陶瓷窯爐排煙余熱驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)性能分析

張任平，劉 江

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

陶瓷窯爐排煙余熱屬于有壓性余熱的中低溫?zé)嵩矗壳暗睦寐嗜暂^低。很大一部分陶瓷企業(yè)沒有良好的節(jié)能意識(shí)，導(dǎo)致煙氣余熱沒有得到很好的利用。陶瓷燒成過程中所用的窯爐排煙熱損失占窯爐總輸入熱量的百分之二十五到百分之三十五，而國際上頂尖水平最多也只能回收百分之十五。由于國人的節(jié)能環(huán)保意識(shí)和技術(shù)的原因，使得我國陶瓷窯爐煙氣余熱利用率與國際頂尖水平還有較大差距[1]。因此，合理利用陶瓷窯爐排煙余熱對提高陶瓷窯爐熱效率起著非常關(guān)鍵的作用。

當(dāng)前對于陶瓷窯爐煙氣余熱的利用主要集中在預(yù)熱空氣和干燥坯體[2-4]。而從能量的綜合梯級(jí)利用的角度考慮，高品位的能量直接利用其熱量會(huì)帶來較大的 火用 損失，有機(jī)朗肯循環(huán)可以直接利用煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了能量梯級(jí)高效利用。劉等[5]對400 ℃的煙氣高溫?zé)嵩矗容^R134a和R245fa兩種工質(zhì)，分析表明R134a在低溫段優(yōu)于R245fa，而R245fa在高溫段更優(yōu)。張等[6]分析了10種不同工質(zhì)在亞臨界狀態(tài)下最大做功能力和?效率的大小，發(fā)現(xiàn)每種工質(zhì)都存在著可以使得循環(huán)凈輸出功最大化的最佳蒸發(fā)溫度。然而工質(zhì)的臨界溫度越高，所對應(yīng)的最佳蒸發(fā)溫度也越高。王[7]以重型柴油機(jī)的余熱利用為研究對象，分析得出R123用于內(nèi)燃機(jī)的煙氣余熱回收具有最大的經(jīng)濟(jì)效益和最高的效率。張[8]依據(jù)試驗(yàn)總結(jié)得出影響有機(jī)朗肯循環(huán)中工質(zhì)選擇的決定性因素，對于100 ℃左右的熱源，可以用R141和R245fa兩種候選工質(zhì)作為熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)。馮[9]研究提出了對于添加中間換熱器回?zé)嵫h(huán)，使用混合工質(zhì)能夠擴(kuò)大工質(zhì)的選擇范圍，減少蒸發(fā)器的不可逆損失，但是混合工質(zhì)對于抽氣系統(tǒng)不適合。Muhammad等[10]研究了低溫地?zé)釤嵩吹挠袡C(jī)朗肯循環(huán)，認(rèn)為采用R245fa工質(zhì)具有最高的?效率。劉等[11]對于426．15 K的低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的跨臨界有機(jī)朗肯循環(huán)，選取R134a、R227ea、R1234ze、R3110、R318、R236fa 六種工質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算，比較得出R134a性能最佳。石等[12]通過實(shí)驗(yàn)對有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行參數(shù)敏感性研究，選用了R123，R113，異戊烷，R235fa，R141b五種工質(zhì)，研究蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫差和過熱度四項(xiàng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。Arash等[13]分析了分別使用有機(jī)朗肯循環(huán)和kalina循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，認(rèn)為有機(jī)朗肯循環(huán)對于此循環(huán)的優(yōu)勢更大。Sun等[14]研究了基于R113工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)能量綜合利用系統(tǒng)，分析得出了適用于循環(huán)系統(tǒng)的溫度范圍。

綜上所述，盡管對于有機(jī)朗肯循環(huán)的研究已有一定數(shù)量的報(bào)道，但針對陶瓷窯爐煙氣余熱驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)仍然缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。本文選用某陶瓷企業(yè)267米的釉面磚素?zé)伒栏G的煙氣為熱源，熱源溫度150 ℃左右，通過EES軟件對其循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，研究R113,R123,R11,R141b,R600,R245fa六種工質(zhì)，并基于熱力學(xué)第一定律分析各種有機(jī)工質(zhì)循環(huán)凈功量、熱效率、耗氣率和功比。

1 有機(jī)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)

