石灰回轉(zhuǎn)窯余熱發(fā)電ORC裝置有機(jī)工質(zhì)選擇

時(shí)小寶，黃高泉，彭 巖

(洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著冶金石灰生產(chǎn)線大型化發(fā)展，近些年新型回轉(zhuǎn)窯技術(shù)已普遍推廣應(yīng)用，此種窯型具有熱效率高，煙氣排放溫度低的特點(diǎn)，排煙溫度一般在250 ℃左右，由于此種窯型與水泥窯十分類(lèi)似，因此筆者通過(guò)借鑒水泥窯余熱發(fā)電成功的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)辟出一條石灰窯余熱發(fā)電的道路．

水泥窯廢氣溫度較高，采用雙壓蒸汽系統(tǒng)可獲得較高的熱效率，但石灰窯廢氣溫度較低，屬純低溫余熱，只能采用有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)加以利用．有研究表明，當(dāng)熱源溫度低于370 ℃時(shí)，采用水蒸氣郎肯循環(huán)是不經(jīng)濟(jì)的，適宜采用有機(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)技術(shù)． 研究表明，工質(zhì)R113(三氯三氟乙烷)和工質(zhì)R123(三氟二氯乙烷)在低品位熱能利用方面具有較高的熱效率［1］． 比利時(shí)列日大學(xué)針對(duì)150 ～200 ℃的熱源，采用R123 工質(zhì)，動(dòng)力機(jī)部分采用渦旋膨脹機(jī)，搭建了測(cè)試平臺(tái)，試驗(yàn)表明，對(duì)于R123 系統(tǒng)制冷劑沖入量對(duì)熱效率有顯著影響，對(duì)于一個(gè)固定的系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)的充入量使得系統(tǒng)效率達(dá)到最大值［2－3］． 國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)也采用R123 工質(zhì)和渦輪膨脹機(jī)建立了小型余熱發(fā)電系統(tǒng)．該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明，隨著渦旋膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，排氣溫度增加，系統(tǒng)熱效率降低，最大熱電效率為2．1%［4－5］．中科院工程熱物理研究所“863”計(jì)劃項(xiàng)目中，亦采用R123 工質(zhì)，回收燃?xì)廨啓C(jī)廢氣余熱，研究表明，燃?xì)廨啓C(jī)和ORC 聯(lián)合循環(huán)熱效率可達(dá)38．4%，比燃?xì)廨啓C(jī)單獨(dú)循環(huán)高出9．4%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，增壓比、回?zé)岫?、環(huán)境溫度對(duì)熱效率有明顯影響［6］．不僅如此，清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以R123 為工質(zhì)設(shè)計(jì)了透平膨脹機(jī)，對(duì)葉片進(jìn)行數(shù)值模擬和氣動(dòng)優(yōu)化［7］．針對(duì)ORC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為避免濕蒸汽對(duì)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的侵蝕，普遍認(rèn)為采用過(guò)熱蒸汽較為有利，但數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究表明，對(duì)于R123 系統(tǒng)，采用飽和蒸汽即可使系統(tǒng)性能最佳［8］．ORC 系統(tǒng)的優(yōu)劣取決于工質(zhì)的選擇，針對(duì)不同溫度的熱源，工質(zhì)選擇不盡相同，研究比較表明，R113 適用于回收溫度高于156．86 ℃的低品位熱能，而R123、R245ca(五氟丙烷)、R245fa(五氟丙烷同分異構(gòu)體)適用于回收106．85 ～156．85 ℃的熱源［9］．更有研究者將選擇依據(jù)做了如下細(xì)分，R113適合回收160 ～210 ℃或者更高溫度的熱能，R123適合回收140 ～180 ℃的熱能，R245fa 適合回收120 ～140 ℃之間的熱能，R600a(異丁烷)適合回收90 ～130 ℃之間的熱能［10］．

文中針對(duì)石灰窯余熱提出了熱水和有機(jī)工質(zhì)雙工質(zhì)ORC 系統(tǒng)，選擇了R21(二氯一氟甲烷)、R123、R245ca、R245fa 4 種工質(zhì)，分析了分別采用4種工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)余熱回收發(fā)電的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為依托工程工質(zhì)選擇提供理論指導(dǎo)．

