[科普中国]-废热发电

背景

随着社会的进步, 人类对一次能源的消耗会越来越多这迫使人们除了从数量上寻求更多的一次能源之外, 还要尽可能充分利用现存的一次能源。采用低温废热发电, 就是减少一次能源消耗的一条有效可行的途径。1

废热来源排放中低温废热的工艺过程, 在生产实际中是大量存在的, 诸如建材、冶金、化工等行业。

以一条水泥熟料生产线为例, 介绍中低温废热发电的思路与方法：

在较先进的水泥生产工艺中, 水泥熟料的锻烧过程, 采用窑尾预分解和回转窑烧成工艺在此过程中生料吸收煤粉燃烧释放的热量而被锻烧成水泥熟料二然后进入窑头蓖冷机经空气急冷后进人下一道工序。上述生产工艺过程将产生两部分废热第一部分是窑尾分解炉排出的烟气, 在工艺上一般被用作原料的烘干热源, 但流经四级旋风分离器后, 其温度仍保持在约400℃ 左右, 远远高于原料烘于对热源的温度要求工艺要求（一般不低于160℃ 即可）。这一温差之间的热量可被视为废热。

第二部分废热是窑头流经蓖冷机作为熟料冷却介质的空气所携带的热量, 其温度近400℃ 这部分热空气在生产工艺上已不再利用, 通常经除尘后排放到大气中, 由此完全成为废热。2

基本思路废热发电的基本思路

1、分别设置SP炉和AQC炉

针对水泥生产中特点不同的两部分废热,需由不同的热交换器来回收。在窑尾用于回收烟气余热的热交换器称为SP炉。用于回收窑头热空气热能的热交换器称为AQC炉.锅炉所能回收利用的温度下限应由钢煤比价来确定本例中, SP炉出口烟气温度为180℃ , 是由水泥原料干燥工艺要求所决定的炉内由于其加热介质是热空气而不是燃料的燃烧产物, 不含有气体, 也就不存在酸腐蚀问题这样, 在考虑钢煤比价的基础上, 可以将热空气温度降到较低水平, 以最大限度地回收窑头所排空气的余热。

还需说明的是, 因受各种因素的影响, 窑头热空气所携热能具有较大的波动性, 当所设置能的AQC炉单独作为一台汽轮发电机组的热源时, 会由于其蒸汽的温度或流量的不稳定性,导致机组的频繁起停为此, 在窑头、窑尾同时设置SP炉和AQC炉, 两炉引出的蒸汽混合进人汽轮机作功发电, 就能以炉的相对稳定性来弥补炉的相对不稳定性, 保证机组发电具有一定的稳定性。

2、设置多级闪蒸器并采用混汽式发电系统

为最大限度地回收余热, 就必须尽量降低热介质的排出温度对炉来说, 其出口热介质温度不仅受到钢煤比价、烟气酸露点等因素的制约, 还要受到水泥自身干燥工艺对热介质的温度要求。而对炉来说, 其加热介质为排放到大气中的热空气, 主要受到技术经济比较的制约。

降低AQC炉出口热空气的有效方法是采用多级闪蒸器。多级闪蒸器的介质来自AQC炉预热段。这就增大了AQC炉中预热段的热量回收, 有效降低了AQC炉热介质的出口温度。由于闪蒸器出来的蒸汽参数均较低, 且当闪蒸器串联工作时, 其蒸汽参数会逐级降低,为充分利用这些蒸汽, 可采用混汽式发电系统。

所谓混汽式发电系统, 就是采用多次进汽式汽轮机即在以主蒸汽正常进入汽轮机的基础上, 将低参数蒸汽分次引人汽轮机中间级,形成多次进汽, 分级作功之模式, 以提高余热动力回收之效果。1

发电技术废热发电通常可采用：废热蒸汽动力循环发电和废热有机朗肯循环发电等。

蒸汽动力循环对于废气余热回收， 传统的方法是以水为工质的蒸汽动力循环，该类技术相对比较成熟，已经在多个行业得到应用，主要有单压余热发电系统、双压余热发电系统及闪蒸余热发电系统等。

（1）单压余热发电系统

单压余热发电循环 是在余热锅炉中利用烟气余热加热给水，产生单压过热蒸汽，进入汽轮机做功，做过功的蒸汽经过冷凝、除氧送入余热锅炉完成循环。该系统具有结构简单、运行维护简便、投资小等优点，目前普遍采用。然而，该系统缺点是废气余热得不到充分利用，其发电能力相对较低。

