高爐渣顯熱梯級利用中有機(jī)工質(zhì)優(yōu)化

摘要：利用換熱器窄點(diǎn)溫差法建立了利用高爐渣顯熱的沖渣水和中溫空氣有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）熱力學(xué)模型，計算了16 種工質(zhì)在梯級系統(tǒng)中的熱力學(xué)性能隨運(yùn)行參數(shù)的變化趨勢。結(jié)果表明：以高爐沖渣水為熱源時，在蒸發(fā)溫度為60 ℃、冷凝溫度為30 ℃、工質(zhì)過熱度為5 ℃ 時，工質(zhì)R227ea 的凈輸出功率最大，值為5 427.2 kW；當(dāng)R227ea 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 時，R227ea/R245fa 二元非共沸工質(zhì)性能最優(yōu)，最大凈輸出功率達(dá)到4 336 kW，?效率達(dá)到56.37%；以中溫空氣為熱源時，以R601 為基礎(chǔ)構(gòu)建的二元非共沸混合工質(zhì)，在相同運(yùn)行參數(shù)下的凈輸出功率均不及R601 的，說明混合工質(zhì)對ORC 系統(tǒng)性能的改善程度取決于熱源溫度。

關(guān)鍵詞：非共沸工質(zhì)；純工質(zhì)；有機(jī)朗肯循環(huán)；高爐渣顯熱；梯級利用

中圖分類號：TK47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼鐵行業(yè)所產(chǎn)生的余熱資源中高爐渣顯熱占據(jù)了絕對份額，采用有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）可以有效地利用中低溫余熱資源［1］。影響ORC 發(fā)電系統(tǒng)效果的因素，除了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和過熱度等外，有機(jī)工質(zhì)的物性也是重要因素之一［2–3］。

在傳統(tǒng)的ORC 系統(tǒng)中采用純有機(jī)工質(zhì)限制了系統(tǒng)性能的提高。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者開始采用非共沸工質(zhì)對ORC 系統(tǒng)中的工質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。Abadi 等［4］通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，非共沸工質(zhì)相比于純工質(zhì)可以更有效地提高系統(tǒng)循環(huán)凈輸出功率。Heberle 等［5］指出，在相同工況下，混合工質(zhì)相比于純工質(zhì)可以更有效地提高?效率。Angelino 等［6］通過模擬分析發(fā)現(xiàn)有機(jī)硅油和各類碳?xì)浠衔锝M成的混合工質(zhì)均可提升系統(tǒng)性能。鮑軍江等［7］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凝器內(nèi)冷卻水溫升與非共沸工質(zhì)的溫度滑移接近時，系統(tǒng)有最大輸出功率。因此，針對ORC 系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，對系統(tǒng)性能的提高具有重大意義。

1 系統(tǒng)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

對ORC進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時，為了簡化計算，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，減少對計算結(jié)果的影響，假設(shè)：①系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行；②忽略在管道、冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的散熱和壓力損失；③忽略整個系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)能；④工質(zhì)在運(yùn)行時物性穩(wěn)定，不受潤滑油影響；⑤忽略冷、熱源中的雜質(zhì)和不凝結(jié)氣體的影響。有機(jī)朗肯循環(huán)的T?s 圖如圖1 所示，其中：T 為溫度；s 為熵。

1.2 系統(tǒng)熱源參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)

在確定的冷、熱源工況和運(yùn)行工質(zhì)條件下，對系統(tǒng)熱力性能影響較大的是有機(jī)朗肯循環(huán)的運(yùn)行參數(shù)，例如蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度和過冷度等［8–9］。

在完整的ORC 發(fā)電系統(tǒng)中，熱源質(zhì)量流量和溫度由余熱資源決定。根據(jù)某工廠4 038 m3高爐生產(chǎn)參數(shù)，設(shè)定高爐沖渣水質(zhì)量流量為2 300 t/h，高爐沖渣水溫度設(shè)為90 ℃；空氣被加熱至250 ℃，空氣質(zhì)量流量為6 786 t/h；系統(tǒng)工質(zhì)過熱度為5 ℃；冷卻水溫度受冷源條件限制，在此設(shè)為20 ℃；在蒸發(fā)器和冷凝器中，設(shè)定傳熱窄點(diǎn)溫差為5 ℃。以上條件在ORC 計算模型中均為固定參數(shù)。

