钢铁工业是国民经济的重要产业，也是国家推进节能减排工作的重点产业。据国际钢铁协会估计，平均每生产1吨钢坯会产生1.9吨的二氧化碳排放。在中国，钢铁工业是能耗大户，自1980年以来，其能耗一直占全国各行业总能耗的10%左右，近年来更是高达15%。因此钢铁工业理应采取节能减排措施，为减少碳排放做贡献。
作为典型的过程工业，钢铁厂在完成钢铁产品制造功能的同时，会产生大量的余能余热资源。高效合理地回收余热资源是降低企业能耗的重要途径。钢铁企业的余热利用方式主要有蒸汽动力装置发电、驱动吸收式制冷机制冷和利用水源热泵技术供热等。余热发电是各种回收利用方式中价值最高的，但余热温度越低，余热发电的技术难度越大。常规的余热发电技术，仅能用于高温余热的回收，无法用于低温余热的回收。探索低温余热发电的科学基础，不仅是余热回收和利用技术的创新前沿，也是钢铁行业节能减排的迫切要求。
热电效应，又称温差电效应，是迄今为止人类发现的由温差直接获得电能的方式中能量转换效率最高的方式，与光伏发电、燃料电池并称为21世纪三大最具潜力的新型发电技术。热电材料内部的各种效应是热电技术的基础。这些效应包括Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应、Fourier效应、Joule效应。热电模块是热电发电装置的基本组成单元。一个P型半导体臂和一个N型半导体臂通过铜片连接成一个热电偶。多个热电偶在吸放热上并联，在电路上串联组成热电模块。如果将热电模块的热端置于热源吸热，将热电模块的冷端置于环境中散热，电路中就会产生电动势，加入负载，即会有电流通过，这就是热电发电的工作原理。由热电发电的工作原理可知，有温差的地方就能产生电能，因此，热电发电技术可以利用各种品位的热能，特别是低温余热。其中，热电效应在工业中的利用是能源问题的一个重要研究方向，并展现出巨大的发展潜力，众多能源领域专家认为温差电技术是利用低品位热能发电的最佳途径。根据市场统计，在国外热电材料下游消费领域，低品位余热发电已占到30%的市场份额。
正因为热电发电技术的广阔前景，加拿大的Global热电公司、日本国家功能材料研究中心、英国威尔士大学、德国Dresden科技大学、美国喷气动力实验室等科研机构相继开展了热电材料与热电发电技术的研究工作，并有大量热电转换技术的示范项目。如英国威尔士大学和日本大阪大学联合研究了大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热产生兆瓦级输出电功率的项目，该项目以钢铁厂循环水为热源，循环的温差仅为70度，效率却接近8%。日本某公司开发了一种热电发电装置，把垃圾燃烧时产生的废热作为高温部分，把工厂管道的冷却水作为低温部分，利用两者温差经热电转换装置发电，当温差为260摄氏度时，发电功率可达640瓦。
近年来，国内也开始逐渐重视这一新型的低温余热发电技术，国家科技部、国家自然科学基金委员会等部署了相关的研究计划，许多学者开展了一系列基础性的研究工作。海军工程大学与北京科技大学联合组建研究团队，共同承担了国家973计划项目“钢铁生产过程高效节能基础研究”中“钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化”课题的研究任务，其中钢厂低温余热发电技术是其中一项重要研究内容。海军工程大学研究团队还承担了国家自然科学基金项目“基于连续流体热源的多模块热电发电技术热量传递与热电转换机理研究”的研究任务。
课题组首先分析了钢厂低温余热资源的特征，建立了热特性和电特性相互耦合时的连续流体热源热电发电系统模型，定量地揭示了热量传递与热电转换规律，给出了热电发电装置最大功率和最大效率的优化关系，计算结果表明：对于温差为100、200和300摄氏度的余热资源，每千兆焦耳余热可分别回收电能21、43和60千瓦时，折合节约标煤2.6、5.3、7.4千克。在以上研究的基础上，课题组分别针对高炉冲渣水余热和烧结烟气余热特点，设计了水冷式和空冷式两种换热方式、单级和两级两种模块组合方式，共计8种余热利用方案，建立了装置的有限时间热力学模型，详细分析了各种结构类型装置的性能，得到了一些可以指导该技术实用化的结论：
(1) 在余热回收装置的各种结构类型中，发电效率最高的是以烟气余热为热源，采用水冷方式散热，热效率约为4.5%；最低的是以废水余热为热源，采用风冷方式散热，热效率约为1.28%。当热源为烟气时，沿流动方向，热源温度下降较快，因此，烟气的通道长度不宜过长，以避免装置整体效率降低。当热源为废水时，热源温度下降较慢，通道可以较长，以充分释放水的余热。
(2) 采用水冷方式可以更好地为热电模块冷端散热、维持其低温，模块温差较大，功率密度也较大，但水冷方式需要配置冷却水管路，增加了设备的复杂性，且需要水泵耗功以维持冷却水的流动，增加了设备成本；采用空冷方式，设备大大简化，特别是自然冷却方式，几乎没有运行成本，但由于空冷条件下对流散热热阻远大于水冷，故模块温差较小，功率密度也较小。因此，两种冷却方式各有利弊，需根据应用场合综合考量。
(3) 当装置任何一侧为烟气或空气时，对流传热系数较小，必须通过肋化换热表面的方法增加换热面积和气流扰动，改善换热。当热源为高温烟气时，烟气温度通常高于热电模块的最高使用温度，在直接加热方式下，模块容易因高温失效。采用间接加热方式，利用换热介质，使高温流体先加热介质，再由介质加热模块，可以在保护热电模块的情况获得较好的工作性能。热源为烟气时，最佳的流速为5米/秒，热源为废水时，最佳的流速为1米/秒。
热电发电具有其他发电方式所没有的优点，包括：利用有益于环境的清洁能源，不依赖化石燃料和放射性同位素元素，仅靠温度差便可发电；可从地球上所有的热源中获取能量；比较小的温度差就可获取能量，只要有数十摄氏度的温度差就可发电；寿命长，没有机械的驱动部分，不易发生各零件的损耗和劣化。对于不同温度、不同形态的余热资源，采用不同结构的热电发电装置，以工业用电计，装置的成本回收周期在3至8年不等。随着热电材料性能的提高和成本的下降，投资回收期还有望进一步缩短，以期在钢厂获得实际应用，从而使钢厂成为低温余热发电的示范领域。
致谢：感谢国家973计划项目课题“钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化”（课题编号：2012CB720405）、国家自然科学基金项目“基于连续流体热源的多模块热电发电技术热量传递与热电转换机理研究”（项目编号：11305266）的支持。
作者：陈林根、孟凡凯、谢志辉、孙丰瑞
陈林根，博士、教授、博士生导师，海军工程大学动力工程学院院长，获全国百篇优秀博士学位论文奖、首届中国科协“求是杰出青年实用工程奖”，入选教育部新世纪优秀人才资助计划、新世纪百千万人才工程国家级人选、Elsevier 2014年和2015年中国高被引学者和2016年全球能源科学与工程学科高被引学者榜单；
孟凡凯，博士，海军工程大学讲师
谢志辉，博士，海军工程大学副教授、硕士生导师
孙丰瑞，海军工程大学教授、博士生导师
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