低溫余熱發(fā)電的利用技術

鄭杰

摘要：余熱資源來源豐富，按溫度等級被分為（>400度）高溫余熱、（250-～400度）中溫余熱、（<250度）低溫余熱。其中，高溫、中溫余熱的熱源品質較高，可選擇余熱利用方法較多，可選擇各種型式的換熱設備、拖動設備、發(fā)電設備。低溫余熱的利用方法選擇相對較少，低溫余熱只能產(chǎn)生熱水或者低參數(shù)的蒸汽，應用領域相對較少。所以，有時只能希望用來發(fā)電，接下來舉例詳細分析利用低溫余熱資源發(fā)電的方法。

關鍵詞：低溫余熱;螺桿膨脹機;ORC發(fā)電

1.低溫余熱發(fā)電利用的技術路線

1.1 低溫余熱利用簡介

低溫余熱是指熱源溫低于250度，而常規(guī)汽輪機發(fā)電需要的蒸汽參數(shù)最低為1.27Mpa，溫度為340度，即使補汽凝汽式機組的補汽，參數(shù)也在0.25MPa，溫 度200度。余熱用于發(fā)電的應用需要將熱源換熱成熱水或者蒸汽，考慮換熱器的換熱效率、換熱面積等因素，換熱器最低要保證20度左右的端差，而溫度140度蒸汽對應的飽和壓力0.36Mpa（a），已不適用于常規(guī)汽輪發(fā)電機組。因此，當余熱熱源溫度在低于160度的熱源就很難利用。

1.2 低溫余熱發(fā)電利用方式

燒結廠全廠的熱平衡，已沒有能與之匹配簡潔有效的直接利用方式，只能用來發(fā)電。如果用來發(fā)電，可采用兩種方式：1）將煙氣換熱成壓力0.36MPa（a）、溫度140度或者更低參數(shù)的飽和蒸汽，選用低品位熱能汽輪機或者螺桿膨脹機進行發(fā)電;2）將煙氣換熱成熱水，通過熱水-制冷劑換熱連接ORC發(fā)電系統(tǒng)直接發(fā)電。

2 低品位熱能汽輪機或者螺桿膨脹機發(fā)電

2.1 螺桿膨脹機工作原理：1）進氣過程：介質經(jīng)進氣口進入轉子的齒間容積后，將推動轉子旋轉，并使齒間容積不斷擴大。2）膨脹過程：隨著齒間容積繼續(xù)增大，介質體積膨脹溫度降低，同時輸出動力到轉子的伸出軸處。3）排氣過程：當齒間容積排氣口相通時，便開始排氣過程，直至齒間容積減少為零，完成一個工作循環(huán)為止。螺桿膨脹機間隙密封，從而具有透平膨脹機不具有的特點，即對進氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應性，當進氣為濕蒸汽時，液滴有助于密封。螺桿膨脹動力機優(yōu)點：1）螺桿膨脹機可作為全流膨脹機使用，即工作介質的進氣口狀態(tài)不僅可為干蒸汽，也可為二相流體或全液體。2）適用于過熱蒸汽、濕飽和蒸汽、熱水等各種介質。3）不飛車、無盤車、免暖機、機組啟停和運行平穩(wěn)簡便。4）在熱源參數(shù)大幅波動工況下，能夠高效、安全運行。5）軸封效

