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摘要：热能是人类最早使用的能量形式，通过燃烧燃料将化学能转化为烟气的热能在当今社会依然非常普遍。本文以提高烟气热能的品位和利用效率为出发点，对于现在的烟气余热利用的设备进行了理论上的改进。在传统的蒸汽轮机之后，我们新增加了温差发电模块和重力势能回收模块，这样的设计使得余热回收的效率比传统的蒸汽轮机提高了13%左右。此外，这样的设计具有广泛的适用性，可以根据不同的环境温度改变热交换的介质。在文章最后，我们通过分布论证的方法验证了该方案的可行性，成本回收期大概为5年。
关键字：烟气余热发电 烟气品位 热能利用率 温差发电 重力势能发电 可行性分析
引言
能源的供给和消费是关系着国民经济和社会发展的重大问题。我国是一个处在经济社会快速发展且人口众多的发展中国家。2012年我国国内生产总值为51.9万亿元，比上年同期增长7.8%，居世界第二位[1]。同年能源生产总量36.5亿t标准煤，能源消耗总量36.亿t标准煤，同比增长3.9%，其中煤炭消费量增长2.5%，原油消费量增长6%，天然气消费量增长10.2%，电力消费增长5.5%。全国万元国内生产总值能耗下降3.6%。[2]我国已经成为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化铝、铜、水泥消耗最大的国家，是世界上能源消耗的第二大国。在我国经济飞速发展的同时，无疑消耗了大量的能源，这样的发展不论是对于自然环境还是对于国家自身，都是不可持续的。为了实现我国国民经济又好又快发展，实施可持续发展战略，我们必须全面开展节能降耗工作，进一步降低全国万元国内生产总值能耗。高温烟气作为一种含热量很高的资源，应该的到合理的重视并加以利用。
1.烟气余热发电的意义
能源、原材料、水、土地等自然资源是人类赖以生存和发展的基础，是经济社会可持续发展的重要物质保证。而随着人类社会的进步、经济的发展，资源消耗速度越来越快，消耗量也越来越大。以地球有限的资源支撑着人类社会的无限发展，将使地球资源
供应越来越不堪负重，供求矛盾也越来越大。
余热发电技术的研究、开发、推广、应用为其他行业开展资源节约及资源综合利用工作提供了成功的典范。为了推进我国节能、资源综合利用工作的开展，《政府工作报告》中能源资源节约和合理利用提出了明确的要求：“注重能源资源节约和合理利用。缓解我国能源资源和社会发展的矛盾，必需立足国内，显著提高能源资源利用效率。”
开展资源节约及综合利用已是当前摆在世人面前涉及人类生存和发展的重大课题，我国余热发电的目的和意义也就在于：
1、节约能源、保护环境；2、发展循环经济；
3、降低企业生产成本，进而提高企业的市场竞争力；4、降低高能耗企业的生产成本，提高企业的经济效益。
2.烟气余热系统设计的目的[3]
2.1 提升烟气的品位
烟气本身是有品位的，温度不同，品位不同。能量转换必需遵循能量守恒定律，热能的转换也不例外。但是，对涉及热能的转换过程，仅仅从能量在数量上的守恒关系分析，往往会掩盖热能在质量上的差异。因为不同温度水平的热能，即使在数量上相等，其利用价值也并不相同。因此，为了有效地利用热能，正确合理的开发节能技术，找出能量损失的关键所在，需要从量和质两方面进行全面的分析。
本文以提高烟气余热利用的品位为目的，改变了将余热进行供暖的想法，使余热最大化的转换为品位最高的电能。
2.2 合理提升烟气热能的利用效率
在热平衡中，用“热效率”的概念来衡量被有效利用的能量与消耗的能量在数量上的比值。但是这个概念没有顾及能量在质量上的差别，往往不能反映装置的完善程度。要衡量热能转换过程的好坏和热能利用装置的完善性，我们不能单纯的提升热能利用率，而且在质量上也要相互匹配。例如：利用燃料燃烧产生的热值直接对室内供暖时，实际上是一种很不合理的用能方法。
本文对烟气余热进行了梯级利用，分为三级进行发电，不仅提高了烟气余热的综合利用效率，也解决了传统方法中烟气余热利用不合理的问题。
