低溫余熱發(fā)電的利用技術(shù)

鄭杰

摘要：余熱資源來源豐富，按溫度等級(jí)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(zhì)較高，可選擇余熱利用方法較多，可選擇各種型式的換熱設(shè)備、拖動(dòng)設(shè)備、發(fā)電設(shè)備。低溫余熱的利用方法選擇相對(duì)較少，低溫余熱只能產(chǎn)生熱水或者低參數(shù)的蒸汽，應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較少。所以，有時(shí)只能希望用來發(fā)電，接下來舉例詳細(xì)分析利用低溫余熱資源發(fā)電的方法。

關(guān)鍵詞：低溫余熱;螺桿膨脹機(jī);ORC發(fā)電

1.低溫余熱發(fā)電利用的技術(shù)路線

1.1 低溫余熱利用簡(jiǎn)介

低溫余熱是指熱源溫低于250度，而常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電需要的蒸汽參數(shù)最低為1.27Mpa，溫度為340度，即使補(bǔ)汽凝汽式機(jī)組的補(bǔ)汽，參數(shù)也在0.25MPa，溫 度200度。余熱用于發(fā)電的應(yīng)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(duì)應(yīng)的飽和壓力0.36Mpa（a），已不適用于常規(guī)汽輪發(fā)電機(jī)組。因此，當(dāng)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(jié)廠全廠的熱平衡，已沒有能與之匹配簡(jiǎn)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(jī)或者螺桿膨脹機(jī)進(jìn)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(jī)或者螺桿膨脹機(jī)發(fā)電

2.1 螺桿膨脹機(jī)工作原理：1）進(jìn)氣過程：介質(zhì)經(jīng)進(jìn)氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子的齒間容積后，將推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并使齒間容積不斷擴(kuò)大。2）膨脹過程：隨著齒間容積繼續(xù)增大，介質(zhì)體積膨脹溫度降低，同時(shí)輸出動(dòng)力到轉(zhuǎn)子的伸出軸處。3）排氣過程：當(dāng)齒間容積排氣口相通時(shí)，便開始排氣過程，直至齒間容積減少為零，完成一個(gè)工作循環(huán)為止。螺桿膨脹機(jī)間隙密封，從而具有透平膨脹機(jī)不具有的特點(diǎn)，即對(duì)進(jìn)氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應(yīng)性，當(dāng)進(jìn)氣為濕蒸汽時(shí)，液滴有助于密封。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)優(yōu)點(diǎn)：1）螺桿膨脹機(jī)可作為全流膨脹機(jī)使用，即工作介質(zhì)的進(jìn)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(zhì)。3）不飛車、無盤車、免暖機(jī)、機(jī)組啟停和運(yùn)行平穩(wěn)簡(jiǎn)便。4）在熱源參數(shù)大幅波動(dòng)工況下，能夠高效、安全運(yùn)行。5）軸封效

果好，壽命長(zhǎng)。長(zhǎng)期無大修，小修維護(hù)簡(jiǎn)易。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)缺點(diǎn)：螺桿膨脹機(jī)屬于容積式動(dòng)力設(shè)備，進(jìn)汽量一般較小，不適用于大規(guī)模發(fā)電機(jī)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(jī)型，進(jìn)汽壓力 0.14MPa（a），最大進(jìn)汽量 34t/h，凝結(jié)水溫度采用70度回水，發(fā)電功率為1754KW，廠用電率按8%，機(jī)組凈發(fā)電能力1438KW。年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按 8000小時(shí)，則該機(jī)組全年可凈發(fā)電：1438×8000=11504000KWh，電價(jià)按0.5/KWh計(jì)費(fèi)，則該機(jī)組全年運(yùn)行產(chǎn)生效益 575.2 萬元。根據(jù)方案確定的設(shè)備，經(jīng)初步估算，預(yù)計(jì)初投資為￥16，00萬元（不含余熱的蒸汽鍋爐投資）。水費(fèi)按3元/m3計(jì)算，冷卻塔年平均補(bǔ)水量為46.8m3/h，全年水費(fèi)為112.32萬;相關(guān)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jì)算，每年可收入74.48 萬元。不考慮任何折損、通脹預(yù)期發(fā)生費(fèi)用，也未考慮任何政策性支持補(bǔ)助費(fèi)用，預(yù)計(jì)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(jiǎn)介

ORC 發(fā)電技術(shù)始于 20世紀(jì) 50 年代，適用于80度～300度熱源的低品位余熱發(fā)電領(lǐng)域。ORC 是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵四部分組成。有機(jī)工質(zhì)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(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)其它動(dòng)力機(jī)械做功。從膨脹機(jī)排出的低蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱，凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新回到蒸發(fā)器，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)。采用 ORC 發(fā)電技術(shù)的具有適應(yīng)性靈活的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)余熱工質(zhì)的條件惡劣，不適合做有機(jī)工質(zhì)的直接換熱時(shí)，可采用水循環(huán)做中間換熱循環(huán)。由于某項(xiàng)目的煙氣含塵量高達(dá)500～1000mg/Nm3，工藝環(huán)節(jié)位于脫硫前，SO₂?含量高達(dá)1000～3000mg/Nm3，因此煙氣換熱器腐蝕和磨損較為嚴(yán)重，且換熱器允許布置空間較小。為了運(yùn)行安全可靠，選擇換熱設(shè)備尺寸較小的水冷卻雙循環(huán) ORC發(fā)電系統(tǒng)，換熱設(shè)備材質(zhì)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(diǎn)下的耐腐蝕壽命。采用煙氣-水換熱器，以熱水為介質(zhì)，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(tái) 渦 輪ORC機(jī) 組，供 熱 量 18837kw，機(jī)組發(fā)電能力 1620kw，采用蒸發(fā)式冷凝器，廠用電率20%，機(jī)組凈發(fā)電能力 1296KW。年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按8000小時(shí)，則 該 機(jī) 組 全 年 可 凈 發(fā) 電：1296×8000 =10368000kwh，電價(jià)按0.5元/kwh計(jì)費(fèi)，則該機(jī)組全年運(yùn)行產(chǎn)生效益 518.4 萬元。根據(jù)方案確定的設(shè)備，經(jīng)初步估算，預(yù)計(jì)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(fèi)按2 元/m3計(jì)算，冷卻塔年平均補(bǔ)水量為 32.9m3/h，全年水費(fèi)為 78.396 萬;相關(guān)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jì)算，每年可收入67.39 萬元。不考慮任何折損、通脹預(yù)期發(fā)生費(fèi)用，也未考慮任何政策性支持補(bǔ)助費(fèi)用，預(yù)計(jì)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(xiàn)

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