有機(jī)工質(zhì)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理論分析

□□魏連友

有機(jī)工質(zhì)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理論分析

TTheoretical Analysis of Low Temperature Organic Waste Heat Power Generation

□□魏連友

針對水泥、鋼鐵及冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的150～350℃左右的廢氣余熱，采用有機(jī)工質(zhì)并結(jié)合螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行余熱發(fā)電系統(tǒng)理論計(jì)算，通過分析比較可知：對于水泥工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的350℃左右廢氣余熱，適宜采用目前常規(guī)的以水為工質(zhì)的汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)；對于有機(jī)工質(zhì)，目前適宜采用低過熱度汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)；對于150～250℃左右廢氣余熱，有機(jī)工質(zhì)余熱發(fā)電系統(tǒng)更具優(yōu)勢，其中針對不同溫度范圍，最佳工質(zhì)不同：廢氣溫度250℃左右時，戊烷較好；廢氣溫度150℃左右時，考慮工質(zhì)環(huán)保安全等因素，R245fa較好。

純低溫；雙循環(huán)；有機(jī)工質(zhì)；余熱發(fā)電

1 前言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源使用效率的高低已成為一個部門、一個行業(yè)乃至一個國家技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。當(dāng)今世界，能源短缺日趨嚴(yán)重，節(jié)能問題尤顯突出。節(jié)約能源甚至被喻為繼煤炭、石油、天然氣和水電之后的“第五種常規(guī)能源”或“二次能源”。因此，積極開發(fā)有效可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的節(jié)能新技術(shù)已成為世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一大重要課題。

在國外，以色列奧馬特公司首先利用有機(jī)工質(zhì)針對水泥、鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的150～350℃低溫廢氣進(jìn)行余熱發(fā)電，其技術(shù)被美國、德國、日本、俄羅斯等國家引進(jìn)。目前，我國水泥行業(yè)的余熱發(fā)電，主要利用窯頭、窯尾350℃左右廢氣，采用低溫汽水發(fā)電機(jī)組進(jìn)行余熱發(fā)電。本文針對余熱資源適用溫度范圍更廣的有機(jī)工質(zhì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，并結(jié)合螺桿膨脹機(jī)做進(jìn)一步討論。

2 有機(jī)工質(zhì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)

如圖1所示，有機(jī)工質(zhì)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)，通過蒸發(fā)器回收廢氣余熱，產(chǎn)生一定溫度壓力的有機(jī)質(zhì)蒸氣，推動膨脹機(jī)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電或輸出動力，乏氣在冷凝器中冷凝，由工質(zhì)泵輸送至蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)。

2.1 有機(jī)工質(zhì)T－s曲線特點(diǎn)

如圖2所示，工質(zhì)飽和蒸氣曲線通常為三種形式，如圖2a曲線斜率為正，例如R113、丁烷、戊烷等有機(jī)物；如圖2b曲線斜率為負(fù)，例如水、氨等；如圖2c曲線斜率接近無窮，例如R11。

2.2 有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)特點(diǎn)

目前，水泥與鋼鐵行業(yè)中廣泛采用的余熱發(fā)電機(jī)組，均以水為工質(zhì)，如圖3中循環(huán)a－e－d－c－b所示。隨著工質(zhì)膨脹做功，過熱度逐漸減小，所以，為避免汽輪機(jī)末級葉片“液擊”，工質(zhì)必須在蒸發(fā)器出口具備較高過熱度（≥70℃）。相比有機(jī)工質(zhì)，如圖3中循環(huán)a－e'－d'－c'－f'－b'所示，隨著工質(zhì)膨脹做功，干度逐漸增加，因此，只需在蒸發(fā)器出口具備較低過熱度即可，約為5℃左右。綜上所述，由于有機(jī)工質(zhì)無需較大的過熱度，所以在相同熱源與膨脹機(jī)出口狀態(tài)下，可以獲得較高的蒸發(fā)溫度與壓力，蒸氣初參數(shù)的提高，有助于提高系統(tǒng)發(fā)電性能。

3 有機(jī)工質(zhì)余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

國內(nèi)現(xiàn)行水泥窯低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，主要利用窯頭360℃、窯尾330℃廢氣，以汽輪機(jī)為膨脹機(jī)，采用汽水發(fā)電機(jī)組，本文針對相同余熱資源，分析采用有機(jī)工質(zhì)及螺桿膨脹機(jī)余熱發(fā)電的系統(tǒng)并與原系統(tǒng)比較。