有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)一般為沸點(diǎn)相對較低的制冷劑，通過工質(zhì)的狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。有機(jī)朗肯循環(huán)的的驅(qū)動(dòng)熱源為低品味的余熱或廢熱，溫度較低，正好有機(jī)工質(zhì)的沸點(diǎn)也較低，這樣實(shí)現(xiàn)了熱源和工質(zhì)的匹配。有機(jī)工質(zhì)熱功轉(zhuǎn)換循環(huán)與傳統(tǒng)的水蒸汽為工質(zhì)的朗肯循環(huán)原理基本相同，但由于驅(qū)動(dòng)熱源的溫度較低，系統(tǒng)相對較為簡單緊湊。有機(jī)朗肯循環(huán)可以高效利用低品位的能源，發(fā)電過程中不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體、氮氧化物和硫化物，對環(huán)境基本沒有污染。由于燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，故而循環(huán)動(dòng)力裝置可利用各種燃料，如煤、柴油、甚至可燃垃圾。有機(jī)朗肯循環(huán)廣泛應(yīng)用于中低溫太陽能熱驅(qū)動(dòng)發(fā)電、工業(yè)余熱廢熱發(fā)電、海洋潮汐能發(fā)電、地下熱能發(fā)電和農(nóng)林廢棄物發(fā)電。

簡單有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由給水泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)和冷凝器四個(gè)部分構(gòu)成，從膨脹機(jī)膨脹做功后的乏氣流入冷凝器冷凝變成液體，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)泵送到蒸發(fā)器，吸熱氣化為飽和蒸氣或過熱蒸氣，該蒸氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，隨后進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中與冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱量交換后變成液態(tài)工質(zhì)，最后再由泵輸送至蒸發(fā)器，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)流程示意圖Fig.1 The flow chart of organic rankine cycle

2 循環(huán)熱力學(xué)分析

研究的有機(jī)朗肯循環(huán)驅(qū)動(dòng)熱源為某陶瓷企業(yè)一條267米長釉面磚素?zé)伒栏G排煙余熱。通過分析整理測量數(shù)據(jù)，得到熱力學(xué)分析所需參數(shù)如表1所示。

為了確定循環(huán)系統(tǒng)的最佳工質(zhì)，需要分析不同有機(jī)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的性能。一般來說循環(huán)的工作條件會(huì)影響系統(tǒng)的性能，所以需要在相同的工況下進(jìn)行比較。有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)時(shí)處在飽和蒸氣狀態(tài)，不考慮過熱對循環(huán)性能的影響。考慮到計(jì)算方便，計(jì)算過程基于以下假設(shè)：

(1)忽略有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)各部分的散熱損失；

表1 計(jì)算項(xiàng)目及條件Tab.1 The computational item and condition

(2)工質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)的各設(shè)備中流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；

(3)膨脹機(jī)和泵的等熵效率均為定值；

(4)冷凝器的出口工質(zhì)為飽和液體，蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸氣。

膨脹機(jī)膨脹功可以表示為：

乏汽向冷卻水放出的熱量：

水泵消耗功：

從熱源吸收的熱量：

循環(huán)凈功：

循環(huán)熱效率等于系統(tǒng)凈輸出功量與系統(tǒng)吸熱量之間的比，它是基于熱力學(xué)第一定律的一項(xiàng)重要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其表達(dá)式為：

耗氣率在蒸氣動(dòng)力裝置中表示做功量與蒸氣量的比值，其表達(dá)式為：

功比為膨脹機(jī)的膨脹功扣除水泵所耗功與膨脹機(jī)所做功的比值，可表示為：

圖2 工質(zhì)循環(huán)過程T-s圖Fig.2 T-s diagram for the cycle of working medium

3 結(jié)果分析與討論

評(píng)價(jià)一個(gè)熱力系統(tǒng)的熱力性能，一般以熱力學(xué)的基本定律為分析基礎(chǔ)。熱力學(xué)第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律應(yīng)用于熱力學(xué)分析所依據(jù)的基本規(guī)律。能量在進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，總量保持不變。在有機(jī)朗肯循環(huán)的分析過程中，熱量的傳遞和熱量與功量的轉(zhuǎn)換滿足能量守恒。

