卡诺电池在玻璃窑炉低品位余热利用中的展望.pdf

创新卡诺电池在玻璃窑炉低品位余热利用中的展望唐迪1韩晓2中建材玻璃新材料研究院集团有限公司1安徽蚌埠2 330 10中建材（蚌埠）光电材料有限公司2 安徽蚌埠2 330 30摘要：本文结合一种新型的大规模物理储电技术-关键词：玻璃窑炉；低品位余热；卡诺电池；节能；热利用一卡诺电池技术，对玻璃熔窑中低品位的余热利用进行浅析。Prospect of Carnot Cell in Utilization of Low Grade Waste-heat Glass FurnaceTang Di Han XiaoCNBM Research Institute for Advanced Glass Materials Co.,Ltd.Bengbu Anhui 233010CNBM(Bengbu)Photoelectric Materials Co.,Ltd.?Bengbu Anhui 233030Abstract:This paper briefs on low grade waste-heat utilization of glass furnace by means of a new type of large-scalephysical storage technology-Carnot cell technology.Key words:Glass furnace;Low grade waste-heat;Carnot cell;Energy conservation;Heat utilization蓄冷单元阵列1前言进入2 1世纪以来，全球温室效应的持续恶化迫使各国采取措施降低各类污染物的排放。新一轮能源技术革命成果不断挑战传统能源的基础和主体地位，绿色低碳已经成为当今世界能源发展的主旋律。而能源的高效利用也已成为全球共识。作为与石油、钢铁等并列的能源依赖型高耗能行业，玻璃领域的节能降耗尤为重要。玻璃生产线的三大热工设备熔窑、锡槽、退火窑所产生的余热保有量较大。据了解，窑炉在生产过程中超过30%的能耗会以废热的形式被烟气带走，目前通用的余热发电技术虽可利用大部分废热，但在余热发电后烟气排放温度仍为170左右，仍有较大利用空间。此外，退火窑产生的余热由于品位较低，目前一些产线仍处于全部对空排放状态，在造成能源巨大浪费的同时，同样形成对环境的热污染。因此，如何实现对玻璃熔窑中低品位余热的利用是本文讨论的重点。卡诺电池技术又称热泵储电技术，作为一种新型的大规模物理储电技术，其具有成本低、储能密度高和不受地理条件限制等优点，可显著高效利用低品位余热，具有广阔的研究价值和应用前景。卡诺电池系统通常由压缩机、膨胀机、蓄热器和储冷器组成，如图1所示。其工作原理为，在储能时通过逆向布雷顿循环（热泵循环）将热能从储冷器内部“抽出”至储热器，并存储冷能与热能；当需要电能的时候，通过正向布雷顿循环（动力循环）将存储的热能和冷能转化为电能蓄热单元阵列压缩机换热器图1蓄冷蓄热阵列化的热泵储电系统诺贝尔物理学奖获得者、储能领域国际知名专家、斯坦福大学的罗伯特拉夫林（RobertLaughlin）教授曾说到：“电力-热能-电力存储系统（称为卡诺电池）将成为在碳中和能源系统中存储大量能量的关键技术”。由此可见，在我国“双碳30 6 0”战略目标胀机电机换热器34回水下，卡诺电池技术将在能源二次回收再利用（如余热利用、余电存储等）中发挥重要作用，且具有非常可观的应用前景。2卡诺电池在玻璃窑炉低品位余热利用中的实施2.1余热发电后的低品位余热利用通常情况下，玻璃窑炉产生的高温烟气会先流经热交换器，通过换热介质吸收烟气中的国家的节能降碳尤为重要。目前以熔盐卡诺电池为例，其储能次数超过10 0 0 0 次，配备熔盐储热的商业化太阳能光热发电站一般使用年限可高达30 50 年。发展潜力巨大。EX释冷却水机8泵热水5热锋储电过程XH释电过程回水HR泵风机真空泵HX1CRHX2W6HX4冷水冷却水热量，再将热能直接利用或者转变为电能。目前，玻璃行业进行余热利用的方式主要有两种，一是余热发电，二是余热产蒸汽热水。烟肉燕汽給水泵狐结水图2 玻璃窑炉余热发电工艺简图随着近年来的研究和应用，余热发电技术已日趋成熟。但即便如此，其仍然存在一些弊端，最典型的问题就是无论是吸收的热能或者转变的电能，皆需直接使用，并未考虑存储问题（出于地理条件及成本问题限制）。这就可能造成二次能源的浪费，有违国家“双碳”本意。此外，余热发电后排出余温仍有17 0 左右，利用空间较大。设想通过使用卡诺电池技术，以逆向布雷顿循环将多余的热量随时转换存储在蓄热器和蓄冷器中。这些热量廉价地存储在特定介质（如水（9 0）或熔融盐（50 0）中，不受环境或地域限制，并在需要时可即刻通过热能过程转化为电能和热能。