ORC技術(shù)在燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱能闖

（武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢430071）

0 概述

ORC即Organic Rankine Cycle（有機(jī)朗肯循環(huán)），低沸點(diǎn)有機(jī)物作為工質(zhì)。該循環(huán)系統(tǒng)由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵組成。與普通郎肯循環(huán)采用水作為循環(huán)工質(zhì)相比，有機(jī)郎肯循環(huán)采用有機(jī)循環(huán)工質(zhì)。與水相比，有機(jī)工質(zhì)的沸點(diǎn)低，在壓力(0.15～0.5MPa)左右，溫度60～70℃、甚至40～50℃左右，就可以汽化為蒸汽，從而可以利用原來(lái)廢棄的品位較低的熱能，將這些能源再生后以電能的形式輸出．有機(jī)工質(zhì)在回收顯熱方面也有較高的效率，由于朗肯循環(huán)中顯熱和潛熱二者的比例不相等，而ORC系統(tǒng)中顯熱的比例較大，因此采用該技術(shù)要比水蒸汽的朗肯循環(huán)可回收較多的熱量。

燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)將燒結(jié)廢氣余熱資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ墓?jié)能技術(shù)。該技術(shù)不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體，能夠有效提高燒結(jié)工序的能源利用效率。通過(guò)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)回收利用燒結(jié)熱氣中的熱能，可顯著降低燒結(jié)工序能耗（4~8kgce/t礦），節(jié)能減排效果非常明顯。因而自2005年中國(guó)首個(gè)燒結(jié)余熱發(fā)電工程投產(chǎn)開(kāi)始，8年來(lái)，燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)在中國(guó)得到了快速應(yīng)用與蓬勃發(fā)展。據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，至2012年上半年，國(guó)內(nèi)已建成并投產(chǎn)的燒結(jié)余熱發(fā)電裝置已達(dá)到166套。

在已有的燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)中，環(huán)冷機(jī)鍋爐利用的熱源為400~300℃煙氣，較低溫度的煙氣利用價(jià)值低，一般直接排放。而ORC技術(shù)可以有效利用該部分熱能，進(jìn)一步提高廢熱利用率，增加燒結(jié)系統(tǒng)噸礦發(fā)電量。

1 ORC技術(shù)簡(jiǎn)介

如圖1所示，ORC系統(tǒng)由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵組成。低溫?zé)嵩赐ㄟ^(guò)蒸發(fā)器與有機(jī)工質(zhì)發(fā)生熱交換，使有機(jī)工質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)蒸發(fā)成為蒸汽，最終通過(guò)汽輪機(jī)做功發(fā)電，做完功的低溫工質(zhì)通過(guò)冷凝器凝結(jié)為液體，并通過(guò)工質(zhì)泵加壓送至蒸發(fā)器，完成整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)。

ORC發(fā)電技術(shù)與常規(guī)汽輪發(fā)電技術(shù)原理基本一致，主要區(qū)別在于工質(zhì)為可以在低溫情況下蒸發(fā)的有機(jī)工質(zhì)，能有效的利用原先沒(méi)有利用價(jià)值的低溫低品位熱源。

圖1 ORC系統(tǒng)示意圖

圖2 ORC裝置

ORC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）效率高,系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要設(shè)置除氧、除鹽、排污及疏放水設(shè)施；凝結(jié)器里一般處于略高于環(huán)境大氣壓力的正壓，不需設(shè)置真空維持系統(tǒng)。

（2）透平進(jìn)排氣壓力高，所需通流面積較小，透平尺寸小。

（3）使用干流體時(shí)，余熱鍋爐中不必設(shè)置過(guò)熱段，工質(zhì)蒸汽直接以飽和氣體進(jìn)透平膨脹做功。

（4）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，無(wú)人值守，需要極少的運(yùn)行、維修人員，運(yùn)行成本很低。

（5）單機(jī)容量可從幾kW到數(shù)千kW。

（6）系統(tǒng)部件、設(shè)備可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模塊化生產(chǎn)，如圖2所示。能縮短安裝周期，降低制造成本。

（7）適用于溫度高于70℃以上的低溫余熱源。

2 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC技術(shù)結(jié)合方案

該組合系統(tǒng)典型示例流程如下：

如圖3所示，該系統(tǒng)為常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC技術(shù)結(jié)合的典型系統(tǒng)。其中左側(cè)為比較典型的常規(guī)雙壓燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)，主要設(shè)備包括雙壓冷卻機(jī)（目前有兩種形式，即環(huán)冷機(jī)和帶冷機(jī)）余熱鍋爐、燒結(jié)大煙道余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組等。燒結(jié)機(jī)大煙道余熱鍋爐為最近出現(xiàn)的新技術(shù)，利用燒結(jié)機(jī)尾部煙道平均約330℃的煙道與水換熱產(chǎn)生中壓蒸汽。冷卻機(jī)高溫部分煙罩中抽取的400~300℃高溫?zé)煔庵苯舆M(jìn)入常規(guī)的冷卻機(jī)余熱鍋爐與水換熱產(chǎn)生中壓蒸汽及低壓蒸汽，冷卻機(jī)余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽與燒結(jié)大煙道余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽匯合，中壓蒸汽與低壓蒸汽分別送入汽輪機(jī)發(fā)電。在汽輪機(jī)中做完功的蒸汽通過(guò)凝汽器凝結(jié)為水，水再通過(guò)凝結(jié)水泵加壓送回冷卻機(jī)余熱鍋爐，完成整個(gè)汽水循環(huán)。

