有機朗肯循環發電技術在尿素裝置中的應用

孫宏新，李　平，吳發洪

(寧波開山際源節能科技有限公司　浙江衢州　324000)

在尿素生產裝置中，無論采用何種工藝流程，都有大量的反應熱，這就產生了很多熱源。雖然這些反應熱可以實行不同程度的梯級利用，但隨著節能技術的不斷開發，仍有節能空間。根據有機朗肯循環的技術特性和應用現狀并結合尿素生產的特點，提出將有機朗肯循環發電技術應用于尿素生產裝置中，初步估算噸尿素可節電40～60 kW·h。

1　有機朗肯循環原理

1.1　有機朗肯循環介紹

有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle，簡稱ORC)是以低沸點有機物為工質的朗肯循環，主要由換熱器、膨脹機組、冷凝器和工質泵四大部分組成。有機工質在換熱器內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成液態，最后借助工質泵重新返回換熱器中，實現一個閉路循環。

1.2　ORC型螺桿膨脹發電站工作過程

ORC是一種被認為能有效利用低溫熱能的技術，已在包括工質、膨脹機、換熱器、系統的優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，沒有取得實質性的突破。目前，利用ORC技術回收低溫熱能發電并實現商業化運行的只有浙江開山集團研發的ORC型螺桿膨脹發電站，已在美國新墨西哥州地熱回收項目中實現了商業化運行，采用的有機工質為R245fa(一種無色透明易流動液體，具有揮發性，低沸點物質，在常溫常壓下穩定，用作制冷劑時的代號為R245fa)，包括3個過程(圖1)。

圖1　ORC型螺桿膨脹發電站循環示意

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

(2) 做功過程：高溫高壓的R245fa工質蒸氣進入螺桿膨脹機推動轉子旋轉并驅動發電機發電，同時降溫降壓，R245fa工質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工質蒸氣進入冷凝器冷凝成液體工質，液體R245fa工質被工質泵升壓后送入蒸發器，完成一輪循環。

在ORC循環中，R245fa工質的作用是將熱源的熱量提取出來，將溫度轉化為壓力，從而實現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熱工轉換，ORC型螺桿膨脹機是唯一的選擇。ORC型螺桿膨脹發電站機組標準配置示意如圖2所示。

ORC型螺桿膨脹發電站主要由蒸發器(含預熱器)、蒸發式冷凝器、螺桿膨脹機、工質泵、發電機、潤滑系統、電氣控制系統和其他附屬配套設備組成。

1.3　ORC型螺桿膨脹發電站控制系統

ORC型螺桿膨脹發電站采用PLC自動控制，可手控，可無人值守。正常運行時，PLC控制快關閥、進氣閥、排氣閥均打開，旁通閥關閉(或微啟)，發電站發電輸出經并網柜送入用戶電網。發電站正常停機或遇緊急停機時，發電站自動從電網解列，快關閥自動關閉，同時旁通閥自動打開。機組設有溫度、壓力、振動、轉速、電流、電壓、頻率等全方位監測保護，運行數據自動記錄并可追溯，遇異常情況有相應的自保護功能。ORC型螺桿膨脹發電站系統控制示意見圖3。

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

2　ORC型螺桿膨脹發電站的特點

(1) 熱源適應范圍廣：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) 變工況能力優越：在熱源負荷大幅波動(10%～120%范圍)的情況下，仍可以穩定運行。

(3) 精準控溫，穩定性強：利用換熱器對流換熱，可以精確控制熱源出口溫度；如遇突發狀況，如裝置異常、動力機故障等，發電機組安全保護系統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；發電系統與電網自動分閘，確保電網和發電機的安全。

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

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

圖2　ORC型螺桿膨脹發電站機組標準配置示意

圖3　ORC型螺桿膨脹發電站系統控制示意

3　有機朗肯循環發電技術在尿素裝置中的應用

3.1　軟水循環系統的利用

水溶液全循環法尿素生產工藝中的一吸塔外冷器使用閉路循環的軟水吸收部分甲銨液反應熱，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采用溴化鋰技術回收，有的企業直接采用二次利用的循環水帶走熱量，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來說，冬季溴化鋰裝置基本上無法投運。有機朗肯循環膨脹發電技術可直接將熱能轉化為電能或直接拖動設備，能量利用率高、利用面廣；工質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%范圍內穩定運行。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電技術控制機組出水溫度85 ℃，除去自耗電，小時凈發電量達780 kW·h(噸水發電量1.95 kW·h)，年可創造經濟效益405萬元左右。

汽提法尿素生產工藝中的高調水系統，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電技術控制機組出水溫度110 ℃，除去自耗電，小時凈發電量達900 kW·h(噸水發電量2.25 kW·h)，年可創造經濟效益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電技術控制機組出水溫度在68 ℃，除去自耗電，小時凈發電量可以達到1 150 kW·h(噸蒸汽發電量104.5 kW·h)，年可創造效益598萬元左右。

3.3　水解殘液的利用

生產1 t尿素會產生300 kg水，這部分水含NH3和尿素質量分數分別為4%～5%和1%～3%，目前通常采用深度水解技術回收其中的NH3和尿素，即在水解塔內通入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電技術控制機組出水溫度72 ℃，除去自耗電，小時凈發電量可達380 kW·h(噸水發電量0.95 kW·h)，年可創造效益約197萬元。

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

4　有機朗肯循環膨脹發電技術應用情況

到目前為止，有機朗肯循環膨脹發電技術已在國內外投運幾十套，全部由浙江開山集團生產制造，其中國內部分應用情況如表1所示。

表1國內有機朗肯循環膨脹發電技術部分應用情況

項 目熱源條件總裝機功率/kW年發電效益/萬元年節約標準煤/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的串級循環飽和蒸汽,0.4 MPa(絕壓),12 t/h,143 ℃1 420900.803 153.07 491.00