2.3 充分利用传热介质的潜热和显热
物质升高温度必须吸收热量，降低温度会放出热量。这种物质在同一种形态下由于温度升高或降低而吸收或放出的热量称为显热。将物质在相转变（如溶解、汽化）时所吸收（或放出）的热量称为潜热。
我们在系统的设计中，由于涉及到了热交换，所以这里必然存在传热介质，那么，传热介质（水）的潜热和显热的利用无疑成为了提高余热利用效率的关键。
3.余热发电系统的设计
基于上述的原理以及我们要实现的目标，我们设计了如图3.1所示的余热利用结构。
3.1 模型的发电流程
烟气中的余热会经过第1部分，之后加热其中的水将其变成水蒸汽。当水蒸气经过第2部分时，会带动蒸汽轮机发电，从第2部分出来的水蒸气将在第3部分被冷凝为液态水，放出大量的热。此时安装于第三部分的温差发垫片会进行二次发电。同时，冷凝的水会进入第4部分进行储存。当储存的水达到一定的体积后，阀门打开，位于第五部分的水轮机发电，发电后的水将回流到第一部分进行永久的循环。
3.2 热能的多级利用
在水蒸汽从蒸汽轮机出来以后，还保留有一部分动能和大量的热能，为了充分利用这部分能量，我们设计了第3部分和第5部分。第3部分主要是利用水蒸气液化后放出的大量热量来进行温差发电，第5部分则是利用了水蒸气在上升过程中积累的重力势能。这样利用有其好处：我们把水蒸气的热能转化为了品质较高的电能，相比于利用余热来供暖，我们的品质利用水平提高了。而且，在热能利用效率上，我们的利用率也提高了。如果忽略掉因为设备的建设带来的热损失，仅仅考虑每一部分发电的效率。整个系统的热能利用率可以提高大约13%。其中，第3部分的效率为12%左右，第5部分的效率取决于设备建设的高度，以500米来计算，效率大概为2%。 3.3 水资源的重复利用
作为热交换的主要介质——水，在理论上，它的消耗基本是不存在的。因为在第5部分结束后，如果不考虑热量的损失，那么100℃的水将再次回流到第1部分，永远的循环下去。
4.现实中的可行性分析
在市场中，并没有本系统的实体，所以本文采用分布讨论的论证方法证明该系统在实际中的可行性。本系统是在传统余热锅炉发电的基础上进行的改进，也就是说图3.1中的3和5部分是可行性讨论的重点。
参考相关资料[4]，在温差发电投产1.89年后其发电成本大致与工业用电价格一致，也就是说，在两年之后，温差发电的成本将低于工业用电的电价。第一年发电成本为0.99元/度，第二年为0.49元/度，第三年为：0.276元/度 。如果每年的发电量是一样的，那么，在5年左右的时间内将收回成本。当然，考虑到这个系统的维修费用，每年的成本会自然高一些，但是，随着产品质量的提高，收回成本的周期不会太长。也就是说，现实中，这个系统还是具有一定的可行性的。尤其是随着我国节能减排政策的实施，其对于环境和能源的贡献将更加明显。
系统设计中，水轮机发电主要利用了水的重力势能，这一部分的设计初衷主要是为了进一步回收水蒸气从余热锅炉中出来以后的动能（这部分能量在系统过程中转化为了重力势能），考虑到实际中的建设高度，这一部分的总能量回收率不是很高，但是，这一部分的建设成本低，只需要一个水轮机，所以成本回收期短，风险低。例如：一个30千瓦的水轮机按照满负荷工作，市场价是3万元，按照一度电0.5元计算，那么在84天之内就可以回收成本。综合考虑上面的分析过程，我们估计该系统的成本回收期应该在5年左右。
5.结语
本文在目前烟气余热利用的发展基础上，以提升烟气利用的品位和利用效率为目标，成功的设计出了新的烟气余热利用。新的余热利用系统增加了温差发电和重力势能发电两个部分，使得热利用效率提升了13%。但是，目前的设计依然处于理论阶段，系统的稳定性还有待于进一步考察。
参考文献：
[1] 统计局：2012年我国国内生产总值51.9万亿元，人民网http：//politics.people.com.cn/n/2013/0222/c1001-20573901.html 2013年02月22日20：44