（2）双压余热发电系统

双压余热发电循环是将给水分为两路，在余热锅炉中被热烟气加热，产生两股压力不同的蒸汽，一股高压蒸汽从主汽门进入汽轮机发电，另一股低压蒸汽从汽轮机的中间级进入汽轮机，与主蒸汽一起做功，增大发电量。该系统总体来说，发电能力较高，但由于采用两种压力蒸汽，因此系统复杂，投资较大。淮钢烧结余热发电项目就是采用双压余热发电系统。

（3）闪蒸余热发电系统

闪蒸余热发电循环是一路由余热锅炉生产的主蒸汽送入汽轮机做功，另一路由余热锅炉生产高温热水送入闪蒸器降压蒸发出蒸汽，补入汽轮机做功。该系统发电能力和投资在前两种系统之间。废气蒸汽动力循环发电技术的难点在于补汽凝汽式汽轮机的研发，目前我国已在该技术上取得突破，国产补汽凝汽式汽轮机已在多个项目获得应用。以上介绍的三种系统如何选用，要综合考虑投资大小、投资回报、运行稳定性和运行经济性后确定。

有机朗肯循环对于低温废气余热回收，除了采用蒸汽动力循环外，还可采用有机朗肯循环(ORC)。该循环工作时，有机工质在换热器内吸收低温余热，蒸发汽化后进入涡轮机做功，涡轮机带动发电机发电，做过功后的乏汽被冷凝后形成液体由工质泵送入换热器吸热完成循环。该循环所利用的热源温度多为温度230℃以下，甚至100℃左右的热源。目前ORC 技术已经被广泛用于水泥厂、石化厂、造纸厂、燃气轮机及内燃机等工业领域的余热发电。尽管有机朗肯循环发电已经有商业应用，但该技术还在不断完善中。近年来，该技术的研究热点主要集中在：有机工质的选择，热力系统优化等。

有机朗肯循环工质的选择应着重考虑工质的毒性、易燃性、化学稳定性、腐蚀性及热力特性等，同时对其经济性及环保方面都有要求，即要求对臭氧层无破坏作用。根据工质在温熵图上饱和汽化线的斜率不同，有机工质可分为干流体、等熵流体与湿流体。如果选择干流体，则进入涡轮机的工质只需加热到饱和蒸汽即可，过热反而会降低系统效率。如果选择湿流体，则进入涡轮机的工质需加热到过热蒸汽。

热力系统优化方面，可采用内置热交换器，利用乏汽余热加热冷凝液，这种方法对于湿流体过热循环的效率有一定提高。还可以采用抽汽回热式有机朗肯循环，该循环系统产生等量电能所需的吸热量要比普通ORC 系统低、热效率更高、产生等量电能所需的热量更少，具有更好的性能。但这两种方法均需增加设备投资，运行维护工作量大，因此需经过经济技术比较后决定。2

经济环保效益1、节约能源

利用水泥窑窑头、窑尾所排放的废热来发电, 将直接节省标准煤。

2、改善环境

中低温废热发电, 是利用了水泥生产过程或其它生产过程中所排放的余热来发电, 因此这项技术除了可以直接节约一次能源外, 还可以减少常规发电厂的有害气体、粉尘、灰渣等向环境的排放。

3、中低温余热发电, 是将原来废弃于大气环境的热量加以回收利用, 因此还有效地减少了排向大气的热量。21

进展中船重工第七一二研究所已研制出国内最大功率的超低温余热回收发电装置，可用70℃以上热水或100℃以上烟气等工业余热发电。

技术人员解释说，高耗能企业中，煤炭、天然气燃烧产生的热能往往会有大量剩余，工厂一般会安装回收装置，将200℃以上的水蒸气收集后发电。但像70℃左右的热水、100℃以上的烟气，却难以利用，当作“废热”白白排掉，“像青山大烟囱里冒出的白气，就是这些余热遇冷凝结而成。”有专家指出，如果把全国浪费的工业余热、废热回收起来，每年产生的电量相当于几个“三峡工程发电总量”。

据悉，七一二所研制的新装置使用了一种新的有机物，遇到70℃左右的热水就会蒸发，从而驱动汽轮机发电。该所测算，一台每小时发电300千瓦的装置，成本需300余万元，中型企业安装后2年半即可收回投资，既环保又节约。

该所介绍，新装置的研制成功，标志着我国已具备200千瓦至1000千瓦大功率等级的超低温余热回收发电全套设计和制造能力，成为国际上少数几个掌握相关核心技术的国家之一。3