可用势，一个可直接用来评价余热资源品位的新的热力学参数，将能够有效地帮助研究人员对具有显热、潜热、温度和压力综合属性的余热资源进行定量评价。
能源是人类繁衍生存的基本保障之一，随着社会的发展，人们对能源的依赖也越来越强。在可再生能源等新能源全面接替化石能源之前，节能减排将是缓解能源瓶颈制约和减少环境污染的根本措施。而在化石能源的利用过程中，并不能实现百分之百的利用，其中有不可忽视的一部分能源以不同形式变成了余热余能，在不经意间悄悄溜走。中国国家统计局发布的数据显示，2014年中国能源消耗总量达42.6亿吨标准煤，工业部门的余热资源率平均达7.3%，其中大部分能量以不同形式的余热被直接排放，回收率不超过35%，特别是温度低于200摄氏度的低品位余热余压资源存在大量的浪费现象。
中国工业余热资源广泛存在于发电、钢铁、冶金、化工、水泥、玻璃等高能耗行业。
例如钢铁行业有数十道生产工序，会产生焦炉煤气烟气、高炉煤气烟气、成品热及炉渣热、废蒸气及废水热等十几种余热资源，温度范围从几十至上千摄氏度不等，产生的水蒸气压强达0.8~3.82兆帕，热量回收潜力都在40%以上，其中还不包括水蒸气冷凝过程中放出的潜热；
水泥行业窑头篦冷机、窑尾预热器排出的中低温废气约300～500摄氏度，水蒸气含量约为6%，压强达1.0~1.6兆帕，回收潜力35%以上；
此外，机械、冶金、化工等行业生产中都需要大量的加热工艺，来自锻造炉、加热炉等高温耗能设备的余热资源大多为500摄氏度以上的中高温烟气；玻璃生产过程中，窑炉产生的烟气虽然流量不大，但其余热温度达400～550摄氏度，属于品位较高的中温热源；
纺织和造纸等行业的余热资源主要为蒸汽的排热和冷凝水的潜热。这些余热资源类型和存在形式均存在较大差异，且温度和压力范围变化极大，对其进行描述和分类是对工业余热资源高效、合理和深度的利用过程中不可或缺的环节。
中国现有的余热资源利用的指导原则基于吴仲华院士提出的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”的科学用能思想，强调在系统层面上对不同形式和品位的资源合理安排、对资源与系统的优化匹配等，以提高资源的综合利用效率。
现阶段主要以温度作为常用的余热资源评价指标，温度越高，表明其可回收利用的能量越高，给提高资源利用率提供了大方向。例如，按照温度品位的高低，可将工业余热分为600摄氏度以上的高温余热、300～600摄氏度的中温余热和300摄氏度以下的低温余热。根据余热资源对应的温度区间，便可初步确定相应的回收利用方式。余热温度越高，表明其显热回收潜力越大，直接热回收和动力回收的技术越成熟，但其利用方式较为单一，导致余热利用深度不够，容易造成资源的浪费。
虽然温度是所有余热资源共同的特点，但不同的余热资源还存在各自的独特性，例如钢铁余热烟气、水泥回转窑烟气、玻璃熔窖烟气中含有的水蒸气均具有一定潜热回收价值。这些余热资源品位的高低并不只由温度来决定。例如同样温度的水蒸气和水具有的能量明显是不一样的，这是因为温度不能全面地反映余热资源的其他属性（比如压力能和相变过程中的潜热能），无法定量地评价以潜热为主的余热资源和以压力形式体现的余压资源品质，因此全面定量地评价这些余热资源，寻找可行、实用的标准就成了当务之急。
为了提出一套能够对工业余热资源品质和能级进行全面评价和定量分析的完整体系，进而实现对工业余热资源进行科学合理的分类和利用，国家973计划项目课题“余热能级及梯级利用的定量化原则及其在热力系统的应用”的研究团队对中国工业余热资源的利用技术和有关数据进行了深入调研，依据余热资源的温度、压力、显热和潜热部分所占比例，对余热资源进行了科学分类，归纳绘制了余热资源的温度-压力坐标图和显热潜热坐标图。
温度与压力是余热资源的基本属性，根据两者数值的相对大小，可以将余热资源定性地划分为4个区间，即高温高压区、高温低压区、低温高压区和低温低压区。如此即可同时从温度和压力纬度对余热资源进行分类。例如，高炉、焦炉等设备产生的高温烟气温度高，但是压力较低，水蒸气含量较少，对于此类同时包含热能和压力能的工业余热资源，回收利用顺序应为先回收热能，再回收压力能。即先通过换热器等压换热回收热能，焓值降低后通过膨胀做功回收压力能，最大程度地回收烟气的余热余压。温度压力属性更多地指导回收利用以显热放热量为主和以压力能为主的非相变余热资源。
对于低温高压的烟气，单纯看其温度-压力属性会造成一种只能回收利用压力能的感觉，但若其中的水蒸气含量很高，则仍然具有很大的潜热热能回收价值。根据余热资源中显热和潜热所占的比例大小，同样划分为4个区间：显热大且潜热大、显热大而潜热小、显热小而潜热大和显热小且潜热小。
如此便可同时表征余热显热和潜热的回收价值。水蒸气含量少的高温烟气、工艺气等，应考虑直接充当燃气轮机进气预热器，然后通过常规的余热锅炉等回收热能；而对于含水蒸气较多的天然气烟气、焦炉煤气烟气，其显热和潜热量均较为客观，可考虑采用效率比常规锅炉提高10%的冷凝式锅炉，充分利用高温烟气的显热及低温烟气中水蒸气的汽化潜热，由于烟气中的有害成分可以被水蒸气冷凝过程吸收，因此还同时具有节能潜力和环保效应。
可见，工业余热资源具有两类属性：一是温度压力属性；二是显热和潜热属性。那么如何对具有显热、潜热、温度和压力综合属性的余热资源进行定量评价呢?