1 余熱條件

依托工程采用某鋼廠1 000 t/d 活性石灰窯廢氣余熱，該生產(chǎn)線廢氣總量及溫度見(jiàn)表1，廢氣氣體成分見(jiàn)表2，飛灰成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3．

表1 1 000 t/d 石灰窯廢氣參數(shù)

表2 1 000 t/d 石灰窯廢氣成分

表3 1 000 t/d 石灰窯飛灰成分

2 工藝方案

依托工程余熱為廢煙氣，工藝上采用循環(huán)熱水和有機(jī)工質(zhì)的雙工質(zhì)系統(tǒng)，即廢煙氣加熱水，熱水加熱有機(jī)工質(zhì)，冷卻后的熱水繼續(xù)返回到煙氣加熱過(guò)程中吸熱，有機(jī)工質(zhì)做完功后經(jīng)系統(tǒng)冷端冷凝后再返回到熱水加熱過(guò)程中．該系統(tǒng)特點(diǎn)有:①采用水作為中間傳熱介質(zhì)可降低成本，因水是已知的自然界中存在的導(dǎo)熱性能最好的介質(zhì)之一，而導(dǎo)熱油價(jià)格昂貴且需要定期更換，采用循環(huán)水只需做軟化處理和定期補(bǔ)水即可，工藝簡(jiǎn)單，投資低廉;②采用滿液式管殼蒸發(fā)器，管側(cè)為高壓熱水，消除了管內(nèi)沸騰產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)，利于機(jī)組安全運(yùn)行;③有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器殼側(cè)沸騰，消除了接近點(diǎn)溫差的影響．

石灰窯余熱發(fā)電系統(tǒng)取風(fēng)閥門(mén)是調(diào)節(jié)煙氣水換熱器入口煙氣參數(shù)的關(guān)鍵部件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全和效率起著決定性作用． 目前國(guó)內(nèi)石灰回轉(zhuǎn)窯廢氣溫度相差較大，一般在180 ～480 ℃，以江蘇聯(lián)峰鋼鐵600 t/d 回轉(zhuǎn)窯為例，余熱鍋爐進(jìn)口瞬時(shí)最高煙溫可達(dá)500 ℃，取風(fēng)閥門(mén)承受著夾雜固體小顆粒與粉塵的高速氣流沖刷，閥板在較短時(shí)間內(nèi)極易磨損，會(huì)導(dǎo)致余熱發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)或機(jī)組頻繁開(kāi)啟，縮短余熱發(fā)電設(shè)備的使用壽命． 因此合理的煙氣閥門(mén)選材和選型是解決閥門(mén)變形和磨損的重要基礎(chǔ):一方面要細(xì)致考察閥門(mén)工作環(huán)境和工作條件;另一方面采用合適的澆注料和正確的安裝方法也是解決磨損與形變的關(guān)鍵［11］．依托工程工藝流程如圖1 所示．