圖3給出了六種所選工質(zhì)的蒸發(fā)壓力隨蒸發(fā)溫度的變化情況，表2列出了六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度110 ℃和145 ℃時(shí)的蒸發(fā)壓力。分析圖3可以得到，蒸發(fā)壓力隨著蒸發(fā)溫度的升高而增加。從表2可以看出，六種工質(zhì)當(dāng)蒸發(fā)溫度保持相同時(shí)，工質(zhì)的壓力排序?yàn)镽600 ＞ R245fa ＞ R11 ＞ R123 ＞ R141b ＞ R113。可以知道R113蒸發(fā)壓力最小， R600蒸發(fā)壓力最大，蒸發(fā)壓力與設(shè)備所承受的機(jī)械壓力相關(guān)聯(lián)，壓力越高設(shè)備所需承受的壓力越大，無形中增加設(shè)備成本。因此從設(shè)備經(jīng)濟(jì)性和安全性進(jìn)行考慮，相同蒸發(fā)溫度下優(yōu)選工質(zhì)在該溫度下飽和壓力低的制冷循環(huán)工質(zhì)。

有機(jī)朗肯循環(huán)在實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程中，泵要消耗一部分功量。計(jì)算工質(zhì)的凈功量需要扣除泵消耗的功。圖4給出了不同蒸發(fā)溫度下六種工質(zhì)的單位工質(zhì)凈功量，隨著溫度的增加，循環(huán)功量呈現(xiàn)增加的趨勢。表3給出了六種工質(zhì)在溫度110 ℃和145 ℃的循環(huán)凈功量。膨脹機(jī)焓降隨蒸發(fā)溫度升高而增大，單位工質(zhì)所獲得凈功量相應(yīng)也得到增加。蒸發(fā)溫度保持不變時(shí)，六種工質(zhì)凈功量的排序?yàn)椋篟600 ＞ R141b ＞ R245fa ＞ R11 ＞ R123 ＞ R113, 其中R600的凈功量最高，而R113的凈功量為最低。

圖5給出了6種工質(zhì)熱效率隨蒸發(fā)溫度變化情況，循環(huán)系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度的增大而增大。蒸發(fā)溫度的升高使得焓降相應(yīng)增加，膨脹功增大。而同時(shí)工質(zhì)在整個(gè)過程中吸收的熱量也在增加，但凈功量增加的幅度更大，使得熱效率得到提高。蒸發(fā)溫度保持定值，熱效率的排序?yàn)镽11 ＞ R141b＞ R123 ＞ R113 ＞ R600 ＞ R245fa。R11的熱效率最高，R245fa作為工質(zhì)時(shí)熱效率最低。表4給出了六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度分別為110 ℃和145 ℃的工況下熱效率的值。相同蒸發(fā)溫度工況下各種工質(zhì)的熱效率相差不大，例如蒸發(fā)溫度110 ℃的工況下的熱效率最大減去最小值為0．0172；在蒸發(fā)溫度為145 ℃時(shí)，最大和最小的熱效率僅相差0．0184。由此可知，蒸發(fā)溫度增大，六種工質(zhì)最大與最小熱效率之差相應(yīng)增加。

圖3 不同工質(zhì)蒸發(fā)壓力隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.3 The evaporating pressure of different evaporating temperature for different working medium

圖4 六種工質(zhì)的凈功量隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.4 The net work of six working mediums for different evaporating temperature

圖5 六種工質(zhì)的循環(huán)熱效率隨蒸發(fā)溫度下的變化Fig.5 The cycle heat efficiency of six working medium fordifferent evaporating temperature

表2 六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為110 ℃和145 ℃時(shí)的蒸發(fā)壓力 (kPa)Tab.2 The evaporating pressure of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表3 六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為110 ℃和145 ℃時(shí)的凈功量Tab.3 The net work of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表4 六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為110 ℃和145 ℃時(shí)的熱效率(%)Tab.4 The cycle heat efficiency of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

耗氣率在蒸氣動(dòng)力裝置中表示做功量與蒸氣量的比值，耗氣率越小，表示相同的蒸氣量所做的功越大。圖6給出了六種工質(zhì)的耗氣率隨蒸發(fā)溫度的變化情況，隨著蒸發(fā)溫度的升高，蒸氣膨脹功相應(yīng)增加，同樣的蒸氣量可以獲得更多的功量，表明耗氣率減小。表5給出了六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度分別為110 ℃和145 ℃工況下耗氣率值。從表中可以看出它們的大小分布為:R113 ＞ R123 ＞ R11 ＞ R245fa＞ R141b ＞ R600，其中R113具有最大的耗氣率，與R123,R11,R245fa三種工質(zhì)的耗氣率較接近，而R600則明顯低于其他幾種工質(zhì)。

