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时间：2023-06-12

目前工业生产工艺中消耗的初级能源约有一半被白白浪费掉。尤其是在余热方面，眼下几乎没有任何经济上切合实际、技术上成熟的能源回收方法。西门子正在潜心研究能够巧妙地利用大部分此类能源的途径。

钢铁无处不在。若没有了钢铁，难以想象机械工程、汽车制造，乃至整个工业世界会是什么样子。2011年，**原钢产量达到15亿公吨左右，这个数字意味着消耗大量能源来支撑。即便是通过回收利用金属废料生产的钢材，例如利用电弧炉来回收，每公吨钢也需要消耗约370度电。在这种电弧炉中，若干电极之间会放出电弧。由此产生的热量使钢材发生融化。然后呢？电弧炉的出钢口释放出温度高达1700℃的混合气体，这些原本可以用来发电的巨量余热就这样浪费掉了。

在奥地利林茨的西门子奥钢联钢铁科技有限公司，收集这些余热正是Alexander Fleischanderl所带领的团队目前研究的目标。但这并非易事。从材料入炉到整个熔炼过程，再到“出钢”，需要45到60分钟的时间，具体时长视系统而定。在此期间，废气温度和流速千差万别，这对工程师提出了巨大挑战。Fleischanderl指出，“要确保地运转，涡轮机必须有持续的蒸汽供应。为**蒸汽供应，我们在炼钢炉和涡轮机之间引入了热存储系统。”

这种热存储功能是通过熔点很低的盐混合物（也被用于太阳能热电联产装置）来实现的。盐混合物通过热交换器系统从废气中吸取热量。在*二个回路中，水流过加热的盐混合物，生成能为涡轮机提供动力的蒸汽，涡轮机则生产出电力。*二个回路是持续的过程，它独立于炼钢炉作业循环。

Fleischanderl介绍道，“盐熔体的优势是它们不需要压力、存储能力强并且对环境无害。”因此，系统运转时*价格不菲的高压容器，易于建造和获得审批，同时操作安全。此外，由于盐的温度高达500℃，该工艺的能效等级也高达24%，远远**过能效等级只有17%的蒸汽蓄热器。

上图：在莫斯科，科学家们利用**朗肯循环技术来回收大量余热。

据Fleischanderl估计，**市场约有300个此类系统，每个系统的成本在3000万欧元左右。他指出，“融化金属废料所需的电力有多达20%可以从余热中回收。通过这种方式，可使生产每公吨钢材所排放的二氧化碳约减少40 公斤。当前系统的二氧化碳排放量约为270公斤，其中220公斤是因电力生产而来。这意味着，对于一个典型的120公吨级炼钢炉，每年的二氧化碳排量可降低3万公吨。”

西门子的*们目前正在对不同的容器材料和盐混合物进行测试，同时自2012年2月开始，一个试点系统也已经在德国的一家钢铁厂开始运行。一个商用热能回收系统有望于2013年面市。

但是目前大部分工业余热并未得到有**的利用。爱尔兰根西门子*研究院的Martin Tackenberg博士称，“如今工业生产工艺和发电过程中消耗的初级能源约有一半被浪费。对于温度在300℃以下的余热而言，尤其如此，目前几乎没有任何经济上切合实际而技术上成熟的相应工艺。”考虑到这一现状，西门子在一个侧重于热管理的特殊项目中，广泛探索了一系列工艺，并筛选出20个可能会带来巨大的热回收利用潜力的方案。在从大约80个用例选出的方案中，较具潜力的项目有4个，这些项目均可应用**朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）技术。ORC技术尤其适用于以下余热利用领域：玻璃工业的高炉余热、柴油机或汽油机的余热、精炼厂的天然气燃除余热和压缩站燃气轮机的余热。与传统的蒸汽回路工艺相比，ORC中循环的并非水，而是一种**介质，它能确保回路以较低的余热温度和功耗实现较优效率，并且非常适用于紧凑型设计。

