余熱余壓發(fā)電淺析

曲良軍（中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400）

余熱余壓發(fā)電淺析

曲良軍（中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400）

本文就工業(yè)余熱余壓發(fā)電的機(jī)理及特點(diǎn)以及存在的問題進(jìn)行了探討，并對(duì)其利用的前景進(jìn)行了展望。

余熱余壓發(fā)電機(jī)理 特點(diǎn) 問題 展望

一、概述

國(guó)家《十二五節(jié)能減排綜合性工作方案》中余熱余壓利用被列為國(guó)家實(shí)施節(jié)能減排的重點(diǎn)工程，其中明確規(guī)定，在十二五期間，新增余熱余壓發(fā)電能力2000萬千瓦，這個(gè)指標(biāo)接近于于新建一個(gè)三峽電站(三峽電站總裝機(jī)容量2250萬千瓦)。

就目前情況而言，鋼鐵、冶金、水泥、玻璃是社會(huì)及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)保證。而對(duì)于這些行業(yè)，一方面消耗大量且有限的能源，另一方面也造成大量的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。僅以我國(guó)為例：在上述四個(gè)行業(yè)所消耗的一、二次能源的總量中，有約近30%以上是以400℃以下廢氣余熱的方式被排入大氣浪費(fèi)掉的，每年相當(dāng)于浪費(fèi)超億噸標(biāo)準(zhǔn)煤及增加數(shù)億噸二氧化碳的排放。針對(duì)上述巨額資源的流失浪費(fèi)及環(huán)境污染現(xiàn)狀，余熱余壓發(fā)電的確是一種十分有效的應(yīng)對(duì)手段，現(xiàn)對(duì)其機(jī)理及特點(diǎn)等探討如下。

二、余熱余壓發(fā)電機(jī)理

1、余熱余壓

通常我們所說的余熱，是以環(huán)境為基準(zhǔn)，被考察體系排出的熱載體可釋放的熱［1］。而余壓主要指工業(yè)過程中未被利用的壓差能量。

工業(yè)余熱余壓主要指工業(yè)生產(chǎn)等過程中所產(chǎn)生的未被利用的余熱余能，余熱余壓資源是指經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析確定的可利用的余熱、余能量，通常指在現(xiàn)有條件下有可能回收利用而尚未回收利用的熱量或能量。

余熱余壓是一種工業(yè)生產(chǎn)過程中大量伴生的、無法儲(chǔ)存的、不可推遲的、難以避免的外排能量，如不馬上利用，將立即造成污染，這一被動(dòng)的特性有別于其他形式（生物質(zhì)、垃圾等）的能量轉(zhuǎn)換。

從目前我國(guó)工業(yè)的現(xiàn)狀來看，余熱資源主要來源于高溫?zé)煔庥酂?、冷卻介質(zhì)余熱、廢水廢氣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣、廢液、和廢料余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣等余熱。而余壓資源主要存在于高爐的煉鐵、氣體介質(zhì)的降壓等過程中。在當(dāng)今的工業(yè)過程中，余熱資源非常豐富，特別是在鋼鐵、冶金、化工、水泥、建材、石油與石化、輕工、煤炭等行業(yè)，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收利用的余熱資源約占余熱總資源的60%。有些工業(yè)窯爐的高溫?zé)煔庥酂崃可踔粮哌_(dá)爐窯本身燃料消耗量的30%-60%［2］。利用空間巨大。

2、發(fā)電機(jī)理

目前余熱余壓資源最有效的利用形式是余熱余壓發(fā)電。

余熱發(fā)電是利用工業(yè)窯爐生產(chǎn)過程中連續(xù)外排的煙氣余熱持續(xù)加熱可循環(huán)的液體工質(zhì)并使之汽化推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功并由其帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電從而實(shí)現(xiàn)由熱能向電能的轉(zhuǎn)換并輸出電能。

余壓發(fā)電主要是利用氣體介質(zhì)降壓、降溫過程中的壓差能量及熱能驅(qū)動(dòng)透平膨脹機(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并由其驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換并輸出電能。

目前，所有的熱能—?jiǎng)恿D(zhuǎn)換技術(shù)之理論基礎(chǔ)均基于朗肯循環(huán)理論，僅僅是由于熱能的不同（如：燃煤、燃?xì)狻⑷加?、核能、工業(yè)余熱、地?zé)?、垃圾焚燒等）及熱?動(dòng)力轉(zhuǎn)換過程中所采用的工質(zhì)不同（如：水及水蒸氣、有機(jī)物等）使熱能-動(dòng)力轉(zhuǎn)換過程（熱力發(fā)電廠）名稱有所不同，如火力發(fā)電廠、核電廠、垃圾電廠、熱電廠、余熱電站等等。

