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在浩瀚的海洋上，船舶犹如一座座移动的小岛，它们在运输货物、承载人员的同时，也消耗着大量的能源。你知道吗？船舶在运行过程中会产生很多余热，就像我们做完饭炉灶还会散发多余的热量一样，如果能把这些余热利用起来，那可是一件既环保又能省钱的大好事！随着全球能源危机的加剧以及对环境保护的日益重视，船舶余热利用成为了船舶行业关注的焦点。高温烟气余热发电装置（WHR）因其能够有效回收船舶发动机和锅炉等设备产生的废热，成为了一个备受关注的领域。
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一、船舶余热从哪里来？
（一）主机排气
船舶的主机，就像汽车的发动机，是船舶的动力源泉。大部分船舶主机是柴油机，当柴油在主机里燃烧产生动力时，会排放出高温的废气。这些废气温度可不低，低速二冲程柴油机的排气温度能达到320℃ - 350℃左右，中速四冲程柴油机的排气温度大约在350℃ - 380℃呢。这么高温度的废气里蕴含着大量的能量，就这么白白排出去实在是太可惜了。
（二）锅炉排烟
船舶上的辅助锅炉也会产生排烟。锅炉在工作过程中，燃料燃烧后产生的烟气排出时，还带着不少热量。这些排烟的温度大概在150℃ - 250℃左右，虽然没有主机排气温度那么高，但也是一股不可忽视的余热来源。
（三）增压空气
为了让主机里的燃料燃烧得更充分，空气在进入主机之前会被增压。经过增压后的空气温度就升高了，一般在120℃ - 150℃左右，有时候甚至能高达200℃。这部分热量如果能利用起来，也是对能源的一种有效回收。
（四）缸套冷却水
主机里的缸套需要冷却水来保持合适的工作温度。这些冷却水在吸收了缸套的热量后，温度也会升高到80℃ - 90℃左右。虽然这个温度相对前面几种来说低一些，但是由于水量比较大，所以它所携带的热量也是很可观的。
二、船舶余热都用到哪儿去了？
（一）直接加热
燃油加热
船舶上的燃油在温度较低的时候，粘度会比较大，就像冬天的蜂蜜变得浓稠一样，这样不利于燃油的输送和燃烧。利用船舶余热通过热交换器来加热燃油，就可以让燃油变得更“稀薄”，更容易燃烧，从而提高燃油的利用效率，减少燃油的消耗。
2. 海水淡化
船舶在海上航行，淡水可是非常珍贵的资源。传统的海水淡化方法需要消耗不少能量。现在可以利用船舶余热来加热海水，让海水蒸发，然后再把水蒸气冷凝成淡水。这样一来，在获得淡水的同时，还减少了海水淡化过程中的能耗，可谓一举两得。
3. 舱室取暖和生活热水
当船舶航行在寒冷的海域时，船员们需要温暖的舱室来休息和工作。利用余热就可以为舱室提供热量，让大家在船上也能感受到温暖。而且船员们日常生活中需要用到热水，比如洗澡、洗碗等，余热也能用来加热水，既方便了船员的生活，又节约了能源。
（二）动力回收
1. 废气涡轮增压器
这是一个很聪明的装置。它利用主机排出的废气的能量，让废气进入涡轮并膨胀做功。废气涡轮产生的功率可以用来驱动压气机叶轮，把新鲜空气压缩后再送入主机的气缸里。这样做的好处可不少，能提高柴油机的功率，一般可以提高30% - 50%呢，还能降低燃油消耗，比油耗能降低5%左右。
2. 动力涡轮
直接从主机排气中分出一部分气流，让这部分气流带动涡轮旋转产生轴功。这个轴功可以用来带动发电机发电，为船舶提供电力，或者通过轴系传动装置输出有用功。这就像是从废气中“捡”回了一部分能量，再转化为船舶需要的动力或者电能。
3. 余热发电
说到发电，这可是船舶余热利用的一个重要方面。有一种叫做有机朗肯循环（ORC）的技术，它利用低沸点的有机工质。船舶的余热把这些有机工质加热蒸发，变成气态后推动透平机转动，进而带动发电机发电。这样产生的电能就可以供船舶上的各种设备使用啦，像照明、通讯设备等，多余的电能还可以储存起来备用呢。
（三）制冷
1. 吸附制冷
