有機朗肯循環在玻璃窯低溫余熱回收中的應用

方海燕，李培濤，劉余慶

(深圳市凱盛科技工程有限公司，深圳 518054)

工業生產中，余熱普遍存在，按照來源可分為煙氣余熱、冷卻介質余熱、廢氣廢水余熱、化學反應熱、高溫產品余熱、爐渣余熱以及可燃廢氣廢料余熱。但大量工業生產過程中產生的余熱資源不能被有效地回收利用，不僅浪費能源，更產生了熱污染。因為能源短缺，通過余熱回收利用實現節能變得極為重要。節約資源是我國的基本國策，我國不斷推進集約型社會建設，狠抓節能減排，出臺了多項節能降耗有關的法律法規及規章制度，為確保落實，還將節能降耗目標納入了政府考核體系。由此可見，節能降耗充分利用工業余熱是工業生產中需要考量的重要部分。

1 玻璃窯低溫余熱利用現狀

作為建材行業的耗能大戶，玻璃生產需消耗大量能源，燃料燃燒釋放的熱量只有35%～40%是玻璃熔制的有效熱，約30%～40%的熱量通過排煙帶走了。將這部分熱量利用起來可給玻璃企業帶來經濟效益，并對節能減排帶來顯著的促進作用。以前玻璃熔窯排煙主要用于供熱蒸汽和加熱燃料，這種余熱利用方式利用率低。如果由余熱鍋爐吸收煙氣廢熱，生產過熱蒸汽，將過熱蒸汽送至汽輪機發電，這種玻璃熔窯余熱回收發電裝置的發電凈效率大約為13%，可將玻璃熔窯燃料熱量利用效率提高10%左右，并且產生的電量滿足玻璃生產線60%～80%以上的用電量。根據《玻璃熔窯余熱發電設計規范》，玻璃窯余熱鍋爐的排煙溫度高于酸露點溫度20 ℃以上。實際生產中鍋爐排煙溫度一般在170 ℃左右，排出的熱量占玻璃熔窯排煙熱量的34%。為了進一步利用此部分能量，進一步提高能源利用率，可在鍋爐出口接低溫有機朗肯循環裝置，利用該裝置繼續吸收低溫煙氣余熱，將煙氣溫度降至80 ℃(煙氣已經過陶瓷濾管脫硫脫硝一體化裝置處理，含硫量大幅降低，可以考慮將煙氣溫度降低到酸露點以下，該溫度還可降低，但會降低發電效率，影響經濟性)再排至煙囪，增加有機朗肯循環裝置不僅提高了玻璃窯廠區余熱電站總的發電效率和發電量，同時減少了玻璃窯排煙的熱污染。具體玻璃窯煙氣余熱利用流程圖詳見圖1。

2 有機朗肯循環原理及應用

世界范圍內大約90%的電能都通過朗肯循環產生，其主要包括定壓吸熱、等熵膨脹、等壓冷凝和等熵壓縮四個過程，主要以水和水蒸氣為循環工質，但是當熱源溫度低于370 ℃時，以水為工作介質的常規朗肯循環(詳見圖2、圖3)利用率明顯降低。

有機朗肯循環原理(詳見圖4、圖5)與常規朗肯循環類似，區別在于有機朗肯循環的工作介質是低沸點、高蒸汽壓的有機物，相比常規朗肯循環，有機朗肯循環不需要設置過熱器除去工質中的濕蒸氣。

選取正戊烷作為玻璃窯有機朗肯循環的工作介質是因為正戊烷相比其它有機物沸點低(見表1)。其熱力學性能較穩定，熱效率較高，可用于高于150 ℃的工作溫度，且蒸汽密度大、比容小。所以汽機、排汽管道及空冷冷凝器中的管道尺寸相對較小，更節約成本。如表2所示，當工質溫度為50 ℃時，有機物正戊烷的工質壓力是水蒸氣的13倍，工質密度是水蒸氣的57倍；當工質溫度為100 ℃時，正戊烷的工質壓力是水蒸氣的5倍，工質密度是水蒸氣的27倍；當工質溫度為150 ℃時，正戊烷的工質壓力是水蒸氣的3倍，工質密度是水蒸氣的18倍。100 ℃標準大氣壓下，水的液體比焓418.82 kJ/kg，蒸汽比焓2 674 kJ/kg，汽化潛熱為2 255.18 kJ/kg，潛熱占比84%。而正戊烷的沸點下汽化熱360.22 kJ/kg，如圖6、圖7所示，相比正戊烷，水的潛熱占比更高，且水蒸氣在進入汽輪機前需要過熱器去除濕蒸氣，而有機物正戊烷本身就是干工質，不需要設置過熱器，以飽和氣體進入膨脹機做功，熱效率更高。

