余熱余壓發電淺析

曲良軍（中材節能股份有限公司，天津 300400）

余熱余壓發電淺析

曲良軍（中材節能股份有限公司，天津 300400）

本文就工業余熱余壓發電的機理及特點以及存在的問題進行了探討，并對其利用的前景進行了展望。

余熱余壓發電機理 特點 問題 展望

一、概述

國家《十二五節能減排綜合性工作方案》中余熱余壓利用被列為國家實施節能減排的重點工程，其中明確規定，在十二五期間，新增余熱余壓發電能力2000萬千瓦，這個指標接近于于新建一個三峽電站(三峽電站總裝機容量2250萬千瓦)。

就目前情況而言，鋼鐵、冶金、水泥、玻璃是社會及經濟可持續發展的重要物質保證。而對于這些行業，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和環境污染。僅以我國為例：在上述四個行業所消耗的一、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掉的，每年相當于浪費超億噸標準煤及增加數億噸二氧化碳的排放。針對上述巨額資源的流失浪費及環境污染現狀，余熱余壓發電的確是一種十分有效的應對手段，現對其機理及特點等探討如下。

二、余熱余壓發電機理

1、余熱余壓

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

工業余熱余壓主要指工業生產等過程中所產生的未被利用的余熱余能，余熱余壓資源是指經技術經濟分析確定的可利用的余熱、余能量，通常指在現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生產過程中大量伴生的、無法儲存的、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，這一被動的特性有別于其他形式（生物質、垃圾等）的能量轉換。

從目前我國工業的現狀來看，余熱資源主要來源于高溫煙氣余熱、冷卻介質余熱、廢水廢氣余熱、化學反應余熱、可燃廢氣、廢液、和廢料余熱、高溫產品和爐渣等余熱。而余壓資源主要存在于高爐的煉鐵、氣體介質的降壓等過程中。在當今的工業過程中，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，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%。有些工業窯爐的高溫煙氣余熱量甚至高達爐窯本身燃料消耗量的30%-60%［2］。利用空間巨大。

2、發電機理

目前余熱余壓資源最有效的利用形式是余熱余壓發電。

余熱發電是利用工業窯爐生產過程中連續外排的煙氣余熱持續加熱可循環的液體工質并使之汽化推動汽輪機旋轉做功并由其帶動發電機發電從而實現由熱能向電能的轉換并輸出電能。

余壓發電主要是利用氣體介質降壓、降溫過程中的壓差能量及熱能驅動透平膨脹機做功，將其轉化為機械能，并由其驅動發電機發電從而實現能量的轉換并輸出電能。

目前，所有的熱能—動力轉換技術之理論基礎均基于朗肯循環理論，僅僅是由于熱能的不同（如：燃煤、燃氣、燃油、核能、工業余熱、地熱、垃圾焚燒等）及熱能-動力轉換過程中所采用的工質不同（如：水及水蒸氣、有機物等）使熱能-動力轉換過程（熱力發電廠）名稱有所不同，如火力發電廠、核電廠、垃圾電廠、熱電廠、余熱電站等等。

郎肯循環這一百年不變的經典理論是一切熱能動力轉換的基礎及機理。它是最簡單也即最基礎的蒸汽動力循環，該循環包含絕熱壓縮過程、定壓加熱過程、絕熱膨脹過程及定壓放熱過程。其循環系統中主要由鍋爐、汽輪機、凝汽器、除氧器、給水泵等組成。其工作原理及循環過程如下：

作為工質的給水（或其它特定的有機物）在經除氧器除氧后，經給水泵升壓后打入鍋爐省煤器內（該過程為絕熱壓縮過程）；工質在省煤器內預熱，然后進入鍋爐被加熱成飽和蒸汽，再流經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，經蒸汽管道進入汽輪機中，進行膨脹做功（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行冷卻，放出熱量凝結成水（該過程為定壓放熱過程）；凝結水再通過除氧器以及給水泵等被重新送回鍋爐加熱，從而完成了一個循環過程。如此周而復始，循環延續。期間膨脹做工的結果使熱能轉變為了機械能，即汽輪機轉子的旋轉，由于汽輪機轉子和發電機同軸連接，因而帶動發電機旋轉發電向外供出電能。