本文沖渣水ORC 系統(tǒng)計算邊界條件如表1所示。中溫空氣ORC 系統(tǒng)計算邊界條件如表2所示。

2 有機(jī)工質(zhì)篩選

選取的有機(jī)工質(zhì)通常需要滿足以下條件：①工質(zhì)的臨界溫度應(yīng)高于循環(huán)中工質(zhì)的最高溫度；②考慮到設(shè)備承壓問題，循環(huán)蒸發(fā)壓力不宜過高；③為避免空氣滲入，循環(huán)冷凝壓力應(yīng)高于大氣壓；④飽和蒸汽線盡量垂直，等熵焓降大；⑤導(dǎo)熱系數(shù)高，動力黏度小，密度大，汽化潛熱和比熱容大；⑥化學(xué)穩(wěn)定性好，毒性小，經(jīng)濟(jì)性好［10］。

為了使ORC 處于亞臨界循環(huán)內(nèi)，根據(jù)熱源參數(shù)并利用REFPROP9.1 軟件查詢得到有機(jī)工質(zhì)物性。在以高爐沖渣水為熱源的情況下，選用的10 種工質(zhì)的物性參數(shù)如表3 所示，其中ODP為臭氧消耗潛能值。在以中溫空氣為熱源的情況下，選用的6 種工質(zhì)的物性參數(shù)如表4 所示。在各自對應(yīng)的熱源下，組成的二元非共沸混合工質(zhì)由各自選用的工質(zhì)組成，其中ODP 指標(biāo)越小，工質(zhì)的環(huán)境特性越好［11］。

3 計算結(jié)果與分析

本文中各梯級系統(tǒng)均以熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率作為評價工質(zhì)性能的指標(biāo)。熱效率是基于熱力學(xué)第一定律的分析指標(biāo)，可反映系統(tǒng)輸入與輸出能量之間的平衡關(guān)系，為節(jié)能指明一定方向［12］。?效率則基于熱力學(xué)第二定律的分析指標(biāo)，是關(guān)于同質(zhì)能量的平衡或比值。相比于能量分析，?分析能更全面、深刻地指明能量耗損的本質(zhì)［13］。循環(huán)凈輸出功率則是關(guān)乎熱源是否值得回收的一個重要指標(biāo)［14］。

3.1 沖渣水系統(tǒng)的結(jié)果分析

以90 ℃ 高爐沖渣水為熱源，研究了選用表3 中10 種工質(zhì)時ORC 蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和過熱度對系統(tǒng)循環(huán)凈輸出功率、熱效率和?效率的影響。圖2 為系統(tǒng)熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率隨蒸發(fā)溫度的變化?？梢?，熱效率和?效率均隨蒸發(fā)溫度的升高而提高，其中R601 表現(xiàn)最佳：當(dāng)蒸發(fā)溫度為80 ℃ 時，其熱效率和?效率分別達(dá)到9.75% 和63.88%。以窄點(diǎn)溫差法為計算方法，結(jié)果表明：循環(huán)凈輸出功率隨蒸發(fā)溫度的升高先增大后減小，在蒸發(fā)溫度為60 ℃時，所有工質(zhì)的循環(huán)凈輸出功率達(dá)到最大值，其中工質(zhì)R227ea 的最大循環(huán)凈輸出功率為5 427.2 kW，其次是RC318 和R134a，最大循環(huán)凈輸出功率分別為5 339.8 kW 和5 316.1 kW。

圖3 為熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率隨工質(zhì)冷凝溫度的變化?？梢钥闯?，3 個指標(biāo)均隨冷凝溫度的升高而減小。這是因?yàn)樵诠べ|(zhì)質(zhì)量流量不變的情況下，系統(tǒng)中工質(zhì)在膨脹機(jī)出口的焓值增加，導(dǎo)致膨脹機(jī)焓降減小，從而造成系統(tǒng)凈輸出功率降低，降幅最大達(dá)70.27%（工質(zhì)為R227ea）。

