能源梯级利用:能源合理利用的一种重要方式

华东理工大学能源与资源环境法研究中心 莫神星

1.什么是能源梯级利用(Energy Cascade Use) [1]

能源梯级利用是指对能源在运动中所产生的能量逐级的加以合理利用。如热能在转变为机械能的过程中，温度越高的热能，其潜在可利用的部分就越多。如处于3000度高温的热，可用来直接分解水蒸汽，制成氢气和氧气；或者利用磁流体发电，将一部分热能直接转变为电能。从这些装置里排出的热还有相当高的温度，可以继续利用。1000多度的电热可用于燃气轮机发动机；从燃气轮机排出的热有五、六百度，可用于生产蒸汽，推动气轮机作功发电；气轮机排气的温度有一、二百度，也还可用于烘干加热，最后蒸汽冷却水的温度在50度以上，可以用于采暖和生活热水。

基本概念

能源梯级利用（energy cascade use），由于热能不可能全部转换为机械功，因而，与机械能、电能相比，其品位较低。热功转换效率与温度高低有关，高温热能的品位高于低温热能。一切不可逆过程均朝着降低能量品位的方向进行。能源的梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要措施。

能源的梯级利用，以节能的角度看，是应积极提倡的，但要考虑是否经济合理，因为梯级利用需要添置设备，投资和运行都要付出经济上的代价，并不是任何情况下梯级利用都是切实可行的，要有选择的利用。 

能源梯级利用 能源合理利用的一种重要方式 

能源梯级利用是通过按能源品位分级实现高效利用的技术，核心为“温度对口、逐级利用”，将高品位热能优先用于发电或工业流程，中低温余热依次匹配供热、制冷等需求。该理论于20世纪80年代初基于热力学第二定律提出，强调功热并供、联合循环等原则，“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”原理 [3]。

其应用从传统热电领域逐步扩展至冶金、化工、建筑等行业：燃气-蒸汽联合循环技术通过1500℃高温发电与560℃余热供能的梯级配置，使系统效率达62.4%；分布式能源系统依托热电冷联产实现用户端能源分级调度，被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》优先主题 [4-5]。工业领域通过余热回收、煤基多联产形成发电-化工-供热多级链条，生物质能梯级体系实现秸秆三级转化（饲料→沼气→肥料） [2]。

我国在“十三五”期间启动国家重点研发项目“基于能的综合梯级利用的分布式供能系统”，构建跨行业能量梯级网络 [3]。

杭州通过蒸汽余热回收机组实现年节约蒸汽6000吨，临安小水电站梯级调度使水资源利用率提升30% [6]。

合肥热电实施五级能源梯级利用技术改造，2024年上半年实现热效率由76.72%提升至87.17%，降本1220万元 [7]。2025年唐山旭阳化工通过脱氢尾气提纯实现能源闭环管理，内蒙古君正集团煅烧尾气循环利用提升能源利用率超20% [8]。

（1）干熄焦（CDQ）余热回收与发电技术

工作原理：从炭化室内推出的红热焦炭，在冷却室内与循环氮气相对运动，进行直接传热，红焦在冷却后经排焦设备排出；循环氮气升温到800℃左右，加热锅炉纯水产生蒸汽，供生产使用，多余部分经过发电机产生电力供入公司内部电网。全年干熄焦锅炉回收蒸汽可供应全厂94.6%中压蒸汽、33.3%低压蒸汽。

（2）烧结余热回收技术

余热回收工作原理：正常生产时烧结环冷机每小时产生320℃以上废气约50万m3，从烧结环冷机排气，经除尘器、与余热锅炉进行热交换产生蒸汽送蒸汽管网后，废气再经循环风机回气管接至环冷机继续冷却烧结矿。烧结余热回收蒸汽已成为公司重要蒸汽发生源之一。

（3）利用热管技术回收低温余热

大型高炉热风炉的排烟量高达40万m3/h左右，其平均排烟温度250℃以上，若降低到130℃，相当于每年可回收2万吨标准煤。

（4）转炉余热回收系统

工作原理是：转炉在冶炼过程中会产生大量约1450℃高温烟气，通过转炉汽化冷却装置，回收烟气余热产生蒸汽的同时，降低温度的转炉烟气送入除尘及煤气回收系统。产生的蒸汽供炼钢生产使用，多余部分供公司管网。

（5）热轧加热炉汽化冷却工艺

汽化冷却装置的循环水在加热炉冷却构件中吸热和变成汽水混合物，使冷却构件得到充分冷却。汽水混合物经汽包分离出的蒸汽，供区域自用，多余部分送至蒸汽管网。

（6）炉窑烟气余热锅炉

余热回收

（1）热水加热低沸点工质发电

根据热水温度较低的特点，通过余热锅炉加热液态低沸点循环工质，产生低沸点循环工质蒸汽，循环工质蒸汽进入膨胀机发电，发电后的循环工质通过冷凝器冷却成液体，再通过泵送入余热锅炉产生蒸汽。