當余熱電站僅利用余熱來發電時，稱為純余熱電站，通常及本文簡稱為余熱電站（補燃余熱電站已明令禁止現已淘汰）。根據利用的廢氣余熱品位又可進一步分為：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）。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難度較高，但目前純低溫余熱電站發展最為迅速，成效最為顯著。

三、余熱余壓發電特點

1、典型的清潔生產

余熱余壓發電不消耗任何燃料及物料，不浪費任何能源，不產生任何污染，同時不改變原生產工藝狀況，不犧牲原生產線的能耗，無任何公害。整個熱力系統中不燃燒任何一次能源，不會對環境造成二次污染。整個過程零消耗、零排放、零污染。

2、巨大的節能潛力

眾多工業窯爐的鍛燒過程中，大量的煙氣余熱被白白排掉，僅以水泥行業為例，水泥熟料鍛燒過程中，由窯尾預熱器、窯頭熟料冷卻機等排掉的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，能源浪費十分嚴重。

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工作人員到位。安排專業工作人員檢測并評估坍落指數，以保證能夠與施工標準要求相適應。

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換為電能，并回用于水泥生產，即可使水泥熟料生產綜合電耗降低約60%或水泥整個工廠生產綜合電耗降低30%以上，每年全國僅水泥行業余熱發電即有節能325億kwh的能力［3］。

3、豐厚的經濟回報

就目前來講對于火電行業，發電原料燃煤約占發電成本的80%，而對于余熱余壓發電來講，此成本為零，電站一旦建成，將長期受益。現僅以水泥行業常規5000t/d水泥熟料余熱電站為例，余熱電站整體投資費用約為6000萬元，年均供電量約5500萬千瓦時，若外購電價為0.55元，則年節約電費3025萬元，考慮到人力、運行、維護等成本，投資回收期約為3年。

綜合考慮各種因素，水泥行業余熱發電可使噸水泥成本降低12～15元，據報道，2010年我國的水泥產量18.8億噸［3］，若各生產線均上余熱發電，僅我國水泥行業每年即可獲225-280億元的經濟回報。

4、顯著的環境效益

一是直接形成的，余熱發電的廢氣經余熱鍋爐后溫度大幅度降低從而降低了排入大氣的溫度，減少了對大氣的熱污染。此外余熱鍋爐的降塵作用及窯頭冷卻機余熱鍋爐爐前配置的除塵器，進一步減少了粉塵對大氣的污染。

二是間接形成的，即余熱發電節省了直接燃煤，實質上是減少了對應發電量的燃煤對大氣的污染。燃煤對大氣的污染主要是顆粒物、CmHn NOX、SO2、CO2等。以水泥行業5000t/d(熟料年產155萬噸)生產線余熱發電為例，每年節煤約2萬噸，減少CO2排放約5萬噸。按去年底全國水泥的生產能力，若均設余熱發電裝置，僅CO2排放每年可減約4600萬噸。因此其環境效益十分顯著。

5、突出的資源利用優勢

我國是人均資源匱乏的國家，多年來資源的高強度開發及低效利用，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經濟社會可持續發展的重要瓶頸。余熱余壓發電是解決可持續發展中合理利用資源和防治污染這兩個核心問題的有效途徑，既可以緩解資源匱乏和短缺問題，又可以解決環境污染問題。更是緩解資源和環境約束的重要措施。對保障資源的高效、合理利用，促進我國經濟“高消耗、高排放、低效率”的粗放發展方式轉變具有十分突出的優勢。

6、難得的變廢為寶的手段

余熱余壓發電的顯著特點是變廢為寶，既可以對廢棄資源有效利用又可以實現節能減排。不僅能為提高能源資源利用效率，優化能源結構，促進資源節約型、環境友好型社會建設起到積極的推動作用，而且其經濟效益和社會效益均十分顯著。

就水泥行業來講，截止到2010年底，全國余熱發電裝機容量4638兆瓦，年發電能力達325億度[3]。相當于年節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，節能減排對提高整個水泥產業效益起到了較大作用。據報道，2009年水泥工業400多億元的利潤中，有100多億元是依靠余熱發電、節能減排等項目獲得的[4]。

