ORC技術在燒結余熱發電系統中的應用

朱能闖

（武漢都市環保工程技術股份有限公司，湖北 武漢430071）

0 概述

ORC即Organic Rankine Cycle（有機朗肯循環），低沸點有機物作為工質。該循環系統由蒸發器、膨脹機、冷凝器和工質泵組成。與普通郎肯循環采用水作為循環工質相比，有機郎肯循環采用有機循環工質。與水相比，有機工質的沸點低，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．有機工質在回收顯熱方面也有較高的效率，由于朗肯循環中顯熱和潛熱二者的比例不相等，而ORC系統中顯熱的比例較大，因此采用該技術要比水蒸汽的朗肯循環可回收較多的熱量。

燒結余熱發電技術是一項將燒結廢氣余熱資源轉變為電力的節能技術。該技術不產生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體，能夠有效提高燒結工序的能源利用效率。通過燒結余熱發電技術回收利用燒結熱氣中的熱能，可顯著降低燒結工序能耗（4~8kgce/t礦），節能減排效果非常明顯。因而自2005年中國首個燒結余熱發電工程投產開始，8年來，燒結余熱發電技術在中國得到了快速應用與蓬勃發展。據行業協會統計，至2012年上半年，國內已建成并投產的燒結余熱發電裝置已達到166套。

在已有的燒結余熱發電技術中，環冷機鍋爐利用的熱源為400~300℃煙氣，較低溫度的煙氣利用價值低，一般直接排放。而ORC技術可以有效利用該部分熱能，進一步提高廢熱利用率，增加燒結系統噸礦發電量。

1 ORC技術簡介

如圖1所示，ORC系統由蒸發器、膨脹機、冷凝器和工質泵組成。低溫熱源通過蒸發器與有機工質發生熱交換，使有機工質達到沸點蒸發成為蒸汽，最終通過汽輪機做功發電，做完功的低溫工質通過冷凝器凝結為液體，并通過工質泵加壓送至蒸發器，完成整個系統循環。

ORC發電技術與常規汽輪發電技術原理基本一致，主要區別在于工質為可以在低溫情況下蒸發的有機工質，能有效的利用原先沒有利用價值的低溫低品位熱源。

圖1 ORC系統示意圖

圖2 ORC裝置

ORC系統的優點如下：

（1）效率高,系統構成簡單，不需要設置除氧、除鹽、排污及疏放水設施；凝結器里一般處于略高于環境大氣壓力的正壓，不需設置真空維持系統。

（2）透平進排氣壓力高，所需通流面積較小，透平尺寸小。

（3）使用干流體時，余熱鍋爐中不必設置過熱段，工質蒸汽直接以飽和氣體進透平膨脹做功。

（4）可實現遠程控制，無人值守，需要極少的運行、維修人員，運行成本很低。

（5）單機容量可從幾kW到數千kW。

（6）系統部件、設備可實現標準模塊化生產，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 燒結余熱發電與ORC技術結合方案

該組合系統典型示例流程如下：

如圖3所示，該系統為常規燒結余熱發電與ORC技術結合的典型系統。其中左側為比較典型的常規雙壓燒結余熱發電系統，主要設備包括雙壓冷卻機（目前有兩種形式，即環冷機和帶冷機）余熱鍋爐、燒結大煙道余熱鍋爐、汽輪發電機組等。燒結機大煙道余熱鍋爐為最近出現的新技術，利用燒結機尾部煙道平均約330℃的煙道與水換熱產生中壓蒸汽。冷卻機高溫部分煙罩中抽取的400~300℃高溫煙氣直接進入常規的冷卻機余熱鍋爐與水換熱產生中壓蒸汽及低壓蒸汽，冷卻機余熱鍋爐產生的中壓蒸汽與燒結大煙道余熱鍋爐產生的中壓蒸汽匯合，中壓蒸汽與低壓蒸汽分別送入汽輪機發電。在汽輪機中做完功的蒸汽通過凝汽器凝結為水，水再通過凝結水泵加壓送回冷卻機余熱鍋爐，完成整個汽水循環。