圖1 某工程余熱電站工藝流程圖

3 工質(zhì)選擇

有機(jī)工質(zhì)的選擇要考慮多方面條件:①安全性．如毒性、燃爆性、化學(xué)穩(wěn)定性等，目前國(guó)際上對(duì)毒性和燃爆性尚存一定爭(zhēng)議，比如德國(guó)采用R290(丙烷)作為空調(diào)制冷劑，以色列ORMAT 公司采用正戊烷、異戊烷作為ORC 系統(tǒng)工質(zhì)，取得了良好的效果，且對(duì)于封閉系統(tǒng)，工質(zhì)泄漏是可控的，通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)報(bào)警和通風(fēng)可避免毒性工質(zhì)對(duì)人員的傷害． ②工質(zhì)的臭氧層破壞指數(shù)(Ozone Depletion Potential，ODP)和全球變暖指數(shù)(Global Warming Potential，GWP)，隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，未來(lái)新型環(huán)保工質(zhì)R245ca和R245fa 將成為主流． ③熱效率． 不同工質(zhì)在相同的熱源條件下，熱效率不盡相同． 例如R141b(二氯一氟乙烷)在363 K 熱源吸熱條件和303 K 冷源放熱條件下熱效率最高［12］．④兼容性．ORC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要能兼容2 種或2 種以上的工質(zhì)，目前部分過(guò)渡工質(zhì)如R123 具有較高的系統(tǒng)熱效率，且成本低廉，仍具有較高的性?xún)r(jià)比，但隨著環(huán)保要求的提高，最終還是會(huì)被淘汰，因此為延長(zhǎng)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行年限，一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還需兼容另一種服役時(shí)間更長(zhǎng)的工質(zhì);⑤經(jīng)濟(jì)性，以戊烷類(lèi)、丁烷類(lèi)為代表的碳?xì)湫凸べ|(zhì)、以R113 和R123 為代表的過(guò)渡性工質(zhì)、以R245ca 和R245fa 為代表的環(huán)保型工質(zhì)，其價(jià)格差異懸殊，因此工質(zhì)選擇是影響投資的一大主要因素．下面選取R21，R123，R245ca，R245fa 4 種工質(zhì)進(jìn)行余熱回收的研究比較．

4 數(shù)學(xué)模型

工藝方案熱力學(xué)過(guò)程如圖2 所示．

圖2 系統(tǒng)熱力過(guò)程(T－S)線

有機(jī)工質(zhì)熱力參數(shù)計(jì)算采用REFPROP7 軟件，工質(zhì)參數(shù)均為亞臨界參數(shù)，冷源系統(tǒng)排汽溫度統(tǒng)一設(shè)定為35 ℃．模型計(jì)算范圍見(jiàn)表4．

表4 工質(zhì)循環(huán)參數(shù)取值范圍

1)效率確定:小容量汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率為0．76 ～0．82，由于與水蒸氣相比，有機(jī)工質(zhì)的聲速低，在低葉片速度時(shí)，能獲得有利的空氣動(dòng)力配合，在50 Hz 時(shí)能產(chǎn)生較高的汽輪機(jī)效率［13］．因此模型中給定汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率為0．8．

為便于不同工質(zhì)之間的比較，模型限定條件見(jiàn)表5．

表5 模型限定條件

選定模型輸入為熱水流量qrs(t/h)和窄點(diǎn)溫差m(℃);模型輸出為熱水冷端溫度t11(℃)和排煙溫度t14(℃)．

2)制約條件:為確保模型計(jì)算合理，必須設(shè)定制約條件及模型輸出必須滿足下述條件．

①t11－t2≥a，a 取值為21 ～43 ℃．

②t14－t11≥b，b 取值在10 ℃左右．

給定熱水流量qrs(t/h)和窄點(diǎn)溫差m(℃)，選取熱水(9 －10)和有機(jī)工質(zhì)(4 －5″)段熱平衡，確定有機(jī)工質(zhì)流量qyj(t/h)．

式中:h9為高溫?zé)崴?，kJ/kg;h10為窄點(diǎn)處熱水焓，kJ/kg，根據(jù)選定的有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度t4+m=t10，即可確定窄點(diǎn)處水溫，再根據(jù)水壓查詢(xún)水物性表即可確定h10，通過(guò)調(diào)整窄點(diǎn)溫差m 值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)qyj的調(diào)節(jié);為有機(jī)工質(zhì)保溫系數(shù);h5″為有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱蒸汽焓，kJ/kg;h4為有機(jī)工質(zhì)飽和液體焓，kJ/kg．

再根據(jù)有機(jī)工質(zhì)流量計(jì)算透平發(fā)電機(jī)發(fā)電功率

式中h6s為透平出口有機(jī)工質(zhì)焓，kJ/kg．

選取熱水(10 －11)和有機(jī)工質(zhì)(2 －4)段熱平衡，由式(3)可間接得到熱水冷卻終溫t11(℃)，

式中:h4為有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)壓力下飽和液體焓，kJ/kg;h2為有機(jī)工質(zhì)過(guò)冷態(tài)液體焓，kJ/kg;h11為熱水鍋爐給水焓，kJ/kg．求得h11后再查詢(xún)水物性表確定相應(yīng)的水溫t11，℃．