易挥发的介质。在与莫斯科动力工程学院和莫斯科国立大学联合开展的ORC研究项目中，西门子采用了美国3M公司出产的一种新型工作介质，该介质由碳、氟和氧组成，在正常压力下温度达到49℃时便会蒸发。Tackenberg指出，“较为重要的是，这种**介质对于环境完全无污染。在可持续发展的大背景下，这一优势对于西门子而言非常重要。”**个**系统于2011年11月在莫斯科国立大学开始投入运转，该系统的输出功率为1.2千瓦。另有一个加大规模的**系统预定将于2012年秋季在德国玻璃纤维制造商Lauscha的俄国工厂投入运转，其输出功率为100千瓦。该**系统将利用玻璃纤维生产线产生的高温余热发电——发电温度只有220℃。Tackenberg表示，“此ORC单元每年将额外产出约80万度电，能效达到20%左右，这个产能**约相当于8万欧元。在此案例中，每千瓦电能的投入成本约为2200欧元。因此，这个系统在不到三年时间内，就可以逐步收回成本。”据他估计，ORC解决方案的年度市场额可达30亿欧元左右。

上图：图为红外显示的ORC工艺，该工艺可以在低温条件下发电。

用余热净化水。余热不仅可以发电，它还可以用来对水进行净化。这正是西门子EvaCon（蒸发和冷凝）工艺背后的理念。爱尔兰根西门子*研究院的EvaCon项目经理Thomas Hammer博士解释道，“工业生产工艺产生的余热往往温度太低，无法实现经济划算的发电。EvaCon可以利用温度在65℃到90℃之间的余热来进行水净化。”

在此应用中，废水经过加热、蒸发，然后进入冷凝器，蒸汽在冷凝器中重新液化为水。Hammer介绍道，“这就是从高浓度废水分离洁净水的过程，较终得到的是去矿物质水。”潜在的热源包括造纸厂、瓶装饮料厂等等，这些地方产生的废水在污水处理厂无法立即得到处理。利用EvaCon不仅可以生产出新的洁净水，同时亦可以减轻污水处理的负担。

西门子*研究院的研究人员目前正在探索用于蒸发器和冷凝器的较佳设计和材料。预计在2012年9月将推出一个雏形，用以**这一工艺的工业规模应用。Tackenberg估计EvaCon有望在2015底以前做好面市准备，届时它将成为一款炙手可热的产品。Tackenberg介绍说：“从年度来看，如果一家饮料生产商每小时需要使用8立方米冲洗水，并处理掉伴生废水，那么目前它每年因此而为每个装瓶作业线支出的成本约为50万欧元。利用EvaCon来实现废水的再处理，每年可以节约37万欧元左右。因此，如系统的建设成本为32.5万欧元，那么这个投入在不到一年内就可以逐步收回。”西门子*研究院与西门子工业的食品与饮料业务部合作推广EvaCon，目前已经将该工艺推介到纽约的公司。

机器之幸。在另一个项目中，西门子研究人员研究了未来的潜热存储单元如何确保机器的“热舒适度”。在此类存储设备中，热不会引起温度的升高，而是促发形态转变，例如冰融化成水，只要还剩有较后一点冰未融尽，温度就会保持在0℃，高精度的机床尤其需要复杂的热管理。为了防止由于机床和产品的热膨胀而导致不合格品增多，在运转期间，机床需要冷却，而在启动前则要将其预热。潜热存储单元可以吸收生产期间产生的多余热能，然后在机器闲置时将这些热能重新释放到机器中。Tackenberg指出，“这种方法可以显着降低冷却成本，同时启动时也不再需要额外用电。”

上述项目仍处于起步阶段，所以究竟何种材料才是潜热存储的较佳选择目前尚未可知。如此看来，西门子的ORC和EvaCon解决方案很可能要先于潜热存储单元一步，在实际应用中一展拳脚了。Tackenberg预计，截至2020年，在这些解决方案及其他研发成果的作用下，工业浓烟中溢出的矿物初级能源余热比例将从高达50%降至40%左右。

据西门子和McKinsey联合开展的一项研究显示，仅ORC 技术应用一项就可以带来1.1至 2.5千兆瓦的可用余热发电潜力。这对于气候和此类解决方案的供应商而言都是一大益事。西门子无疑是其中的受益者之一。

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