7、自主的知識產權

余熱發電技術的發展，是在中材節能股份有限公司的前身所承擔的“八五”國家重點科技攻關項目－《帶補燃鍋爐的水泥廠中、低溫余熱發電技術及裝備的研究開發》、“九五“建材科技攻關－《水泥廠低溫余熱發電技術及裝備的研究開發》的基礎上得以發展，在政府的指導下產學研通力合作，形成多項余熱發電專利技術，如中材節能股擁有的《一種用于新型干法水泥生產線的純余熱發電系統》等多項余熱發電專利，數十項科技攻關項目，其中31項科技成果通過了鑒定，逐步形成了具有自主知識產權的裝備國產化的余熱發電自有技術。

由中材節能主編的國家標準GB 50588-2010《水泥工廠余熱發電設計規范》（2010.12.01實施）目前正在爭取上升到國際標準，目前全國數百臺發電機組常年正常運行，有效地證明了我國具有自主的余熱余壓發電的利用專利技術成熟可靠。

8、良好的生產系統優化效果

余熱余壓發電系統可改善工況條件，優化生產系統。余熱發電系統的輔助作用可收集部分工藝生產線煙氣的粉塵，降低工藝管道粉塵濃度，減少管道磨損，降低后續除塵負荷及系統運行成本；對于余壓發電，TRT裝置是高爐系統的一個附屬產品，未安裝高爐煤氣余壓透平發電裝置的高爐通過減壓閥組將高壓煤氣轉換成低壓煤氣，既浪費了能源，又有巨大的噪聲而污染了環境。而在安裝高爐煤氣余壓透平發電裝置后發電的同時，不僅不會影響高爐，而且極大的改善了爐頂壓力波動的品質，更好的穩定高爐爐頂壓力，保證高爐高效、穩定生產，從而降低冶煉成本，提高高爐的利用系數，產生的TRT附加效益甚至大于TRT效益本身。

四、尚存問題

雖然余熱余壓發電諸多優勢明顯，得到了政府的鼓勵和支持，但對于余熱余壓發電并網難、國家優惠政策難以落實、相關部門不合理收費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，各執行和管理部門從本部門角度出發具有不同的理解，特別是個別電網單位從局部利益出發，消極對待或故意設置余熱余壓發電機組并網運行障礙，收取諸如系統備用費、并網管理等費用，既增加了余熱余壓發電的成本，也挫傷了工業企業的積極性，制約了余熱余壓發電工作的正常開展，期望社會各界共同關注盡快得以妥善解決。

五、前景展望

目前，我國正處于工業化快速發展階段，工業是我國能源消耗和污染物排放的重點領域，是完成節能減排目標的主體，余熱余壓發電兼顧能源和環保兩個重大問題，涉及節能減排兩個約束性指標，不僅可避免環境污染而且更有利于節能減排目標的實現和經濟的可持續發展。單位GDP能耗下降16%，二氧化碳排放降低17%是我國“十二五”確定的節能減排目標，到2020年二氧化碳的排放量要比2005年下降45%，展望未來節能減排任重道遠。

可喜的是隨著技術進步，余熱余壓發電對煙汽溫度、溫差和壓差的要求越來越低，可開展余熱余壓發電的行業越來越多，從而使得余熱余壓發電成為可規模化實施的變廢為寶，化害為利的首選有效途徑，已經成為建材、冶金、煉化等絕大多數大中型用能企業節能減排的重要手段；通過充分挖掘余熱余壓發電潛力，可解決水泥企業40%、鋼鐵企業50%、氧化鋁企業30%的用電量。據不完全統計，十一五期間，許多大中型用能企業60%以上的節能貢獻率，40%以上的減排貢獻率是由余熱余壓發電工作實現的，成效顯著。

目前余熱余壓發電行業處于良好的市場環境之中，一方面，國家政策紅利不斷；另一方面，我國的余熱余壓利用技術處于世界的領先水平，并逐漸處于成熟，其技術和裝備不斷出口海外，國內外市場需求旺盛，市場空間巨大，以中材節能股份有限公司為代表的具有核心技術的企業，其出口裝機容量、單機規模、國際市場占有率均處于領先地位，行業未來的發展前景十分廣闊，相信，隨著鼓勵支持調控政策的進一步加大，余熱余壓發電領域必將迎來更好、更快、更大的發展。

[1]：工業余熱術語、分類、等級及余熱資源量計算方法 GB/T1028-2000

[2]：申萬研究：工業節能系列深度研究報告2011-04-13

[3]：曾學敏：喜看十一五笑看十二五中國水泥網信息中心2011-04-02

[4]：水泥工業余熱發電漸成氣候 經濟日報2011-4-6