CO2低温发电在玻璃企业的应用

1 引言

玻璃工业属于资源、能源依赖型的原材料高耗能产业，但近年来随着国民经济的高速运行，依然以15%以上的年均产量增速发展，平板玻璃的年产量已高达6.3亿重量箱，毫无争议地继续位居世界第一。

以450-500t/d浮法玻璃生产线为例，设计熔窑能耗约为6908kJ/kg玻璃液（折合重油年消耗约3000吨），平板玻璃熔窑的热效率较高的可达到40%左右，通过综合挖潜可提高到50%左右的热效率，其中玻璃熔窑400-500℃的高温烟气除少量回收利用，约80%不回收直接通过烟囱高空排放，既大量浪费能源，又对环境造成污染，高效利用玻璃生产中的余热成为目前降低玻璃生产综合能耗的有效途径[1]。

自从2007年9月国内玻璃行业首条玻璃熔窑烟气余热发电工程项目成功并网发电后至今，全国玻璃行业已建和在建的余热发电工程项目约100多个。玻璃窑余热发电成为玻璃行业节能改造新模式。典型结构为利用玻璃窑烟气余热将锅炉内的软化水加热成为过热蒸汽，过热蒸汽进汽轮机膨胀做功拖动汽轮机高速旋转，带动发电机发电并网。因玻璃行业大多使用重油、石油焦等燃料，烟气中含大量硫化物和氮氧化物，极易造成余热锅炉低温腐蚀，影响发电系统运行。同时环保压力非常大，需后接脱硫系统进行烟气处理。若我们能突破传统模式改为先将玻璃窑排出烟尘废气除尘脱硫净化，通过交换回收余热，用其加温二氧化碳工质，由热能转变机械能再转变为电能。余热废气全部回收利用，治理了环境，节省了资源。

2 CO2低温发电原理

爱因斯坦创立著名公式E=mc2，论证：“质量差异能够转化为巨大的能量”，理解：质能=质量×能量（内部工质×外部热能），推断：热力质能=水蒸气×372℃，二氧化碳×32℃，分析：物质由分子组成，而分子是原子核构成，原子核内部有电子、质子和中子。传热工作介质在受热膨胀后，其内部的分子相互碰撞和激烈的不规则运动，而对外部产生压力，冲击涡轮转动形成机械功能，再转化为物理电能。热力学是加热-冷却、膨胀-压缩的循环运动。证明：任何结构形成的演变都是其内部存在的物质所决定，外部是变化的条件，内部是变化的关键。将两种互相矛盾的不同概念融合起来，差异越大所产生的新奇效果就越明显。已知热力=工质×热能，内部水蒸汽H2O分子量为18，临界点372℃，产生压力210公斤；二氧化碳分子量为44，临界点为32℃，产生压力72公斤，两种工质存在巨大的差异，在不同温度条件下产生的效果却相同，高温变低温，体现于节能。如在50℃温度时，二氧化碳超临界就膨胀做功，而温度在100℃才能沸腾，升温到300℃才能正常运行。充分说明：其内部结构不同，所需外部条件也不同，CO2内含分子量是H2O的2.5倍，而所需热能减少10倍，为此节能效果就十分明显。这正是人们长期忽视的一个重点，也证实了质变量变的英明论断。200多年前人们用高温水蒸汽做动力是因为水在常温下以液体存在，而到处都有取用方便。对比其他有机工质，烷爆醇燃氨腐汞有毒，最理想的工质是二氧化碳。CO2发电是原料充足价廉，生产清洁安全的绿色能源，具有系统压力高，临界温度低，蒸发潜力大，容积流量小的物理特性。CO2无毒无味，不腐不燃，是代替水蒸汽的最佳工质优选方案。

3 CO2工质玻璃窑余热发电方案

本技术方案是在玻璃窑的头部安装余热回收设备，通过空气换热器或余热水池，将CO2工质加温到50℃以上超临界，由CO2气体进入汽轮机膨胀作功，将热能转变为机械能，再转变为电能。改变了传统能源利用方式，改变了热力循环的工作介质，充分利用工业废气余热，既解决环境污染难题，又节约大量的煤水资源，并增加了发电及经济效益。

工艺流程为，玻璃窑燃烧后的烟尘经烟气出口进入除尘器，除去大部分灰尘的烟气再经热交换器，在引风机的拉动下，热烟气进入洗涤塔，在洗涤塔内有水喷淋进行清洗，热水经循环使用后由水泵抽入热水存储器之内。CO2工质经余热水加温后在蒸发器内膨胀升压进入汽轮机，带动发电机作功后CO2乏汽回流由冷凝器冷却后由循环泵抽回进行再循环，这样由玻璃窑的余热加温CO250度以上就超临界作功，推动汽轮机发电。热能由玻璃窑的余热提供，机械能由汽轮机运动，电能经变压器送入电网。工质是由CO2经加热冷却膨胀压缩，气液相变来完成超临界的热力循环。

4 CO2工质玻璃窑余热发电总结

1982年罗马试用CO2工质发电，2001年中国专利CO2热力低温发电，2003年中国专利CO2热力循环，2005年中国专利CO2蒸汽机、汽轮机、CO2工质煤电余热联产。CO2工质发电技术，不安锅炉，不需燃煤，不用供水，CO2吸热少冷却快，50度以上超临界，既解决环境污染又节约煤水资源。对比建立燃煤火电发电节省投资40%，降低成本50%，减少占地60%，节约资源70%，热效利用80%，增加效益100%[2]。

目前，世界最大的热点是经济危机和资源环境问题，全球最大的创新是在能源技术领域的突破。CO2工质发电，中国具有自主知识产权。到2020年全国CO2工质低温余热发电达到3亿KW，年节约用煤10亿吨。并可在玻璃、钢铁、冶金、水泥、石化等行业推广。

[1] 刘成雄 张景胜《全国余热回收再利用技术与产业发展研讨会》［C］杭州 中国能源环保产业协会2012.4.13-28

[2] 张英凡 张丰奎 《二氧化碳工质炉窑余热发电技术装备》中华人民共和国国家知识产权局 200520128210.5 2007-6-6