圖4 為熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率隨工質(zhì)過熱度的變化。除R134a 和R152a 的熱效率和?效率隨過熱度的增加而提高外，其他工質(zhì)的熱效率和?效率均隨過熱度的增加呈降低趨勢。因?yàn)椴煌べ|(zhì)的系統(tǒng)熱效率和?效率受循環(huán)凈輸出功率和系統(tǒng)吸熱量的影響不同，但均隨過熱度增加而小幅變化。在過熱狀態(tài)下，工質(zhì)R134a 和R152a 溫度每升高1 ℃，相應(yīng)比焓的增加量高于其他工質(zhì)，導(dǎo)致R134a 和R152a 在過熱度增加時，單位質(zhì)量工質(zhì)的膨脹機(jī)做功大于其他工質(zhì)，且循環(huán)凈輸出功率的增加量大于因工質(zhì)質(zhì)量流量減小造成的循環(huán)凈輸出功率減小量，所以R134a 和R152a 的循環(huán)凈輸出功率增加。而其他工質(zhì)循環(huán)凈輸出功率均呈減小趨勢，因?yàn)殡S著過熱度的提高，膨脹機(jī)焓降增大，但循環(huán)輸出功率增加量不及因工質(zhì)質(zhì)量流量減小造成的循環(huán)凈輸出功率減少量。因此，R134a 和R152a 工質(zhì)的過熱狀態(tài)比焓增量大決定了圖4的變化趨勢。

為探究非共沸工質(zhì)的熱力學(xué)性能，以循環(huán)凈輸出功率為指標(biāo)，篩選出循環(huán)凈輸出功率最大的工質(zhì)。在工質(zhì)R227ea、R134a、RC318、R236fa、R245fa、R600a 中，具有最大循環(huán)凈輸出功率的為工質(zhì)R227ea，因此以R227ea 為基礎(chǔ)組成的二元非共沸工質(zhì)具有較大的做功潛力。計算R134a、RC318、R236fa、R245fa、R600a 等5 種工質(zhì)分別與R227ea 組成的二元非共沸工質(zhì)在相同熱源條件下的熱力學(xué)性能隨工質(zhì)組分的變化趨勢，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5中可以看出，所有二元非共沸工質(zhì)的最大循環(huán)凈輸出功率和最大?效率均優(yōu)于單組分工質(zhì)。在蒸發(fā)溫度為70 ℃、冷凝溫度為38 ℃，工質(zhì)過熱度為 5 ℃ 時， 二元非共沸工質(zhì)R227ea/R245fa（質(zhì)量比1∶1）的表現(xiàn)最優(yōu)：最大循環(huán)凈輸出功率達(dá)到4336 kW，相對于R227ea 和R245fa的分別提高了18.24% 和26.41%；其?效率達(dá)到56.37%，相對于R227ea 和R245fa 分別提高了20.50% 和14.18%。根據(jù)溫度滑移理論，二元非共沸工質(zhì)在相變過程中溫度是變化的，所以可以利用這個性質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段減小換熱溫差帶來的不可逆損失，以提高?效率。因此，二元非共沸工質(zhì)需具備露點(diǎn)溫度和泡點(diǎn)溫度分別接近冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的性質(zhì)。

