CO2低溫發(fā)電在玻璃企業(yè)的應(yīng)用

1 引言

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

以450-500t/d浮法玻璃生產(chǎn)線為例，設(shè)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(dá)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?zé)煔獬倭炕厥绽茫s80%不回收直接通過煙囪高空排放，既大量浪費能源，又對環(huán)境造成污染，高效利用玻璃生產(chǎn)中的余熱成為目前降低玻璃生產(chǎn)綜合能耗的有效途徑[1]。

自從2007年9月國內(nèi)玻璃行業(yè)首條玻璃熔窯煙氣余熱發(fā)電工程項目成功并網(wǎng)發(fā)電后至今，全國玻璃行業(yè)已建和在建的余熱發(fā)電工程項目約100多個。玻璃窯余熱發(fā)電成為玻璃行業(yè)節(jié)能改造新模式。典型結(jié)構(gòu)為利用玻璃窯煙氣余熱將鍋爐內(nèi)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(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)。因玻璃行業(yè)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(fā)電系統(tǒng)運行。同時環(huán)保壓力非常大，需后接脫硫系統(tǒng)進行煙氣處理。若我們能突破傳統(tǒng)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(zhì)，由熱能轉(zhuǎn)變機械能再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｓ酂釓U氣全部回收利用，治理了環(huán)境，節(jié)省了資源。

2 CO2低溫發(fā)電原理

愛因斯坦創(chuàng)立著名公式E=mc2，論證：“質(zhì)量差異能夠轉(zhuǎn)化為巨大的能量”，理解：質(zhì)能=質(zhì)量×能量（內(nèi)部工質(zhì)×外部熱能），推斷：熱力質(zhì)能=水蒸氣×372℃，二氧化碳×32℃，分析：物質(zhì)由分子組成，而分子是原子核構(gòu)成，原子核內(nèi)部有電子、質(zhì)子和中子。傳熱工作介質(zhì)在受熱膨脹后，其內(nèi)部的分子相互碰撞和激烈的不規(guī)則運動，而對外部產(chǎn)生壓力，沖擊渦輪轉(zhuǎn)動形成機械功能，再轉(zhuǎn)化為物理電能。熱力學(xué)是加熱-冷卻、膨脹-壓縮的循環(huán)運動。證明：任何結(jié)構(gòu)形成的演變都是其內(nèi)部存在的物質(zhì)所決定，外部是變化的條件，內(nèi)部是變化的關(guān)鍵。將兩種互相矛盾的不同概念融合起來，差異越大所產(chǎn)生的新奇效果就越明顯。已知熱力=工質(zhì)×熱能，內(nèi)部水蒸汽H2O分子量為18，臨界點372℃，產(chǎn)生壓力210公斤；二氧化碳分子量為44，臨界點為32℃，產(chǎn)生壓力72公斤，兩種工質(zhì)存在巨大的差異，在不同溫度條件下產(chǎn)生的效果卻相同，高溫變低溫，體現(xiàn)于節(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，所需外部條件也不同，CO2內(nèi)含分子量是H2O的2.5倍，而所需熱能減少10倍，為此節(jié)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(zhì)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(zhì)，烷爆醇燃氨腐汞有毒，最理想的工質(zhì)是二氧化碳。CO2發(fā)電是原料充足價廉，生產(chǎn)清潔安全的綠色能源，具有系統(tǒng)壓力高，臨界溫度低，蒸發(fā)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(zhì)優(yōu)選方案。

3 CO2工質(zhì)玻璃窯余熱發(fā)電方案

本技術(shù)方案是在玻璃窯的頭部安裝余熱回收設(shè)備，通過空氣換熱器或余熱水池，將CO2工質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋８淖兞藗鹘y(tǒng)能源利用方式，改變了熱力循環(huán)的工作介質(zhì)，充分利用工業(yè)廢氣余熱，既解決環(huán)境污染難題，又節(jié)約大量的煤水資源，并增加了發(fā)電及經(jīng)濟效益。

工藝流程為，玻璃窯燃燒后的煙塵經(jīng)煙氣出口進入除塵器，除去大部分灰塵的煙氣再經(jīng)熱交換器，在引風(fēng)機的拉動下，熱煙氣進入洗滌塔，在洗滌塔內(nèi)有水噴淋進行清洗，熱水經(jīng)循環(huán)使用后由水泵抽入熱水存儲器之內(nèi)。CO2工質(zhì)經(jīng)余熱水加溫后在蒸發(fā)器內(nèi)膨脹升壓進入汽輪機，帶動發(fā)電機作功后CO2乏汽回流由冷凝器冷卻后由循環(huán)泵抽回進行再循環(huán)，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(fā)電。熱能由玻璃窯的余熱提供，機械能由汽輪機運動，電能經(jīng)變壓器送入電網(wǎng)。工質(zhì)是由CO2經(jīng)加熱冷卻膨脹壓縮，氣液相變來完成超臨界的熱力循環(huán)。

4 CO2工質(zhì)玻璃窯余熱發(fā)電總結(jié)

1982年羅馬試用CO2工質(zhì)發(fā)電，2001年中國專利CO2熱力低溫發(fā)電，2003年中國專利CO2熱力循環(huán)，2005年中國專利CO2蒸汽機、汽輪機、CO2工質(zhì)煤電余熱聯(lián)產(chǎn)。CO2工質(zhì)發(fā)電技術(shù)，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(huán)境污染又節(jié)約煤水資源。對比建立燃煤火電發(fā)電節(jié)省投資40%，降低成本50%，減少占地60%，節(jié)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(jīng)濟危機和資源環(huán)境問題，全球最大的創(chuàng)新是在能源技術(shù)領(lǐng)域的突破。CO2工質(zhì)發(fā)電，中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)。到2020年全國CO2工質(zhì)低溫余熱發(fā)電達(dá)到3億KW，年節(jié)約用煤10億噸。并可在玻璃、鋼鐵、冶金、水泥、石化等行業(yè)推廣。

[1] 劉成雄 張景勝《全國余熱回收再利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會》［C］杭州 中國能源環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會2012.4.13-28

[2] 張英凡 張豐奎 《二氧化碳工質(zhì)爐窯余熱發(fā)電技術(shù)裝備》中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局 200520128210.5 2007-6-6