鋼鐵工業是國民經濟的重要產業，也是國家推進節能減排工作的重點產業。據國際鋼鐵協會估計，平均每生產1噸鋼坯會產生1.9噸的二氧化碳排放。在中國，鋼鐵工業是能耗大戶，自1980年以來，其能耗一直占全國各行業總能耗的10%左右，近年來更是高達15%。因此鋼鐵工業理應采取節能減排措施，為減少碳排放做貢獻。

作為典型的過程工業，鋼鐵廠在完成鋼鐵產品制造功能的同時，會產生大量的余能余熱資源。高效合理地回收余熱資源是降低企業能耗的重要途徑。鋼鐵企業的余熱利用方式主要有蒸汽動力裝置發電、驅動吸收式制冷機制冷和利用水源熱泵技術供熱等。余熱發電是各種回收利用方式中價值最高的，但余熱溫度越低，余熱發電的技術難度越大。常規的余熱發電技術，僅能用于高溫余熱的回收，無法用于低溫余熱的回收。探索低溫余熱發電的科學基礎，不僅是余熱回收和利用技術的創新前沿，也是鋼鐵行業節能減排的迫切要求。

熱電效應，又稱溫差電效應，是迄今為止人類發現的由溫差直接獲得電能的方式中能量轉換效率最高的方式，與光伏發電、燃料電池并稱為21世紀三大最具潛力的新型發電技術。熱電材料內部的各種效應是熱電技術的基礎。這些效應包括Seebeck效應、Peltier效應、Thomson效應、Fourier效應、Joule效應。熱電模塊是熱電發電裝置的基本組成單元。一個P型半導體臂和一個N型半導體臂通過銅片連接成一個熱電偶。多個熱電偶在吸放熱上并聯，在電路上串聯組成熱電模塊。如果將熱電模塊的熱端置于熱源吸熱，將熱電模塊的冷端置于環境中散熱，電路中就會產生電動勢，加入負載，即會有電流通過，這就是熱電發電的工作原理。由熱電發電的工作原理可知，有溫差的地方就能產生電能，因此，熱電發電技術可以利用各種品位的熱能，特別是低溫余熱。其中，熱電效應在工業中的利用是能源問題的一個重要研究方向，并展現出巨大的發展潛力，眾多能源領域專家認為溫差電技術是利用低品位熱能發電的最佳途徑。根據市場統計，在國外熱電材料下游消費領域，低品位余熱發電已占到30%的市場份額。

正因為熱電發電技術的廣闊前景，加拿大的Global熱電公司、日本國家功能材料研究中心、英國威爾士大學、德國Dresden科技大學、美國噴氣動力實驗室等科研機構相繼開展了熱電材料與熱電發電技術的研究工作，并有大量熱電轉換技術的示范項目。如英國威爾士大學和日本大阪大學聯合研究了大規模利用鋼鐵廠和垃圾焚燒廠的廢棄余熱產生兆瓦級輸出電功率的項目，該項目以鋼鐵廠循環水為熱源，循環的溫差僅為70度，效率卻接近8%。日本某公司開發了一種熱電發電裝置，把垃圾燃燒時產生的廢熱作為高溫部分，把工廠管道的冷卻水作為低溫部分，利用兩者溫差經熱電轉換裝置發電，當溫差為260攝氏度時，發電功率可達640瓦。

近年來，國內也開始逐漸重視這一新型的低溫余熱發電技術，國家科技部、國家自然科學基金委員會等部署了相關的研究計劃，許多學者開展了一系列基礎性的研究工作。海軍工程大學與北京科技大學聯合組建研究團隊，共同承擔了國家973計劃項目“鋼鐵生產過程高效節能基礎研究”中“鋼鐵流程系統的能耗排放特征及其廣義熱力學優化”課題的研究任務，其中鋼廠低溫余熱發電技術是其中一項重要研究內容。海軍工程大學研究團隊還承擔了國家自然科學基金項目“基于連續流體熱源的多模塊熱電發電技術熱量傳遞與熱電轉換機理研究”的研究任務。

