余热余压发电浅析

曲良军（中材节能股份有限公司，天津 300400）

余热余压发电浅析

曲良军（中材节能股份有限公司，天津 300400）

本文就工业余热余压发电的机理及特点以及存在的问题进行了探讨，并对其利用的前景进行了展望。

余热余压发电机理 特点 问题 展望

一、概述

国家《十二五节能减排综合性工作方案》中余热余压利用被列为国家实施节能减排的重点工程，其中明确规定，在十二五期间，新增余热余压发电能力2000万千瓦，这个指标接近于于新建一个三峡电站(三峡电站总装机容量2250万千瓦)。

就目前情况而言，钢铁、冶金、水泥、玻璃是社会及经济可持续发展的重要物质保证。而对于这些行业，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费和环境污染。仅以我国为例：在上述四个行业所消耗的一、二次能源的总量中，有约近30%以上是以400℃以下废气余热的方式被排入大气浪费掉的，每年相当于浪费超亿吨标准煤及增加数亿吨二氧化碳的排放。针对上述巨额资源的流失浪费及环境污染现状，余热余压发电的确是一种十分有效的应对手段，现对其机理及特点等探讨如下。

二、余热余压发电机理

1、余热余压

通常我们所说的余热，是以环境为基准，被考察体系排出的热载体可释放的热［1］。而余压主要指工业过程中未被利用的压差能量。

工业余热余压主要指工业生产等过程中所产生的未被利用的余热余能，余热余压资源是指经技术经济分析确定的可利用的余热、余能量，通常指在现有条件下有可能回收利用而尚未回收利用的热量或能量。

余热余压是一种工业生产过程中大量伴生的、无法储存的、不可推迟的、难以避免的外排能量，如不马上利用，将立即造成污染，这一被动的特性有别于其他形式（生物质、垃圾等）的能量转换。

从目前我国工业的现状来看，余热资源主要来源于高温烟气余热、冷却介质余热、废水废气余热、化学反应余热、可燃废气、废液、和废料余热、高温产品和炉渣等余热。而余压资源主要存在于高炉的炼铁、气体介质的降压等过程中。在当今的工业过程中，余热资源非常丰富，特别是在钢铁、冶金、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等行业，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收利用的余热资源约占余热总资源的60%。有些工业窑炉的高温烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30%-60%［2］。利用空间巨大。

2、发电机理

目前余热余压资源最有效的利用形式是余热余压发电。

余热发电是利用工业窑炉生产过程中连续外排的烟气余热持续加热可循环的液体工质并使之汽化推动汽轮机旋转做功并由其带动发电机发电从而实现由热能向电能的转换并输出电能。

余压发电主要是利用气体介质降压、降温过程中的压差能量及热能驱动透平膨胀机做功，将其转化为机械能，并由其驱动发电机发电从而实现能量的转换并输出电能。

目前，所有的热能—动力转换技术之理论基础均基于朗肯循环理论，仅仅是由于热能的不同（如：燃煤、燃气、燃油、核能、工业余热、地热、垃圾焚烧等）及热能-动力转换过程中所采用的工质不同（如：水及水蒸气、有机物等）使热能-动力转换过程（热力发电厂）名称有所不同，如火力发电厂、核电厂、垃圾电厂、热电厂、余热电站等等。

郎肯循环这一百年不变的经典理论是一切热能动力转换的基础及机理。它是最简单也即最基础的蒸汽动力循环，该循环包含绝热压缩过程、定压加热过程、绝热膨胀过程及定压放热过程。其循环系统中主要由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、给水泵等组成。其工作原理及循环过程如下：

作为工质的给水（或其它特定的有机物）在经除氧器除氧后，经给水泵升压后打入锅炉省煤器内（该过程为绝热压缩过程）；工质在省煤器内预热，然后进入锅炉被加热成饱和蒸汽，再流经过热器被加热成过热蒸汽（该过程为定压加热过程）；从锅炉出来的过热蒸汽，经蒸汽管道进入汽轮机中，进行膨胀做功（该过程为绝热膨胀过程）；做完功后的蒸汽被排入凝汽器中进行冷却，放出热量凝结成水（该过程为定压放热过程）；凝结水再通过除氧器以及给水泵等被重新送回锅炉加热，从而完成了一个循环过程。如此周而复始，循环延续。期间膨胀做工的结果使热能转变为了机械能，即汽轮机转子的旋转，由于汽轮机转子和发电机同轴连接，因而带动发电机旋转发电向外供出电能。