再根據(jù)煙氣(12 －14)熱水(11 －9)段熱平衡計(jì)算排煙焓 h14(kJ/Nm3)，進(jìn)而估算排煙溫度t14(℃)，

再判斷計(jì)算出的溫度值是否滿足制約條件，若不滿足則調(diào)整輸入項(xiàng)重新計(jì)算．

5 計(jì)算結(jié)果分析

各工質(zhì)系統(tǒng)發(fā)電功率如圖3 所示．

圖3 發(fā)電功率與蒸發(fā)溫度的關(guān)系曲線

4 種工質(zhì)系統(tǒng)的發(fā)電功率均隨著蒸發(fā)溫度的升高較一致地升高，在120 ～170 ℃的蒸發(fā)溫度下，R123 系統(tǒng)發(fā)電功率最高，R245ca 系統(tǒng)發(fā)電功率最低，R21 系統(tǒng)居中．在100 ～120 ℃蒸發(fā)溫度下，R21和R123 系統(tǒng)發(fā)電功率相當(dāng)． 在90 ～120 ℃蒸發(fā)溫度下，R245fa 和R245ca 系統(tǒng)發(fā)電功率相當(dāng)． 在130 ～140 ℃蒸發(fā)溫度下，R245fa 和R21 系統(tǒng)發(fā)電功率相當(dāng)．各工質(zhì)系統(tǒng)排煙溫度如圖4 所示．

圖4 排煙溫度與蒸發(fā)溫度的關(guān)系曲線

在進(jìn)口煙氣溫度相同下，排煙溫度越低余熱利用率越高，總體趨勢(shì)呈現(xiàn)R245fa 系統(tǒng)的余熱利用率最高，R21 系統(tǒng)最低;R123 系統(tǒng)在140 ℃以下的蒸發(fā)溫度也呈現(xiàn)出較高的余熱利用率，因此從提高余熱利用率、盡可能降低系統(tǒng)排煙溫度角度出發(fā)應(yīng)選擇R245fa，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度較低時(shí)(＜140 ℃)亦可選擇R245ca 和R123．各工質(zhì)系統(tǒng)汽耗率如圖5 所示．

圖5 汽耗率與蒸發(fā)溫度的關(guān)系曲線

4 種工質(zhì)系統(tǒng)中，汽耗率隨著蒸發(fā)溫度的升高而逐漸降低．在100 ～170 ℃蒸發(fā)溫度下，R123 系統(tǒng)汽耗率最高，汽耗率順序依次是R123 ＞R245fa ＞R245ca ＞R21，但隨著蒸發(fā)溫度的提高，不同工質(zhì)系統(tǒng)的汽耗率差別越來(lái)越?。?jì)算表明，當(dāng)蒸發(fā)溫度低到一定數(shù)值時(shí)，各工質(zhì)汽耗率會(huì)隨著蒸發(fā)溫度的降低而飆升，因此不論系統(tǒng)采用何種工質(zhì)蒸發(fā)溫度都不宜太低．各工質(zhì)系統(tǒng)水耗率如圖6 所示．

圖6 水耗率與蒸發(fā)溫度的關(guān)系曲線

系統(tǒng)工藝方案采用的是雙工質(zhì)，其管理運(yùn)行水平除需考察工質(zhì)汽耗率之外，還需考察熱源流體平均消耗(即度電消耗)．計(jì)算表明，在120 ～170 ℃蒸發(fā)溫度下，R123 系統(tǒng)的水耗率最低，據(jù)此類(lèi)推，若采用導(dǎo)熱油雙工質(zhì)系統(tǒng)則相應(yīng)的導(dǎo)熱油耗量也應(yīng)是最低的．其他工質(zhì)系統(tǒng)水耗率差別微?。?總體而言，蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)水耗率越低;蒸發(fā)溫度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)水耗率會(huì)隨著蒸發(fā)溫度的降低而飆升，因此蒸發(fā)溫度不宜過(guò)低．各工質(zhì)系統(tǒng)窄點(diǎn)溫差如圖7 所示．

