陶瓷窯爐排煙余熱驅動有機朗肯循環性能分析

張任平，劉 江

(景德鎮陶瓷大學 材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403)

0 引 言

陶瓷窯爐排煙余熱屬于有壓性余熱的中低溫熱源，目前的利用率仍較低。很大一部分陶瓷企業沒有良好的節能意識，導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。由于國人的節能環保意識和技術的原因，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鍵的作用。

當前對于陶瓷窯爐煙氣余熱的利用主要集中在預熱空氣和干燥坯體[2-4]。而從能量的綜合梯級利用的角度考慮，高品位的能量直接利用其熱量會帶來較大的 火用 損失，有機朗肯循環可以直接利用煙氣余熱進行發電，實現了能量梯級高效利用。劉等[5]對400 ℃的煙氣高溫熱源，比較R134a和R245fa兩種工質，分析表明R134a在低溫段優于R245fa，而R245fa在高溫段更優。張等[6]分析了10種不同工質在亞臨界狀態下最大做功能力和?效率的大小，發現每種工質都存在著可以使得循環凈輸出功最大化的最佳蒸發溫度。然而工質的臨界溫度越高，所對應的最佳蒸發溫度也越高。王[7]以重型柴油機的余熱利用為研究對象，分析得出R123用于內燃機的煙氣余熱回收具有最大的經濟效益和最高的效率。張[8]依據試驗總結得出影響有機朗肯循環中工質選擇的決定性因素，對于100 ℃左右的熱源，可以用R141和R245fa兩種候選工質作為熱力循環發電系統的工質。馮[9]研究提出了對于添加中間換熱器回熱循環，使用混合工質能夠擴大工質的選擇范圍，減少蒸發器的不可逆損失，但是混合工質對于抽氣系統不適合。Muhammad等[10]研究了低溫地熱熱源的有機朗肯循環，認為采用R245fa工質具有最高的?效率。劉等[11]對于426．15 K的低溫熱源驅動的跨臨界有機朗肯循環，選取R134a、R227ea、R1234ze、R3110、R318、R236fa 六種工質進行了計算，比較得出R134a性能最佳。石等[12]通過實驗對有機朗肯循環進行參數敏感性研究，選用了R123，R113，異戊烷，R235fa，R141b五種工質，研究蒸發溫度、冷凝溫度、蒸發器夾點溫差和過熱度四項參數對系統性能的影響。Arash等[13]分析了分別使用有機朗肯循環和kalina循環的熱電聯產系統，認為有機朗肯循環對于此循環的優勢更大。Sun等[14]研究了基于R113工質的有機朗肯循環能量綜合利用系統，分析得出了適用于循環系統的溫度范圍。

綜上所述，盡管對于有機朗肯循環的研究已有一定數量的報道，但針對陶瓷窯爐煙氣余熱驅動的有機朗肯循環仍然缺乏系統的認識。本文選用某陶瓷企業267米的釉面磚素燒輥道窯的煙氣為熱源，熱源溫度150 ℃左右，通過EES軟件對其循環系統進行分析和計算，研究R113,R123,R11,R141b,R600,R245fa六種工質，并基于熱力學第一定律分析各種有機工質循環凈功量、熱效率、耗氣率和功比。

1 有機工質循環系統

有機工質朗肯循環系統工質一般為沸點相對較低的制冷劑，通過工質的狀態變化實現熱能與機械能的轉換。有機朗肯循環的的驅動熱源為低品味的余熱或廢熱，溫度較低，正好有機工質的沸點也較低，這樣實現了熱源和工質的匹配。有機工質熱功轉換循環與傳統的水蒸汽為工質的朗肯循環原理基本相同，但由于驅動熱源的溫度較低，系統相對較為簡單緊湊。有機朗肯循環可以高效利用低品位的能源，發電過程中不會產生溫室氣體、氮氧化物和硫化物，對環境基本沒有污染。由于燃燒產物不參與循環，故而循環動力裝置可利用各種燃料，如煤、柴油、甚至可燃垃圾。有機朗肯循環廣泛應用于中低溫太陽能熱驅動發電、工業余熱廢熱發電、海洋潮汐能發電、地下熱能發電和農林廢棄物發電。