这是一种比较新型的制冷技术。它利用固体吸附剂对制冷剂的吸附作用来制冷。船舶的余热就可以作为这个吸附制冷系统的驱动热源，为船舶上的冷库储存食物或者空调制冷提供冷量。想象一下，在炎热的海上，船员们能在有空调的房间里休息，多亏了船舶余热的巧妙利用呢。
2. 吸收式制冷
吸收式制冷系统也是利用余热来工作的。它通过制冷剂在吸收剂中的吸收和解吸过程来实现制冷。这种制冷方式运行的时候很安静，没有振动，对环境也很友好，特别适合在船舶这种特殊的环境里使用。
三、船舶余热利用有什么好处呢？
（一）节约能源
船舶是能源消耗的大户，如果能把原本浪费的余热利用起来，就可以减少船舶对传统能源的依赖。这就好比我们把家里的每一滴水都循环利用起来，用水量就会大大减少一样。对于船舶来说，这意味着在航行过程中可以节省大量的燃油或者其他能源，降低运营成本。
（二）保护环境
船舶在燃烧燃料获取动力的过程中，会排放出二氧化碳、氮氧化物等污染物。通过余热利用，减少了对传统能源的消耗，也就减少了这些污染物的排放。这对于保护我们的海洋环境、应对全球气候变化都有着积极的意义。
（三）提高船舶性能
合理利用船舶余热还可以提高船舶的整体性能。比如通过废气涡轮增压器提高主机的功率，让船舶的航行速度和承载能力都有所提升。而且，余热利用装置在一定程度上还可以作为备用能源系统，当船舶的主能源系统出现问题时，余热产生的电力或者动力可以应急，提高船舶的安全性和可靠性。
四、船舶余热利用的相关技术
（一）热交换技术
热交换技术是船舶余热利用的关键技术之一，其性能直接影响到余热的回收效率。常用的热交换器有管式热交换器、板式热交换器和热管式热交换器等。管式热交换器结构简单、可靠性高，但传热效率相对较低；板式热交换器传热效率高、占地面积小，但对介质的清洁度要求较高；热管式热交换器具有传热效率高、热阻小、结构紧凑等优点，但成本较高。
（二）余热发电技术
有机朗肯循环（ORC）技术：ORC 技术是一种利用低沸点有机工质在低温下蒸发、膨胀做功的余热发电技术。该技术适用于船舶余热这种温度相对较低、能量品质不高的热源，具有系统简单、运行可靠、效率较高等优点。
超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环技术：SCO₂ 布雷顿循环技术具有较高的热效率和功率密度，在船舶余热回收利用方面具有很大的潜力。但该技术目前还处于研究阶段，面临着系统复杂性高、关键部件技术不成熟等问题。
（三）系统集成与优化技术
船舶余热利用系统是一个复杂的系统，需要对各个子系统进行集成和优化，以提高系统的整体性能和可靠性。例如，通过对余热回收装置、动力转换装置、发电装置等进行合理的匹配和优化，可以提高系统的能量转换效率；通过采用智能控制系统对系统的运行参数进行实时监测和调整，可以提高系统的运行稳定性和适应性。
五、船舶余热利用技术的研究热点
现阶段船舶余热利用技术研究热点主要包括以下方面：
改进热交换器技术：热交换器是余热回收的关键部件，研究热点集中在开发新型的热交换器材料和结构，以提高换热效率、减少热损失，并增强其在船舶恶劣工作环境下的可靠性和耐久性。例如，采用纳米材料涂层、特殊的翅片结构或新型的金属复合材料等，可有效提高热传递性能。
优化有机朗肯循环（ORC）系统：ORC 系统能够将船舶余热转化为电能，具有较高的能源回收效率。当前的研究重点包括优化 ORC 系统的工质选择、循环参数设计以及系统的控制策略，以提高系统的输出功率和效率。同时，研究人员也在探索将 ORC 系统与船舶的其他动力系统进行集成，实现更高效的能源利用。
发展温差发电技术：利用船舶余热中的温差进行发电，具有结构简单、无运动部件、可靠性高等优点。研究热点包括开发高性能的温差发电材料，提高温差发电模块的转换效率，以及优化温差发电系统的结构设计，使其更好地适应船舶余热的温度和能量特性。
与可再生能源结合：将船舶余热利用技术与太阳能、风能、氢能等可再生能源技术相结合，构建多能互补的能源系统。例如，利用太阳能辅助加热余热回收系统中的工质，提高余热利用效率；或者将余热产生的电能用于驱动船舶上的氢能制备装置，实现能源的综合利用和零排放。