[2]中国煤炭报 2013年2月25日《去年我国能源消费36.2亿吨标煤》
[3]烟气热能梯级利用化学工业出版社车得福，刘艳华编著出版时间： 2006-03-01
[4] 《半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析》
关键字：烟气余热发电 烟气品位 热能利用率 温差发电 重力势能发电 可行性分析
引言
能源的供给和消费是关系着国民经济和社会发展的重大问题。我国是一个处在经济社会快速发展且人口众多的发展中国家。2012年我国国内生产总值为51.9万亿元，比上年同期增长7.8%，居世界第二位[1]。同年能源生产总量36.5亿t标准煤，能源消耗总量36.亿t标准煤，同比增长3.9%，其中煤炭消费量增长2.5%，原油消费量增长6%，天然气消费量增长10.2%，电力消费增长5.5%。全国万元国内生产总值能耗下降3.6%。[2]我国已经成为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化铝、铜、水泥消耗最大的国家，是世界上能源消耗的第二大国。在我国经济飞速发展的同时，无疑消耗了大量的能源，这样的发展不论是对于自然环境还是对于国家自身，都是不可持续的。为了实现我国国民经济又好又快发展，实施可持续发展战略，我们必须全面开展节能降耗工作，进一步降低全国万元国内生产总值能耗。高温烟气作为一种含热量很高的资源，应该的到合理的重视并加以利用。
1.烟气余热发电的意义
能源、原材料、水、土地等自然资源是人类赖以生存和发展的基础，是经济社会可持续发展的重要物质保证。而随着人类社会的进步、经济的发展，资源消耗速度越来越快，消耗量也越来越大。以地球有限的资源支撑着人类社会的无限发展，将使地球资源
供应越来越不堪负重，供求矛盾也越来越大。
余热发电技术的研究、开发、推广、应用为其他行业开展资源节约及资源综合利用工作提供了成功的典范。为了推进我国节能、资源综合利用工作的开展，《政府工作报告》中能源资源节约和合理利用提出了明确的要求：“注重能源资源节约和合理利用。缓解我国能源资源和社会发展的矛盾，必需立足国内，显著提高能源资源利用效率。”
开展资源节约及综合利用已是当前摆在世人面前涉及人类生存和发展的重大课题，我国余热发电的目的和意义也就在于：
1、节约能源、保护环境；2、发展循环经济；
3、降低企业生产成本，进而提高企业的市场竞争力；4、降低高能耗企业的生产成本，提高企业的经济效益。
2.烟气余热系统设计的目的[3]
2.1 提升烟气的品位
烟气本身是有品位的，温度不同，品位不同。能量转换必需遵循能量守恒定律，热能的转换也不例外。但是，对涉及热能的转换过程，仅仅从能量在数量上的守恒关系分析，往往会掩盖热能在质量上的差异。因为不同温度水平的热能，即使在数量上相等，其利用价值也并不相同。因此，为了有效地利用热能，正确合理的开发节能技术，找出能量损失的关键所在，需要从量和质两方面进行全面的分析。
本文以提高烟气余热利用的品位为目的，改变了将余热进行供暖的想法，使余热最大化的转换为品位最高的电能。
2.2 合理提升烟气热能的利用效率
在热平衡中，用“热效率”的概念来衡量被有效利用的能量与消耗的能量在数量上的比值。但是这个概念没有顾及能量在质量上的差别，往往不能反映装置的完善程度。要衡量热能转换过程的好坏和热能利用装置的完善性，我们不能单纯的提升热能利用率，而且在质量上也要相互匹配。例如：利用燃料燃烧产生的热值直接对室内供暖时，实际上是一种很不合理的用能方法。
本文对烟气余热进行了梯级利用，分为三级进行发电，不仅提高了烟气余热的综合利用效率，也解决了传统方法中烟气余热利用不合理的问题。
2.3 充分利用传热介质的潜热和显热
物质升高温度必须吸收热量，降低温度会放出热量。这种物质在同一种形态下由于温度升高或降低而吸收或放出的热量称为显热。将物质在相转变（如溶解、汽化）时所吸收（或放出）的热量称为潜热。