郎肯循環(huán)這一百年不變的經(jīng)典理論是一切熱能動(dòng)力轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)及機(jī)理。它是最簡(jiǎn)單也即最基礎(chǔ)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)，該循環(huán)包含絕熱壓縮過程、定壓加熱過程、絕熱膨脹過程及定壓放熱過程。其循環(huán)系統(tǒng)中主要由鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、除氧器、給水泵等組成。其工作原理及循環(huán)過程如下：

作為工質(zhì)的給水（或其它特定的有機(jī)物）在經(jīng)除氧器除氧后，經(jīng)給水泵升壓后打入鍋爐省煤器內(nèi)（該過程為絕熱壓縮過程）；工質(zhì)在省煤器內(nèi)預(yù)熱，然后進(jìn)入鍋爐被加熱成飽和蒸汽，再流經(jīng)過熱器被加熱成過熱蒸汽（該過程為定壓加熱過程）；從鍋爐出來的過熱蒸汽，經(jīng)蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)中，進(jìn)行膨脹做功（該過程為絕熱膨脹過程）；做完功后的蒸汽被排入凝汽器中進(jìn)行冷卻，放出熱量凝結(jié)成水（該過程為定壓放熱過程）；凝結(jié)水再通過除氧器以及給水泵等被重新送回鍋爐加熱，從而完成了一個(gè)循環(huán)過程。如此周而復(fù)始，循環(huán)延續(xù)。期間膨脹做工的結(jié)果使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榱藱C(jī)械能，即汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)同軸連接，因而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電向外供出電能。

當(dāng)余熱電站僅利用余熱來發(fā)電時(shí)，稱為純余熱電站，通常及本文簡(jiǎn)稱為余熱電站（補(bǔ)燃余熱電站已明令禁止現(xiàn)已淘汰）。根據(jù)利用的廢氣余熱品位又可進(jìn)一步分為：純高溫余熱電站（余熱溫度為650℃以上）；純中溫余熱電（余熱溫度為350-650℃）站，純低溫余熱電站（廢氣溫度小于350℃時(shí)）。由于大部分的廢氣余熱均處于350以下，雖純低溫余熱電站技術(shù)難度較高，但目前純低溫余熱電站發(fā)展最為迅速，成效最為顯著。

三、余熱余壓發(fā)電特點(diǎn)

1、典型的清潔生產(chǎn)

余熱余壓發(fā)電不消耗任何燃料及物料，不浪費(fèi)任何能源，不產(chǎn)生任何污染，同時(shí)不改變?cè)a(chǎn)工藝狀況，不犧牲原生產(chǎn)線的能耗，無任何公害。整個(gè)熱力系統(tǒng)中不燃燒任何一次能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。整個(gè)過程零消耗、零排放、零污染。

2、巨大的節(jié)能潛力

眾多工業(yè)窯爐的鍛燒過程中，大量的煙氣余熱被白白排掉，僅以水泥行業(yè)為例，水泥熟料鍛燒過程中，由窯尾預(yù)熱器、窯頭熟料冷卻機(jī)等排掉的400℃以下低溫廢氣余熱，其熱量約占水泥熟料燒成總耗熱量35%以上，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。

在混凝土灌注之前，要保證混凝土隔水栓與初灌料斗以及相關(guān)工作人員到位。安排專業(yè)工作人員檢測(cè)并評(píng)估坍落指數(shù)，以保證能夠與施工標(biāo)準(zhǔn)要求相適應(yīng)。

就目前余熱利用水平，截止到2010年底在建的余熱電站，如果將原排掉的400℃以下可利用的部分低溫廢氣余熱轉(zhuǎn)換為電能，并回用于水泥生產(chǎn)，即可使水泥熟料生產(chǎn)綜合電耗降低約60%或水泥整個(gè)工廠生產(chǎn)綜合電耗降低30%以上，每年全國(guó)僅水泥行業(yè)余熱發(fā)電即有節(jié)能325億kwh的能力［3］。

3、豐厚的經(jīng)濟(jì)回報(bào)

就目前來講對(duì)于火電行業(yè)，發(fā)電原料燃煤約占發(fā)電成本的80%，而對(duì)于余熱余壓發(fā)電來講，此成本為零，電站一旦建成，將長(zhǎng)期受益?，F(xiàn)僅以水泥行業(yè)常規(guī)5000t/d水泥熟料余熱電站為例，余熱電站整體投資費(fèi)用約為6000萬元，年均供電量約5500萬千瓦時(shí)，若外購(gòu)電價(jià)為0.55元，則年節(jié)約電費(fèi)3025萬元，考慮到人力、運(yùn)行、維護(hù)等成本，投資回收期約為3年。