当余热电站仅利用余热来发电时，称为纯余热电站，通常及本文简称为余热电站（补燃余热电站已明令禁止现已淘汰）。根据利用的废气余热品位又可进一步分为：纯高温余热电站（余热温度为650℃以上）；纯中温余热电（余热温度为350-650℃）站，纯低温余热电站（废气温度小于350℃时）。由于大部分的废气余热均处于350以下，虽纯低温余热电站技术难度较高，但目前纯低温余热电站发展最为迅速，成效最为显著。

三、余热余压发电特点

1、典型的清洁生产

余热余压发电不消耗任何燃料及物料，不浪费任何能源，不产生任何污染，同时不改变原生产工艺状况，不牺牲原生产线的能耗，无任何公害。整个热力系统中不燃烧任何一次能源，不会对环境造成二次污染。整个过程零消耗、零排放、零污染。

2、巨大的节能潜力

众多工业窑炉的锻烧过程中，大量的烟气余热被白白排掉，仅以水泥行业为例，水泥熟料锻烧过程中，由窑尾预热器、窑头熟料冷却机等排掉的400℃以下低温废气余热，其热量约占水泥熟料烧成总耗热量35%以上，能源浪费十分严重。

在混凝土灌注之前，要保证混凝土隔水栓与初灌料斗以及相关工作人员到位。安排专业工作人员检测并评估坍落指数，以保证能够与施工标准要求相适应。

就目前余热利用水平，截止到2010年底在建的余热电站，如果将原排掉的400℃以下可利用的部分低温废气余热转换为电能，并回用于水泥生产，即可使水泥熟料生产综合电耗降低约60%或水泥整个工厂生产综合电耗降低30%以上，每年全国仅水泥行业余热发电即有节能325亿kwh的能力［3］。

3、丰厚的经济回报

就目前来讲对于火电行业，发电原料燃煤约占发电成本的80%，而对于余热余压发电来讲，此成本为零，电站一旦建成，将长期受益。现仅以水泥行业常规5000t/d水泥熟料余热电站为例，余热电站整体投资费用约为6000万元，年均供电量约5500万千瓦时，若外购电价为0.55元，则年节约电费3025万元，考虑到人力、运行、维护等成本，投资回收期约为3年。

综合考虑各种因素，水泥行业余热发电可使吨水泥成本降低12～15元，据报道，2010年我国的水泥产量18.8亿吨［3］，若各生产线均上余热发电，仅我国水泥行业每年即可获225-280亿元的经济回报。

4、显著的环境效益

一是直接形成的，余热发电的废气经余热锅炉后温度大幅度降低从而降低了排入大气的温度，减少了对大气的热污染。此外余热锅炉的降尘作用及窑头冷却机余热锅炉炉前配置的除尘器，进一步减少了粉尘对大气的污染。

二是间接形成的，即余热发电节省了直接燃煤，实质上是减少了对应发电量的燃煤对大气的污染。燃煤对大气的污染主要是颗粒物、CmHn NOX、SO2、CO2等。以水泥行业5000t/d(熟料年产155万吨)生产线余热发电为例，每年节煤约2万吨，减少CO2排放约5万吨。按去年底全国水泥的生产能力，若均设余热发电装置，仅CO2排放每年可减约4600万吨。因此其环境效益十分显著。

5、突出的资源利用优势

我国是人均资源匮乏的国家，多年来资源的高强度开发及低效利用，加剧了资源供需的矛盾，资源短缺和资源低效利用已成为制约我国经济社会可持续发展的重要瓶颈。余热余压发电是解决可持续发展中合理利用资源和防治污染这两个核心问题的有效途径，既可以缓解资源匮乏和短缺问题，又可以解决环境污染问题。更是缓解资源和环境约束的重要措施。对保障资源的高效、合理利用，促进我国经济“高消耗、高排放、低效率”的粗放发展方式转变具有十分突出的优势。

6、难得的变废为宝的手段

余热余压发电的显著特点是变废为宝，既可以对废弃资源有效利用又可以实现节能减排。不仅能为提高能源资源利用效率，优化能源结构，促进资源节约型、环境友好型社会建设起到积极的推动作用，而且其经济效益和社会效益均十分显著。

就水泥行业来讲，截止到2010年底，全国余热发电装机容量4638兆瓦，年发电能力达325亿度[3]。相当于年节约煤炭消耗一千余万吨，减排二氧化碳约二千五百余万吨。与此同时，节能减排对提高整个水泥产业效益起到了较大作用。据报道，2009年水泥工业400多亿元的利润中，有100多亿元是依靠余热发电、节能减排等项目获得的[4]。

