余熱回收在煤化工行業(yè)的應(yīng)用

吳羅剛

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510665)

余熱回收在煤化工行業(yè)的應(yīng)用

吳羅剛

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510665)

煤化工行業(yè)存在大量低品位余熱，以某大型煤化工廠凝液精制裝置中工藝凝液余熱為例，介紹有機(jī)郎肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電站發(fā)電原理和技術(shù)流程，通過本項目的實施將低品味的熱能(88 ℃)轉(zhuǎn)化成電能，在額定工況下實現(xiàn)凈發(fā)電功率516 kW，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

有機(jī)郎肯循環(huán)；余熱發(fā)電；節(jié)能；余熱回收

隨著能源消耗的日益增長，生態(tài)破壞、全球變暖等環(huán)境問題已凸顯，節(jié)能減排已經(jīng)成為我國目前的基本國策。工業(yè)節(jié)能十三五規(guī)劃要求在鋼鐵、化工、輕工等余熱資源豐富行業(yè)，全面推廣余熱余壓回收利用技術(shù)，推進(jìn)低品質(zhì)熱源的回收利用[1]。

工業(yè)余熱即工業(yè)生產(chǎn)過程中在完成某一生產(chǎn)工藝后剩余的熱量，我國工業(yè)能耗占能源總量的70%左右，而工業(yè)能耗的60%～65%都轉(zhuǎn)化為載體不同、溫度不同的工業(yè)余熱。包括低品位煙氣、蒸汽和熱水等，回收和利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種余熱，既有助于解決我國的能源問題，又可以有效減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染，具有重要的意義。

按照余熱的不同溫度情況,將余熱資源分為3種,即:高溫余熱(≥500 ℃ )、中溫余熱(400～500 ℃ )和低溫余熱(≤400 ℃ )。我國在高溫?zé)嵩从酂岚l(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)成熟,并且在鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2],但中、低溫余熱發(fā)電技術(shù)尚未成熟，尤其低品位中低于100 ℃的熱量基本都是被風(fēng)冷和循環(huán)水冷卻，既造成能量的浪費(fèi)，又增加公用工程水和電的消耗。煤化工行業(yè)存在大量的低品位余熱，如低壓蒸汽冷凝液等，有效地利用這些低品位余熱不僅對項目本身具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，對節(jié)能減排亦有深遠(yuǎn)的意義[3]。

1 余熱現(xiàn)狀

某大型煤化工廠凝液精制裝置主要將送入本裝置的工藝凝液進(jìn)行處理，制備合格的除鹽水，處理之前需將凝液冷卻至40 ℃，目前采用的是大量循環(huán)冷卻水冷卻降溫，該種方式不僅沒有充分利用余熱，造成能源的浪費(fèi)，而且需要消耗大量循環(huán)冷卻水。其中工藝凝液參數(shù)如下：夏季：凝液流量194.2 t/h，凝液溫度88～95 ℃；冬季：凝液流量245 t/h，凝液溫度82～88 ℃。設(shè)計采取加權(quán)平均流量219 t/h，加權(quán)平均溫度88 ℃。

2 余熱發(fā)電原理

2.1 有機(jī)郎肯循環(huán)的熱力過程

圖1 機(jī)郎肯循環(huán)的T-S圖

有機(jī)朗肯循環(huán),即在傳統(tǒng)水蒸汽朗肯循環(huán)中采用有機(jī)工質(zhì)(如R245fa、R134a 等)代替水蒸汽推動透平膨脹機(jī)或螺桿膨脹機(jī)做功,由于有機(jī)工質(zhì)的沸點(diǎn)低,易形成高壓蒸汽,而冷凝壓力接近或稍大于大氣壓力,系統(tǒng)運(yùn)行壓力小,且其冷凝溫度較低,可最大限度地將低品位熱源的熱量轉(zhuǎn)化為電能,提高了能量利用率。有機(jī)郎肯循環(huán)由定壓吸熱、定熵膨脹、定壓放熱和定熵壓縮四個過程組成[4]，如圖1有機(jī)郎肯循環(huán)T-S圖。工質(zhì)在蒸發(fā)器中經(jīng)歷定壓吸熱過程，其狀態(tài)由過冷液(狀態(tài)4)變化為飽和蒸氣(狀態(tài)1)；之后在膨脹部件中經(jīng)歷絕熱膨脹過程，成為乏氣(狀態(tài)2)；乏氣在冷凝器中經(jīng)歷定壓放熱過程，成為飽和液(狀態(tài)3)；在工質(zhì)泵中經(jīng)歷絕熱壓縮過程，回到狀態(tài)4，完成循環(huán)。

2.2 有機(jī)郎肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電站

有機(jī)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電站以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和泵等4大部件組成。外界熱介質(zhì)通過蒸發(fā)器將熱量輸送給有機(jī)工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱后，產(chǎn)生飽和狀態(tài)的有機(jī)蒸汽，引導(dǎo)進(jìn)入專用的螺桿膨脹機(jī)，有機(jī)蒸汽內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對外做功，膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，機(jī)械能也就轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電后的乏汽再進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成有機(jī)凝液，由泵增壓送至蒸發(fā)器循環(huán)做功。有機(jī)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電站發(fā)電技術(shù)流程見圖2。

圖2 螺桿膨脹機(jī)發(fā)電站技術(shù)流程

Fig．2 technical flowsheet of the screw expansion generator units

3 余熱發(fā)電方案

本項目選用一套型號為KE800-75W-1-50C ORC螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)，采用低沸點(diǎn)R245fa作為循環(huán)的有機(jī)工質(zhì)。為了提高熱效率和發(fā)電量，選用2套膨脹機(jī)機(jī)組，高溫級機(jī)組和低溫級機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行。系統(tǒng)主要包括工藝凝液系統(tǒng)、ORC冷媒系統(tǒng)和ORC油系統(tǒng)三部分組成。