綜合考慮各種因素，水泥行業(yè)余熱發(fā)電可使噸水泥成本降低12～15元，據(jù)報(bào)道，2010年我國(guó)的水泥產(chǎn)量18.8億噸［3］，若各生產(chǎn)線均上余熱發(fā)電，僅我國(guó)水泥行業(yè)每年即可獲225-280億元的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

4、顯著的環(huán)境效益

一是直接形成的，余熱發(fā)電的廢氣經(jīng)余熱鍋爐后溫度大幅度降低從而降低了排入大氣的溫度，減少了對(duì)大氣的熱污染。此外余熱鍋爐的降塵作用及窯頭冷卻機(jī)余熱鍋爐爐前配置的除塵器，進(jìn)一步減少了粉塵對(duì)大氣的污染。

二是間接形成的，即余熱發(fā)電節(jié)省了直接燃煤，實(shí)質(zhì)上是減少了對(duì)應(yīng)發(fā)電量的燃煤對(duì)大氣的污染。燃煤對(duì)大氣的污染主要是顆粒物、CmHn NOX、SO2、CO2等。以水泥行業(yè)5000t/d(熟料年產(chǎn)155萬噸)生產(chǎn)線余熱發(fā)電為例，每年節(jié)煤約2萬噸，減少CO2排放約5萬噸。按去年底全國(guó)水泥的生產(chǎn)能力，若均設(shè)余熱發(fā)電裝置，僅CO2排放每年可減約4600萬噸。因此其環(huán)境效益十分顯著。

5、突出的資源利用優(yōu)勢(shì)

我國(guó)是人均資源匱乏的國(guó)家，多年來資源的高強(qiáng)度開發(fā)及低效利用，加劇了資源供需的矛盾，資源短缺和資源低效利用已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。余熱余壓發(fā)電是解決可持續(xù)發(fā)展中合理利用資源和防治污染這兩個(gè)核心問題的有效途徑，既可以緩解資源匱乏和短缺問題，又可以解決環(huán)境污染問題。更是緩解資源和環(huán)境約束的重要措施。對(duì)保障資源的高效、合理利用，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)“高消耗、高排放、低效率”的粗放發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有十分突出的優(yōu)勢(shì)。

6、難得的變廢為寶的手段

余熱余壓發(fā)電的顯著特點(diǎn)是變廢為寶，既可以對(duì)廢棄資源有效利用又可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。不僅能為提高能源資源利用效率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)起到積極的推動(dòng)作用，而且其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著。

就水泥行業(yè)來講，截止到2010年底，全國(guó)余熱發(fā)電裝機(jī)容量4638兆瓦，年發(fā)電能力達(dá)325億度[3]。相當(dāng)于年節(jié)約煤炭消耗一千余萬噸，減排二氧化碳約二千五百余萬噸。與此同時(shí)，節(jié)能減排對(duì)提高整個(gè)水泥產(chǎn)業(yè)效益起到了較大作用。據(jù)報(bào)道，2009年水泥工業(yè)400多億元的利潤(rùn)中，有100多億元是依靠余熱發(fā)電、節(jié)能減排等項(xiàng)目獲得的[4]。

7、自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)

余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，是在中材節(jié)能股份有限公司的前身所承擔(dān)的“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目－《帶補(bǔ)燃鍋爐的水泥廠中、低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究開發(fā)》、“九五“建材科技攻關(guān)－《水泥廠低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究開發(fā)》的基礎(chǔ)上得以發(fā)展，在政府的指導(dǎo)下產(chǎn)學(xué)研通力合作，形成多項(xiàng)余熱發(fā)電專利技術(shù)，如中材節(jié)能股擁有的《一種用于新型干法水泥生產(chǎn)線的純余熱發(fā)電系統(tǒng)》等多項(xiàng)余熱發(fā)電專利，數(shù)十項(xiàng)科技攻關(guān)項(xiàng)目，其中31項(xiàng)科技成果通過了鑒定，逐步形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備國(guó)產(chǎn)化的余熱發(fā)電自有技術(shù)。

由中材節(jié)能主編的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50588-2010《水泥工廠余熱發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范》（2010.12.01實(shí)施）目前正在爭(zhēng)取上升到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前全國(guó)數(shù)百臺(tái)發(fā)電機(jī)組常年正常運(yùn)行，有效地證明了我國(guó)具有自主的余熱余壓發(fā)電的利用專利技術(shù)成熟可靠。

