鍋爐煙氣余熱發電制冷供熱系統淺析

朱家興

【摘 要】現如今，我國的科技發展十分迅速，通過建立鍋爐煙氣余熱發電制冷供熱耦合系統，可全年利用工質R410a與煙氣換熱驅動汽輪機發電，將部分煙氣余熱作為溴化鋰吸收式制冷機組中發生器的熱源，推動制冷循環，讓鍋爐余熱回收利用到多系統領域，達到降低煙氣溫度、助力煙氣脫硫、節能減排等目的。

【關鍵詞】鍋爐煙氣余熱；發電；優化

引言

我國的工業能耗約占能源消耗總量的70%，而工業能耗的60%～65%都轉化為載體不同、溫度不同的余熱。在鋼鐵、水泥、石油化工、玻璃、有色冶金及陶瓷等行業生產過程中產生的大量低溫余熱，如熱水、蒸汽和低品位煙氣等，余熱數量大、品位低。針對鋼鐵行業燒結煙氣余熱發電系統，建立模型優化分析受熱面布置方案及蒸汽參數對余熱利用率和系統發電功率的影響。研究了主汽壓力和余熱鍋爐入口煙溫對1200t/d玻璃窯余熱發電發電功率的影響。現有研究基本上都是針對蒸汽參數優化，針對中低參數余熱發電系統的取熱優化研究較少。針對基于朗肯循環的低溫煙氣余熱發電系統，本文試圖從系統凈輸出功率最大的角度研究系統最佳余熱回收量，指導低溫煙氣余熱發電系統設計。

1系統的建立

鍋爐煙氣余熱發電制冷供熱耦合系統（見圖1），包括煙氣換熱器、加壓泵、冷凝器、汽輪機、單效溴化鋰吸收式制冷循環機組與相應的閥門組成，制冷工質選擇R410a，鍋爐煙氣出口與煙氣換熱器連接，煙氣換熱器中的制冷工質R410a吸熱，由液態變為氣態進入汽輪機中，推動汽輪機轉動發電。從汽輪機出來的乏氣進入冷凝器放熱，又由氣態變成液態，經過加壓泵，制冷工質R410a又回到煙氣換熱器中循環利用。而從煙氣換熱器中換熱出來的煙氣，分成兩個部分，一部分直接進入脫硫設備，脫硫直接排放到大氣中，另一部分進入單效溴化鋰吸收式制冷循環機組中的發生器，而這兩部分煙氣的量由調節閥控制。煙氣進入單效溴化鋰吸收式制冷循環機組中的發生器放熱，溴化鋰溶液中的水吸熱生成高壓水蒸氣進入冷凝器放熱，高壓水蒸氣放熱變成冷劑水經過膨脹閥節流減壓，變成濕蒸汽進入蒸發器中，制冷劑濕蒸汽在蒸發器中吸熱汽化（蒸發）變成低壓水蒸氣進入吸收器中放熱，其中蒸發器中的冷劑水經過循環泵灑在蒸發器換熱表面，溴化鋰濃溶液在溶液熱交交換器中預冷，再經過減壓閥節流變成閃蒸溶液（濃溶液+水蒸氣）進入吸收器，濃溶液與從蒸發器中來的低壓水蒸氣一起換熱混合成稀溶液，稀溶液經過發生器泵在溶液熱交換器時預熱回到發生器中，溴化鋰溶液以此循環利用。

2熱力模型

2.1物理模型

高耗能工業固體產品冷卻工序中，工業產品沿著冷卻線逐漸降溫，伴隨余熱煙氣排放。從熱量平衡的角度，冷卻工序排放余熱總量為工業產品輸入到輸出過程中釋放的固體顯熱及結晶熱。余熱煙氣取熱范圍越大，雖然總熱量增加，但由于混合后的煙氣溫度下降，系統效率反而降低。因此，回收所有煙氣用于余熱發電不是最高效的，也不是最經濟的。圖2是成品燒結礦冷卻過程示意圖，在燒結礦冷卻過程中排放余熱煙氣，是一種典型的低溫煙氣余熱。500～700℃的燒結礦從燒結機落料到冷卻機上并形成一定厚度的填充層。一般冷卻機前段上方設置煙罩用于收集冷風與熾熱燒結礦石進行熱交換后的中低溫煙氣，經煙罩收集后的余熱煙氣引入余熱鍋爐產生蒸汽發電。