圖3 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術(shù)方案一

冷卻機(jī)余熱鍋爐出口煙氣溫度約150℃，與冷卻機(jī)后部300~150℃的低溫?zé)煔饣旌虾?，送至引風(fēng)機(jī)加壓，加壓后的煙氣送入有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐（蒸發(fā)器）與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行換熱，換熱后的低溫?zé)煔鉁囟燃s70℃，通過(guò)煙囪直接排放。換熱后的有機(jī)工質(zhì)蒸汽送入ORC汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。做完功的有機(jī)工質(zhì)蒸汽通過(guò)凝汽器凝結(jié)為液體，再通過(guò)工質(zhì)泵加壓送回有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐，完成整個(gè)工質(zhì)循環(huán)。

以上僅為本系統(tǒng)的一個(gè)典型示例，實(shí)際設(shè)計(jì)中，可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，靈活選取介質(zhì)及煙氣參數(shù)，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

本系統(tǒng)的難點(diǎn)及要點(diǎn)在于：

合理選擇取風(fēng)溫度及取風(fēng)段及介質(zhì)參數(shù)，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益；

冷卻機(jī)余熱鍋爐出口壓力約-1200Pa左右，與冷卻機(jī)直接抽出的低溫?zé)煔鈮毫Σ罹噍^大，需注意通過(guò)調(diào)節(jié)閥選型及煙道阻力計(jì)算進(jìn)行合理控制，避免出現(xiàn)煙氣流量無(wú)法控制的情況；

有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐出口煙氣溫度約70℃，溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度。雖然燒結(jié)冷卻機(jī)煙氣主要成分為熱空氣，含硫、氯等腐蝕性化學(xué)成分較低，但仍可能產(chǎn)生一定腐蝕，煙氣系統(tǒng)低溫部分需考慮采用耐低溫腐蝕的管道材料或者噴涂材料，這部分技術(shù)國(guó)內(nèi)已經(jīng)有較成熟的經(jīng)驗(yàn)，可直接使用。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：

對(duì)燒結(jié)冷卻機(jī)的熱能進(jìn)行了進(jìn)一步的梯級(jí)利用，再次降低了冷卻機(jī)的煙氣排放溫度、減少了熱污染的同時(shí)，獲得了額外的電能。

新增的常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC組合系統(tǒng)對(duì)原有的燒結(jié)冷卻系統(tǒng)無(wú)任何影響。避免了普通煙氣再循環(huán)燒結(jié)發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)溫度及發(fā)電量上去但燒結(jié)礦冷卻不下來(lái)的情況。

本系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：

有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐及ORC整套系統(tǒng)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)少，設(shè)備投資費(fèi)用較高。同時(shí)，以目前成熟的技術(shù)來(lái)說(shuō)，低溫?zé)煔獠糠值腛RC技術(shù)發(fā)電凈效率為15%左右，發(fā)電效率仍偏低，投資回收期較長(zhǎng)。

本系統(tǒng)與常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)相比，更進(jìn)一步的提高了燒結(jié)系統(tǒng)的廢熱利用率。同時(shí)，從整個(gè)燒結(jié)發(fā)電技術(shù)發(fā)展來(lái)看，也可看作是燒結(jié)發(fā)電技術(shù)深化改進(jìn)的一個(gè)發(fā)展方向，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得我們?nèi)ミM(jìn)行進(jìn)一步的深入研究及系統(tǒng)改進(jìn)。

3 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術(shù)發(fā)展前景

目前該系統(tǒng)仍然存在的問(wèn)題是，因設(shè)備制造原因，燒結(jié)冷卻機(jī)余熱鍋爐與有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐分開(kāi)布置，為相互獨(dú)立的設(shè)備，煙氣系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，低溫的煙氣段需克服的阻力比實(shí)際需要的大，增加了一部分能耗，同時(shí)兩臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備也增加設(shè)備費(fèi)用。

對(duì)于這種情況，我們考慮了一種組合式的冷卻機(jī)余熱鍋爐，即傳統(tǒng)的冷卻機(jī)余熱鍋爐與ORC系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐結(jié)合起來(lái)，將有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐的蒸發(fā)器布置于傳統(tǒng)燒結(jié)冷卻機(jī)余熱鍋爐的末級(jí)，如圖4所示，這樣可進(jìn)一步的簡(jiǎn)化燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術(shù)的煙氣系統(tǒng)，降低煙氣系統(tǒng)阻力減少能耗的同時(shí)，又可減少設(shè)備投資。

圖4 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術(shù)方案二

該方案存在的問(wèn)題是，這種組合式的余熱鍋爐目前無(wú)設(shè)備廠(chǎng)家有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需要進(jìn)行更深入的鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)及可行性研究。

［1］張惠寧.燒結(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].1990．

［2］王華.低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化[R].2011．