有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在尿素裝置中的應(yīng)用

孫宏新，李　平，吳發(fā)洪

(寧波開山際源節(jié)能科技有限公司　浙江衢州　324000)

在尿素生產(chǎn)裝置中，無論采用何種工藝流程，都有大量的反應(yīng)熱，這就產(chǎn)生了很多熱源。雖然這些反應(yīng)熱可以實行不同程度的梯級利用，但隨著節(jié)能技術(shù)的不斷開發(fā)，仍有節(jié)能空間。根據(jù)有機朗肯循環(huán)的技術(shù)特性和應(yīng)用現(xiàn)狀并結(jié)合尿素生產(chǎn)的特點，提出將有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于尿素生產(chǎn)裝置中，初步估算噸尿素可節(jié)電40～60 kW·h。

1　有機朗肯循環(huán)原理

1.1　有機朗肯循環(huán)介紹

有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，簡稱ORC)是以低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由換熱器、膨脹機組、冷凝器和工質(zhì)泵四大部分組成。有機工質(zhì)在換熱器內(nèi)從余熱流中吸收熱量并生成具一定壓力和溫度的蒸氣，蒸氣進入膨脹機膨脹做功，從而帶動發(fā)電機或拖動其他動力機械；從膨脹機排出的蒸氣在凝汽器中向冷卻水放熱并凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新返回換熱器中，實現(xiàn)一個閉路循環(huán)。

1.2　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站工作過程

ORC是一種被認為能有效利用低溫熱能的技術(shù)，已在包括工質(zhì)、膨脹機、換熱器、系統(tǒng)的優(yōu)化等方面進行了大量的研究，但由于各方面的原因而一直處于試驗階段，沒有取得實質(zhì)性的突破。目前，利用ORC技術(shù)回收低溫熱能發(fā)電并實現(xiàn)商業(yè)化運行的只有浙江開山集團研發(fā)的ORC型螺桿膨脹發(fā)電站，已在美國新墨西哥州地熱回收項目中實現(xiàn)了商業(yè)化運行，采用的有機工質(zhì)為R245fa(一種無色透明易流動液體，具有揮發(fā)性，低沸點物質(zhì)，在常溫常壓下穩(wěn)定，用作制冷劑時的代號為R245fa)，包括3個過程(圖1)。

圖1　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站循環(huán)示意

(1) 換熱過程：蒸發(fā)器接受熱源(熱水、熱油等溫度高于80 ℃的熱流體)的熱量，將蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)R245fa工質(zhì)加熱成高溫高壓的R245fa工質(zhì)蒸氣。

(2) 做功過程：高溫高壓的R245fa工質(zhì)蒸氣進入螺桿膨脹機推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，同時降溫降壓，R245fa工質(zhì)蒸氣從膨脹機排出后進入油分離器分離潤滑油。

(3) 凝氣過程：低溫低壓的R245fa工質(zhì)蒸氣進入冷凝器冷凝成液體工質(zhì)，液體R245fa工質(zhì)被工質(zhì)泵升壓后送入蒸發(fā)器，完成一輪循環(huán)。

在ORC循環(huán)中，R245fa工質(zhì)的作用是將熱源的熱量提取出來，將溫度轉(zhuǎn)化為壓力，從而實現(xiàn)低溫熱源的動力輸出。因為無壓力或低壓力的熱源無法利用其他方法實現(xiàn)熱工轉(zhuǎn)換，ORC型螺桿膨脹機是唯一的選擇。ORC型螺桿膨脹發(fā)電站機組標準配置示意如圖2所示。

ORC型螺桿膨脹發(fā)電站主要由蒸發(fā)器(含預熱器)、蒸發(fā)式冷凝器、螺桿膨脹機、工質(zhì)泵、發(fā)電機、潤滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和其他附屬配套設(shè)備組成。

1.3　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站控制系統(tǒng)

ORC型螺桿膨脹發(fā)電站采用PLC自動控制，可手控，可無人值守。正常運行時，PLC控制快關(guān)閥、進氣閥、排氣閥均打開，旁通閥關(guān)閉(或微啟)，發(fā)電站發(fā)電輸出經(jīng)并網(wǎng)柜送入用戶電網(wǎng)。發(fā)電站正常停機或遇緊急停機時，發(fā)電站自動從電網(wǎng)解列，快關(guān)閥自動關(guān)閉，同時旁通閥自動打開。機組設(shè)有溫度、壓力、振動、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、頻率等全方位監(jiān)測保護，運行數(shù)據(jù)自動記錄并可追溯，遇異常情況有相應(yīng)的自保護功能。ORC型螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)控制示意見圖3。

發(fā)電機的安全保護包括過負荷保護、速斷保護、過電壓保護、并網(wǎng)后欠電壓保護、并網(wǎng)后高頻保護、并網(wǎng)后低頻保護及逆功率保護。

2　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站的特點

(1) 熱源適應(yīng)范圍廣：對熱源要求不高，飽和蒸汽、汽水混合物、熱水(80 ℃以上)、其他熱流體均可以利用，是純粹的廢熱利用。

(2) 變工況能力優(yōu)越：在熱源負荷大幅波動(10%～120%范圍)的情況下，仍可以穩(wěn)定運行。

(3) 精準控溫，穩(wěn)定性強：利用換熱器對流換熱，可以精確控制熱源出口溫度；如遇突發(fā)狀況，如裝置異常、動力機故障等，發(fā)電機組安全保護系統(tǒng)能自動與原工藝斷開，恢復原工藝冷卻方式，保證工藝裝置的正常運行；發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)自動分閘，確保電網(wǎng)和發(fā)電機的安全。