不同蒸發(fā)溫度工況下所選工質(zhì)的循環(huán)功比變化趨勢如圖7所示，循環(huán)功比隨蒸發(fā)溫度升高而逐漸降低。蒸發(fā)溫度升高帶來了有機(jī)朗肯循環(huán)凈功和膨脹功的同步增長，但是凈功量增長的絕對值小于膨脹功增長的絕對值，得出的功比無量綱數(shù)降低。蒸發(fā)溫度在110 ℃和145 ℃工況下六種工質(zhì)的循環(huán)功比的值如表6所示。無論蒸發(fā)溫度在110 ℃或145 ℃工況下，循環(huán)功比排序均為：R113 ＞ R141b ＞ R123 ＞R11 ＞ R245fa ＞ R600。

圖6 不同溫度下六種工質(zhì)的耗氣率Fig.6 The dissipative steam rate of six working medium for different evaporating temperature

圖7 不同蒸發(fā)溫度下六種工質(zhì)的循環(huán)功比Fig.7 The cycle work ratio of six working medium for different evaporating temperature

表5 六種工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為110 ℃和145 ℃時(shí)的耗氣率Tab.5 The dissipative steam rate of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表6 六種不同工質(zhì)在蒸發(fā)溫度為110℃和145℃時(shí)的循環(huán)功比Tab.6 The cycle work ratio of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

4 結(jié) 論

(1)陶瓷企業(yè)面對嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢，采取的重要舉措就是是進(jìn)行煙氣余熱的深度高效利用，通過有機(jī)朗肯循環(huán)回收煙氣余熱進(jìn)行發(fā)電，被有機(jī)工質(zhì)吸收了部分熱量的煙氣同樣可以用來干燥坯體。這樣實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的梯級(jí)利用，減少了能量利用過程的 火用 損失。有機(jī)工質(zhì)熱功轉(zhuǎn)換循環(huán)與傳統(tǒng)的水蒸汽為工質(zhì)的朗肯循環(huán)原理基本相同，但由于驅(qū)動(dòng)熱源的溫度較低，系統(tǒng)相對較為簡單緊湊。有機(jī)朗肯循環(huán)可以高效利用低品位的能源，發(fā)電過程中不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體、氮氧化物和硫化物，對環(huán)境基本沒有污染。

(2)陶瓷窯爐煙氣余熱作為有機(jī)朗肯循環(huán)的驅(qū)動(dòng)熱源，熱源的溫度有其自身的特點(diǎn)。工質(zhì)選擇時(shí)兩個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是熱效率及單位工質(zhì)的凈功量。R600具有最高的凈功量，而其熱效率卻最低并且蒸發(fā)壓力較高，蒸發(fā)壓力較高對于系統(tǒng)會(huì)帶來不利的影響。R141b具有較高的循環(huán)凈功量和循環(huán)熱效率，并且其蒸發(fā)壓力也較低，R11具有最高的循環(huán)熱效率，其蒸發(fā)壓力也居中，但其循環(huán)凈功量較低。R113具有最低的蒸發(fā)壓力，對于保護(hù)設(shè)備安全方面很有優(yōu)勢，可是其循環(huán)凈功量最低，熱效率也較低，耗氣率最大，循環(huán)功比最高。制冷劑R245fa和其它有機(jī)工質(zhì)對比可以發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)差距較為明顯，而且當(dāng)蒸發(fā)溫度在150℃附近時(shí)，不但凈功量會(huì)下降，而且熱效率表現(xiàn)也不佳，有下降趨勢。

(3)有機(jī)朗肯循環(huán)的驅(qū)動(dòng)熱源在100 ℃-150 ℃工況時(shí)，在備選的有機(jī)工質(zhì)中，R141b熱效率最高，單位工質(zhì)凈功量表現(xiàn)也較為突出，ODP和GWP值較小，屬于長期可使用制冷劑。綜合考慮評(píng)價(jià)有機(jī)工質(zhì)循環(huán)性能的各項(xiàng)指標(biāo)， R141b是該有機(jī)朗肯循環(huán)的最優(yōu)工質(zhì)。