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炙熱良機

目前工業生產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濟上切合實際、技術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，乃至整個工業世界會是什么樣子。2011年，全球原鋼產量達到15億公噸左右，這個數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。由此產生的熱量使鋼材發生融化。然后呢？電弧爐的出鋼口釋放出溫度高達1700℃的混合氣體，這些原本可以用來發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鋼鐵科技有限公司，收集這些余熱正是Alexander Fleischanderl所帶領的團隊目前研究的目標。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。Fleischanderl指出，“要確保高效地運轉，渦輪機必須有持續的蒸汽供應。為保障蒸汽供應，我們在煉鋼爐和渦輪機之間引入了熱存儲系統。”

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產裝置）來實現的。鹽混合物通過熱交換器系統從廢氣中吸取熱量。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，渦輪機則生產出電力。第二個回路是持續的過程，它獨立于煉鋼爐作業循環。

Fleischanderl介紹道，“鹽熔體的優勢是它們不需要壓力、存儲能力強并且對環境無害。”因此，系統運轉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500℃，該工藝的能效等級也高達24%，遠遠超過能效等級只有17%的蒸汽蓄熱器。

上圖：在莫斯科，科學家們利用有機朗肯循環技術來回收大量余熱。

據Fleischanderl估計，全球市場約有300個此類系統，每個系統的成本在3000萬歐元左右。他指出，“融化金屬廢料所需的電力有多達20%可以從余熱中回收。通過這種方式，可使生產每公噸鋼材所排放的二氧化碳約減少40 公斤。當前系統的二氧化碳排放量約為270公斤，其中220公斤是因電力生產而來。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行測試，同時自2012年2月開始，一個試點系統也已經在德國的一家鋼鐵廠開始運行。商用熱能回收系統有望于2013年面市。

但是目前大部分工業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，“如今工業生產工藝和發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濟上切合實際而技術上成熟的相應工藝。”考慮到這一現狀，西門子在一個側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，這些項目均可應用有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）技術。ORC技術尤其適用于以下余熱利用領域：玻璃工業的高爐余熱、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氣輪機的余熱。與傳統的蒸汽回路工藝相比，ORC中循環的并非水，而是一種有機介質，它能確?；芈芬暂^低的余熱溫度和功耗實現效率，并且非常適用于緊湊型設計。

易揮發的介質。在與莫斯科動力工程學院和莫斯科國立大學聯合開展的ORC研究項目中，西門子采用了美國3M公司出產的一種新型工作介質，該介質由碳、氟和氧組成，在正常壓力下溫度達到49℃時便會蒸發。Tackenberg指出，“更為重要的是，這種有機介質對于環境*無污染。在可持續發展的大背景下，這一優勢對于西門子而言非常重要。”*個示范系統于2011年11月在莫斯科國立大學開始投入運轉，該系統的輸出功率為1.2千瓦。另有一個加大規模的示范系統預定將于2012年秋季在德國玻璃纖維制造商Lauscha的工廠投入運轉，其輸出功率為100千瓦。該示范系統將利用玻璃纖維生產線產生的高溫余熱發電——發電溫度只有220℃。Tackenberg表示，“此ORC單元每年將額外產出約80萬度電，能效達到20%左右，這個產能價值約相當于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，這個系統在不到三年時間內，就可以逐步收回成本。”據他估計，ORC解決方案的年度市場額可達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電。

用余熱凈化水。余熱不僅可以發電，它還可以用來對水進行凈化。這正是西門子EvaCon（蒸發和冷凝）工藝背后的理念。愛爾蘭根西門子中央研究院的EvaCon項目經理Thomas Hammer博士解釋道，“工業生產工藝產生的余熱往往溫度太低，無法實現經濟劃算的發電。EvaCon可以利用溫度在65℃到90℃之間的余熱來進行水凈化。”

在此應用中，廢水經過加熱、蒸發，然后進入冷凝器，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水。”潛在的熱源包括造紙廠、瓶裝飲料廠等等，這些地方產生的廢水在污水處理廠無法立即得到處理。利用EvaCon不僅可以生產出新的潔凈水，同時亦可以減輕污水處理的負擔。

西門子中央研究院的研究人員目前正在探索用于蒸發器和冷凝器的設計和材料。預計在2012年9月將推出一個雛形，用以示范這一工藝的工業規模應用。Tackenberg估計EvaCon有望在2015底以前做好面市準備，屆時它將成為一款炙手可熱的產品。Tackenberg介紹說：“從年度來看，如果一家飲料生產商每小時需要使用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線支出的成本約為50萬歐元。利用EvaCon來實現廢水的再處理，每年可以節約37萬歐元左右。因此，假如系統的建設成本為32.5萬歐元，那么這個投入在不到一年內就可以逐步收回。”西門子中央研究院與西門子工業的食品與飲料業務部合作推廣EvaCon，目前已經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”。在此類存儲設備中，熱不會引起溫度的升高，而是促發形態轉變，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雜的熱管理。為了防止由于機床和產品的熱膨脹而導致不合格品增多，在運轉期間，機床需要冷卻，而在啟動前則要將其預熱。潛熱存儲單元可以吸收生產期間產生的多余熱能，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，在實際應用中一展拳腳了。Tackenberg預計，截至2020年，在這些解決方案及其他研發成果的作用下，工業濃煙中溢出的礦物初級能源余熱比例將從高達50%降至40%左右。

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