[科普中国]-余热发电

余热发电1是利用生产过程中多余的热能转换为电能的技术。余热发电不仅节能，还有利于环境保护。余热发电的重要设备是余热锅炉。它利用废气、 废液等工质中的热或可燃质作热源，生产蒸汽用于发电。由于工质温度不高，故锅炉体积大，耗用金属多。用于发电的余热主要有：高温烟气余热，化学反应余热，废气、废液余热，低温余热（低于200℃）等。此外，还有用多余压差发电的；例如，高炉煤气在炉顶压力较高，可先经膨胀汽轮发电机继发电后再送煤气用户使用。

定义余热发电是指利用生产过程中多余的热能转换为电能的技术。余热发电不仅节能，还有利于环境保护。余热发电的重要设备是余热锅炉。它利用废气、废液等工质中的热或可燃质作热源，生产蒸汽用于发电。由于工质温度不高，故锅炉体积大，耗用金属多。用于发电的余热主要有高温烟气余热，化学反应余热、废气、废液余热、低温余热，低于200℃等。

鉴于此，在工业上，余热一般优先供生产自用，当有剩余时，虽然直接利用(如暖通空调用或动力用)对能源的利用率要更高一些，但限于暖通空调用量较小且季节变化较大的特点，以及作为动力用要求负荷相对稳定的特点，该种利用方式具有一定的局限性。更多地，则是选择采用余热发电的技术对能源进行回收利用。

概况余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%~67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。

钢铁行业加热炉高温烟气回收发电技术当年可收回全部成本，热量利用率提高5-10%。

利用途径余热的回收利用途径很多。一般说来，综合利用余热最好；其次是直接利用；第三是间接利用（产生蒸汽用来发电）。如钢铁工业：钢铁厂中的焦炉。目前我国大中型钢铁企业具有各种不同规格的大小焦炉50多座，除了上海宝钢的工业化水平达到了国际水平，其余厂家能耗水平都很高，大有潜力可挖。炼钢厂中的转炉烟气发电，发电系统，可配置发电量为3000Kw的电站80座。炼钢厂中的电熔炉，现如今全国有20多座，其中65吨级可发电量在5000Kw/座以上。

发展伴随着可持续发展、循环经济、节能减排以及低碳经济等一个个观念的提出，我国的余热发电行业经历了从无到有、从小到大的发展历程。

据国家统计局2011统计公报显示，2011年我国全年能源消费总量34.8亿吨标准煤，万元国内生产总值(GDP)能耗下降2.01%，未达到2011年单位GDP能耗较上年下降3.5%的目标。

尽管大多数专家预测，“十二五”期间我国经济增速较“十一五”时期将有所放缓，但每年8%以上的增速，仍意味着降低单位GDP能耗存在巨大压力。

紧随其后，工信部对外公布了《工业节能“十二五”规划》。《规划》提出，到2015年，规模以上工业增加值能耗比2010年下降21%左右，实现节能量6.7亿吨标准煤。

业内人士普遍认为，在保持工业年均增速8%的基础上，支撑工业增加值能耗下降21%的指标难度不小，这意味着“十二五”期间要实现6.7亿吨标准煤的节能量，较“十一五”的6.3亿吨还多出0.4亿吨。现如今，我国传统产业的工艺技术装备水平已经大幅提升，要实现这一目标只能从现有的装备节能中寻求突破。

随着国家节能减排力度不断加码，余热发电项目的魅力日益显著。预计，到2015年，我国余热余压发电要实现新增装机2000万千瓦。按照每千瓦造价5000元计算，“十二五”期间余热余压发电将形成1000亿元投资规模。

发电技术中国水泥窑余热发电技术经过近十余年的发展有了长足的进步，现已接近国际先进水平。诞生了各种各样的并能满足不同窑型要求的发电系统。 在未来相当长的时期内， 中国水泥窑余热发电技术的发展趋势主要集中于以下几个方面：