(4) 余熱利用率高：針對ORC運行條件專門開發(fā)的ORC型螺桿膨脹機，等熵效率可達85%～88%，直接將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，可利用面廣泛。

(5) 可無人值守：ORC型螺桿膨脹發(fā)電站配備了完善的PLC自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)無人值守、一鍵啟停、遠程監(jiān)控，運行成本低。

圖2　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站機組標準配置示意

圖3　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)控制示意

3　有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在尿素裝置中的應(yīng)用

3.1　軟水循環(huán)系統(tǒng)的利用

水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝中的一吸塔外冷器使用閉路循環(huán)的軟水吸收部分甲銨液反應(yīng)熱，一般上水溫度在85 ℃左右，回水溫度在105 ℃左右，此部分熱能有的企業(yè)采用溴化鋰技術(shù)回收，有的企業(yè)直接采用二次利用的循環(huán)水帶走熱量，均存在能量直接利用率不高的問題。對某些冷量需求不大的企業(yè)來說，冬季溴化鋰裝置基本上無法投運。有機朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能或直接拖動設(shè)備，能量利用率高、利用面廣；工質(zhì)與熱源之間采用間接對流傳熱的方式，精準控制溫度；熱源變化對機組沒有任何影響，機組可在熱源波動10%～120%范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。目前按熱源溫度105 ℃、流量400 t/h、年平均氣溫20 ℃、年運行8 000 h、電價0.65元/(kW·h)計，利用有機朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機組出水溫度85 ℃，除去自耗電，小時凈發(fā)電量達780 kW·h(噸水發(fā)電量1.95 kW·h)，年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益405萬元左右。

汽提法尿素生產(chǎn)工藝中的高調(diào)水系統(tǒng)，其上水溫度一般在110 ℃左右，回水溫度在130 ℃左右。按機組進水溫度130 ℃、流量400 t/h、年平均氣溫20 ℃、年運行8 000 h、電價0.65元/(kW·h)計，利用有機朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機組出水溫度110 ℃，除去自耗電，小時凈發(fā)電量達900 kW·h(噸水發(fā)電量2.25 kW·h)，年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益468萬元左右。

3.2　低壓富裕蒸汽的利用

汽提法尿素生產(chǎn)過程中需要使用大量的蒸汽，噸尿素耗蒸汽約900 kg，這些蒸汽經(jīng)梯級利用后，噸尿素將富裕0.3 MPa低壓蒸汽約300 kg。對于300 kt/a尿素裝置，每小時可以富裕輸出0.3 MPa低壓蒸汽11 t，利用有機朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機組出水溫度在68 ℃，除去自耗電，小時凈發(fā)電量可以達到1 150 kW·h(噸蒸汽發(fā)電量104.5 kW·h)，年可創(chuàng)造效益598萬元左右。

3.3　水解殘液的利用

生產(chǎn)1 t尿素會產(chǎn)生300 kg水，這部分水含NH3和尿素質(zhì)量分數(shù)分別為4%～5%和1%～3%，目前通常采用深度水解技術(shù)回收其中的NH3和尿素，即在水解塔內(nèi)通入2.3～2.5 MPa蒸汽，使殘液中的尿素水解成NH3和CO2并在塔頂冷卻器中被回收，塔底形成達到排放標準的冷凝液。

水解塔塔頂冷凝器通過軟水冷卻系統(tǒng)來降溫，軟水溫度一般控制在70～90 ℃(溫度高不利于冷卻吸收，而溫度太低甲銨液會結(jié)晶)。按熱源溫度90 ℃、流量400 t/h、年平均氣溫20 ℃、年運行8 000 h、電價0.65元/(kW·h)計，利用有機朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機組出水溫度72 ℃，除去自耗電，小時凈發(fā)電量可達380 kW·h(噸水發(fā)電量0.95 kW·h)，年可創(chuàng)造效益約197萬元。

水解塔底部排放的殘液也可利用有機朗肯循環(huán)技術(shù)回收熱能，但各裝置水解殘液利用程度不同，發(fā)電量需根據(jù)殘液溫度及流量進行計算。

4　有機朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)應(yīng)用情況

到目前為止，有機朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)已在國內(nèi)外投運幾十套，全部由浙江開山集團生產(chǎn)制造，其中國內(nèi)部分應(yīng)用情況如表1所示。

表1國內(nèi)有機朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)部分應(yīng)用情況

項 目熱源條件總裝機功率/kW年發(fā)電效益/萬元年節(jié)約標準煤/t年減少碳排放量/t 中石化海南煉化有限公司芳烴一期熱水ORC螺桿膨脹發(fā)電站熱水200 t/h,上水118 ℃,回水70 ℃1 340519.122 596.06 167.14 山東永鑫能源集團熱水ORC螺桿膨脹發(fā)電站熱水420 t/h,上水100 ℃,回水70 ℃2 020756.563 782.88 987.93 燕山石化SZorb工藝ORC螺桿膨脹發(fā)電站熱汽油125 t/h,來油135 ℃,回油70 ℃900294.561 472.83 499.37 安徽昊源化工集團有限公司ORC螺桿膨脹發(fā)電站飽和蒸汽,0.108 MPa(絕壓),6.5 t/h,101 ℃500280.001 400.03 326.40 天津天豐鋼鐵有限公司蒸汽和有機朗肯循環(huán)的串級循環(huán)飽和蒸汽,0.4 MPa(絕壓),12 t/h,143 ℃1 420900.803 153.07 491.00