工藝凝液系統(tǒng)的工藝流程為：工藝凝液(219 t/h，88 ℃)首先通過高溫級蒸發(fā)器加熱高溫級的冷媒后分成兩部分，一部分工藝凝液進(jìn)入低溫級的蒸發(fā)器和預(yù)熱器加熱低溫級的冷媒，另一部分進(jìn)入高溫級的預(yù)熱器加熱高溫級的冷媒，高溫級和低溫級預(yù)熱器出口的兩路工藝凝液混合組成回水(219 t/h，60 ℃)回到下游裝置。

ORC冷媒系統(tǒng)包括高溫級和低溫級兩部分。冷媒在蒸發(fā)器吸熱變成高溫高壓的飽和氣體，進(jìn)入膨脹機(jī)做功，膨脹機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將發(fā)出的電輸送到電網(wǎng)。膨脹機(jī)出口的過熱蒸汽通過油分進(jìn)行油氣分離，然后進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器冷凝成飽和液體。儲液罐收集液態(tài)冷媒被工質(zhì)泵加壓到高壓狀態(tài)，然后進(jìn)入預(yù)熱器，將過冷的冷媒預(yù)熱到飽和液態(tài)。然后進(jìn)入蒸發(fā)器完成一個循環(huán)。

ORC油系統(tǒng)指膨脹機(jī)主機(jī)供油系統(tǒng)和工質(zhì)泵供油系統(tǒng)。油分離器分離出來的油存儲到油分底部的儲油包，主油泵將油打回到膨脹機(jī)各個噴油口進(jìn)行潤滑。工質(zhì)泵的油路配有專用的油箱，通過副油泵將油箱里的油打到工質(zhì)泵各個進(jìn)油口進(jìn)行潤滑，主機(jī)供油系統(tǒng)和工質(zhì)泵供油系統(tǒng)相互之間聯(lián)通確保系統(tǒng)的油平衡。

在工藝凝液管道和系統(tǒng)管道上安裝各類閥門和建立旁通，用于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定開機(jī)、運(yùn)行以及停機(jī)。當(dāng)膨脹機(jī)需要維護(hù)或緊急停機(jī)時，系統(tǒng)快切閥門將立即關(guān)閉，工藝凝液通過旁通回路返回凝液精制裝置，不影響下游正常生產(chǎn)。且在緊急停機(jī)時發(fā)電機(jī)自動從電網(wǎng)中解列出來，對電網(wǎng)不會產(chǎn)生影響。

ORC螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)設(shè)計工況下具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組技術(shù)參數(shù)一覽表

機(jī)組凈發(fā)電量受工藝凝液溫度和環(huán)境干球溫度的影響，在額定流量下根據(jù)進(jìn)水溫度不同和環(huán)境溫度的變化繪制機(jī)組變工況性能曲線圖，詳見圖3。從圖可以看出進(jìn)水溫度越高，環(huán)境溫度越低，發(fā)電量越大。

圖3 機(jī)組變工況下性能曲線圖

通過本項目的實施，可實現(xiàn)額定工況下凈發(fā)電功率516 kW，年(8000h)發(fā)電412.8×104kW·h，為業(yè)主年(0.45元/kWh)創(chuàng)造185.76萬元經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省循環(huán)冷卻水(8 ℃溫差)流量為766.5 t/h。

4 結(jié)語

綜上所述，有機(jī)郎肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電站在低溫余熱回收方面效果明顯，可以將低品味的熱能轉(zhuǎn)化成電能，達(dá)到節(jié)能增效的作用，而且在熱源參數(shù)大幅波動工況下(10%～120%)，也能夠高效、平穩(wěn)運(yùn)行。目前在煤化工行業(yè)還存在大量低品位的熱量，應(yīng)用前景將十分廣泛。

[1] 王 華，王輝濤.低溫余熱發(fā)電有機(jī)郎肯循環(huán)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：1-10.

[2] 馮 馴，徐 建，王墨南,等.有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收低溫余熱的優(yōu)勢[J].節(jié)能技術(shù)，2010, 28(163) :387-391.

[3] 鄧立生，黃宏宇，何兆紅,等，有機(jī)朗肯循環(huán)的研究進(jìn)展[J].新能源進(jìn)展，2014,2(3):180-189.

[4] 曹濱斌，李惟毅.螺桿膨脹機(jī)雙循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)分析[J].天津大學(xué)學(xué)報，2010,43(4):310-314.

(本文文獻(xiàn)格式：吳羅剛.余熱回收在煤化工行業(yè)的應(yīng)用[J].山東化工，2017，46(08)：126-127，129.)

Energy Saving Transformation of the Combined Unit of Arene in a Certain Factory

WuLuogang

(HQC(GuangYe)Co.,Ltd.,Guangdong， Guangzhou 510655,China)

There are a large number of low-grade waste heat in the coal chemical industry,takes example for the waste heat of the technical stream of a large coal chemical plant in this paper,introduces power generation principle and technical flowsheet of the organic rankine cycle screw expansion generator units, through this project low-grade thermal energy can convert into electrical energy, it can generate a net power electricity of 516 kW in the rated operating conditions,achieves the purpose of energy saving and efficiency increasing.

organic rankine cycle; waste heat power generation ; energy saving;waste heat recovery

2017-03-03

吳羅剛(1983—)，湖北人，本科，工程師，主要從事石油化工醫(yī)藥行業(yè)節(jié)能和設(shè)計。

TQ440.8

A

1008-021X(2017)08-0126-02