2.2數學模型

系統凈輸出功率函數：Pe=Qrηbηpηtηriηmηg-Wp，（1）式（1）中，Pe為系統凈輸出功率，kW；Qr為余熱回收量，kW；ηb為余熱鍋爐效率，%；ηp為管道效率，%；ηt為朗肯循環效率，%；ηri為汽輪機相對內效率，%；ηm為發電機械效率，%；ηg為發電效率，%；Wp為發電系統自耗電功率，kW。余熱發電系統一般不設回熱系統，也沒有再熱過程，ηt僅考慮主蒸汽參數和排汽溫度的影響；ηb主要與煙氣溫度T0及余熱鍋爐排煙溫度Tpy有關；ηri與汽輪機結構、主蒸汽參數有關，而主蒸汽參數主要受余熱鍋爐入口煙氣溫度T0的影響。余熱發電系統自耗電主要來自鍋爐引風機、給水泵及循環水泵耗功。給水泵耗功占比比較小，在此忽略不計。在排汽壓力、汽機內效率一定且不外供蒸汽的情況下，循環水泵耗功就與汽機入口輸入熱量是同步變化的，即汽機入口輸入熱量越大，循環水泵耗功越大。從以上分析可以看出，模型目標函數Pe可視為僅與余熱鍋爐入口煙氣溫度、流量、余熱鍋爐排煙溫度及汽機排汽溫度等幾個變量有關系。

2.3低溫煙氣余熱發電系統邊界條件

針對物理模型中提到的燒結-環冷工藝，正常生產時燒結機和環冷機的運行速度基本不變。燒結礦隨著臺車水平移動，空氣從下往上垂直流動、穿透燒結礦，可以認為燒結礦被冷卻的過程是一個連續的一維傳熱過程。燒結礦在環冷機圓周方向上逐漸冷卻，每塊燒結礦的冷卻是一個非穩態傳熱過程，但是從整個環冷機看，排放的余熱煙氣總熱量基本不隨時間變化，燒結冷卻過程可以看做一個穩態過程。

3經濟性分析

3.1經濟性指標

（1）費用年值工程的總費用通常包括初投資和年運行費用兩部分，由于二者性質不同，所以采用費用年值——利用資金回收系數折算比率，將初投資費用進行折算再與運行費用相加，得出費用年值。其計算公式 式中：Z為費用年值，元/年；Ct為初投資，元；Cr為年運行費用，元/年；j為年利率，10%；n為設備使用壽命，年。（2）凈現值凈現值（NPV）指標是通過計算方案壽命期內每年發生的現金流量，并按一定折現率將各年的凈現金流量折算到投資期初，將各年現值進行疊加就得到凈現值，可由式 式中：CI為流入凈現金；CO為流出凈現金；（CI-CO）t為第t年的凈現金流量；i為基準收益率；t為計算年分數。NPV>0表示方案不僅回收了投資，而且還有盈余，凈現值越大，方案收益方案越好；NPV=0表示方案回收了投資，達到預定目標，方案也可行；NPV<0表示方案不但不能回收投資，而且還有虧損，方案不可行。（3）動態投資回收期回收期反映了方案投資回收的速度。動態投資回收期是指方案凈現金流量現值累計為零時的時間。回收期越短，說明方案越早開始盈利，設備壽命期內收益越多，因此必須把動態回收期至少控制在設備壽命期內，否則方案不可行，動態投資回收期可由式 式中：m為累計凈現金流量首次為正值或零的年數；Ft為第t年的凈現金流量。

結語

通過建立低溫煙氣余熱發電系統凈輸出功率目標函數，研究系統余熱取熱范圍、鍋爐排煙溫度及汽機排汽溫度與系統凈輸出功率之間的關系，指導低溫煙氣余熱發電系統設計。算例計算結果驗證了模型的適用性。

參考文獻：

[1]張文芳.煙氣余熱利用過程的建模與控制[D].北京：華北電力大學，2012.

[2]趙斌，徐鴻，路曉雯，等.燒結余熱發電系統的熱力學分析和系統優化[J].華北電力大學學報，2010，37（3）：43-48.

[3]張鄧杰，王江峰，王家全，等.水泥窯余熱發電技術的分析及優化[J].動力工程，2009，29（9）：885-890.

[4]李志偉，張波，何紅舟，等.1200t/d玻璃窯余熱發電系統運行參數選型[J].電站系統工程，2013，29（3）：79-81.

[5]劉三軍，蘇震，張衛亮，等.安鋼燒結環冷機余熱發電技術[J].冶金能源，2009，28（6）：40-43.

（作者單位：大連派思透平動力科技有限公司）