采用立式余热锅炉和补汽式汽轮发电机组的二级余热发电系统。 立式余热锅炉彻底解决了卧式余热锅炉漏风及炉内温度场实际分布与锅炉设计时所假想的温度完全不相同的问题， 可以大大提高锅炉蒸汽产量；篦冷机 或立式余热锅炉排出的200℃左右废气余热可以充分回收并用以发电。这样可使吨熟料余热发电量在熟料热耗不变的前提下提高到195千瓦小时以上。

使水泥窑综合能耗达到同规模预分解窑的能耗水平，而经济效益远高于预分解窑。

余热发电窑二级余热补燃发电系统除具有二级余热发电系统的优点外，还可解决水泥窑煤粉制备系统的运行安全及环保问题。同时，对于严重缺电地区或同时具有立窑、立波尔窑、湿法窑、干法回转窑等其它窑型的水泥厂，也可解决供电问题，并能够进一步提高经济效益。

为了克服带补燃锅炉的中低温余热发电系统存在的缺点，采用补汽式汽轮机组，充分回收200℃以下的废气余热， 同时补燃锅炉应当以煤矸石等劣质煤或垃圾为燃料，除节约优质煤外，还可为水泥生产提供原料，降低发电成本，进一步提高经济效益。

现如今，从事水泥工业技术工作的人员，致力于如何降低熟料热耗及水泥电耗的研究工作， 而从事余热发电技术工作的人员致力于如何提高余热利用率，提高余热发电量的研究工作。现如今还没有哪一个部门研究如何将水泥工艺技术与余热发电技术有机地结合起来，以寻求最低的水泥综合能耗及最佳的经济效益问题。笔者经过分析、研究认为，水泥工艺技术与余热发电技术最佳结合的方式应当为：缩减水泥窑预热器级数或者改变预热器废气及物料流程，使出预热器的废气温度能够达到550℃～650℃，这样余热发电系统可以取消补燃锅炉，采用余热发电窑的二级余热发电系统。这种结合方式，水泥熟料热耗虽然有所增加(对于五级预热器， 废气温度由320℃～350℃提高至550℃～650℃后，每千克熟料热耗预计增加1000～1200千焦)， 但发电系统可以取消补燃锅炉而不存在由于补燃锅炉容量小、效率低的问题，同时能够保持余热锅炉生产高压高温蒸汽，使发电系统仍然具有较高的运行效率，吨熟料余热发电量可以提高90千瓦小时以上，水泥综合能耗将低于现如今的预分解窑水平，经济效益则显著提高。从中国的国情考虑，这种方式的水泥窑及发电系统，以其最低的投资、更低的综合能耗、更高的经济效益应当成为今后水泥工业发展的主要方向，这是水泥工业需要认真研究与探讨的重大课题。

现已投入生产的余热发电窑及小型预热器窑(包括立筒预热器窑) 流态化分解炉(或烟道式分解炉)加1～2级悬浮预热器加余热发电窑二级余热发电技术，是今后对已投入生产的余热发电窑及小型预热器窑进行技术改造的主要模式。这项综合技术，除了水泥窑的熟料产量可以增加20%～100%以外， 每吨水泥\熟料发电量也可达110～195千瓦小时，收到增产、降耗、 提高经济效益的三重效果，同时改造投资也大大低于其它模式。

根据立窑厂的生产能力及资金条件，第一步，先利用余热发电窑(中空窑)加二级余热发电技术取代立窑。 如某立窑厂有3条8.8万吨的生产线，可停产2台立窑， 建一条直径3.6米×74 米中空窑及一套4500千瓦补汽式余热发电系统，这一步投资约需3600～3800万元。其次，利用流态化分解炉加1～2级悬浮预热器技术， 再对余热发电窑进行技术改造， 即对于上例所述立窑厂，停产第三台立窑，并对已建成的直径3.6米×74米中空窑加装流态化分解炉及1～2级悬浮预热器，同时对余热锅炉进行局部改造，这一步的投资约需800～1000万元。上述两步改造工作完成后，以总投资4500～5000万元的代价，将原立窑厂升级换代为预分解窑厂，并使熟料总产量维持在原有3台立窑总和的水平，在每吨标准煤到厂价不高于180元的条件下，水泥生产成本可降至95元以下。

