余热回收发电，让废热废电“变废为宝”

2019年上海出台了“史上最严”的生活垃圾管理条例，一时间分辨“干垃圾”还是“湿垃圾”的攻略火遍了全网。垃圾分类冲上热搜，成为人们日常生活的一部分，也在潜移默化中奠定了“垃圾只是放错地方的资源”的社会观念。可当有形的垃圾被如火如荼地进行回收的同时，一种无形的垃圾却往往被大家忽视，它看不见，摸不着，无处不在，却又无影无踪，它与生活息息相关。它就是余热。
一、余热是什么？为什么要回收余热？
余热是工业生产、交通运输、日常生活等各行各业所废弃的热能。作为能量，它看不到，摸不着，只有依附在物质中才能被感受，固体、液体、气体都可以作为余热的载体。通俗来说，工厂的废水、废气、废渣，汽车、船舶的尾气和冷却液，商场、办公楼的空调及数据中心的冷却机组的回水中都蕴含着大量的余热。

夏季能救命的空调也是余热的一大来源
图片来源：wikipedia

当前，世界能源结构仍以化石能源为主导，而化石燃料燃烧排放的二氧化碳是温室气体的最主要来源。由于技术和成本的限制，目前化石能源的利用率并不高，火电厂大多仅能将35%到45%的燃烧热量转化为电力，而发动机将热能转化为动力的效率也普遍不超过一半。化石燃料燃烧生产了人类赖以生存的电力和动力的同时，也将超过一半的能量以废热的形式排放入环境中。

火电厂的效率并不高，至少一半的燃烧热量被直接排放到了空气中
图片来源：亚洲开发银行

汽车发动机的燃料转换效率普遍不超过一半，绝大多数通过排气、冷却被浪费
图片来源：天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

温室气体造成了全球气候变暖，而人类活动的热排放影响对局域地区的气候变化造成了显著的影响（热岛效应），据估测当前全球气温每十年增加近0.2℃，如果不施以措施，一百年后，全球三分之一的生物都会面临灭绝风险。

1900至2019年全球平均气温变化曲线
图片来源：BBC NEWS https://www.bbc.com/news/science-environment-46384067

二、如何进行余热回收？
能源是人类文明的原动力，我们享受着现代文明带来的美好生活的同时，大量的能源被消耗，甚至滥用。粗放的能源利用带来了严峻的环境问题：全球气候变化、酸雨、生物多样性锐减……作为全球最大的碳排放经济体，我国为了应对气候变化，庄严承诺：二零三零年前实现“碳达峰”，二零六零年前实现“碳中和”。提高能源利用率，减少二氧化碳排放是实现“双碳”目标的核心途径，当前对余热进行回收再利用就能高效利用化石燃料，从而减少碳排放。

我国碳减排总体分为3个阶段：尽早达峰阶段、快速减排阶段、全面中和阶段
图片来源：中国数字科技馆

余热的来源广泛，覆盖的热源温度范围也跨度极大，从几十摄氏度到几百摄氏度。因此，为了更充分有效的利用余热，利用高温余热回收发电、中低温余热回收制冷、低温余热回收供热的综合余热利用技术被提出。在理想条件下，随着余热温度的降低，余热依次被用于发电、制冷、供热，实现了能量的阶梯式利用。而余热回收发电技术具备将低品质的废热转化为高品质的电力的能力，是变废为宝最具潜力的途径。
余热回收发电通常依赖于热力循环过程实现，最基础的热力发电循环的包括四个过程：蒸发过程、膨胀做功过程、冷凝过程、压缩过程。
其工作原理就像一个运行温度更低的发电站，泵为工作流体“加油打气”（压缩）使其成为高压流体，源源不断地流入蒸发器；而在蒸发器内余热充分地加热工作流体使其“进化”（蒸发）为高温高压的蒸汽；蒸汽高速“奔跑”推动膨胀机叶片转动（膨胀做功），在释放能量、降低压力的同时，带动发电机产生电力；发电后，疲惫的工作流体进入冷凝器内“休息”，降低自身温度，重新变为液体（冷凝），等待着泵的召唤，开始新的旅程。

朗肯循环工作流程图，工质通过泵加压后，在蒸发器中吸热成为高温高压蒸汽，推动透平膨胀做功，最后在冷凝器中散热冷却
图片来源：天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

其中，工作流体如同人体的血液，在整个发电系统内部不断循环流动，承担着能量输运的重任。为了实现更低温度下的蒸发，大量的具备更低的蒸发温度的工作流体已经被筛选。目前，以自然工质为代表的二氧化碳布雷顿循环和以有机制冷剂为代表的有机朗肯循环脱颖而出，成为余热回收的有效解决方案。

二氧化碳布雷顿循环余热回收实验样机
图片来源：天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

三、余热回收发电技术的应用
电力、化工、冶金、建材、纺织等工业生产过程中具备稳定而充足的废热，为余热回收发电技术的发展奠定了良好的基础，目前已经成为了余热回收技术的重点应用领域。来自炉渣、废气和冷却液的高品质余热被回收输出电力，而冷凝器中工作流体液化散热所释放的更低品质的废热用于建筑供热。针对于多样化的余热回收场景，面向多种多样的能量负荷需要，余热回收系统越来越多地采用冷、热、电多种能量联合生产的形式开展。而为了实现更高的余热回收效率，预热、回热、多级压缩、多级膨胀、多能互补等更多形式的余热回收技术也被更加广泛地被研究和推广。

目前，在大型厂房中已经应用了多种余热回收方式，上面两图即为模块化余热收集锅炉的照片及原理图
图片来源：wikipedia
随着技术的不断进步，余热回收发电技术不断朝着更小、更轻、更紧凑的方向发展，更加广泛地与交通运输行业结合，面向更加复杂多变的余热源展开，汽车、船舶余热成为新的回收对象，来自发动机废气和冷却液的余热，通过余热回收可以满足汽车所有电器设备的用电消耗，同时承担一部分动力输出。
面向未来，新的余热回收方式和新的余热热源正不断拓展余热回收技术的内核。新型余热回收发电技术也将突破传统热力循环的束缚，构建全新的余热利用模式：基于塞贝克效应的半导体温差发电技术、基于热再生电化学循环的电池温差发电技术、基于热渗透能量转换原理的纳米多孔材料温差发电技术……随着技术的不断发展和完善，越来越多地余热回收技术必将步入人们日常生活的方方面面，随时、随地、全方位、多层次、宽领域地余热回收利用成为可能。

嵌入手套的体热发电模块模型
图片来源：wikipedia
大胆设想不远将来，利用人体与环境的温差产生的余热去发电，构建体温充电宝就可以完全解决手机的电量焦虑，是不是科幻感十足呢？与此同时，蓬勃发展的氢能、核能、生物质能等新能源产业将为余热回收技术赋予全新的活力，以新能源配套余热回收的高效、清洁、低碳的电力生产模式，将成为构建节约型社会，助力“双碳目标”的可靠保证。