（2）热水闪蒸产生饱和蒸汽发电

一定压力的热水进入扩容器后，由于压力降低闪蒸产生蒸汽，蒸汽从扩容器上部排出送入汽轮机发电。通常可以采用二级扩容方法提高系统发电效率。

余压回收

蒸汽差压发电通常可采用背压式汽轮机来实现，但其不仅对蒸汽品质有较高的要求，而且前期投资较高，难以适用于流量变化范围大、压力波动较大、品质较低的饱和蒸汽。此种情况下，可考虑采用螺杆膨胀机发电，螺杆膨胀机要求工作介质可以是过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相或热液；工作介质的压力一般控制在1.5MPa以下；工作介质的温度一般控制在250℃以下。工作介质进入机内阴阳螺杆间齿槽，推动螺杆转动。随着螺杆转动，齿槽间的容积逐渐增大，介质降压降温膨胀做功，最后从齿槽末端排出。功率从主轴阳螺杆输出，或通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动发电机发电。蒸汽压差螺杆膨胀动力机发电热力系统，蒸汽进入螺杆膨胀机做功降压后，蒸汽进入低压管网送至工艺设备使用，热用户仅将减温减压阀作系统旁路备用。

3.4 其它技术

结合现场余热资源及热用户的具体情况，可考虑采用移动式蓄能供热技术增加供热距离，拓展热用户；采用热泵技术在内的热电冷三联产技术应用以提高系统能源利用效率。[1]

梯级利用

能源的梯级利用包括按质用能和逐级多次利用两个方面：

（1）按质用能就是尽可能不使高质能源去做低质能源可完成的工作；在一定要用高温热源来加热时，也尽可能减少传热温差；在只有高温热源，又只需要低温加热的场合下，则应先用高温热源发电，再利用发电装置的低温余热加热，如热电联产。

（2）逐级多次利用就是高质能源的能量不一定要在一个设备或过程中全部用完，因为在使用高质能源的过程中，能源的温度是逐渐下降的（即能质下降），而每种设备在消耗能源时，总有一个最经济合理的使用温度范围。这样，当高质能源在一个装置中已降至经济适用范围以外时，即可转至另一个能够经济使用这种较低能质的装置中去使用，使总的能源利用率达到最高水平。

虽然能源梯级利用是针对发电和供热企业提出的，但可以广泛地扩展到制冷、深冷、化工、冶金等各种工业过程，必要时可用热泵来提高热源的温度品位后再利用。不同的企业对能量的等级要求是不一样的，可以根据各用能企业的能级需求的高低构成能量的梯级利用关系，高能级热源经上一级企业使用后降为低能级热源，供给需求低的企业使用。能量的梯级利用能够有效地满足各单位的用能需要，而不增加能源消耗，极大地提高能源利用率。 

2.能源梯级利用机制的建立和健全[2]

能源梯级利用是能源合理利用的一种方式。不管是一次能源还是余能资源，均按其品位逐级加以利用。例如，在热电联产系统中，高、中温蒸汽先用来发电(或用于生产工艺)，低温余热向住宅供热。所谓能量品位的高低，是用它可转换为机械功的大小来度量。由于热能不可能全部转换为机械功，因而，与机械能、电能相比，其品位较低。热功转换效率与温度高低有关，高温热能的品位高于低温热能。一切不可逆过程均朝着降低能量品位的方向进行。

能源的梯级利用可以提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要措施。

能源的梯级利用就是几种热力工作联合起来，提高能源利用效率，例如燃气蒸汽热电联合供应系统就是三级利用：

燃气轮机发电为一级，他的排气送到锅炉发生蒸汽进行蒸汽轮机发电为二级，然后蒸汽轮机的排汽余热作为供热用为三级。

其他复合循环的热力发电都属梯级利用。

要建立和完善能源梯级利用机制。

通过对能源的梯级利用，总能效可达80％以上，实现了比分产系统更高的能源利用率。

目前，为了实现能源梯级利用，丹麦已经不在建设大型火力发电厂，因为大型火电存在无法实现能源梯级利用，输送电力和升压降压损失大，用户终端能耗水平无法降低等问题。 

[1]能源统计知识手册.国家统计局工交司编,2006年8月.

[2]莫神星.建立“科学用能”机制，实施节能减排[J].能源环境保护,2009(3)

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中文名 能源梯级利用

外文名 energy cascade use

特    点 能源合理利用的一种方式

作    用 是节能的重要措施

目录

1基本概念

2余热回收

3余压回收

4梯级利用

3.参考文献

1能源梯级利用．知网学术百科 [引用日期2012-010-1]

2能源梯级利用 发挥资源能量．西安科普网．2023-05-25

3金红光:能的梯级利用与总能系统．des.dgut.edu.cn．2017-10-16

4未来中国低碳能源发展的战略重点．国家能源局门户网站．2011-08-30

5未来中国低碳能源发展的战略重点．国家能源局门户网站．2011-08-17

6有一种“梯”不仅能变废为宝,还能让每一点能源最大限度被利用．百家号．2021-11-12

7合肥热电:梯级利用让能源“吃干榨尽”．人民网．2024-08-02

8君正集团子公司成功跻身内蒙古自治区“专精特新”中小企业行列．百家号．2025-10-20