7、自主的知识产权

余热发电技术的发展，是在中材节能股份有限公司的前身所承担的“八五”国家重点科技攻关项目－《带补燃锅炉的水泥厂中、低温余热发电技术及装备的研究开发》、“九五“建材科技攻关－《水泥厂低温余热发电技术及装备的研究开发》的基础上得以发展，在政府的指导下产学研通力合作，形成多项余热发电专利技术，如中材节能股拥有的《一种用于新型干法水泥生产线的纯余热发电系统》等多项余热发电专利，数十项科技攻关项目，其中31项科技成果通过了鉴定，逐步形成了具有自主知识产权的装备国产化的余热发电自有技术。

由中材节能主编的国家标准GB 50588-2010《水泥工厂余热发电设计规范》（2010.12.01实施）目前正在争取上升到国际标准，目前全国数百台发电机组常年正常运行，有效地证明了我国具有自主的余热余压发电的利用专利技术成熟可靠。

8、良好的生产系统优化效果

余热余压发电系统可改善工况条件，优化生产系统。余热发电系统的辅助作用可收集部分工艺生产线烟气的粉尘，降低工艺管道粉尘浓度，减少管道磨损，降低后续除尘负荷及系统运行成本；对于余压发电，TRT装置是高炉系统的一个附属产品，未安装高炉煤气余压透平发电装置的高炉通过减压阀组将高压煤气转换成低压煤气，既浪费了能源，又有巨大的噪声而污染了环境。而在安装高炉煤气余压透平发电装置后发电的同时，不仅不会影响高炉，而且极大的改善了炉顶压力波动的品质，更好的稳定高炉炉顶压力，保证高炉高效、稳定生产，从而降低冶炼成本，提高高炉的利用系数，产生的TRT附加效益甚至大于TRT效益本身。

四、尚存问题

虽然余热余压发电诸多优势明显，得到了政府的鼓励和支持，但对于余热余压发电并网难、国家优惠政策难以落实、相关部门不合理收费这些普遍存在的突出问题一直没有很好的得以解决。

由于部分政策条文不明，各执行和管理部门从本部门角度出发具有不同的理解，特别是个别电网单位从局部利益出发，消极对待或故意设置余热余压发电机组并网运行障碍，收取诸如系统备用费、并网管理等费用，既增加了余热余压发电的成本，也挫伤了工业企业的积极性，制约了余热余压发电工作的正常开展，期望社会各界共同关注尽快得以妥善解决。

五、前景展望

目前，我国正处于工业化快速发展阶段，工业是我国能源消耗和污染物排放的重点领域，是完成节能减排目标的主体，余热余压发电兼顾能源和环保两个重大问题，涉及节能减排两个约束性指标，不仅可避免环境污染而且更有利于节能减排目标的实现和经济的可持续发展。单位GDP能耗下降16%，二氧化碳排放降低17%是我国“十二五”确定的节能减排目标，到2020年二氧化碳的排放量要比2005年下降45%，展望未来节能减排任重道远。

可喜的是随着技术进步，余热余压发电对烟汽温度、温差和压差的要求越来越低，可开展余热余压发电的行业越来越多，从而使得余热余压发电成为可规模化实施的变废为宝，化害为利的首选有效途径，已经成为建材、冶金、炼化等绝大多数大中型用能企业节能减排的重要手段；通过充分挖掘余热余压发电潜力，可解决水泥企业40%、钢铁企业50%、氧化铝企业30%的用电量。据不完全统计，十一五期间，许多大中型用能企业60%以上的节能贡献率，40%以上的减排贡献率是由余热余压发电工作实现的，成效显著。

目前余热余压发电行业处于良好的市场环境之中，一方面，国家政策红利不断；另一方面，我国的余热余压利用技术处于世界的领先水平，并逐渐处于成熟，其技术和装备不断出口海外，国内外市场需求旺盛，市场空间巨大，以中材节能股份有限公司为代表的具有核心技术的企业，其出口装机容量、单机规模、国际市场占有率均处于领先地位，行业未来的发展前景十分广阔，相信，随着鼓励支持调控政策的进一步加大，余热余压发电领域必将迎来更好、更快、更大的发展。

[1]：工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法 GB/T1028-2000

[2]：申万研究：工业节能系列深度研究报告2011-04-13

[3]：曾学敏：喜看十一五笑看十二五中国水泥网信息中心2011-04-02

[4]：水泥工业余热发电渐成气候 经济日报2011-4-6