表1 部分有機物熱力學參數

表2 水蒸氣和正戊烷熱力學參數

所以以正戊烷為工質的有機朗肯循環系統對低品位熱源的利用率遠高于以水為工質的常規朗肯循環。有機朗肯循環系統由換熱器、膨脹機、冷凝器和泵組成。等壓吸熱過程中，有機工質在換熱器中被煙氣預熱、蒸發、汽化，從玻璃窯余熱鍋爐排出的低溫熱源吸收熱量產生高壓蒸氣；等熵膨脹過程中，煙氣進入膨脹機推動膨脹機旋轉，膨脹機帶動發電機發電；等壓放熱過程中，做功后的乏氣進入冷凝器冷凝為液體；等熵壓縮過程中，冷凝后液體工質再由泵增壓打入換熱器，繼續循環利用。

因為普通朗肯循環中鍋爐高溫高壓運行，廠區給水需要凈化、軟化、除氧和除鹽來去除水中所含懸浮物的膠體和易形成水垢的硬度離子，以防止水在鍋爐中造成氧腐蝕以及形成水垢，從而影響鍋爐運行安全和造成降低鍋爐熱效率，所以普通朗肯循環需要除氧器和除鹽裝置。廠區給水的除鹽過程以及鍋爐設備的運行維護需要排污和疏放水裝置。且因為在冷凝溫度下，水的冷凝壓力較低，需要水源、射水抽氣器和射水箱保持真空度(見表3)。

表3 水和正戊烷的冷凝參數

而有機朗肯循環系統不需除氧、除鹽、排污、疏放水設施和射水抽氣器，所以設備成本比普通朗肯循環低。且膨脹機尺寸小，設備造價和土建成本上相比普通朗肯循環更為節約。可實現遠程控制，所以運行成本低。部件及設備可模塊化生產，降低制造成本，縮短安裝周期。膨脹機排出的乏氣為過熱度較大的蒸汽，遠高于冷凝器內的冷凝溫度，直接送入冷凝器冷凝，浪費能源，且加大冷凝器的熱損失，可在乏氣進入冷凝器前預熱進入換熱器前的液體工質，再進入冷凝器，從而提高能源利用率(見圖8)。

汽機間也可改造為中壓汽輪機和有機朗肯膨脹機組合，蒸汽鍋爐吸收玻璃窯排出的中溫段煙氣熱能，將過熱蒸汽送至中壓汽輪機發電，有機朗肯蒸發器吸收低溫段煙氣熱能，將過熱有機工質送至有機朗肯膨脹機發電。

3 案例分析

以某使用天然氣作為燃料的玻璃窯余熱鍋爐系統為例，忽略勢能變化、阻力、泵耗能、冷卻劑帶走的熱能，鍋爐排煙已經過陶瓷濾管脫硫脫硝一體化工藝處理，選取如下操作參數作為計算工況：進有機朗肯系統換熱器的煙氣量為100 000 Nm3/h，煙氣溫度170 ℃，換熱器排煙溫度90 ℃。設有機朗肯系統換熱器的漏風率為3%，則有機朗肯換熱器的出口煙氣量為103 000 Nm3/h，煙氣釋放熱能，有機工質正戊烷C5H11在換熱器中通過熱交換吸收煙氣余熱，設該有機朗肯換熱器的熱效率為0.6,正戊烷進入有機朗肯換熱器的溫度為25 ℃，該溫度下正戊烷液體密度為621 kg/m3,比熱容2.268 kJ/(kg·℃)，設正戊烷進入有機朗肯蒸發器的體積流量10 m3/h，則正戊烷質量流量為6.21 t/h，設膨脹機內效率為0.2，膨脹機乏氣溫度為51.7 ℃，質量流量5.59 m3/h，該溫度下正戊烷密度為596 kg/m3，比熱容為2.34 kJ/(kg·℃)，則膨脹機輸出功率637 kW,相當于每年節省標煤686 t，每年節約電費305.76萬元，投資回收期約3～4年。

4 結 論

有機朗肯循環低溫余熱發電技術是一種回收低品位熱能的有效方法，對玻璃窯低位余熱的開發利用具有重要的參考意義。