冷热电多联供技术：船舶在航行过程中不仅需要电能，还需要冷能（用于冷藏、空调等）和热能（用于生活热水、加热等）。研究热点是开发船舶冷热电多联供系统，利用余热同时满足船舶的冷、热、电需求，提高能源的综合利用效率。
智能控制系统开发：为了实现船舶余热利用系统的高效运行和优化管理，智能控制系统的开发是研究的热点之一。通过传感器实时监测船舶的运行状态、余热产生量和利用情况，利用人工智能、机器学习等技术对数据进行分析和处理，自动调整余热回收装置的运行参数，实现系统的最优控制和能源的最大化利用。
故障诊断与预测技术：船舶余热利用系统的可靠性和安全性至关重要。研究人员致力于开发故障诊断与预测技术，及时发现系统中的故障隐患，并预测设备的寿命和维护需求，以便采取相应的措施进行预防和维护，降低系统的故障率和维护成本。
大型货船：大型货船的主机功率大，余热产生量多，具有较大的余热利用潜力。研究热点包括针对大型货船的特点，开发适合的余热回收系统和技术方案，提高能源利用效率，降低运营成本。同时，研究如何在不影响货船载货能力和航行性能的前提下，合理布置余热回收设备。
客船：客船对舒适性和环保性要求较高，余热利用技术可以为客船提供稳定的能源供应，同时减少废气排放和噪声污染。研究热点包括开发适合客船的余热利用系统，满足客船的能源需求和环保要求，提高客船的运营品质。
特种船舶：对于极地科考船、深海作业船等特种船舶，由于其工作环境特殊，能源供应和保障至关重要。研究热点是开发适应极端环境的船舶余热利用技术，提高特种船舶的能源自给能力和可靠性，为特种船舶的运行提供有力支持。
余热回收系统与船舶动力系统的集成：将余热回收系统与船舶的主推进动力系统进行集成，实现能量的高效传递和利用。研究如何优化系统的结构和布局，减少能量传输过程中的损失，提高整个船舶动力系统的效率。
全船能源系统的优化：从全船的角度出发，对船舶的能源系统进行综合优化，包括余热利用系统、燃油供应系统、电力系统等。研究如何实现各系统之间的协调运行，提高船舶的能源利用效率和经济性。
五、船舶余热利用面临的挑战
（一）技术复杂性
船舶上的设备种类繁多，不同设备产生的余热在温度、流量等方面差异很大，这就需要针对不同的情况采用不同的余热利用技术和设备。而且，要把这些技术和设备有效地集成到船舶现有的系统中，还需要克服很多技术难题，比如热交换效率的提高、不同设备之间的兼容性等。
（二）经济成本
安装和使用船舶余热利用设备需要投入一定的资金。这些设备的购置、安装和维护成本都需要考虑在内。对于船舶运营者来说，他们需要权衡余热利用带来的节能效益和这些设备的成本之间的关系，只有当节能效益能够在合理的时间内收回成本并产生盈利时，他们才会更愿意采用这些技术。
（三）法规和标准
目前，关于船舶余热利用的法规和标准还不够完善。在船舶的设计、建造和运营过程中，缺乏统一的规范来指导余热利用项目的实施。而且，船舶在全球范围内航行，不同国家和地区的法规和标准也不尽相同，这也给船舶余热利用技术的推广和应用带来了一定的困难。虽然船舶余热利用面临着一些挑战，但随着科技的不断进步，这些问题正在逐步得到解决。
六、船舶余热利用技术的发展前景
船舶余热利用技术的发展前景较为广阔，主要体现在以下几个方面：
技术创新推动：
- 新型余热回收系统研发：科研机构和企业将不断投入研发力量，改进和创新船舶余热利用系统的设计与技术。例如，新型的热交换器材料和结构将提高换热效率，降低能量损失；更高效的有机朗肯循环（ORC）系统、温差发电技术等会不断涌现，提升余热转化为电能或其他可用能量的效率。
- 智能控制系统应用：随着自动化和智能化技术的发展，船舶余热利用系统将配备更加智能的控制系统。这些系统能够实时监测船舶运行状态、余热产生量和利用情况，自动调整余热回收装置的运行参数，实现最优的能量回收和利用，提高系统的稳定性和可靠性。
环保需求驱动：
