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炙熱良機

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

鋼鐵無處不在。若沒有了鋼鐵，難以想象機械工程、汽車制造，乃至整個工業(yè)世界會是什么樣子。2011年，全球原鋼產(chǎn)量達(dá)到15億公噸左右，這個數(shù)字意味著消耗大量能源來支撐。即便是通過回收利用金屬廢料生產(chǎn)的鋼材，例如利用電弧爐來回收，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，這些原本可以用來發(fā)電的巨量余熱就這樣浪費掉了。

在奧地利林茨的西門子奧鋼聯(lián)鋼鐵科技有限公司，收集這些余熱正是Alexander Fleischanderl所帶領(lǐng)的團隊目前研究的目標(biāo)。但這并非易事。從材料入爐到整個熔煉過程，再到“出鋼”，需要45到60分鐘的時間，具體時長視系統(tǒng)而定。在此期間，廢氣溫度和流速千差萬別，這對工程師提出了巨大挑戰(zhàn)。Fleischanderl指出，“要確保高效地運轉(zhuǎn)，渦輪機必須有持續(xù)的蒸汽供應(yīng)。為保障蒸汽供應(yīng)，我們在煉鋼爐和渦輪機之間引入了熱存儲系統(tǒng)。”

這種熱存儲功能是通過熔點很低的鹽混合物（也被用于太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)裝置）來實現(xiàn)的。鹽混合物通過熱交換器系統(tǒng)從廢氣中吸取熱量。在第二個回路中，水流過加熱的鹽混合物，生成能為渦輪機提供動力的蒸汽，渦輪機則生產(chǎn)出電力。第二個回路是持續(xù)的過程，它獨立于煉鋼爐作業(yè)循環(huán)。

Fleischanderl介紹道，“鹽熔體的優(yōu)勢是它們不需要壓力、存儲能力強并且對環(huán)境無害。”因此，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時無需價格不菲的高壓容器，易于建造和獲得審批，同時操作安全。此外，由于鹽的溫度高達(dá)500℃，該工藝的能效等級也高達(dá)24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過能效等級只有17%的蒸汽蓄熱器。

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

據(jù)Fleischanderl估計，全球市場約有300個此類系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的成本在3000萬歐元左右。他指出，“融化金屬廢料所需的電力有多達(dá)20%可以從余熱中回收。通過這種方式，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。這意味著，對于一個典型的120公噸級煉鋼爐，每年的二氧化碳排量可降低3萬公噸。”

西門子的專家們目前正在對不同的容器材料和鹽混合物進(jìn)行測試，同時自2012年2月開始，一個試點系統(tǒng)也已經(jīng)在德國的一家鋼鐵廠開始運行。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)余熱并未得到有價值的利用。愛爾蘭根西門子中央研究院的Martin Tackenberg博士稱，“如今工業(yè)生產(chǎn)工藝和發(fā)電過程中消耗的初級能源約有一半被浪費。對于溫度在300℃以下的余熱而言，尤其如此，目前幾乎沒有任何經(jīng)濟上切合實際而技術(shù)上成熟的相應(yīng)工藝。”考慮到這一現(xiàn)狀，西門子在一個側(cè)重于熱管理的特殊項目中，廣泛探索了一系列工藝，并篩選出20個可能會帶來巨大的熱回收利用潛力的方案。在從大約80個用例選出的方案中，潛力的項目有4個，這些項目均可應(yīng)用有機朗肯循環(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、柴油機或汽油機的余熱、精煉廠的天然氣燃除余熱和壓縮站燃?xì)廨啓C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，而是一種有機介質(zhì)，它能確?；芈芬暂^低的余熱溫度和功耗實現(xiàn)效率，并且非常適用于緊湊型設(shè)計。

易揮發(fā)的介質(zhì)。在與莫斯科動力工程學(xué)院和莫斯科國立大學(xué)聯(lián)合開展的ORC研究項目中，西門子采用了美國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℃時便會蒸發(fā)。Tackenberg指出，“更為重要的是，這種有機介質(zhì)對于環(huán)境*無污染。在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，這一優(yōu)勢對于西門子而言非常重要。”*個示范系統(tǒng)于2011年11月在莫斯科國立大學(xué)開始投入運轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的輸出功率為1.2千瓦。另有一個加大規(guī)模的示范系統(tǒng)預(yù)定將于2012年秋季在德國玻璃纖維制造商Lauscha的工廠投入運轉(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80萬度電，能效達(dá)到20%左右，這個產(chǎn)能價值約相當(dāng)于8萬歐元。在此案例中，每千瓦電能的投入成本約為2200歐元。因此，這個系統(tǒng)在不到三年時間內(nèi)，就可以逐步收回成本。”據(jù)他估計，ORC解決方案的年度市場額可達(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，它還可以用來對水進(jìn)行凈化。這正是西門子EvaCon（蒸發(fā)和冷凝）工藝背后的理念。愛爾蘭根西門子中央研究院的EvaCon項目經(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，無法實現(xiàn)經(jīng)濟劃算的發(fā)電。EvaCon可以利用溫度在65℃到90℃之間的余熱來進(jìn)行水凈化。”

在此應(yīng)用中，廢水經(jīng)過加熱、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，同時亦可以減輕污水處理的負(fù)擔(dān)。

西門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)計和材料。預(yù)計在2012年9月將推出一個雛形，用以示范這一工藝的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用。Tackenberg估計EvaCon有望在2015底以前做好面市準(zhǔn)備，屆時它將成為一款炙手可熱的產(chǎn)品。Tackenberg介紹說：“從年度來看，如果一家飲料生產(chǎn)商每小時需要使用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裝瓶作業(yè)線支出的成本約為50萬歐元。利用EvaCon來實現(xiàn)廢水的再處理，每年可以節(jié)約37萬歐元左右。因此，假如系統(tǒng)的建設(shè)成本為32.5萬歐元，那么這個投入在不到一年內(nèi)就可以逐步收回。”西門子中央研究院與西門子工業(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。

機器之幸。在另一個項目中，西門子研究人員研究了未來的潛熱存儲單元如何確保機器的“熱舒適度”。在此類存儲設(shè)備中，熱不會引起溫度的升高，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冰未融盡，溫度就會保持在0℃，高精度的機床尤其需要復(fù)雜的熱管理。為了防止由于機床和產(chǎn)品的熱膨脹而導(dǎo)致不合格品增多，在運轉(zhuǎn)期間，機床需要冷卻，而在啟動前則要將其預(yù)熱。潛熱存儲單元可以吸收生產(chǎn)期間產(chǎn)生的多余熱能，然后在機器閑置時將這些熱能重新釋放到機器中。Tackenberg指出，“這種方法可以顯著降低冷卻成本，同時啟動時也不再需要額外用電。”

上述項目仍處于起步階段，所以究竟何種材料才是潛熱存儲的選擇目前尚未可知。如此看來，西門子的ORC和EvaCon解決方案很可能要先于潛熱存儲單元一步，在實際應(yīng)用中一展拳腳了。Tackenberg預(yù)計，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能源余熱比例將從高達(dá)50%降至40%左右。

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