廢熱發電

廢熱發電是指利用某些生產工藝過程中放散的廢氣所攜帶的熱能, 使之高效地轉變為人們所需求的電能。廢熱發電不僅節能，還有利於環境保護。

基本介紹

• 中文名：廢熱發電
• 外文名： waste heat generation
• 作用：減少能源消耗

背景

隨著社會的進步, 人類對一次能源的消耗會越來越多這迫使人們除了從數量上尋求更多的一次能源之外, 還要儘可能充分利用現存的一次能源。採用低溫廢熱發電, 就是減少一次能源消耗的一條有效可行的途徑。

廢熱來源

排放中低溫廢熱的工藝過程, 在生產實際中是大量存在的, 諸如建材、冶金、化工等行業。

以一條水泥熟料生產線為例, 介紹中低溫廢熱發電的思路與方法：

在較先進的水泥生產工藝中, 水泥熟料的鍛燒過程, 採用窯尾預分解和迴轉窯燒成工藝在此過程中生料吸收煤粉燃燒釋放的熱量而被鍛燒成水泥熟料二然後進入窯頭蓖冷機經空氣急冷後進人下一道工序。上述生產工藝過程將產生兩部分廢熱第一部分是窯尾分解爐排出的煙氣, 在工藝上一般被用作原料的烘乾熱源, 但流經四級旋風分離器後, 其溫度仍保持在約400℃ 左右, 遠遠高於原料烘於對熱源的溫度要求工藝要求（一般不低於160℃ 即可）。這一溫差之間的熱量可被視為廢熱。

第二部分廢熱是窯頭流經蓖冷機作為熟料冷卻介質的空氣所攜帶的熱量, 其溫度近400℃ 這部分熱空氣在生產工藝上已不再利用, 通常經除塵後排放到大氣中, 由此完全成為廢熱。

基本思路

廢熱發電的基本思路

1、分別設定SP爐和AQC爐

針對水泥生產中特點不同的兩部分廢熱,需由不同的熱交換器來回收。在窯尾用於回收煙氣餘熱的熱交換器稱為SP爐。用於回收窯頭熱空氣熱能的熱交換器稱為AQC爐.鍋爐所能回收利用的溫度下限應由鋼煤比價來確定本例中, SP爐出口煙氣溫度為180℃ , 是由水泥原料乾燥工藝要求所決定的爐內由於其加熱介質是熱空氣而不是燃料的燃燒產物, 不含有氣體, 也就不存在酸腐蝕問題這樣, 在考慮鋼煤比價的基礎上, 可以將熱空氣溫度降到較低水平, 以最大限度地回收窯頭所排空氣的餘熱。

還需說明的是, 因受各種因素的影響, 窯頭熱空氣所攜熱能具有較大的波動性, 當所設定能的AQC爐單獨作為一台汽輪發電機組的熱源時, 會由於其蒸汽的溫度或流量的不穩定性,導致機組的頻繁起停為此, 在窯頭、窯尾同時設定SP爐和AQC爐, 兩爐引出的蒸汽混合進人汽輪機作功發電, 就能以爐的相對穩定性來彌補爐的相對不穩定性, 保證機組發電具有一定的穩定性。

2、設定多級閃蒸器並採用混汽式發電系統

為最大限度地回收餘熱, 就必須儘量降低熱介質的排出溫度對爐來說, 其出口熱介質溫度不僅受到鋼煤比價、煙氣酸露點等因素的制約, 還要受到水泥自身乾燥工藝對熱介質的溫度要求。而對爐來說, 其加熱介質為排放到大氣中的熱空氣, 主要受到技術經濟比較的制約。

降低AQC爐出口熱空氣的有效方法是採用多級閃蒸器。多級閃蒸器的介質來自AQC爐預熱段。這就增大了AQC爐中預熱段的熱量回收, 有效降低了AQC爐熱介質的出口溫度。由於閃蒸器出來的蒸汽參數均較低, 且當閃蒸器串聯工作時, 其蒸汽參數會逐級降低,為充分利用這些蒸汽, 可採用混汽式發電系統。

所謂混汽式發電系統, 就是採用多次進汽式汽輪機即在以主蒸汽正常進入汽輪機的基礎上, 將低參數蒸汽分次引人汽輪機中間級,形成多次進汽, 分級作功之模式, 以提高餘熱動力回收之效果。

發電技術

廢熱發電通常可採用：廢熱蒸汽動力循環發電和廢熱有機朗肯循環發電等。

蒸汽動力循環

對於廢氣餘熱回收， 傳統的方法是以水為工質的蒸汽動力循環，該類技術相對比較成熟，已經在多個行業得到套用，主要有單壓餘熱發電系統、雙壓餘熱發電系統及閃蒸餘熱發電系統等。

（1）單壓餘熱發電系統

單壓餘熱發電循環 是在餘熱鍋爐中利用煙氣餘熱加熱給水，產生單壓過熱蒸汽，進入汽輪機做功，做過功的蒸汽經過冷凝、除氧送入餘熱鍋爐完成循環。該系統具有結構簡單、運行維護簡便、投資小等優點，目前普遍採用。然而，該系統缺點是廢氣餘熱得不到充分利用，其發電能力相對較低。