我们在系统的设计中，由于涉及到了热交换，所以这里必然存在传热介质，那么，传热介质（水）的潜热和显热的利用无疑成为了提高余热利用效率的关键。
3.余热发电系统的设计
基于上述的原理以及我们要实现的目标，我们设计了如图3.1所示的余热利用结构。
3.1 模型的发电流程
烟气中的余热会经过第1部分，之后加热其中的水将其变成水蒸汽。当水蒸气经过第2部分时，会带动蒸汽轮机发电，从第2部分出来的水蒸气将在第3部分被冷凝为液态水，放出大量的热。此时安装于第三部分的温差发垫片会进行二次发电。同时，冷凝的水会进入第4部分进行储存。当储存的水达到一定的体积后，阀门打开，位于第五部分的水轮机发电，发电后的水将回流到第一部分进行永久的循环。
3.2 热能的多级利用
在水蒸汽从蒸汽轮机出来以后，还保留有一部分动能和大量的热能，为了充分利用这部分能量，我们设计了第3部分和第5部分。第3部分主要是利用水蒸气液化后放出的大量热量来进行温差发电，第5部分则是利用了水蒸气在上升过程中积累的重力势能。这样利用有其好处：我们把水蒸气的热能转化为了品质较高的电能，相比于利用余热来供暖，我们的品质利用水平提高了。而且，在热能利用效率上，我们的利用率也提高了。如果忽略掉因为设备的建设带来的热损失，仅仅考虑每一部分发电的效率。整个系统的热能利用率可以提高大约13%。其中，第3部分的效率为12%左右，第5部分的效率取决于设备建设的高度，以500米来计算，效率大概为2%。 3.3 水资源的重复利用
作为热交换的主要介质——水，在理论上，它的消耗基本是不存在的。因为在第5部分结束后，如果不考虑热量的损失，那么100℃的水将再次回流到第1部分，永远的循环下去。
4.现实中的可行性分析
在市场中，并没有本系统的实体，所以本文采用分布讨论的论证方法证明该系统在实际中的可行性。本系统是在传统余热锅炉发电的基础上进行的改进，也就是说图3.1中的3和5部分是可行性讨论的重点。
参考相关资料[4]，在温差发电投产1.89年后其发电成本大致与工业用电价格一致，也就是说，在两年之后，温差发电的成本将低于工业用电的电价。第一年发电成本为0.99元/度，第二年为0.49元/度，第三年为：0.276元/度 。如果每年的发电量是一样的，那么，在5年左右的时间内将收回成本。当然，考虑到这个系统的维修费用，每年的成本会自然高一些，但是，随着产品质量的提高，收回成本的周期不会太长。也就是说，现实中，这个系统还是具有一定的可行性的。尤其是随着我国节能减排政策的实施，其对于环境和能源的贡献将更加明显。
系统设计中，水轮机发电主要利用了水的重力势能，这一部分的设计初衷主要是为了进一步回收水蒸气从余热锅炉中出来以后的动能（这部分能量在系统过程中转化为了重力势能），考虑到实际中的建设高度，这一部分的总能量回收率不是很高，但是，这一部分的建设成本低，只需要一个水轮机，所以成本回收期短，风险低。例如：一个30千瓦的水轮机按照满负荷工作，市场价是3万元，按照一度电0.5元计算，那么在84天之内就可以回收成本。综合考虑上面的分析过程，我们估计该系统的成本回收期应该在5年左右。
5.结语
本文在目前烟气余热利用的发展基础上，以提升烟气利用的品位和利用效率为目标，成功的设计出了新的烟气余热利用。新的余热利用系统增加了温差发电和重力势能发电两个部分，使得热利用效率提升了13%。但是，目前的设计依然处于理论阶段，系统的稳定性还有待于进一步考察。
参考文献：
[1] 统计局：2012年我国国内生产总值51.9万亿元，人民网http：//politics.people.com.cn/n/2013/0222/c1001-20573901.html 2013年02月22日20：44
[2]中国煤炭报 2013年2月25日《去年我国能源消费36.2亿吨标煤》
[3]烟气热能梯级利用化学工业出版社车得福，刘艳华编著出版时间： 2006-03-01
[4] 《半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析》