月將推出一個(gè)雛形，用以示范這一工藝的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。Tackenberg估計(jì)EvaCon有望在2015底以前做好面市準(zhǔn)備，屆時(shí)它將成為一款炙手可熱的產(chǎn)品。Tackenberg介紹說(shuō)：“從年度來(lái)看，如果一家飲料生產(chǎn)商每小時(shí)需要使用8立方米滅菌沖洗水，并處理掉伴生廢水，那么目前它每年因此而為每個(gè)裝瓶作業(yè)線(xiàn)支出的成本約為50萬(wàn)歐元。利用EvaCon來(lái)實(shí)現(xiàn)廢水的再處理，每年可以節(jié)約37萬(wàn)歐元左右。因此，假如系統(tǒng)的建設(shè)成本為32.5萬(wàn)歐元，那么這個(gè)投入在不到一年內(nèi)就可以逐步收回。”西門(mén)子中央研究院與西門(mén)子工業(yè)的食品與飲料業(yè)務(wù)部合作推廣EvaCon，目前已經(jīng)將該工藝推介到紐約的百事公司。

機(jī)器之幸。在另一個(gè)項(xiàng)目中，西門(mén)子研究人員研究了未來(lái)的潛熱存儲(chǔ)單元如何確保機(jī)器的“熱舒適度”。在此類(lèi)存儲(chǔ)設(shè)備中，熱不會(huì)引起溫度的升高，而是促發(fā)形態(tài)轉(zhuǎn)變，例如冰融化成水，只要還剩有最后一點(diǎn)冰未融盡，溫度就會(huì)保持在0℃，高精度的機(jī)床尤其需要復(fù)雜的熱管理。為了防止由于機(jī)床和產(chǎn)品的熱膨脹而導(dǎo)致不合格品增多，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，機(jī)床需要冷卻，而在啟動(dòng)前則要將其預(yù)熱。潛熱存儲(chǔ)單元可以吸收生產(chǎn)期間產(chǎn)生的多余熱能，然后在機(jī)器閑置時(shí)將這些熱能重新釋放到機(jī)器中。Tackenberg指出，“這種方法可以顯著降低冷卻成本，同時(shí)啟動(dòng)時(shí)也不再需要額外用電。”

上述項(xiàng)目仍處于起步階段，所以究竟何種材料才是潛熱存儲(chǔ)的選擇目前尚未可知。如此看來(lái)，西門(mén)子的ORC和EvaCon解決方案很可能要先于潛熱存儲(chǔ)單元一步，在實(shí)際應(yīng)用中一展拳腳了。Tackenberg預(yù)計(jì)，截至2020年，在這些解決方案及其他研發(fā)成果的作用下，工業(yè)濃煙中溢出的礦物初級(jí)能源余熱比例將從高達(dá)50%降至40%左右。

據(jù)西門(mén)子和McKinsey聯(lián)合開(kāi)展的一項(xiàng)研究顯示，僅ORC 技術(shù)應(yīng)用一項(xiàng)就可以帶來(lái)1.1至 2.5千兆瓦的可用余熱發(fā)電潛力。這對(duì)于氣候和此類(lèi)解決方案的供應(yīng)商而言都是一大益事。西門(mén)子無(wú)疑是其中的受益者之一。