（2）雙壓餘熱發電系統

雙壓餘熱發電循環是將給水分為兩路，在餘熱鍋爐中被熱煙氣加熱，產生兩股壓力不同的蒸汽，一股高壓蒸汽從主汽門進入汽輪機發電，另一股低壓蒸汽從汽輪機的中間級進入汽輪機，與主蒸汽一起做功，增大發電量。該系統總體來說，發電能力較高，但由於採用兩種壓力蒸汽，因此系統複雜，投資較大。淮鋼燒結餘熱發電項目就是採用雙壓餘熱發電系統。

（3）閃蒸餘熱發電系統

閃蒸餘熱發電循環是一路由余熱鍋爐生產的主蒸汽送入汽輪機做功，另一路由余熱鍋爐生產高溫熱水送入閃蒸器降壓蒸發出蒸汽，補入汽輪機做功。該系統發電能力和投資在前兩種系統之間。廢氣蒸汽動力循環發電技術的難點在於補汽凝汽式汽輪機的研發，目前我國已在該技術上取得突破，國產補汽凝汽式汽輪機已在多個項目獲得套用。以上介紹的三種系統如何選用，要綜合考慮投資大小、投資回報、運行穩定性和運行經濟性後確定。

有機朗肯循環

對於低溫廢氣餘熱回收，除了採用蒸汽動力循環外，還可採用有機朗肯循環(ORC)。該循環工作時，有機工質在換熱器內吸收低溫餘熱，蒸發汽化後進入渦輪機做功，渦輪機帶動發電機發電，做過功後的乏汽被冷凝後形成液體由工質泵送入換熱器吸熱完成循環。該循環所利用的熱源溫度多為溫度230℃以下，甚至100℃左右的熱源。目前ORC 技術已經被廣泛用於水泥廠、石化廠、造紙廠、燃氣輪機及內燃機等工業領域的餘熱發電。儘管有機朗肯循環發電已經有商業套用，但該技術還在不斷完善中。近年來，該技術的研究熱點主要集中在：有機工質的選擇，熱力系統最佳化等。

有機朗肯循環工質的選擇應著重考慮工質的毒性、易燃性、化學穩定性、腐蝕性及熱力特性等，同時對其經濟性及環保方面都有要求，即要求對臭氧層無破壞作用。根據工質在溫熵圖上飽和汽化線的斜率不同，有機工質可分為幹流體、等熵流體與濕流體。如果選擇幹流體，則進入渦輪機的工質只需加熱到飽和蒸汽即可，過熱反而會降低系統效率。如果選擇濕流體，則進入渦輪機的工質需加熱到過熱蒸汽。

熱力系統最佳化方面，可採用內置熱交換器，利用乏汽餘熱加熱冷凝液，這種方法對於濕流體過熱循環的效率有一定提高。還可以採用抽汽回熱式有機朗肯循環，該循環系統產生等量電能所需的吸熱量要比普通ORC 系統低、熱效率更高、產生等量電能所需的熱量更少，具有更好的性能。但這兩種方法均需增加設備投資，運行維護工作量大，因此需經過經濟技術比較後決定。

經濟環保效益

1、節約能源

利用水泥窯窯頭、窯尾所排放的廢熱來發電, 將直接節省標準煤。

2、改善環境

中低溫廢熱發電, 是利用了水泥生產過程或其它生產過程中所排放的餘熱來發電, 因此這項技術除了可以直接節約一次能源外, 還可以減少常規發電廠的有害氣體、粉塵、灰渣等向環境的排放。

3、中低溫餘熱發電, 是將原來廢棄於大氣環境的熱量加以回收利用, 因此還有效地減少了排向大氣的熱量。

進展

中船重工第七一二研究所已研製出國內最大功率的超低溫餘熱回收發電裝置，可用70℃以上熱水或100℃以上煙氣等工業餘熱發電。

技術人員解釋說，高耗能企業中，煤炭、天然氣燃燒產生的熱能往往會有大量剩餘，工廠一般會安裝回收裝置，將200℃以上的水蒸氣收集後發電。但像70℃左右的熱水、100℃以上的煙氣，卻難以利用，當作“廢熱”白白排掉，“像青山大煙囪里冒出的白氣，就是這些餘熱遇冷凝結而成。”有專家指出，如果把全國浪費的工業餘熱、廢熱回收起來，每年產生的電量相當於幾個“三峽工程發電總量”。

據悉，七一二所研製的新裝置使用了一種新的有機物，遇到70℃左右的熱水就會蒸發，從而驅動汽輪機發電。該所測算，一台每小時發電300千瓦的裝置，成本需300餘萬元，中型企業安裝後2年半即可收回投資，既環保又節約。

該所介紹，新裝置的研製成功，標誌著我國已具備200千瓦至1000千瓦大功率等級的超低溫餘熱回收發電全套設計和製造能力，成為國際上少數幾個掌握相關核心技術的國家之一。