簡單有機朗肯循環系統如圖1所示，系統由給水泵、蒸發器、膨脹機和冷凝器四個部分構成，從膨脹機膨脹做功后的乏氣流入冷凝器冷凝變成液體，冷凝后的液態工質泵送到蒸發器，吸熱氣化為飽和蒸氣或過熱蒸氣，該蒸氣進入膨脹機膨脹帶動發電機進行發電，隨后進入冷凝器，在冷凝器中與冷卻介質進行熱量交換后變成液態工質，最后再由泵輸送至蒸發器，如此循環，實現熱能到機械能的轉化。

圖1 有機朗肯循環流程示意圖Fig.1 The flow chart of organic rankine cycle

2 循環熱力學分析

研究的有機朗肯循環驅動熱源為某陶瓷企業一條267米長釉面磚素燒輥道窯排煙余熱。通過分析整理測量數據，得到熱力學分析所需參數如表1所示。

為了確定循環系統的最佳工質，需要分析不同有機工質循環系統的性能。一般來說循環的工作條件會影響系統的性能，所以需要在相同的工況下進行比較。有機朗肯循環工質進入膨脹機時處在飽和蒸氣狀態，不考慮過熱對循環性能的影響。考慮到計算方便，計算過程基于以下假設：

(1)忽略有機朗肯循環系統各部分的散熱損失；

表1 計算項目及條件Tab.1 The computational item and condition

(2)工質在循環系統的各設備中流動為穩態流動；

(3)膨脹機和泵的等熵效率均為定值；

(4)冷凝器的出口工質為飽和液體，蒸發器出口工質為飽和蒸氣。

膨脹機膨脹功可以表示為：

乏汽向冷卻水放出的熱量：

水泵消耗功：

從熱源吸收的熱量：

循環凈功：

循環熱效率等于系統凈輸出功量與系統吸熱量之間的比，它是基于熱力學第一定律的一項重要的性能評價指標，其表達式為：

耗氣率在蒸氣動力裝置中表示做功量與蒸氣量的比值，其表達式為：

功比為膨脹機的膨脹功扣除水泵所耗功與膨脹機所做功的比值，可表示為：

圖2 工質循環過程T-s圖Fig.2 T-s diagram for the cycle of working medium

3 結果分析與討論

評價一個熱力系統的熱力性能，一般以熱力學的基本定律為分析基礎。熱力學第一定律是能量守恒和轉換定律應用于熱力學分析所依據的基本規律。能量在進行轉換的過程中，總量保持不變。在有機朗肯循環的分析過程中，熱量的傳遞和熱量與功量的轉換滿足能量守恒。

圖3給出了六種所選工質的蒸發壓力隨蒸發溫度的變化情況，表2列出了六種工質在蒸發溫度110 ℃和145 ℃時的蒸發壓力。分析圖3可以得到，蒸發壓力隨著蒸發溫度的升高而增加。從表2可以看出，六種工質當蒸發溫度保持相同時，工質的壓力排序為R600 ＞ R245fa ＞ R11 ＞ R123 ＞ R141b ＞ R113。可以知道R113蒸發壓力最小， R600蒸發壓力最大，蒸發壓力與設備所承受的機械壓力相關聯，壓力越高設備所需承受的壓力越大，無形中增加設備成本。因此從設備經濟性和安全性進行考慮，相同蒸發溫度下優選工質在該溫度下飽和壓力低的制冷循環工質。

有機朗肯循環在實現熱能轉換成機械能的過程中，泵要消耗一部分功量。計算工質的凈功量需要扣除泵消耗的功。圖4給出了不同蒸發溫度下六種工質的單位工質凈功量，隨著溫度的增加，循環功量呈現增加的趨勢。表3給出了六種工質在溫度110 ℃和145 ℃的循環凈功量。膨脹機焓降隨蒸發溫度升高而增大，單位工質所獲得凈功量相應也得到增加。蒸發溫度保持不變時，六種工質凈功量的排序為：R600 ＞ 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種工質熱效率隨蒸發溫度變化情況，循環系統熱效率隨蒸發溫度的增大而增大。蒸發溫度的升高使得焓降相應增加，膨脹功增大。而同時工質在整個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。蒸發溫度保持定值，熱效率的排序為R11 ＞ R141b＞ R123 ＞ R113 ＞ R600 ＞ R245fa。R11的熱效率最高，R245fa作為工質時熱效率最低。表4給出了六種工質在蒸發溫度分別為110 ℃和145 ℃的工況下熱效率的值。相同蒸發溫度工況下各種工質的熱效率相差不大，例如蒸發溫度110 ℃的工況下的熱效率最大減去最小值為0．0172；在蒸發溫度為145 ℃時，最大和最小的熱效率僅相差0．0184。由此可知，蒸發溫度增大，六種工質最大與最小熱效率之差相應增加。

