CO2低溫發電在玻璃企業的應用

1 引言

玻璃工業屬于資源、能源依賴型的原材料高耗能產業，但近年來隨著國民經濟的高速運行，依然以15%以上的年均產量增速發展，平板玻璃的年產量已高達6.3億重量箱，毫無爭議地繼續位居世界第一。

以450-500t/d浮法玻璃生產線為例，設計熔窯能耗約為6908kJ/kg玻璃液（折合重油年消耗約3000噸），平板玻璃熔窯的熱效率較高的可達到40%左右，通過綜合挖潛可提高到50%左右的熱效率，其中玻璃熔窯400-500℃的高溫煙氣除少量回收利用，約80%不回收直接通過煙囪高空排放，既大量浪費能源，又對環境造成污染，高效利用玻璃生產中的余熱成為目前降低玻璃生產綜合能耗的有效途徑[1]。

自從2007年9月國內玻璃行業首條玻璃熔窯煙氣余熱發電工程項目成功并網發電后至今，全國玻璃行業已建和在建的余熱發電工程項目約100多個。玻璃窯余熱發電成為玻璃行業節能改造新模式。典型結構為利用玻璃窯煙氣余熱將鍋爐內的軟化水加熱成為過熱蒸汽，過熱蒸汽進汽輪機膨脹做功拖動汽輪機高速旋轉，帶動發電機發電并網。因玻璃行業大多使用重油、石油焦等燃料，煙氣中含大量硫化物和氮氧化物，極易造成余熱鍋爐低溫腐蝕，影響發電系統運行。同時環保壓力非常大，需后接脫硫系統進行煙氣處理。若我們能突破傳統模式改為先將玻璃窯排出煙塵廢氣除塵脫硫凈化，通過交換回收余熱，用其加溫二氧化碳工質，由熱能轉變機械能再轉變為電能。余熱廢氣全部回收利用，治理了環境，節省了資源。

2 CO2低溫發電原理

愛因斯坦創立著名公式E=mc2，論證：“質量差異能夠轉化為巨大的能量”，理解：質能=質量×能量（內部工質×外部熱能），推斷：熱力質能=水蒸氣×372℃，二氧化碳×32℃，分析：物質由分子組成，而分子是原子核構成，原子核內部有電子、質子和中子。傳熱工作介質在受熱膨脹后，其內部的分子相互碰撞和激烈的不規則運動，而對外部產生壓力，沖擊渦輪轉動形成機械功能，再轉化為物理電能。熱力學是加熱-冷卻、膨脹-壓縮的循環運動。證明：任何結構形成的演變都是其內部存在的物質所決定，外部是變化的條件，內部是變化的關鍵。將兩種互相矛盾的不同概念融合起來，差異越大所產生的新奇效果就越明顯。已知熱力=工質×熱能，內部水蒸汽H2O分子量為18，臨界點372℃，產生壓力210公斤；二氧化碳分子量為44，臨界點為32℃，產生壓力72公斤，兩種工質存在巨大的差異，在不同溫度條件下產生的效果卻相同，高溫變低溫，體現于節能。如在50℃溫度時，二氧化碳超臨界就膨脹做功，而溫度在100℃才能沸騰，升溫到300℃才能正常運行。充分說明：其內部結構不同，所需外部條件也不同，CO2內含分子量是H2O的2.5倍，而所需熱能減少10倍，為此節能效果就十分明顯。這正是人們長期忽視的一個重點，也證實了質變量變的英明論斷。200多年前人們用高溫水蒸汽做動力是因為水在常溫下以液體存在，而到處都有取用方便。對比其他有機工質，烷爆醇燃氨腐汞有毒，最理想的工質是二氧化碳。CO2發電是原料充足價廉，生產清潔安全的綠色能源，具有系統壓力高，臨界溫度低，蒸發潛力大，容積流量小的物理特性。CO2無毒無味，不腐不燃，是代替水蒸汽的最佳工質優選方案。

3 CO2工質玻璃窯余熱發電方案

本技術方案是在玻璃窯的頭部安裝余熱回收設備，通過空氣換熱器或余熱水池，將CO2工質加溫到50℃以上超臨界，由CO2氣體進入汽輪機膨脹作功，將熱能轉變為機械能，再轉變為電能。改變了傳統能源利用方式，改變了熱力循環的工作介質，充分利用工業廢氣余熱，既解決環境污染難題，又節約大量的煤水資源，并增加了發電及經濟效益。

工藝流程為，玻璃窯燃燒后的煙塵經煙氣出口進入除塵器，除去大部分灰塵的煙氣再經熱交換器，在引風機的拉動下，熱煙氣進入洗滌塔，在洗滌塔內有水噴淋進行清洗，熱水經循環使用后由水泵抽入熱水存儲器之內。CO2工質經余熱水加溫后在蒸發器內膨脹升壓進入汽輪機，帶動發電機作功后CO2乏汽回流由冷凝器冷卻后由循環泵抽回進行再循環，這樣由玻璃窯的余熱加溫CO250度以上就超臨界作功，推動汽輪機發電。熱能由玻璃窯的余熱提供，機械能由汽輪機運動，電能經變壓器送入電網。工質是由CO2經加熱冷卻膨脹壓縮，氣液相變來完成超臨界的熱力循環。

4 CO2工質玻璃窯余熱發電總結

1982年羅馬試用CO2工質發電，2001年中國專利CO2熱力低溫發電，2003年中國專利CO2熱力循環，2005年中國專利CO2蒸汽機、汽輪機、CO2工質煤電余熱聯產。CO2工質發電技術，不安鍋爐，不需燃煤，不用供水，CO2吸熱少冷卻快，50度以上超臨界，既解決環境污染又節約煤水資源。對比建立燃煤火電發電節省投資40%，降低成本50%，減少占地60%，節約資源70%，熱效利用80%，增加效益100%[2]。

目前，世界最大的熱點是經濟危機和資源環境問題，全球最大的創新是在能源技術領域的突破。CO2工質發電，中國具有自主知識產權。到2020年全國CO2工質低溫余熱發電達到3億KW，年節約用煤10億噸。并可在玻璃、鋼鐵、冶金、水泥、石化等行業推廣。

[1] 劉成雄 張景勝《全國余熱回收再利用技術與產業發展研討會》［C］杭州 中國能源環保產業協會2012.4.13-28

[2] 張英凡 張豐奎 《二氧化碳工質爐窯余熱發電技術裝備》中華人民共和國國家知識產權局 200520128210.5 2007-6-6