3.1 工質(zhì)選擇

（1）工質(zhì)臨界溫度應(yīng)與余熱溫度相近，最好略高于余熱溫度。工質(zhì)獲得較高蒸發(fā)溫度的同時，不會因?yàn)槌^臨界溫度，而對機(jī)組設(shè)備提出過高的要求。

（2）工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)氣壓對應(yīng)的飽和溫度應(yīng)盡量接近環(huán)境溫度。有機(jī)工質(zhì)余熱發(fā)電系統(tǒng)膨脹機(jī)排氣壓力一般略高于標(biāo)準(zhǔn)氣壓，因此對應(yīng)壓力下較低的飽和溫度，可以降低冷凝溫度，有助于提高系統(tǒng)發(fā)電能力。

綜上所述，有機(jī)工質(zhì)物性應(yīng)盡量滿足針對發(fā)電系統(tǒng)提高初參數(shù)，降低終參數(shù)的要求。本文選擇環(huán)己烷、甲苯、正己烷、R113及庚烷進(jìn)行理論分析。

余熱資源：以產(chǎn)能5000t/d水泥窯為例。

窯頭余熱廢氣參數(shù)：360℃－220000m3（標(biāo)）/h（篦冷機(jī)中部取風(fēng)）。

窯尾余熱廢氣參數(shù)：330℃－340000m3（標(biāo)）/h，為保證窯尾生料烘干用熱，余熱鍋爐排煙溫度應(yīng)高于200℃。

3.2 不同工質(zhì)余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

以汽輪機(jī)為膨脹機(jī)，進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)與氣水余熱發(fā)電系統(tǒng)比較，計(jì)算結(jié)果如表2所示。有機(jī)工質(zhì)大幅提高了蒸發(fā)溫度，降低了工質(zhì)與熱源之間的傳熱溫差，減小了熱源損失。分析原因：一方面根據(jù)有機(jī)工質(zhì)飽和蒸氣曲線特點(diǎn)，汽輪機(jī)進(jìn)口無需較大過熱度，另一方面有機(jī)工質(zhì)氣化潛熱較小，所以蒸發(fā)溫度較高時，同樣能夠滿足換熱器中結(jié)點(diǎn)溫差的要求。

有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)出口溫度遠(yuǎn)高于氣水系統(tǒng)，提高了工質(zhì)與冷源之間的傳熱溫差，增大了冷源損失，且隨著過熱度的增加，發(fā)電性能逐漸下降。分析原因：系統(tǒng)采取背壓運(yùn)行，同時工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓飽和溫度較高，所以導(dǎo)致排氣溫度較高。

表1 不同工質(zhì)物性

表2 不同工質(zhì)余熱發(fā)電性能比較（單壓無補(bǔ)氣）

表3 不同膨脹機(jī)發(fā)電性能比較（單元無補(bǔ)氣）

表4 有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)余熱回收系統(tǒng)分析

綜上所述，針對水泥工業(yè)余熱利用，有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組雖然提高了系統(tǒng)初參數(shù)，但同時由于終參數(shù)的提高，導(dǎo)致發(fā)電性能不如目前常規(guī)采用的以水為工質(zhì)的汽輪機(jī)機(jī)組。

3.3 不同膨脹機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

如圖4所示，a－e－d－c－b為汽輪機(jī)朗肯循環(huán)，a－d'－c'－b'為螺桿膨脹機(jī)朗肯循環(huán)，二者相比，由于螺桿膨脹機(jī)不存在濕蒸氣液擊問題，所以可以直接利用氣液混合工質(zhì)膨脹做功。

計(jì)算結(jié)果如表3所示，以水為工質(zhì)的螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)，由于無需過熱，所以可以通過提高工質(zhì)蒸發(fā)溫度，而提升系統(tǒng)發(fā)電能力。但由于工質(zhì)氣化潛熱較大，為滿足蒸發(fā)器中結(jié)點(diǎn)溫差的需要，蒸發(fā)溫度提高幅度很小，所以系統(tǒng)發(fā)電能力提升有限。

3.4 有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

通過前述分析，有機(jī)工質(zhì)可以提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，螺桿膨脹機(jī)可以不考慮過熱度而在兩相區(qū)工作，因此考慮將二者結(jié)合使用。