圖3 不同工質蒸發壓力隨蒸發溫度的變化Fig.3 The evaporating pressure of different evaporating temperature for different working medium

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

圖5 六種工質的循環熱效率隨蒸發溫度下的變化Fig.5 The cycle heat efficiency of six working medium fordifferent evaporating temperature

表2 六種工質在蒸發溫度為110 ℃和145 ℃時的蒸發壓力 (kPa)Tab.2 The evaporating pressure of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表3 六種工質在蒸發溫度為110 ℃和145 ℃時的凈功量Tab.3 The net work of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表4 六種工質在蒸發溫度為110 ℃和145 ℃時的熱效率(%)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給出了六種工質的耗氣率隨蒸發溫度的變化情況，隨著蒸發溫度的升高，蒸氣膨脹功相應增加，同樣的蒸氣量可以獲得更多的功量，表明耗氣率減小。表5給出了六種工質在蒸發溫度分別為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三種工質的耗氣率較接近，而R600則明顯低于其他幾種工質。

不同蒸發溫度工況下所選工質的循環功比變化趨勢如圖7所示，循環功比隨蒸發溫度升高而逐漸降低。蒸發溫度升高帶來了有機朗肯循環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降低。蒸發溫度在110 ℃和145 ℃工況下六種工質的循環功比的值如表6所示。無論蒸發溫度在110 ℃或145 ℃工況下，循環功比排序均為：R113 ＞ R141b ＞ R123 ＞R11 ＞ R245fa ＞ R600。

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

圖7 不同蒸發溫度下六種工質的循環功比Fig.7 The cycle work ratio of six working medium for different evaporating temperature

表5 六種工質在蒸發溫度為110 ℃和145 ℃時的耗氣率Tab.5 The dissipative steam rate of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

表6 六種不同工質在蒸發溫度為110℃和145℃時的循環功比Tab.6 The cycle work ratio of six working mediums at the temperature of 110 ℃ and 145 ℃

4 結 論

(1)陶瓷企業面對嚴峻的節能減排形勢，采取的重要舉措就是是進行煙氣余熱的深度高效利用，通過有機朗肯循環回收煙氣余熱進行發電，被有機工質吸收了部分熱量的煙氣同樣可以用來干燥坯體。這樣實現了煙氣余熱的梯級利用，減少了能量利用過程的 火用 損失。有機工質熱功轉換循環與傳統的水蒸汽為工質的朗肯循環原理基本相同，但由于驅動熱源的溫度較低，系統相對較為簡單緊湊。有機朗肯循環可以高效利用低品位的能源，發電過程中不會產生溫室氣體、氮氧化物和硫化物，對環境基本沒有污染。

(2)陶瓷窯爐煙氣余熱作為有機朗肯循環的驅動熱源，熱源的溫度有其自身的特點。工質選擇時兩個重要的評價指標是熱效率及單位工質的凈功量。R600具有最高的凈功量，而其熱效率卻最低并且蒸發壓力較高，蒸發壓力較高對于系統會帶來不利的影響。R141b具有較高的循環凈功量和循環熱效率，并且其蒸發壓力也較低，R11具有最高的循環熱效率，其蒸發壓力也居中，但其循環凈功量較低。R113具有最低的蒸發壓力，對于保護設備安全方面很有優勢，可是其循環凈功量最低，熱效率也較低，耗氣率最大，循環功比最高。制冷劑R245fa和其它有機工質對比可以發現，各項指標差距較為明顯，而且當蒸發溫度在150℃附近時，不但凈功量會下降，而且熱效率表現也不佳，有下降趨勢。

(3)有機朗肯循環的驅動熱源在100 ℃-150 ℃工況時，在備選的有機工質中，R141b熱效率最高，單位工質凈功量表現也較為突出，ODP和GWP值較小，屬于長期可使用制冷劑。綜合考慮評價有機工質循環性能的各項指標， R141b是該有機朗肯循環的最優工質。