8、良好的生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化效果

余熱余壓發(fā)電系統(tǒng)可改善工況條件，優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)。余熱發(fā)電系統(tǒng)的輔助作用可收集部分工藝生產(chǎn)線煙氣的粉塵，降低工藝管道粉塵濃度，減少管道磨損，降低后續(xù)除塵負(fù)荷及系統(tǒng)運(yùn)行成本；對(duì)于余壓發(fā)電，TRT裝置是高爐系統(tǒng)的一個(gè)附屬產(chǎn)品，未安裝高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置的高爐通過減壓閥組將高壓煤氣轉(zhuǎn)換成低壓煤氣，既浪費(fèi)了能源，又有巨大的噪聲而污染了環(huán)境。而在安裝高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置后發(fā)電的同時(shí)，不僅不會(huì)影響高爐，而且極大的改善了爐頂壓力波動(dòng)的品質(zhì)，更好的穩(wěn)定高爐爐頂壓力，保證高爐高效、穩(wěn)定生產(chǎn)，從而降低冶煉成本，提高高爐的利用系數(shù)，產(chǎn)生的TRT附加效益甚至大于TRT效益本身。

四、尚存問題

雖然余熱余壓發(fā)電諸多優(yōu)勢(shì)明顯，得到了政府的鼓勵(lì)和支持，但對(duì)于余熱余壓發(fā)電并網(wǎng)難、國(guó)家優(yōu)惠政策難以落實(shí)、相關(guān)部門不合理收費(fèi)這些普遍存在的突出問題一直沒有很好的得以解決。

由于部分政策條文不明，各執(zhí)行和管理部門從本部門角度出發(fā)具有不同的理解，特別是個(gè)別電網(wǎng)單位從局部利益出發(fā)，消極對(duì)待或故意設(shè)置余熱余壓發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行障礙，收取諸如系統(tǒng)備用費(fèi)、并網(wǎng)管理等費(fèi)用，既增加了余熱余壓發(fā)電的成本，也挫傷了工業(yè)企業(yè)的積極性，制約了余熱余壓發(fā)電工作的正常開展，期望社會(huì)各界共同關(guān)注盡快得以妥善解決。

五、前景展望

目前，我國(guó)正處于工業(yè)化快速發(fā)展階段，工業(yè)是我國(guó)能源消耗和污染物排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，是完成節(jié)能減排目標(biāo)的主體，余熱余壓發(fā)電兼顧能源和環(huán)保兩個(gè)重大問題，涉及節(jié)能減排兩個(gè)約束性指標(biāo)，不僅可避免環(huán)境污染而且更有利于節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。單位GDP能耗下降16%，二氧化碳排放降低17%是我國(guó)“十二五”確定的節(jié)能減排目標(biāo)，到2020年二氧化碳的排放量要比2005年下降45%，展望未來節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)。

可喜的是隨著技術(shù)進(jìn)步，余熱余壓發(fā)電對(duì)煙汽溫度、溫差和壓差的要求越來越低，可開展余熱余壓發(fā)電的行業(yè)越來越多，從而使得余熱余壓發(fā)電成為可規(guī)?；瘜?shí)施的變廢為寶，化害為利的首選有效途徑，已經(jīng)成為建材、冶金、煉化等絕大多數(shù)大中型用能企業(yè)節(jié)能減排的重要手段；通過充分挖掘余熱余壓發(fā)電潛力，可解決水泥企業(yè)40%、鋼鐵企業(yè)50%、氧化鋁企業(yè)30%的用電量。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，十一五期間，許多大中型用能企業(yè)60%以上的節(jié)能貢獻(xiàn)率，40%以上的減排貢獻(xiàn)率是由余熱余壓發(fā)電工作實(shí)現(xiàn)的，成效顯著。

目前余熱余壓發(fā)電行業(yè)處于良好的市場(chǎng)環(huán)境之中，一方面，國(guó)家政策紅利不斷；另一方面，我國(guó)的余熱余壓利用技術(shù)處于世界的領(lǐng)先水平，并逐漸處于成熟，其技術(shù)和裝備不斷出口海外，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求旺盛，市場(chǎng)空間巨大，以中材節(jié)能股份有限公司為代表的具有核心技術(shù)的企業(yè)，其出口裝機(jī)容量、單機(jī)規(guī)模、國(guó)際市場(chǎng)占有率均處于領(lǐng)先地位，行業(yè)未來的發(fā)展前景十分廣闊，相信，隨著鼓勵(lì)支持調(diào)控政策的進(jìn)一步加大，余熱余壓發(fā)電領(lǐng)域必將迎來更好、更快、更大的發(fā)展。

[1]：工業(yè)余熱術(shù)語(yǔ)、分類、等級(jí)及余熱資源量計(jì)算方法 GB/T1028-2000

[2]：申萬研究：工業(yè)節(jié)能系列深度研究報(bào)告2011-04-13

[3]：曾學(xué)敏：喜看十一五笑看十二五中國(guó)水泥網(wǎng)信息中心2011-04-02

[4]：水泥工業(yè)余熱發(fā)電漸成氣候 經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)2011-4-6