随着余热发电的技术日益成熟，国家对能源的重视，对节能减排的扶持，越来越多的可利用余热的企业都意识到了余热发电所带来的效益。对发展余热发电项目持积极态度。但限于项目投资资金大，技术复杂，致使很多企业想上项目可最终因为资金技术的原因没有上成。鉴于这种情况 现如今国内涌现出不少专业的节能服务公司采用EMC（合同能源管理）模式来投资余热发电，即由节能公司投资资金和采购所需设备，技术来为企业建设余热发电项目，项目产生效益后在效益里回收投资的模式。这种模式即解决了企业资金不足技术不足的缺点，也使的平时废弃的烟气，尾气，余热得到合理的利用。同时也使得节能公司的资金得到合理的运转，这种双赢模式的合作在余热发电项目上越来越受到欢迎。

低温余热发电有机工质循环发电系统有机工质循环发电系统是区别于传统的以水(蒸汽)为循环工质的发电系统，采用有机工质（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等 ）作为循环工质的发电系统，由于有机工质在较低的温度下就能气化产生较高的压力，推动涡轮机（透平机）做功，故有机工质循环发电系统可以在烟气温度200℃左右，水温在80℃左右实现有利用价值的发电。这项技术在发达国家就是比较先进的应用技术，近年来我国有的企业通过引进吸收，也掌握了这项技术，也有较优秀的产品在国内外应用。有机工质循环发电系统的效率高，构成简单，没有除氧、除盐、排污及疏放水设施。凝结器里一般处于略高于环境大气压力的正压，不需设置真空维持系统。透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小，易于小型化设计制造，管理维护费用低等优点。

外燃机热气机循环发电系统外燃机是早在1861年由英国人罗伯特·斯特林发明，和蒸汽机的历史差不多，它的特点首先是燃烧连续的，由于工质不参与燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，适用于各种热源，对燃烧方式无特殊要求，体积小、重量轻、寿命长、维护方便、燃烧效率高。外燃机循环发电系统是利用低温余热发电的废热回收装置，可回收100℃至300℃的废热，能达到20%的发电效率。从数据来看，其发电效率优于目前市场的低温蒸汽循环发电系统和有机工质发电系统的发电效率，该装置在100℃的废热条件下发电效率达7.3%，150℃的条件下发电效率达13.7%，200℃的条件下发电效率达18.4%，250℃的条件下发电效率达22.1%，300℃的条件下发电效率达25.0%。在这样的废热温度条件下能达到这样的发电效率是目前可以看到很好的水平，达到了从低温热能转化为电能的技术水平。

超临界二氧化碳循环发电系统超临界二氧化碳发电系统是超临界二氧化碳液体为郎肯循环系统的工质，以二氧化碳透平专用涡轮机为核心技术的最新余热发电技术。此发电系统在余热发电方面有较宽泛的应用优势，各项技术指标都优于在用的水蒸汽郎肯循环系统和有机郎肯循环系统，特别是在发电效率和设备体积方面有着明显的优势。超临界二氧化碳热机是一种平台技术，目前可提供的功率范围为250kWe至50Mwe的设计，效率可达30%。应用范围包括燃气轮机、固定式动力发电机组、工业废热回收、太阳能热量、地热、混合内燃机等的循环热能。超临界二氧化碳循环发电系统是基于超临界二氧化碳涡轮机为核心技术，以超临界二氧化碳为工作介质的余热发电循环系统，是具有突破性的热机技术。2

设备介绍单级蒸汽透平机单级蒸汽透平机广泛应用于各过程工业领域，普遍作为水泵、油泵、风机、压缩机和发电机的稳定、经济的驱动设备。

多级蒸汽透平机高可靠性和稳定性成就了多级透平机在过程工业领域中占有重要的地位。多级透平机具有既注重可靠性更保证高效率的特点，可以迎合不同工业能量部门的需求。

蒸汽透平发电机组为客户提供量身定制的蒸汽透平发电机组解决方案。饱和蒸汽透平发电机组以其稳定和高效的特点为饱和蒸汽的利用开辟了完美的途径。

提高措施1、窑头低温废气余热的循环利用。

2、在窑尾二级预热器旋风筒内设置过热器。

3、回转窑筒体散热的利用。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学