計(jì)算結(jié)果如表4所示，對于有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)，隨著干度的增加，發(fā)電性能逐漸提高，與表2比較可知，膨脹機(jī)排氣溫度：螺桿膨脹機(jī)（干度0）＜螺桿膨脹機(jī)（干度1）＜汽輪機(jī)；發(fā)電性能：螺桿膨脹機(jī)（干度0）＜汽輪機(jī)＜螺桿膨脹機(jī)（干度1），進(jìn)一步比較可知，汽輪機(jī)與螺桿膨脹機(jī)（干度1）發(fā)電性能相近。因此，在目前螺桿膨脹機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)尚不成熟的客觀條件下，對于有機(jī)工質(zhì)，適于采用低過熱度汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

綜合3.2至3.4節(jié)計(jì)算結(jié)果，所選有機(jī)工質(zhì)與水相比，由于單位質(zhì)量做功能力較低且膨脹機(jī)出口狀態(tài)較高，所以發(fā)電能力較差，因此，對于水泥窯350℃左右的廢氣余熱，更適宜采用目前常規(guī)的以水為工質(zhì)的汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

3.5 低溫余熱有機(jī)工質(zhì)余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

工業(yè)生產(chǎn)中350℃左右的中溫廢氣余熱是有限的，而水泥、冶金及石油化工產(chǎn)業(yè)中150～250℃左右的中低溫廢氣余熱則更為廣泛，因此，本文主要針對更低溫的廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)展開分析。

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表6 不同工質(zhì)余熱發(fā)電性能比較（單壓無補(bǔ)氣）

表7 不同工質(zhì)物性

表8 不同工質(zhì)余熱發(fā)電性能比較（單壓無補(bǔ)氣）

3.5.1 250℃廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

為方便討論，選擇水泥工業(yè)廢氣作為余熱發(fā)電系統(tǒng)熱源，余熱鍋爐進(jìn)口廢氣溫度250℃。

（1）工質(zhì)選擇

根據(jù)3.1節(jié)工質(zhì)選擇的要求，選擇異己烷、異戊烷及戊烷作為余熱發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)。

（2）余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

根據(jù)3.4節(jié)分析結(jié)論，選擇低過熱度汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

計(jì)算結(jié)果如表6所示，由于水氣化潛熱較大，所以為滿足蒸發(fā)器中結(jié)點(diǎn)溫差的要求，蒸發(fā)溫度只能設(shè)定在100℃左右。通過理論發(fā)電效率比較可知，由于有機(jī)工質(zhì)較高的蒸發(fā)溫度及與水相近的汽輪機(jī)出口狀態(tài)，所以發(fā)電性能顯著優(yōu)于水，其中以戊烷最佳。

3.5.2 150℃廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

為方便討論，選擇水泥工業(yè)廢氣作為余熱發(fā)電系統(tǒng)熱源，余熱鍋爐進(jìn)口廢氣150℃。

（1）工質(zhì)選擇

根據(jù)3.1節(jié)工質(zhì)選擇的要求，選擇異己烷、異戊烷及戊烷作為余熱發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)。

（2）余熱發(fā)電系統(tǒng)分析

根據(jù)3.4節(jié)分析結(jié)論，選擇低過熱度汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

計(jì)算結(jié)果如表8所示，對于150℃左右的廢氣，已無法采用水作為余熱發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)，而有機(jī)工質(zhì)依然能夠保證理論發(fā)電效率16%左右，具有實(shí)用價(jià)值。同時，R245fa作為一種新型環(huán)保安全工質(zhì)，更適宜在超低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中推廣使用。

4 結(jié)論

（1）對于水泥工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的350℃左右廢氣余熱，更適宜采用目前常規(guī)的以水為工質(zhì)的汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

（2）對于有機(jī)工質(zhì)，目前適宜采用低過熱度汽輪機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)。

（3）對于150～250℃左右廢氣余熱，有機(jī)工質(zhì)余熱發(fā)電系統(tǒng)更具優(yōu)勢，廢氣溫度250℃左右時，戊烷較好；廢氣溫度150℃左右時，在考慮工質(zhì)環(huán)保安全的基礎(chǔ)上，R245fa優(yōu)勢明顯。

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TQ172.625.9

：A

1001－6171（2010）05－0097－04

2010－07－13；編輯：呂 光