有機朗肯循環在干熄焦技術中的應用

陸昆鵬 孫漢文 王珈樂 王行政

(山東科技大學， 山東 青島 266000)

有機朗肯循環在干熄焦技術中的應用

陸昆鵬 孫漢文 王珈樂 王行政

(山東科技大學， 山東 青島 266000)

工業生產中的余熱源主要來自鋼鐵工業、煉焦工業、水泥工業等地方。通過合理的方式回收和利用工業余熱，對于提高能源的綜合利用率具有重要的意義。本文主要介紹利用有機朗肯循環實現對干熄焦工藝中鍋爐回水的余熱回收與利用，以期為同行業提供借鑒。

有機朗肯循環；余熱；干熄焦技術

我國的能源供應量以每年3%-5%的速度增長，為解決能源短缺問題，主要從開源和節流方面入手，增加能源的產量并且充分考慮低品位熱能的利用，通過合理的方式回收和利用工業余熱，提高能源的綜合利用率。合理回收利用余熱的基本原則是“溫度對口，梯級利用”。本文主要探討利用有機朗肯循環實現對干熄焦工藝中鍋爐回水的余熱回收與利用[1，2]。

1 干熄焦技術

干熄焦發電項目的主體設備包括汽輪機、發電機和鍋爐系統等，將傳統煉焦生產工藝中焦炭的顯熱轉化成電能。

如圖1所示，具體流程：焦爐推焦車將1000℃左右的紅焦裝入焦罐，在干熄焦爐內自上而下與爐底部180℃的惰性循環氣體(氮氣)接觸換熱，冷卻至250℃以下經排焦裝置排出。氮氣經換熱后溫度升至800℃左右進入鍋爐，與爐水再次進行換熱，溫度降至180℃以下，由循環風機送回。除鹽水進入余熱鍋爐生成高溫蒸汽，推動汽輪機組發電。汽輪機排出的200℃乏汽經過冷凝器冷凝到130℃后，循環使用[3，4]。

2 有機朗肯循環發電技術

朗肯循環通常以水為介質，但是由于低品位熱源的溫度都相對較低，所以選擇R245fa作為其工作介質，組成有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle，簡稱ORC)。該循環主要包括四個熱力過程：①等熵壓縮。工作介質在工質泵中進行等熵壓縮；②等壓加熱。壓縮后的工質進入蒸發器中等壓加熱得到高溫高壓氣體；③等熵膨脹。高溫高壓氣體進入膨脹機做功，帶動發電機發電；④等壓冷凝。膨脹后的乏汽進入冷凝器中釋放熱量變為液態[5，6]。

3 有機朗肯循環聯合干熄焦技術

3.1 聯合干熄焦技術的運行參數

干熄焦技術中汽輪機排出的200℃左右的乏汽直接冷凝器冷凝到130℃，造成了巨大的能源浪費；而有機朗肯循環蒸發階段需要200℃左右的熱源供熱。所以，冷凝器與蒸發器進行重新設計，使兩個系統有機的結合在一起，如圖3所示。以年產100萬噸的焦化廠為例，其系統運行參數見表1。

圖1 干熄焦技術工作原理圖

圖2 有機朗肯循環工作原理圖

表1 干熄焦發電技術運行參數[7]

圖3 帶有有機朗肯循環的干熄焦技術工作原理

3.2 聯合干熄焦技術的經濟效益分析

以年產100萬噸的焦化廠為例，采用聯合干熄焦技術，每年會給企業帶來巨大的效益，包括：環保效益、節能效益和經濟效益等等。

(1)環保效益

聯合干熄焦技術采用氮氣在密閉爐內循環以對紅焦進行緩慢冷卻，避免傳統濕法熄焦以及低水分熄焦過程中酚、氰化合物、硫化合物等有害物質的產生，以及減少對周圍環境的腐蝕和大氣的污染；同時利用ORC工質R245fa對汽輪機的廢氣進行冷卻，減少了冷卻水的用量，減少熱島效應。

(2)經濟效益

聯合干熄焦技術的配套發電機組的總輸出功率為19MW。年累計發電8760h，平均負荷15000kW，電價按0.6元/kW·h計算，則其發電效益大約為7500萬元[7]。

聯合干熄焦技術在給企業帶來直接經濟效益的同時，也帶來了巨大的間接經濟效益。干法熄焦過程是在循環氣體換熱的過程中緩慢而均勻進行的，得到的焦炭機械強度、耐磨性、反應后強度均有明顯提高，反應性降低。同時，焦炭得到了整粒作用，提高了焦塊的均勻性。

4 結語

通過對干熄焦技術中余熱鍋爐的乏汽參數進行分析，將有機朗肯循環合理的應用到干熄焦技術中，這對于干熄焦技術的發展以及工業余熱回收的應用具有重要意義。

[1]低品位熱能轉換過程及利用-有機物工質發電及制冷[M].上海：上海交通大學出版社.2014.

[2]低品位熱能利用技術[M].北京：化學工業出版社.2011.

[3]李云峰，董建山.干熄焦余熱發電技術分析[J].煤炭與化工，2013,36(2):110- 111.

[4]程竹靜，郁鴻凌，李國俊，李幼幼，惠建明，瞿永康.高壓自然循環干熄焦余熱鍋爐熱力特性研究[J].工業鍋爐，2006,5:8-11.

[5]李恒凡，趙豫晉，韓中合.有機朗肯循環煙氣余熱工質選擇[J].熱力發電，2016,45(8):20-25.

[6]翟慧星，安青松，史琳.有機朗肯循環回收水泥工業余熱的研究[J].中國科技論文，2016,11(11):1201-1205.

[7]孟瑋，高連生，向劍，易正明.干熄焦發電技術在水鋼的應用與研究[J].冶金動力，2015,6:67-71.

陸昆鵬(1991- )，男，漢族，山東平度人，山東科技大學機械電子工工程學院2015級碩士研究生。