ORC系統在水泥工業余熱利用中的應用

李　浩

ORC系統在水泥工業余熱利用中的應用

李浩

針對水泥生產過程中產生的余熱煙氣，利用ORC系統進行發電，通過理論計算及實際工程分析，結論如下：在現有常規余熱發電系統基礎上，利用窯尾收塵器前150℃左右煙氣，設置ORC系統，2 500～5 000t/d水泥生產線余熱發電能力可新增發電量250～350kW；利用窯頭窯尾余熱煙氣，以ORC系統取代目前常規余熱發電系統，2 500～5 000t/d水泥生產線余熱發電能力減少500～1 000kW。

ORC系統，汽水朗肯循環系統，應用分析

1　引言

隨著工業的快速發展，人們對能源問題的關注度日益增加。以色列利用ORC系統針對水泥、鋼鐵等工業生產過程中產生的150～350℃低溫煙氣進行余熱發電，該技術被美國、日本、俄羅斯等國家引進。目前，在水泥工業純低溫余熱發電領域中，針對350℃左右煙氣主要采用氣水發電機組，本文主要討論在該領域中采用ORC系統的應用方式及適用性。

2　ORC原理及特點

ORC即采用有機工質作為熱力循環的工質與中低溫余熱換熱，工質吸熱后產生高壓蒸氣，推動透平帶動發電機發電（見圖1）。由于有機工質一般具有低沸點特性，因此能夠實現溫度范圍在80℃以上的熱水和150℃以上的煙氣的余熱回收和發電。

ORC系統特點如下：

圖1　ORC系統圖

（1）目前成熟商用ORC機組，要求熱源形式為液相流體，因此，以水泥窯余熱煙氣為例，需要通過中間換熱器將煙氣形式熱源轉換為熱水或熱油，然后進入ORC機組被利用。

（2）ORC系統自用電率較高約15%～20%，油泵、工質泵及循環冷卻水泵三者電耗分別占系統發電量的5%～7%。

（3）由于沒有類似氣水朗肯循環的射水抽氣設備，透平排汽壓力大于環境壓力，循環終參數較高，根據熱源品位不同系統效率通常為3%～20%。

表1　商用ORC機組系列

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3　成熟ORC機組分析

針對目前成熟應用的商業ORC機組主要參數指標進行分析，由表1數據可知：

（1）目前成熟商用ORC機組，要求熱源形式必須為液相流體，一般采用導熱油。

（2）隨著蒸發器出口油溫的降低，系統效率逐漸降低。

（3）以“TD 12 HRS”機組為例，蒸發器設計進/出口油溫為305℃/ 206℃。雖然機組效率高達24.7%，但對于中間換熱器，導熱油進口溫度為206℃時，煙氣出口溫度至少達到250℃以上才能滿足系統要求（導熱油傳熱性能比水較差，必須保證40℃以上傳熱溫差）。由此分析，若以水泥窯余熱煙氣為熱源，僅能利用溫降100℃左右的熱量，整體發電性能較差。

綜上所述，余熱發電系統不能僅考慮發電效率，應綜合考慮余熱利用率等因素選擇最佳的系統配置方案。

4　ORC系統在水泥工業余熱利用中的分析

4.1在現有水泥余熱發電系統基礎上增設ORC系統

在現有水泥窯余熱發電系統基礎上對尚未回收的150℃左右的余熱煙氣（如窯尾電收塵器入口）進一步深度利用。

以目前水泥窯余熱發電為例，主要針對窯頭冷卻機中部取風350～360℃及窯尾取風330℃等中溫煙氣，采用以水為工質的汽輪機發電機組，而生產過程中依然存在150～160℃低溫煙氣尚未被利用，若采用有機工質汽輪機朗肯循環系統則可在現有基礎上進一步提高系統發電量。

余熱資源：

窯頭：余熱鍋爐出口、窯頭收塵器入口煙氣溫度較低（100℃左右）且波動較大，不適宜作為ORC熱源。

圖2　ORC系統應用方案

圖3　ORC系統應用方案

表2　ORC與單壓系統發電量對比

表3　ORC余熱發電系統主要參數

窯尾：根據生料磨形式，窯尾收塵器入口溫度不同，產能5 000t/d輥磨水泥生產線，窯尾收塵器前多為100～150℃左右；產能2 500t/d球磨水泥生產線，窯尾收塵器前溫度較高，可達200℃左右。若水泥生產線位于南方多雨潮濕地區，烘干生料煙氣用量更多，甚至不足，則窯尾收塵器前煙氣溫度更低。

因此，當窯尾收塵器前溫度達到150℃左右時，適宜在現有水泥余熱發電系統基礎上增設ORC機組，根據生產規模經理論計算，2 500～5 000t/d水泥生產線余熱發電可新增發電量250～350kW。

4.2水泥余熱發電系統全部采用ORC

4.2.1理論計算分析

利用窯頭窯尾余熱煙氣，采用帶有預熱器的ORC機組進行發電，系統如圖3所示。

采用上述ORC系統，根據實際工程煙氣數據，進行理論發電量計算，見表3。

綜上所述，水泥窯余熱煙氣全部采用ORC系統，發電能力均低于相同條件下現有單壓氣水朗肯循環發電系統，普遍相差500～1 000kW。

4.2.2實際工程分析

以色列ORMAT是全球開展最早、市場份額最大的從事ORC系統工程應用的企業，適用熱源溫度150～300℃，裝機容量200kW～70MW，主要應用于工業余熱回收及地熱發電。

ORMAT德國海德堡水泥ORC余熱發電項目，熱源及系統如圖4、5所示。

針對上述余熱煙氣，采用篦冷機中部取風，常規氣水朗肯循環，系統凈發電效率19%～20%，總發電量1 800～2 000kW，高于目前采用的ORC系統。

圖4　余熱資源

圖5　ORC余熱發電方案

5　結論

（1）當窯尾收塵器前溫度達到150℃左右時，適宜在現有水泥余熱發電系統基礎上增設ORC機組，根據生產規模經理論計算，2 500～5 000t/d水泥生產線余熱發電可新增發電量250～350kW。

（2）利用窯頭窯尾余熱煙氣，以ORC系統取代目前常規余熱發電系統，發電能力均低于相同條件下現有單壓氣水朗肯循環發電系統，普遍相差500～1 000kW。

（3）以水泥窯為代表的300℃以上余熱不適用ORC系統，相比更適用目前常規的氣水朗肯循環系統。

Application of ORC System on Waste Heat Utilization in Cement Industry

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2014-10-29；編輯：趙蓮