卡诺电池除了储存电能以外，它们还同时兼具供热和制冷的三重能力（如图3）。如此高效地实现能量的全集成利用，对于一些人口密度大的发展中来自HX4来自HX1来自HX3来自HX1变压器汽轮机发电机双汽器冷柳水高温余热烟气TES冷水热水来自HX2电网图3基于热泵储电的一体化冷、热、电联储联供系统2.2备用锅炉低品位热利用在当前的双碳背景下，国家对相关高能耗行业的环保排放要求不断收紧。在玻璃行业，烟气中的氮氧化物、硫氧化物、烟尘等均需处理达标后方可排放。因此，在生产线运行过程中环保设施必须同步，一旦余热锅炉出现故障，环保设施也将无法正常工作，基于此备用锅炉应运而生。但由于备用锅炉一般是临时性运行，其热管式换热器较余热发电锅炉价格更低，故产生的蒸汽或热水品质较低，一直未被合理利用。鉴于此类余热有较大的利用价值，设想通过使用卡诺电池技术，同样以正（逆）向布雷顿循环实现多余的热量的储存、转换，并在需要时可通过热能过程转化为电能，同时兼具供热和制冷能力。2.3退火窑余热利用退火窑作为玻璃生产线热工设备之一，产用户侧35创新生的余热保有量较大但品位一直较低，导致目前一些生产线仍将其全部对空排放，在造成能源巨大浪费的同时，也会形成对环境的热污染。近年来，虽有将退火窑各区的排风进行收集，通过热交换后供采暖循环使用的成功案例，但此类方案多是热能的直接利用，无法实现存储与转化，整体余热利用率过低。因此通过引入卡诺电池技术，以某公司的退火窑排风A区为例，如表1所示，其退火窑各区温度均在6 0 0 左右，风量在8 8 0 9 0 0 m/h，可见其退火窑排风余热利用空间较大。可先利用退火窑各区热风收集系统将退火窑（如A1、A 2 区）排风合并后以正（逆）向布雷顿循环实现热风余热的储存、利用，同时可实现多余热量转化为电能存储再利用。卡诺电池技术突破了退火窑排风热品位低的限制，以“梯级利用，高效多用途”的原则，在保证整体储能系统可靠性、稳定性、适应性的前提下，实现了排风余热利用率的最大化，为国家节能减排贡献力量。表1退火窑排风A区不同位置排风参数项目风量（m/h）位置TE-A1TE-A2TE-A3TE-A4TE-A5TE-A63结束语21世纪将是发展和利用高效、洁净和安全新能源的时代。作为一种新型的大规模物理储电技术，卡诺电池技术成功突破了窑炉余热利用中热品位低的限制，以“梯级利用，高效多用途”的原则，不受环境或地域限制，并在需要时可即刻通过热能转化，高效实现了低品位余热利用率的最大化，为国家节能减排贡献力量，助力“30 6 0”双碳目标如期实现。此外，与锂电池等储电池相比，这种储热系统的最大优势是储存容量和时间非常长，而且寿命将可达35年。在未来，这将可能是最具成本效益的、最理想的储能系统。参考文献1李扬，王赫阳，王永直，赵军碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案，华电技术，郑州，2 0 2 1.2殷子彦，戴叶，徐博，邹杨，谢雷东.新型热泵储电系统的设计方案及其性能分析，可再生能源，营口，2 0 19.3董丹，汤红运，刘余庆，邢飞玻璃窑余热利用技术研究与应用进展，中国玻璃，蚌埠，2 0 19.4赵永亮，王朝阳，刘明等基于跨临界循环的卡诺电池储能系统构型优化，工程热物理学报，北京，2 0 2 1.5 Han Zhang,Liang Wang,Xipeng Lin,Haisheng Chen.Technical and economicanalysis of Brayton-cycle-based pumped thermal温度（）electricity storage systems with direct and878601.6892606.3889615.9898622.1900616.5893608.2indirect thermal energy storage,Energy,2022.6 Han Zhang,Liang Wang,Xipeng Lin,Haisheng Chen.Combined cooling,heating,andpower generation performance of pumped ther-mal electricity storage system based on Braytoncycle,Applied Energy,2020.7史辉，张宝玲，董虹利，李硕文浅谈玻璃生产线退火窑余热利用，中国玻璃，蚌埠，2018.8陈礼炜，基于直接碳燃料电池-内可逆卡诺热机耦合系统的性能研究，新乡学院学报，新乡，2 0 2 0.9赵长颖，闫君，赵耀如何实现媲美化石能源的大规模储能技术，上海交通大学学报，上海，2 0 2 1.10张琼，王亮，徐玉杰，陈海生热泵储电技术研究进展，中国电机工程学报，北京，2018.36