孫素英, 臧 鎮(zhèn)

(江蘇省冶金設(shè)計(jì)院, 江蘇 南京 210016)

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余熱發(fā)電在工業(yè)余熱回收中應(yīng)用的探討

孫素英, 臧 鎮(zhèn)

(江蘇省冶金設(shè)計(jì)院, 江蘇 南京 210016)

針對不同工況下各種參數(shù)的工業(yè)余熱蒸汽，提出以不同的發(fā)電方式加以回收利用，使余熱發(fā)電生產(chǎn)更平穩(wěn)、效率更高，最大化地提高能源利用率，提高余熱發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

余熱發(fā)電； 有機(jī)朗肯循環(huán)； 汽、液全流螺桿發(fā)電； 非標(biāo)透平發(fā)電

引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會對能源的需求量越來越大，一方面由于能源的短缺，燃料價格不穩(wěn)定；另一方面，由于能源的利用率低，造成能源的極大浪費(fèi)。中國的各種工業(yè)窯爐和鍋爐，由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在一些缺陷，造成大量的高溫?zé)煔庾詿焽锜o利用地排掉，這部分煙氣熱能一般約占鍋爐熱損失的約80%或更高[1]。在煙道部位設(shè)置有效的余熱回收裝置，在回收熱量的同時，減少污染物的排放，保護(hù)環(huán)境，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、增效的目的。

工業(yè)余熱是指多余、廢棄的熱源，包括電廠、鋼鐵、水泥、玻璃、化工、造紙、煤氣發(fā)生爐等行業(yè)、爐窯排掉的低溫、低壓廢熱蒸汽，工業(yè)窯爐和鍋爐排出的廢熱煙氣，工業(yè)爐冷卻水產(chǎn)生的余熱，工業(yè)爐產(chǎn)生的化學(xué)熱，高溫產(chǎn)品及爐渣產(chǎn)生的余熱(紅焦炭、熱燒結(jié)礦、高爐紅熱鐵水渣、高溫度的硫酸)等等，這部分二次余熱能源被利用的潛力還很大。余熱能源按其溫度可劃分為三類：高溫余熱為350～600℃以上的余熱資源，中溫余熱為200～350 ℃的余熱資源，低溫余熱為70～200 ℃的余熱資源。

工業(yè)余熱的特點(diǎn)為熱源不穩(wěn)定，隨生產(chǎn)工藝的周期及負(fù)荷的變化而變化；余熱介質(zhì)質(zhì)量較差，含有較多的灰塵和腐蝕性物質(zhì)，甚至粘結(jié)性的雜質(zhì)；余熱回收一般為改造項(xiàng)目，增設(shè)余熱回收器的空間位置較為緊張。鑒于余熱回收項(xiàng)目以上幾個特點(diǎn)，余熱回收比較適合“就近回收，就近轉(zhuǎn)換，就近使用，梯級利用，高質(zhì)高用”的原則。

1 適用于低溫余熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電

1.1 技術(shù)原理

中、低溫有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)，采用了一個有機(jī)的工作流體代替了傳統(tǒng)的蒸汽郎肯循環(huán)系統(tǒng)中的水，中、低溫發(fā)電流體是用沸點(diǎn)較低的制冷劑捕捉低沸點(diǎn)的溫度的熱量，變成壓力達(dá)到高壓的飽和工質(zhì)蒸汽，在自動化控制系統(tǒng)的指揮下，高壓蒸汽經(jīng)過高速汽輪機(jī)噴嘴推動汽輪葉輪高速旋轉(zhuǎn)，從而推動發(fā)電機(jī)工作。