圖3 燒結余熱發電與ORC結合技術方案一

冷卻機余熱鍋爐出口煙氣溫度約150℃，與冷卻機后部300~150℃的低溫煙氣混合后，送至引風機加壓，加壓后的煙氣送入有機工質余熱鍋爐（蒸發器）與有機工質進行換熱，換熱后的低溫煙氣溫度約70℃，通過煙囪直接排放。換熱后的有機工質蒸汽送入ORC汽輪發電機組發電。做完功的有機工質蒸汽通過凝汽器凝結為液體，再通過工質泵加壓送回有機工質余熱鍋爐，完成整個工質循環。

以上僅為本系統的一個典型示例，實際設計中，可根據項目的實際情況，靈活選取介質及煙氣參數，以取得最大的經濟效益。

本系統的難點及要點在于：

合理選擇取風溫度及取風段及介質參數，以取得最大的經濟效益；

冷卻機余熱鍋爐出口壓力約-1200Pa左右，與冷卻機直接抽出的低溫煙氣壓力差距較大，需注意通過調節閥選型及煙道阻力計算進行合理控制，避免出現煙氣流量無法控制的情況；

有機工質余熱鍋爐出口煙氣溫度約70℃，溫度低于煙氣露點溫度。雖然燒結冷卻機煙氣主要成分為熱空氣，含硫、氯等腐蝕性化學成分較低，但仍可能產生一定腐蝕，煙氣系統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，這部分技術國內已經有較成熟的經驗，可直接使用。

本系統的優點在于：

對燒結冷卻機的熱能進行了進一步的梯級利用，再次降低了冷卻機的煙氣排放溫度、減少了熱污染的同時，獲得了額外的電能。

新增的常規燒結余熱發電與ORC組合系統對原有的燒結冷卻系統無任何影響。避免了普通煙氣再循環燒結發電系統中出現溫度及發電量上去但燒結礦冷卻不下來的情況。

本系統的缺點在于：

有機工質余熱鍋爐及ORC整套系統國內經驗少，設備投資費用較高。同時，以目前成熟的技術來說，低溫煙氣部分的ORC技術發電凈效率為15%左右，發電效率仍偏低，投資回收期較長。

本系統與常規燒結余熱發電技術相比，更進一步的提高了燒結系統的廢熱利用率。同時，從整個燒結發電技術發展來看，也可看作是燒結發電技術深化改進的一個發展方向，具有一定的經濟價值，值得我們去進行進一步的深入研究及系統改進。

3 燒結余熱發電與ORC結合技術發展前景

目前該系統仍然存在的問題是，因設備制造原因，燒結冷卻機余熱鍋爐與有機工質余熱鍋爐分開布置，為相互獨立的設備，煙氣系統結合時，低溫的煙氣段需克服的阻力比實際需要的大，增加了一部分能耗，同時兩臺獨立的設備也增加設備費用。

對于這種情況，我們考慮了一種組合式的冷卻機余熱鍋爐，即傳統的冷卻機余熱鍋爐與ORC系統的有機工質余熱鍋爐結合起來，將有機工質余熱鍋爐的蒸發器布置于傳統燒結冷卻機余熱鍋爐的末級，如圖4所示，這樣可進一步的簡化燒結余熱發電與ORC結合技術的煙氣系統，降低煙氣系統阻力減少能耗的同時，又可減少設備投資。

圖4 燒結余熱發電與ORC結合技術方案二

該方案存在的問題是，這種組合式的余熱鍋爐目前無設備廠家有設計經驗，需要進行更深入的鍋爐系統設計及可行性研究。

［1］張惠寧.燒結設計手冊[M].1990．

［2］王華.低溫余熱發電有機朗肯循環技術及其產業化[R].2011．