- 节能减排压力：全球对环境保护的要求日益严格，航运业作为重要的温室气体排放源，面临着巨大的节能减排压力。船舶余热利用技术可以有效降低船舶的能源消耗和废气排放，有助于船舶满足日益严格的环保法规和排放标准。因此，在环保政策的推动下，船舶余热利用技术将得到更广泛的应用。
- 可再生能源结合：未来，船舶余热利用技术可能会与可再生能源技术相结合，如太阳能、风能、氢能等。例如，利用太阳能辅助加热余热回收系统中的工质，提高余热利用效率；或者将余热产生的电能用于驱动船舶上的氢能制备装置，实现能源的综合利用和零排放。
经济效益显著：
- 降低运营成本：随着燃油价格的波动和能源成本的上升，船舶运营成本不断增加。船舶余热利用技术可以将原本浪费的余热转化为有用的能量，如电能、热能等，用于船舶的动力推进、设备运行、生活设施等，从而减少对燃油等传统能源的依赖，降低船舶的运营成本，提高船舶的经济效益。
- 能源回收市场广阔：除了在新造船舶上应用，船舶余热利用技术在现有船舶的改造市场也具有很大的潜力。对大量的老旧船舶进行余热回收系统的改造，可以延长船舶的使用寿命，提高能源利用效率，为船东带来可观的经济收益。
应用领域拓展：
- 多联供技术发展：船舶余热利用将不仅仅局限于单一的能量转换，而是朝着冷热电多联供的方向发展。例如，利用余热驱动制冷装置，为船舶的冷库和空调系统提供冷能；同时利用余热发电，满足船舶的电力需求；剩余的热能还可以用于生活热水供应等，实现能量的综合利用，提高船舶的能源自给能力。
- 特殊船舶应用：在一些特殊船舶上，如极地科考船、深海作业船等，船舶余热利用技术具有重要的应用价值。这些船舶在极端环境下运行，能源供应和保障至关重要，余热利用技术可以为船舶提供额外的能源支持，提高船舶的适应性和可靠性。
七、船舶余热利用技术在实际应用中的部分案例：
船舶尾气余热海水淡化：
- 案例背景：远洋船舶上淡水稀缺，而船舶柴油机工作时会产生大量废热，其中一部分被冷却水带走排入大海。广州中国科学院先进技术研究所的团队看到了这部分余热的利用价值，研发了船用海水淡化装置。
- 技术应用：该装置利用船舶柴油机的缸套冷却水作为热源。在装置内，通过引射泵抽出空气形成负压环境，降低水的沸点。冷却水吸收柴油机的余热后，通过板式换热结构对海水加热至沸腾，产生的水蒸气经除沫装置去除盐分后冷凝为淡水。
- 应用效果：团队研制的第二代海水淡化装置一天可产出 5 吨淡水，能满足 20 - 30 位船员的用水需求。该装置产水水质达到国家饮用水卫生标准，与反渗透海水淡化技术相比，能耗更少、后期维护成本更低且更耐用。
船舶尾气余热驱动的液氮冷冻装置加温系统：
- 案例背景：浙江海洋大学船舶“暖宝宝”研究团队在海上科考实习中发现船舶尾气的热量未得到有效利用，而船上的液氮冷冻设备需要加热保压。于是，他们开始研发相关的余热利用系统。
- 技术应用：团队研发了船舶尾气余热利用的液氮冷冻装置加温系统，利用板板换热技术，将废气中 30%的低品位废热重新利用。
- 应用效果：这一项目不仅具有创新意义，还得到了市场的关注。团队与舟山市宏基工业产品设计研究所对接，对该项目按照产业化的需求进行了深度升级改造，具有广泛的应用前景。
船舶排烟余热的冷热电多联供技术：
- 案例背景：为解决内河船舶发动机排烟余热利用问题，相关团队开展了“基于内河船舶排烟余热的冷热电多联供技术研究及示范应用”项目。
- 技术应用：利用半导体温差发电技术开发船舶冷热电多联供成套技术，在船舶上实现了排烟余热的综合利用，可同时满足船舶的制冷、制热和发电需求。
- 应用效果：该项目在多艘内河船舶上进行了示范应用，初步验证了技术的环境效益与经济效益，并且团队成功申请了国家发明专利和实用新型专利各一项，还在国际期刊发表了论文。
基于有机朗肯循环的船用余热回收系统：
- 案例背景：船舶主机运行时会产生大量的余热，为了提高能源利用效率、降低船舶的运行成本，青岛儒海船舶工程有限公司研发了基于有机朗肯循环的船用余热回收系统。