這種技術(shù)有效地利用了蒸汽的潛熱，排出溫度為60 ℃左右的水，降低了發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的冷源損失，提高了發(fā)電量。此技術(shù)的意義在于能充分回收低品位的熱量，實(shí)現(xiàn)最大限度的能源回收利用。低溫發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 低溫發(fā)電系統(tǒng)原理圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、小型方便等特點(diǎn)，在回收低溫余熱方面具有較大的優(yōu)勢[2]。這種發(fā)電主要適用于以下低溫余熱資源的工況：1)溫度≥85 ℃，流量≥35 t/h的熱水，例如需要降溫的工藝熱水、熱油、熱物料、大型鍋爐連排污水等。2)壓力>0.1 MPa(A)，流量≥1 t/h的飽和蒸汽或過熱蒸汽。因?yàn)橛袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是利用了余熱蒸汽的汽化潛熱，而在低溫余熱蒸汽中，汽化潛熱甚至占到可利用熱量的比例達(dá)80%～90%以上，因此它能充分挖掘、利用以往廢棄的低溫余熱資源領(lǐng)域。這種發(fā)電方式的設(shè)備通?？梢灾谱鳛榍搜b一體化設(shè)備，配帶觸摸屏操作控制系統(tǒng)，設(shè)備操作簡單、方便；但是設(shè)備一次性投入相對較高，投資回收期略長，一般在3～8年不等，適用于用電成本比較高的區(qū)域；特別是已經(jīng)有工業(yè)低溫、低壓蒸汽放散時，采用這種方式進(jìn)行回收，效果較好。可適用于工業(yè)設(shè)備冷卻汽化器回收的廢熱蒸汽、煙道廢熱鍋爐回收的低溫、低壓蒸汽、煤氣發(fā)生爐的夾套蒸汽、鍋爐連排水、部分透平機(jī)、螺桿機(jī)排出的廢熱蒸汽等工況。

1.3 技術(shù)應(yīng)用

例如，某汽車輪轂公司的煤氣發(fā)生爐低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目，回收利用原來放散的煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的富余夾套蒸汽(壓力0.15～0.2 MPa(A)，飽和溫度，流量約2 t/h的低溫、低壓蒸汽)，已經(jīng)成功發(fā)電并入企業(yè)管網(wǎng)，發(fā)電機(jī)組可自動控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無人值守。

2 適用于中、低溫余熱的汽、液全流螺桿發(fā)電

2.1 技術(shù)原理

螺桿發(fā)電機(jī)按螺桿壓縮機(jī)的逆原理工作，余熱蒸汽進(jìn)入螺桿齒槽，靠蒸汽壓力推動螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽容積增加，余熱蒸汽降壓、降溫膨脹做功，拖動發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)從蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換。螺桿發(fā)電機(jī)蒸汽膨脹過程示意圖如圖2所示。

圖2 螺桿發(fā)電機(jī)蒸汽膨脹過程示意圖

螺桿發(fā)電系統(tǒng)為容積式結(jié)構(gòu)，通過采用螺桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片，這樣蒸汽冷凝后的液體對設(shè)備的影響微乎其微，因此螺桿發(fā)電機(jī)不僅可以利用飽和蒸汽，還可以利用汽、液兩相工質(zhì)。由于構(gòu)件之間間隙小，同時利用汽、液兩相工質(zhì)，使螺桿機(jī)的泄露率大大降低；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速一般為1500～4000 r/min，內(nèi)流速較低，泄露減少，因而具備較高的內(nèi)效率，其熱功轉(zhuǎn)化效率(系統(tǒng)對外輸出機(jī)械能與低溫?zé)嵩此瑹崮艿谋壤?可達(dá)10%～15%。所以，螺桿發(fā)電機(jī)更適合汽、液兩相工質(zhì)的中、低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

螺桿發(fā)電機(jī)組進(jìn)汽介質(zhì)壓力范圍0.2～3.0 MPa；最高進(jìn)汽溫度250 ℃；一般一級最大進(jìn)、排汽壓差1.3 MPa；單體裝機(jī)最大功率3000 kW；轉(zhuǎn)速可以在1000～4000 r/min無級調(diào)速。螺桿膨脹機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽、液兩相混合物、煙氣等不同種類的工業(yè)余熱，或者有蒸汽壓差需求的工況條件，適合余熱規(guī)模較小的發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)余熱熱源的溫度、壓力、流量等變化明顯時，機(jī)組運(yùn)行及效率仍能保持相對穩(wěn)定。

螺桿發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢在于①發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、震動小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很低，運(yùn)行時無需盤車、暖機(jī)，并且不會“飛車”，可以一鍵直接啟、停設(shè)備，操作簡單，維修方便，可實(shí)現(xiàn)無人職守。②機(jī)體本身能除垢自潔，更適用于低品質(zhì)的汽、液混合物的余熱蒸汽進(jìn)行發(fā)電。③克服了汽輪機(jī)的發(fā)電效率對工質(zhì)參數(shù)及負(fù)荷變化敏感的缺陷，能適應(yīng)工業(yè)余熱負(fù)荷變化大、余壓參數(shù)變化以及回收蒸汽品質(zhì)的變化等不穩(wěn)定工況，并能維持穩(wěn)定的生產(chǎn)，持續(xù)保持高效率發(fā)電。因此，螺桿發(fā)電機(jī)組在余熱回收中適應(yīng)范圍廣，系統(tǒng)單位投資少，投資回報(bào)期短，逐步成為一種重要的余熱發(fā)電的利用方式。