研究团队通过定义一个新的热力学参数——可用势（e=h-T0s）来解决定量评价的问题。可用势是指在环境温度一定时，其包含可用于做功的最大能势（u- T0s）与可完全转化为功的纯功势（pv），用来表征工质在某一状态下的可逆做功能力。可用势是一个状态量，可直接用来评价余热资源的品位。例如，对于非相变余热资源的利用，可用势是温度和压力的函数，其最大的做功能力体现了显热的可利用程度，取决于资源的温度和压力。
对于含有水蒸气的相变余热回收过程，可用势可表示为温度（压力）和干度等热力学参数的函数，体现该状态下的余热资源的显热和潜热最大可回收水平。例如水蒸气的e-h图中，等压线上各点的焓和可用势均随着温度升高而增大，等温线上各点的可用势随着压力提高而增加，而各点的焓随着压力提高并无显著规律。可见，利用水蒸气的e-h图可综合反映水蒸气的显热、潜热和压力水平，定量评价水蒸气的能源品位。
玻璃窑炉烟气、高炉煤气烟气、转炉煤气烟气、天然气烟气、焦炉煤气烟气等工业烟气的水蒸气含量分别为7.2%、3.3%、2.1%、16.4%和20.5%，烟气中所含的水蒸气在100摄氏度以上时处于过热状态，在同一温度下, 组分不同的各种烟气的焓值和可用势不同，其中水蒸气含量的影响最大。在可用势相等时，烟气中水蒸气含量越大，即汽化潜热量越大，则焓值越大；在焓值相等时，烟气的温度越高，即显热越大，则其可用势越大。横向为烟气潜热增大的方向,纵向为烟气显热增大的方向。因此，相同压力下，工业烟气的e-h图可以体现不同种类烟气资源显热和潜热品位的高低，可指导烟气潜热和显热的回收。
在可用势的指导原则下，工业余热余压资源回收方式主要有热功转换、直接利用和提质利用，余热资源的可用势越高，表明其温度和焓㶲越高，可回收的能量（包括压力能、显热和潜热）也越大。能源的品质高，可采用“热功转换”方式，利用合适的热力循环（如朗肯循环），输出高品位的有用功。
在可用势稍低的区间内，余热资源的温度较高，若余压较高，则应基于“先回收热能，再利用压力能”的原则。对于燃烧后的高温烟气，水蒸气含量低，压力能较低，则可采用换热器直接提供其他工艺环节所需的热量，而高炉煤气等具有高压力能的工艺废气则可考虑采用中低温余热发电技术，如利用有机朗肯循环、卡琳娜循环或者斯特林循环等回收余压来发电。对于略高于环境温度的余热资源，如工业冷却废水、冲渣水、冷凝水等，温度通常为50~90摄氏度，此类资源余热总量很大，但焓值和可用势值都很低，很难采用换热器直接利用，也难以用热功转换的方式进行回收，可考虑采用热泵系统对其进行提质利用。
在“十二五”期间，中国钢铁行业中高温余热资源的利用技术取得了很大的成就，但焦炉上升管、烧结大烟道烟气、高炉冲渣水、轧钢加热炉等产生的中低温余热资源回收利用还有待提高。从技术发展看，低温有机朗肯循环技术是利用低温工业余热最经济有效的方案，但目前国内的技术还不够成熟，强化研究有机朗肯循环等低温余热发电技术，对提高低品位余热利用率会起到重要作用。
研究团队在973计划项目的支持下，自主设计搭建了一套小型（目标输出功率为2千瓦）的低温余热利用有机朗肯循环发电系统，将自主设计的折流杆换热器作为冷凝器应用到系统中。基于可用势的分析方法，计算工质在蒸发器内吸热过程的可用势提值，为余热资源匹配做功能力更强的有机工质。
总而言之，可用势对能量品质的定量评价要比温度更为直观，而且能够较为全面地评价余热余压资源的品质，特别是包含潜热热量和压力能的余热资源。随着对工业余热资源的温度、压力、回收技术、回收成本等基础性数据资料进行更加深入且全面的调研和分析，研究团队将按照温度、压力、显热、潜热、热力学可用势等本质属性对中国现有的工业余热资源进行科学合理的分类，进一步推进按“势”用能的理念，建立综合完善的工业余热可用势表和数据库，利用可用势的概念建立余热资源和工质能级的评价准则，对其回收和利用方式进行选择。这将为我国建立余热资源和工质能级品质的定量化评价准则奠定重要基础。
致谢：感谢973计划项目课题“余热能级及梯级利用的定量化原则及其在热力系统的应用”（课题编号： 2013CB228302）的支持。
刘伟：华中科技大学能源与动力工程学院教授，中国工程热物理学会理事，传热传质分会副主任委员。
刘志春：华中科技大学能源与动力工程学院教授。
李保德：华中科技大学能源与动力工程学院硕士研究生。
隆瑞：华中科技大学能源与动力工程学院讲师。
>>>本文为原创，转载请回复。<<<