窄點(diǎn)溫差既影響系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，還影響設(shè)備投資．采用小窄點(diǎn)溫差可提高換熱量、流體質(zhì)量流量和系統(tǒng)發(fā)電功率，但會(huì)增大換熱面積，增大投資，而且有可能產(chǎn)生溫度交叉現(xiàn)象．采用大窄點(diǎn)溫差，可便于換熱器設(shè)計(jì)，避免溫度交叉，將設(shè)備投資控制在合理范圍內(nèi)． 計(jì)算表明，R245fa 系統(tǒng)窄點(diǎn)溫差最大，R245ca 系統(tǒng)次之．蒸發(fā)溫度低于130 ℃時(shí)，R123 系統(tǒng)窄點(diǎn)高于R21 系統(tǒng);蒸發(fā)溫度高于130 ℃時(shí)，二者基本一致．各工質(zhì)系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)加熱器下端差如圖8 所示．

圖7 蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差與蒸發(fā)溫度的關(guān)系曲線

圖8 蒸發(fā)器下端差與蒸發(fā)溫度的關(guān)系曲線

該系統(tǒng)中工質(zhì)加熱器為逆流式換熱，下端差指的是熱流體出口溫度減去冷流體進(jìn)口溫度，其大小直接受窄點(diǎn)溫差影響，對(duì)于不同工質(zhì)其下端差隨窄點(diǎn)溫差的變化也不盡相同．對(duì)于R123 工質(zhì)，當(dāng)蒸發(fā)溫度大于130 ℃時(shí)，盡管窄點(diǎn)溫差已降至10 ℃以下，但下端差仍隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高的．對(duì)于R21 工質(zhì)，在低窄點(diǎn)溫差條件下，下端差總體是隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高的． 對(duì)于R245ca 工質(zhì)，窄點(diǎn)溫差要維持在20 ℃以上時(shí)，才能保證下端差不至過(guò)低而產(chǎn)生溫度交叉． 對(duì)于R245fa 工質(zhì)，只有采用較高的窄點(diǎn)溫差(25 ℃以上)，才能保證足夠的下端差以避免溫度交叉．

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)依托工程項(xiàng)目采用的熱水和有機(jī)工質(zhì)雙工質(zhì)系統(tǒng)方案，所考察的4 種有機(jī)工質(zhì)具備如下特點(diǎn)．

1)R123 和R21 工質(zhì)適合采用小窄點(diǎn)溫差傳熱，即使在小窄點(diǎn)溫差條件下也不會(huì)產(chǎn)生溫度交叉的現(xiàn)象．

2)R245ca 和R245fa 工質(zhì)適合采用大窄點(diǎn)溫差傳熱，只有在足夠高的窄點(diǎn)溫差條件下才能避免溫度交叉現(xiàn)象的產(chǎn)生．

3)小窄點(diǎn)溫差條件下，R123 系統(tǒng)在120 ～170 ℃的蒸發(fā)溫度下可產(chǎn)生最高的發(fā)電功率，最高的汽耗率和最低的水耗率．

4)小窄點(diǎn)溫差條件下，R21 系統(tǒng)在較高的蒸發(fā)溫度下可產(chǎn)生較高的發(fā)電功率，最低的汽耗率和適中的水耗率．

5)大窄點(diǎn)溫差條件下，R245ca 和R245fa 系統(tǒng)在較高的蒸發(fā)溫度下可產(chǎn)生最低的發(fā)電功率，適中的汽耗率和最高的水耗率．

對(duì)于價(jià)格因素方面，4 種工質(zhì)發(fā)電功率相差不大，但價(jià)格相差很大．R245ca 和R245fa 屬于新型環(huán)保工質(zhì)，價(jià)格昂貴，是R123 的2 ～3 倍，系統(tǒng)性能與R123 接近，因此依托工程采用R123 較為經(jīng)濟(jì)．

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