有機朗肯循環(huán)在干熄焦技術(shù)中的應用

陸昆鵬 孫漢文 王珈樂 王行政

(山東科技大學， 山東 青島 266000)

有機朗肯循環(huán)在干熄焦技術(shù)中的應用

陸昆鵬 孫漢文 王珈樂 王行政

(山東科技大學， 山東 青島 266000)

工業(yè)生產(chǎn)中的余熱源主要來自鋼鐵工業(yè)、煉焦工業(yè)、水泥工業(yè)等地方。通過合理的方式回收和利用工業(yè)余熱，對于提高能源的綜合利用率具有重要的意義。本文主要介紹利用有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)對干熄焦工藝中鍋爐回水的余熱回收與利用，以期為同行業(yè)提供借鑒。

有機朗肯循環(huán)；余熱；干熄焦技術(shù)

我國的能源供應量以每年3%-5%的速度增長，為解決能源短缺問題，主要從開源和節(jié)流方面入手，增加能源的產(chǎn)量并且充分考慮低品位熱能的利用，通過合理的方式回收和利用工業(yè)余熱，提高能源的綜合利用率。合理回收利用余熱的基本原則是“溫度對口，梯級利用”。本文主要探討利用有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)對干熄焦工藝中鍋爐回水的余熱回收與利用[1，2]。

1 干熄焦技術(shù)

干熄焦發(fā)電項目的主體設備包括汽輪機、發(fā)電機和鍋爐系統(tǒng)等，將傳統(tǒng)煉焦生產(chǎn)工藝中焦炭的顯熱轉(zhuǎn)化成電能。

如圖1所示，具體流程：焦爐推焦車將1000℃左右的紅焦裝入焦罐，在干熄焦爐內(nèi)自上而下與爐底部180℃的惰性循環(huán)氣體(氮氣)接觸換熱，冷卻至250℃以下經(jīng)排焦裝置排出。氮氣經(jīng)換熱后溫度升至800℃左右進入鍋爐，與爐水再次進行換熱，溫度降至180℃以下，由循環(huán)風機送回。除鹽水進入余熱鍋爐生成高溫蒸汽，推動汽輪機組發(fā)電。汽輪機排出的200℃乏汽經(jīng)過冷凝器冷凝到130℃后，循環(huán)使用[3，4]。

2 有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)

朗肯循環(huán)通常以水為介質(zhì)，但是由于低品位熱源的溫度都相對較低，所以選擇R245fa作為其工作介質(zhì)，組成有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，簡稱ORC)。該循環(huán)主要包括四個熱力過程：①等熵壓縮。工作介質(zhì)在工質(zhì)泵中進行等熵壓縮；②等壓加熱。壓縮后的工質(zhì)進入蒸發(fā)器中等壓加熱得到高溫高壓氣體；③等熵膨脹。高溫高壓氣體進入膨脹機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電；④等壓冷凝。膨脹后的乏汽進入冷凝器中釋放熱量變?yōu)橐簯B(tài)[5，6]。

3 有機朗肯循環(huán)聯(lián)合干熄焦技術(shù)

3.1 聯(lián)合干熄焦技術(shù)的運行參數(shù)

干熄焦技術(shù)中汽輪機排出的200℃左右的乏汽直接冷凝器冷凝到130℃，造成了巨大的能源浪費；而有機朗肯循環(huán)蒸發(fā)階段需要200℃左右的熱源供熱。所以，冷凝器與蒸發(fā)器進行重新設計，使兩個系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起，如圖3所示。以年產(chǎn)100萬噸的焦化廠為例，其系統(tǒng)運行參數(shù)見表1。

圖1 干熄焦技術(shù)工作原理圖

圖2 有機朗肯循環(huán)工作原理圖

表1 干熄焦發(fā)電技術(shù)運行參數(shù)[7]

圖3 帶有有機朗肯循環(huán)的干熄焦技術(shù)工作原理

3.2 聯(lián)合干熄焦技術(shù)的經(jīng)濟效益分析

以年產(chǎn)100萬噸的焦化廠為例，采用聯(lián)合干熄焦技術(shù)，每年會給企業(yè)帶來巨大的效益，包括：環(huán)保效益、節(jié)能效益和經(jīng)濟效益等等。

(1)環(huán)保效益

聯(lián)合干熄焦技術(shù)采用氮氣在密閉爐內(nèi)循環(huán)以對紅焦進行緩慢冷卻，避免傳統(tǒng)濕法熄焦以及低水分熄焦過程中酚、氰化合物、硫化合物等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，以及減少對周圍環(huán)境的腐蝕和大氣的污染；同時利用ORC工質(zhì)R245fa對汽輪機的廢氣進行冷卻，減少了冷卻水的用量，減少熱島效應。

(2)經(jīng)濟效益

聯(lián)合干熄焦技術(shù)的配套發(fā)電機組的總輸出功率為19MW。年累計發(fā)電8760h，平均負荷15000kW，電價按0.6元/kW·h計算，則其發(fā)電效益大約為7500萬元[7]。

聯(lián)合干熄焦技術(shù)在給企業(yè)帶來直接經(jīng)濟效益的同時，也帶來了巨大的間接經(jīng)濟效益。干法熄焦過程是在循環(huán)氣體換熱的過程中緩慢而均勻進行的，得到的焦炭機械強度、耐磨性、反應后強度均有明顯提高，反應性降低。同時，焦炭得到了整粒作用，提高了焦塊的均勻性。

4 結(jié)語

通過對干熄焦技術(shù)中余熱鍋爐的乏汽參數(shù)進行分析，將有機朗肯循環(huán)合理的應用到干熄焦技術(shù)中，這對于干熄焦技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)余熱回收的應用具有重要意義。

[1]低品位熱能轉(zhuǎn)換過程及利用-有機物工質(zhì)發(fā)電及制冷[M].上海：上海交通大學出版社.2014.

[2]低品位熱能利用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社.2011.

[3]李云峰，董建山.干熄焦余熱發(fā)電技術(shù)分析[J].煤炭與化工，2013,36(2):110- 111.

[4]程竹靜，郁鴻凌，李國俊，李幼幼，惠建明，瞿永康.高壓自然循環(huán)干熄焦余熱鍋爐熱力特性研究[J].工業(yè)鍋爐，2006,5:8-11.

[5]李恒凡，趙豫晉，韓中合.有機朗肯循環(huán)煙氣余熱工質(zhì)選擇[J].熱力發(fā)電，2016,45(8):20-25.

[6]翟慧星，安青松，史琳.有機朗肯循環(huán)回收水泥工業(yè)余熱的研究[J].中國科技論文，2016,11(11):1201-1205.

[7]孟瑋，高連生，向劍，易正明.干熄焦發(fā)電技術(shù)在水鋼的應用與研究[J].冶金動力，2015,6:67-71.

陸昆鵬(1991- )，男，漢族，山東平度人，山東科技大學機械電子工工程學院2015級碩士研究生。