課題組首先分析了鋼廠低溫余熱資源的特征，建立了熱特性和電特性相互耦合時的連續流體熱源熱電發電系統模型，定量地揭示了熱量傳遞與熱電轉換規律，給出了熱電發電裝置最大功率和最大效率的優化關系，計算結果表明：對于溫差為100、200和300攝氏度的余熱資源，每千兆焦耳余熱可分別回收電能21、43和60千瓦時，折合節約標煤2.6、5.3、7.4千克。在以上研究的基礎上，課題組分別針對高爐沖渣水余熱和燒結煙氣余熱特點，設計了水冷式和空冷式兩種換熱方式、單級和兩級兩種模塊組合方式，共計8種余熱利用方案，建立了裝置的有限時間熱力學模型，詳細分析了各種結構類型裝置的性能，得到了一些可以指導該技術實用化的結論：

(1)    在余熱回收裝置的各種結構類型中，發電效率最高的是以煙氣余熱為熱源，采用水冷方式散熱，熱效率約為4.5%；最低的是以廢水余熱為熱源，采用風冷方式散熱，熱效率約為1.28%。當熱源為煙氣時，沿流動方向，熱源溫度下降較快，因此，煙氣的通道長度不宜過長，以避免裝置整體效率降低。當熱源為廢水時，熱源溫度下降較慢，通道可以較長，以充分釋放水的余熱。

(2)    采用水冷方式可以更好地為熱電模塊冷端散熱、維持其低溫，模塊溫差較大，功率密度也較大，但水冷方式需要配置冷卻水管路，增加了設備的復雜性，且需要水泵耗功以維持冷卻水的流動，增加了設備成本；采用空冷方式，設備大大簡化，特別是自然冷卻方式，幾乎沒有運行成本，但由于空冷條件下對流散熱熱阻遠大于水冷，故模塊溫差較小，功率密度也較小。因此，兩種冷卻方式各有利弊，需根據應用場合綜合考量。

(3)    當裝置任何一側為煙氣或空氣時，對流傳熱系數較小，必須通過肋化換熱表面的方法增加換熱面積和氣流擾動，改善換熱。當熱源為高溫煙氣時，煙氣溫度通常高于熱電模塊的最高使用溫度，在直接加熱方式下，模塊容易因高溫失效。采用間接加熱方式，利用換熱介質，使高溫流體先加熱介質，再由介質加熱模塊，可以在保護熱電模塊的情況獲得較好的工作性能。熱源為煙氣時，最佳的流速為5米/秒，熱源為廢水時，最佳的流速為1米/秒。

熱電發電具有其他發電方式所沒有的優點，包括：利用有益于環境的清潔能源，不依賴化石燃料和放射性同位素元素，僅靠溫度差便可發電；可從地球上所有的熱源中獲取能量；比較小的溫度差就可獲取能量，只要有數十攝氏度的溫度差就可發電；壽命長，沒有機械的驅動部分，不易發生各零件的損耗和劣化。對于不同溫度、不同形態的余熱資源，采用不同結構的熱電發電裝置，以工業用電計，裝置的成本回收周期在3至8年不等。隨著熱電材料性能的提高和成本的下降，投資回收期還有望進一步縮短，以期在鋼廠獲得實際應用，從而使鋼廠成為低溫余熱發電的示范領域。

致謝：感謝國家973計劃項目課題“鋼鐵流程系統的能耗排放特征及其廣義熱力學優化”（課題編號：2012CB720405）、國家自然科學基金項目“基于連續流體熱源的多模塊熱電發電技術熱量傳遞與熱電轉換機理研究”（項目編號：11305266）的支持。

作者：陳林根、孟凡凱、謝志輝、孫豐瑞

      陳林根，博士、教授、博士生導師，海軍工程大學動力工程學院院長，獲全國百篇優秀博士學位論文獎、首屆中國科協“求是杰出青年實用工程獎”，入選教育部新世紀優秀人才資助計劃、新世紀百千萬人才工程國家級人選、Elsevier 2014年和2015年中國高被引學者和2016年全球能源科學與工程學科高被引學者榜單；

     孟凡凱，博士，海軍工程大學講師

     謝志輝，博士，海軍工程大學副教授、碩士生導師

     孫豐瑞，海軍工程大學教授、博士生導師