- 技术应用：该系统包括余热部、换热器、蒸发器、预热器、膨胀机等部件。余热部收集、储存废气，并连接柴油机气缸套输送水；换热器连接船内热源并与余热部相连，水在换热器中被热源加热；蒸发器利用换热器中的热水加热有机工质；预热器向蒸发器输送有机工质，并利用热水进一步加热；膨胀机利用有机工质的热能做功输出。
- 应用效果：实现了船舶主机余热的有效利用，有助于降低船舶的能源消耗和运营成本。
废气涡轮增压器在船舶上的应用：
- 案例背景：船舶柴油机在运行过程中会排出高温废气，废气中蕴含着大量的能量。废气涡轮增压器是一种广泛应用于船舶的余热利用装置。
- 技术应用：废气涡轮增压器利用船舶主机排出的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮产生的功率驱动压气机叶轮，将新鲜空气压缩后送入主机气缸。这样可以提高柴油机的功率，改善整机的动力性能和经济性能。
- 应用效果：一般柴油机加装废气涡轮增压系统后，可提高功率 30% - 50%，降低比油耗 5%左右，并且有利于减少污染物的排放。
附：典型案例集
案例一：中国首台船用余热利用装置原理样机的突破
航天科技集团六院为中国船舶集团研发的我国首台船用余热利用装置原理样机额定转速运行试验在武汉获得圆满成功。这是由六院与中船集团沪东重机有限公司联合承担的国家工信部“十三五”重点科研项目。该装置的试验成功，标志着我国采用蒸汽烟气联合动力回收船舶主柴油机余热的技术取得突破性进展，对于我国船用节能装置的自主研制具有重要意义，为我国船用柴油动力系统自主化工业体系的逐步建立提供了有力支撑。
案例二：全球首套 5 兆瓦级海上高温烟气余热发电装置
2024 年 8 月，由中国海油联合中国船舶711所自主研制的全球首套 5 兆瓦级海上高温烟气余热发电装置在天津完成动力循环试验并完工交付。这一装置将电站运行产生的高温烟气余热作为热源，通过让装置中循环流动的有机介质推动膨胀机发电，可直接将废弃的热能变为清洁的电能。与传统烟气的燃烧排放相比，加装该装置后，电站的余热综合利用效率将大幅提升，从 30%—35%提升至 60%—70%。余热年发电量可达 0.4 亿千瓦时，可满足 3 万户家庭的年用电需求，预计累计节省天然气消耗约 3 亿立方米，减少二氧化碳排放约 80 万吨。该装置将在文昌 9 - 7 油田开发项目中开展示范应用，为海上油气田的绿色低碳开发树立了典范。
案例三：船舶尾气余热驱动的液氮冷冻装置加温系统
浙江海洋大学的船舶“暖宝宝”研究团队研发了一种船舶尾气余热利用的液氮冷冻装置加温系统。团队成员在海上科考实习中发现船舶尾气的热量未得到有效利用，而船上的液氮冷冻设备需要加热保压。于是，他们利用板板换热技术，将废气中 30%的低品位废热重新利用。这一创新项目不仅具有理论意义，还经过与舟山市宏基工业产品设计研究所的对接，按照产业化的需求进行了深度升级改造，具有广泛的应用前景，特别是对于北极航线开通后船体的保温等问题提供了新的解决方案。
案例四：船用柴油机余热海水淡化装置
广州中国科学院先进技术研究所的水科学研究中心团队研发出一套低能耗的船用海水淡化装置。船舶柴油机工作时，燃油只有 40%能量转化为机械功，剩下的 60%均以废热形式散失，其中 30% - 40%的热能被冷却水带走排入大海。该团队利用船舶柴油机的缸套冷却水作为热源，通过在负压环境下降低水的沸点，让冷却水吸收柴油机的余热对海水加热，蒸馏产出的淡水达到了国家饮用水卫生标准。这一装置在提高能源利用效率的同时，为船舶提供了可靠的淡水供应，并且与市场上的反渗透海水淡化技术相比，具有能耗更少、后期维护成本更低、更耐用等优势。
这些案例充分展示了船舶余热利用技术的巨大潜力和广阔前景。随着技术的不断进步和创新，船舶余热利用将在未来的海洋航运中发挥更加重要的作用，为实现航运业的绿色、可持续发展做出更大的贡献。
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