余熱發電在工業余熱回收中應用的淺談

譚芳 范雯婧 樊波

摘 要：隨著我國經濟的日益增長，能源消耗量在不斷增加，但同時國家也在積極研究如何更加充分和高效地進行能源利用，以提高能源利用率，減少資源浪費和降低環境污染。工業余熱發電便是工業領域當中拓寬能源利用途徑，降低污染物排放的重要方式，擁有者廣闊的前景。因此，文章就低溫余熱發電展開相關探討，以供參考。

關鍵詞：工業余熱；余熱發電；應用分析

改革開放后，我國的經濟逐漸復蘇并得到快速崛起，這也提升了能源的社會需求量，在經濟發展中，由于能源的相對短缺，燃料價格起伏波動，加之在能源利用率方面還不高，造成能源極大浪費。我國的工業窯爐及鍋爐多屬于經濟發展早期建設產物，在設計方面存在一些不足，運行過程中大量高溫煙氣被浪費掉，而這部分煙氣熱能大約占到鍋爐熱損的80%以上，不僅極大的浪費了熱能，也給環境造成了極大的污染。因此，考慮如何將這部分煙氣余熱回收利用成為當前工業領域節能減排的重要方向，而在無法避免產生工業余熱的情況下，利用余熱進行發電便是一種煙氣熱能利用極佳的方式。

1 余熱發電現狀

工業余熱是工業生產過程中所產生的剩余熱量，我國工業能耗在能源總量當中占到七成左右，而工業能耗的六成左右都將轉化為載體和溫度不同的工業余熱。其中包含低品位煙氣、蒸汽以及熱水等，回收和利用工業余熱既能夠減輕我國當前經濟發展所遇到的能源問題，同時對于環境污染情況也起到了一定的抑制作用，可以說，余熱回收利用意義顯著。

余熱發電包含水蒸氣朗肯循環發電與有機朗肯循環發電，而這兩中發電方式的最主要區別就在于前者的工質為水，當水在余熱鍋爐內吸熱后變為水蒸氣，再進入到汽輪機進行發電；而后者則是利用低沸點的有機工質吸收余熱進入到透平膨脹機或者螺桿膨脹機進行做功，從而完成發電。從功能轉換的情況來看，高溫熱源能夠產生高溫高壓水蒸汽，水蒸氣朗肯循環適合中高溫余熱發電，而中低溫余熱則適合采用有機朗肯循環進行余熱發電。

2 有機朗肯循環原理

有機朗肯循環發電常被有效利用于地熱能、太陽能、工業余熱等溫度低于300℃的低品位熱源。有機朗肯循環，即在傳統水蒸氣朗肯循環中采用有機工質（如R245fa、R134a等）代替水蒸氣推動透平膨脹機或螺桿膨脹機做功，由于有機工質的沸點低，易形成高壓蒸汽，而冷凝壓力接近或稍大于大氣壓力，系統運行壓力小，且其冷凝溫度較低，可最大限度地將低品位熱源的熱量轉化為電能，提高了能量利用率。有機工質經過泵增壓后進入蒸發器吸收低品位熱源熱量轉變為高溫高壓蒸汽；之后進入膨脹機做功發電，做功后的低溫過熱蒸汽進入冷凝器凝結為液態，隨后進入泵，如此往復循環。有機朗肯循環系統具有效率高、適應性強、小型便等特點，在回收低溫余熱方面具有較大的優勢，因為有機朗肯循環發電系統的最大特點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域。這種發電方式的設備通常可以制作為撬裝一體化設備，配帶觸摸屏操作控制系統，設備操作簡單、方便；但是設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域；特別是已經有工業低溫、低壓蒸汽放散時，采用這種方式進行回收，效果較好。可適用于工業設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、煤氣發生爐的夾套蒸汽、鍋爐連排水、部分透平機、螺桿機排出的廢熱蒸汽等工況。

3 應用案例

浙江紹興某集團將煤氣發生爐余熱用于發電，爐膛出口的煤氣分為上下兩段，下段煤氣先經過急冷器，在急冷器進行一次冷卻，冷卻后的下段煤氣與上段煤氣混合，進入間冷器進行二次冷卻。下段煤氣為高溫熱源，其溫度約為570℃，流量約為2500m3/h。該煤氣發生爐每天24小時連續運行，每年正常運行7200小時以上。下段煤氣在急冷器內將熱量傳給冷卻水，造成熱量浪費。該項目通過余熱鍋爐將下段煤氣在急冷器內釋放的熱量回收，產生高溫高壓水蒸氣，通過傳統的水蒸氣朗肯循環進行余熱發電；另外，煤氣發生爐的低溫夾套蒸氣為低溫熱源，其溫度約為130℃，流量約為2.5t/h，通過有機朗肯循環可將此熱量進行回收。通過將以上兩種發電技術聯合應用，可將熱源熱量全部回收，使余熱利用最大化。經分析，總凈發電量約為每小時540kWh，年發電量為3.9×106kWh；電價按0.63元/kWh計算，發電收益為245.7萬元/a。而通過以上改造可將急冷器取消，由此可減少冷卻水泵電耗收益約81.65萬元/a，總經濟效益為327.35萬元/a。該項目利用煤氣發生爐余熱進行發電，發電量可供該集團生產工藝使用，提高能源利用效率的同時，減少環境污染，經濟效益及社會效益顯著。

我國有著豐富的熱能資源，有著大量的中低溫熱源，余熱發電尤其是在低溫余熱發電方面將成為我國工業領域節能減排的重要途徑，應用前景十分廣闊。工業低溫余熱發電由于余熱的不確定性，在勘察設計階段，對于生產工藝以及能源狀況的研究和測試非常關鍵，因而須認真開展此階段工作以便于準確獲悉熱源參數，提高余熱發電效率。

參考文獻

[1]董勝明.工業余熱ORC發電系統應用研究[D].天津大學，2014.

[2]陳林根，孟凡凱，孫豐瑞，等.鋼鐵工業余熱回收新技術——熱電發電[A].中國高等教育學會工程熱物理專業委員會.高等學校工程熱物理第十九屆全國學術會議論文集[C].2013：10

（作者單位：1.杭州杭鍋工業鍋爐有限公司；2.中國新型建材設計研究院）