卡诺电池在玻璃窑炉低品位余热利用中的展望_唐迪.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 1.0 0 8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,钱学君1,成惠峰1(1.中建材玻璃新材料研究院集团有限公司,蚌埠2 3 3 0 1 0;2.中建材(蚌埠)光电材料有限公司,蚌埠2 3 3 0 0 0)摘 要:玻璃窑炉在生产过程中超过3 0%的能耗会以废热的形式被烟气带走。目前余热利用后的烟气温度(1 7 0)仍有较大利用空间。此外,退火窑产生的低品位余热目前也存在较大浪费。该文将结合一种新型的大规模物理储电技术-卡诺电池技术,对玻璃熔窑中低品位的余热利用进行分析与展望。关键词:玻璃窑炉;低品位余热;卡诺电池;节能;热利用P r o s p e c t o fC a r n o tB a t t e r y i nU t i l i z a t i o no fL o wG r a d eW a s t eH e a t i nG l a s sF u r n a c eT ANGD i1,HAN X i a o2,Q I AN X u e-j u n1,CHENG H u i-f e n g1(1.C N BM R e s e a r c hI n s t i t u t e f o rA d v a n c e dG l a s sM a t e r i a l sG r o u pC o,L t d,B e n g b u2 3 3 0 1 0,C h i n a;2.C N BM(B e n g b u)P h o t o e l e c t r i cM a t e r i a l sC oL t d,B e n g b u2 3 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:M o r e t h a n3 0%o f t h e e n e r g yc o n s u m e d i n t h ep r o d u c t i o no f g l a s s f u r n a c e i s t a k e na w a ya sw a s t eh e a tb yt h ee x h a u s tg a s.A tp r e s e n t,t h ee x h a u s tg a s t e m p e r a t u r e(1 7 0)a f t e rw a s t eh e a t u t i l i z a t i o ns t i l l h a s a l a r g eu t i l i z a-t i o ns p a c e.I na d d i t i o n,t h el o wg r a d ew a s t eh e a tp r o d u c e db ya n n e a l i n gf u r n a c ei sa l s oag r e a tw a s t ea tt h em o m e n t.H e r e i n,an e wl a r g e-s c a l ep h y s i c a l p o w e r s t o r a g e t e c h n o l o g y-C a r n o tb a t t e r yt e c h n o l o g yw i l l b ec o m b i n e dt oa n a l y z ea n dp r o s p e c t t h er e a l i z a t i o no f l o w-g r a d ew a s t eh e a tu t i l i z a t i o n i ng l a s s f u r n a c e i nt h i sp a p e r.K e yw o r d s:g l a s s f u r n a c e;l o wg r a d ew a s t eh e a t;c a r n o tb a t t e r y;e n e r g ys a v i n g;h e a tu t i l i z a t i o n收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 3.作者简介:唐 迪(1 9 9 0-),硕士,工程师.E-m a i l:t m a c 1 0 3 0q q.c o m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1。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3 0%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1 7 0左右,仍有较大利用空间2。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文中将讨论的重点。卡诺电池技术又称热泵储电技术3,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4。卡诺电池系统通常由压缩机、膨胀机、蓄热器和储冷器组成。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5。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(R o b e r tL a u g h l i n)教授曾72建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期说到:“电力-热能-电力存储系统(称为卡诺电池)将成为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3 0 6 0”战略目标下,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。1 卡诺电池在玻璃窑炉低品位余热利用中的实施1.1 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6。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1 7 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(5 0 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。卡诺电池另一个突破性优势是,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7,如图1所示。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国家(如印度和中国等)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1 00 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3 05 0年,发展潜力巨大。1.2 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82建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第1期炉出现故障,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,同时兼具如图1所示供热和制冷能力。1.3 退火窑余热利用退火窑作为玻璃生产线热工设备之一,产生的余热保有量较大但品位一直较低,导致目前一些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。因此设想通过引入卡诺电池技术,以中建材蚌埠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 09 0 0m3/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A l、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,实现排风余热利用率的最大化,为国家节能减排贡献力量8,9。表1退火窑排风A区不同位置排风参数位 置风量/(m3h-1)温度/T E-A 18 7 86 0 1.6T E-A 28 9 26 0 6.3T E-A 38 8 96 1 5.9T E-A 48 9 86 2 2.1T E-A 59 0 06 1 6.5T E-A 68 9 36 0 8.22 结 语2 1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1 0,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“3 0 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3 5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,等.碳中和背景、路径及源于自然的碳中和热能解决方案J.华电技术,2 0 2 1,4 3(1 1):5-1 4.2 董 丹,汤红运,刘余庆,等.玻璃窑余热利用技术研究与应用进展J.中国玻璃,2 0 1 9(1):2 5-2 8.3 殷子彦,戴 叶,徐 博,等.新型热泵储电系统的设计方案及其性能分析J.可再生能源,2 0 1 9,3 7(5):7 8 4-7 9 0.4 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J.工程热物理学报,2 0 2 1,4 2(7):1 6 5 9-1 6 6 6.5 Z h a n gH a n,W a n gL i a n g,L i nX i p e n g,e t a l.T e c h n i c a l a n dE c o n o m i cA n a l y s i so fB r a y t o n-c y c l e-b a s e dP u m p e dT h e r m a lE-l e c t r i c i t yS t o r a g eS y s t e m sw i t hD i r e c t a n dI n d i r e c tT h e r m a lE n e r g yS t o r a g eJ.E n e r g y,2 0 2 2,2 7 8:1 1 5 6 8 7.6 史 辉,张宝玲,董虹利,等.浅谈玻璃生产线退火窑余热利用J.中国玻璃,2 0 1 8,4 3(6):2 1-2 3.7 Z h