2.3 技術(shù)應(yīng)用

例如，某鋼鐵公司利用250 t/h鍋爐產(chǎn)生的連排水(連排水參數(shù)為壓力9～10 MPa、飽和溫度、流量20～36 t/h)，配備700 kW螺桿膨脹發(fā)電機(jī)回收連排水的能量，做功驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，并入甲方的企業(yè)電網(wǎng)，螺桿膨脹發(fā)電機(jī)的排汽進(jìn)入疏水系統(tǒng)進(jìn)行回收，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 適用于高、中溫余熱的非標(biāo)透平發(fā)電

3.1 技術(shù)原理

透平發(fā)電機(jī)是由汽輪機(jī)作為動力拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行發(fā)電。余熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)先經(jīng)過噴嘴葉柵將熱能轉(zhuǎn)換成動能，再經(jīng)過動葉柵將動能裝換成轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，從而帶動發(fā)電機(jī)做功。傳統(tǒng)熱電廠多采用此種發(fā)電方式，設(shè)備配套系統(tǒng)有抽氣器、凝汽器、軸封系統(tǒng)、油系統(tǒng)、冷卻供水系統(tǒng)等。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

該發(fā)電機(jī)對余熱蒸汽的品質(zhì)要求較高，適用于進(jìn)汽壓力大于0.8 MPa，流量大于3 t/h的飽和或過熱蒸汽；系統(tǒng)具有精密度高、效率高、安全可靠性高、設(shè)備性價比高等特點(diǎn)；一般單體裝機(jī)功率要求大于200 kW。 設(shè)備為非標(biāo)設(shè)計(jì)，根據(jù)余熱蒸汽的溫度、狀態(tài)、流量、壓力等參數(shù)確定。為避免液擊現(xiàn)象的發(fā)生，透平機(jī)不允許液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入，余熱蒸汽必須是飽和或過熱狀態(tài)，否則，膨脹后凝結(jié)的液滴會直接損害高速旋轉(zhuǎn)的透平機(jī)葉片。因此，透平發(fā)電機(jī)適用于余熱量較大，工況連續(xù)、穩(wěn)定的較大規(guī)模的余熱發(fā)電項(xiàng)目，這種項(xiàng)目往往具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。例如，鋼鐵、水泥、陶瓷、玻璃行業(yè)大型的余熱發(fā)電項(xiàng)目多采用這種發(fā)電方式。

4 結(jié)束語

在余熱發(fā)電項(xiàng)目實(shí)施中，最重要的是需要對余熱資源進(jìn)行充分的調(diào)研，掌握各種工況下的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，取得原始設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)原始數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，針對性地選擇正確的發(fā)電方式，確定合適的機(jī)組能力，這是余熱發(fā)電項(xiàng)目初步成功的基礎(chǔ)；其次，利用有限的場地資源合理布置分區(qū)，既節(jié)約用地、合理利用地形、方便集中管理，又保證縮短管線、工藝系統(tǒng)布局走向合理；既要滿足項(xiàng)目的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性要求，又要滿足項(xiàng)目施工及投產(chǎn)后的安全性要求。這樣，余熱項(xiàng)目才能符合生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際需要，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，余熱發(fā)電的實(shí)際發(fā)展情況并不樂觀，究其原因主要是受膨脹能力限制，單機(jī)功率一般不高，用戶無法綜合衡量節(jié)能效果；其次，設(shè)備可靠性沒有保障，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在已經(jīng)實(shí)施的余熱發(fā)電項(xiàng)目中經(jīng)常出現(xiàn)各種問題，阻礙了余熱發(fā)電項(xiàng)目的推廣。隨著以上技術(shù)問題的逐步解決，余熱發(fā)電項(xiàng)目在我國的工業(yè)領(lǐng)域會有廣闊的市場前景。

[1] 張建福, 趙欽新, 王海超，等.煙氣余熱回收裝置的參數(shù)優(yōu)化分析[J].動力工程學(xué)報(bào)，2010,30(9):652—657.

[2] 劉廣彬, 趙遠(yuǎn)揚(yáng), 李連生，等.小型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)膨脹機(jī)輸出特性試驗(yàn)研究[J]，西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,43(11):100—103.

2016-06-03

孫素英(1968—)，女，高級工程師。電話：15260225795

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