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(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速運(yùn)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(wú)爭(zhēng)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(jì)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(guò)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?，約80%不回收直接通過(guò)煙囪高空排放，既大量浪費(fèi)能源，又對(duì)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(guó)內(nèi)玻璃行業(yè)首條玻璃熔窯煙氣余熱發(fā)電工程項(xiàng)目成功并網(wǎng)發(fā)電后至今，全國(guó)玻璃行業(yè)已建和在建的余熱發(fā)電工程項(xiàng)目約100多個(gè)。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(guò)熱蒸汽，過(guò)熱蒸汽進(jìn)汽輪機(jī)膨脹做功拖動(dòng)汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)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(yùn)行。同時(shí)環(huán)保壓力非常大，需后接脫硫系統(tǒng)進(jìn)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(guò)交換回收余熱，用其加溫二氧化碳工質(zhì)，由熱能轉(zhuǎn)變機(jī)械能再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。余熱廢氣全部回收利用，治理了環(huán)境，節(jié)省了資源。

2 CO2低溫發(fā)電原理

愛(ài)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(yùn)動(dòng)，而對(duì)外部產(chǎn)生壓力，沖擊渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成機(jī)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(yùn)動(dòng)。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(lái)，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(diǎn)372℃，產(chǎn)生壓力210公斤；二氧化碳分子量為44，臨界點(diǎn)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(shí)，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(yùn)行。充分說(shuō)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(zhǎng)期忽視的一個(gè)重點(diǎn)，也證實(shí)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(dòng)力是因?yàn)樗诔叵乱砸后w存在，而到處都有取用方便。對(duì)比其他有機(jī)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(jià)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(wú)毒無(wú)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(guò)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(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。改變了傳統(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(jì)效益。

工藝流程為，玻璃窯燃燒后的煙塵經(jīng)煙氣出口進(jìn)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(jī)的拉動(dòng)下，熱煙氣進(jìn)入洗滌塔，在洗滌塔內(nèi)有水噴淋進(jìn)行清洗，熱水經(jīng)循環(huán)使用后由水泵抽入熱水存儲(chǔ)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(jìn)入汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)作功后CO2乏汽回流由冷凝器冷卻后由循環(huán)泵抽回進(jìn)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(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。熱能由玻璃窯的余熱提供，機(jī)械能由汽輪機(jī)運(yùn)動(dòng)，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(lái)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(guó)專利CO2熱力低溫發(fā)電，2003年中國(guó)專利CO2熱力循環(huán)，2005年中國(guó)專利CO2蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、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(duì)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(diǎn)是經(jīng)濟(jì)危機(jī)和資源環(huán)境問(wèn)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(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。到2020年全國(guó)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(guó)余熱回收再利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)》［C］杭州 中國(guó)能源環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)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(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 200520128210.5 2007-6-6