果好，壽命長。長期無大修，小修維護簡易。螺桿膨脹動力機缺點：螺桿膨脹機屬于容積式動力設備，進汽量一般較小，不適用于大規(guī)模發(fā)電機組。

2.2 案例分析

該工程單煙道可產(chǎn)生 0.23MPa（a），溫度 125度飽和蒸汽 16.2t/h，雙煙道蒸汽量為 32.4t/h。選擇 S1.8 - 0.14 機型，進汽壓力 0.14MPa（a），最大進汽量 34t/h，凝結水溫度采用70度回水，發(fā)電功率為1754KW，廠用電率按8%，機組凈發(fā)電能力1438KW。年運行小時數(shù)按 8000小時，則該機組全年可凈發(fā)電：1438×8000=11504000KWh，電價按0.5/KWh計費，則該機組全年運行產(chǎn)生效益 575.2 萬元。根據(jù)方案確定的設備，經(jīng)初步估算，預計初投資為￥16，00萬元（不含余熱的蒸汽鍋爐投資）。水費按3元/m3計算，冷卻塔年平均補水量為46.8m3/h，全年水費為112.32萬;相關運行維護費用為每年80萬元;電的二氧化碳排放量 1.0kg/kwh，每年CO2 減排 11504t，按 CO2交易 65 元/ t計算，每年可收入74.48 萬元。不考慮任何折損、通脹預期發(fā)生費用，也未考慮任何政策性支持補助費用，預計回收年限=總投資/年收益=1600萬元/（575.2萬元/年+74.78萬元/年-112.32萬元/年 -80萬元/年）=3.50 年。

3低溫余熱 ORC 發(fā)電系統(tǒng)

3.1ORC 發(fā)電系統(tǒng)簡介

ORC 發(fā)電技術始于 20世紀 50 年代，適用于80度～300度熱源的低品位余熱發(fā)電領域。ORC 是以低沸點有機物為工質的朗肯循環(huán)，主要由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和工質泵四部分組成。有機工質在換熱器中從余熱流中吸收熱量后汽化，生成具一定壓力和溫度的蒸汽，蒸汽進入膨脹機膨脹做功，帶動發(fā)電機發(fā)電或拖動其它動力機械做功。從膨脹機排出的低蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱，凝結成液態(tài)，最后借助工質泵重新回到蒸發(fā)器，構成整個系統(tǒng)循環(huán)。采用 ORC 發(fā)電技術的具有適應性靈活的優(yōu)點，當余熱工質的條件惡劣，不適合做有機工質的直接換熱時，可采用水循環(huán)做中間換熱循環(huán)。由于某項目的煙氣含塵量高達500～1000mg/Nm3，工藝環(huán)節(jié)位于脫硫前，SO₂?含量高達1000～3000mg/Nm3，因此煙氣換熱器腐蝕和磨損較為嚴重，且換熱器允許布置空間較小。為了運行安全可靠，選擇換熱設備尺寸較小的水冷卻雙循環(huán) ORC發(fā)電系統(tǒng)，換熱設備材質采用雙相鋼 2205，循環(huán)水溫度選擇80度～110度區(qū)間，保證雙相鋼在酸露點下的耐腐蝕壽命。采用煙氣-水換熱器，以熱水為介質，提取煙氣中余熱，再供ORC系統(tǒng)發(fā)電。

3.2 案例分析

根據(jù)前面的參數(shù)，該工程單煙道可產(chǎn)生壓力0.3MPa、溫度80度～110度循環(huán)水270t/h，雙煙道循環(huán)水量為540t/h，發(fā)電 系 統(tǒng) 擬 采 用 一 臺 渦 輪ORC機 組，供 熱 量 18837kw，機組發(fā)電能力 1620kw，采用蒸發(fā)式冷凝器，廠用電率20%，機組凈發(fā)電能力 1296KW。年運行小時數(shù)按8000小時，則 該 機 組 全 年 可 凈 發(fā) 電：1296×8000 =10368000kwh，電價按0.5元/kwh計費，則該機組全年運行產(chǎn)生效益 518.4 萬元。根據(jù)方案確定的設備，經(jīng)初步估算，預計初投資為 ￥2000 萬元（不含余熱的熱水換熱器和循環(huán)泵投資）。水費按2 元/m3計算，冷卻塔年平均補水量為 32.9m3/h，全年水費為 78.396 萬;相關運行維護費用為每年 70 萬元;電的二氧化碳排放量1.0kg/kwh，每 年 CO2 減 排 10368t，按CO2 交易65 元/t計算，每年可收入67.39 萬元。不考慮任何折損、通脹預期發(fā)生費用，也未考慮任何政策性支持補助費用，預計回收年限=總投資/年收益=2000萬元/（518.4 萬元/年 +67.39 萬元/年 -78.96 萬元/年 -70 萬元/年）=4.58 年。

參考文獻

[1]侯祥松;;電爐煉鋼冶煉周期中煙氣熱力學特性的變化規(guī)律[J];冶金能源;2010年01期