3.2 中溫空氣系統(tǒng)的結(jié)果分析

通過分析高爐沖渣水ORC 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)固定熱源下，工質(zhì)過熱度對系統(tǒng)性能的影響較小，因此以250 ℃ 中溫空氣為熱源，僅研究選用表4中6 種純工質(zhì)時ORC 蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率的影響。以各種有機(jī)工質(zhì)的吸熱量相同為前提，圖6 為熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率隨蒸發(fā)溫度的變化情況。可見，所有工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率和?效率均隨蒸發(fā)溫度的升高而升高，其中乙醇表現(xiàn)最佳：當(dāng)蒸發(fā)溫度為195 ℃ 時，其熱效率和?效率分別達(dá)到22.15% 和70.98%?；谡c(diǎn)溫差理論，每種有機(jī)工質(zhì)的吸熱量是相同的，因此有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量和蒸發(fā)溫度是相互影響的，蒸發(fā)溫度越高質(zhì)量流量越小。工質(zhì)R601 蒸發(fā)溫度的升高，使得有機(jī)工質(zhì)在汽輪機(jī)入口和出口的焓差顯著增大，導(dǎo)致循環(huán)凈輸出功率的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于因工質(zhì)質(zhì)量流量減小造成的循環(huán)凈輸出功率的減小量，因此循環(huán)凈輸出功率顯著增大。除R601 的循環(huán)凈輸出功率逐漸增加外，其他工質(zhì)的循環(huán)凈輸出功率均隨蒸發(fā)溫度的升高而減小，說明工質(zhì)R601 因蒸發(fā)溫度提高，膨脹機(jī)焓降增加導(dǎo)致的循環(huán)凈輸出功率的增加量大于因工質(zhì)質(zhì)量流量減小造成的循環(huán)凈輸出功率的減小量，其他工質(zhì)則相反，且R601 的表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他工質(zhì)。

以各種有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量不變?yōu)榍疤?，圖7 為系統(tǒng)熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率隨工質(zhì)冷凝溫度的變化。隨著冷凝溫度的升高，所有工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率、?效率和循環(huán)凈輸出功率均減小。因?yàn)樵谙到y(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量不變的情況下，工質(zhì)在膨脹機(jī)出口的焓值增加，導(dǎo)致膨脹機(jī)焓降減小，造成系統(tǒng)循環(huán)凈輸出功率降低，且降幅最大達(dá)16.30%（工質(zhì)為R601）。

利用與沖渣水為熱源時相同的分析方法篩選出循環(huán)凈輸出功率最大的純工質(zhì)R601、R113 和己烷組成的二元非共沸工質(zhì)。圖8 為系統(tǒng)熱力學(xué)性能隨工質(zhì)組分的變化。可見，所有二元非共沸工質(zhì)的最大循環(huán)凈輸出功率均沒有超過工質(zhì)R601，R601/己烷（質(zhì)量比9∶1）具有最大的?效率，為65.02%，相對于R601 和己烷分別提高了1.50% 和3.01%。

4 結(jié)論

（1）在以高爐沖渣水為熱源的ORC 系統(tǒng)中，10 種工質(zhì)的循環(huán)凈輸出功率均隨蒸發(fā)溫度的升高先增大后減小，且在蒸發(fā)溫度為60 ℃ 時達(dá)到最大值。當(dāng)冷凝溫度為30 ℃、工質(zhì)過熱度為5 ℃ 時，工質(zhì)R227ea 的最大循環(huán)凈輸出功率為5 427.2 kW。

（2）在以R227ea 為基礎(chǔ)構(gòu)建的5 種二元非共沸混合工質(zhì)中，R227ea/R245fa（質(zhì)量比1∶1）最優(yōu)：當(dāng)冷凝溫度為38 ℃ 時，其最大循環(huán)凈輸出功率達(dá)到4 336 kW，相對于R227ea 和R245fa的分別提高了18.24% 和26.41%；其?效率達(dá)到56.37%，相對于R227ea 和R245fa 的分別提高了20.50% 和14.18%。

（3）在以中溫空氣熱源為熱源的ORC 系統(tǒng)中，除R601 的循環(huán)凈輸出功率逐漸增加外，其他工質(zhì)的循環(huán)凈輸出功率均隨著蒸發(fā)溫度的升高而減小。在相同運(yùn)行參數(shù)下，以R601 為基礎(chǔ)構(gòu)建的3 種二元非共沸混合工質(zhì)的循環(huán)凈輸出功率都不及R601 的，說明混合工質(zhì)對ORC 系統(tǒng)性能的改善程度會因選取的熱源溫度不同而不同，純工質(zhì)的熱力性能會優(yōu)于混合工質(zhì)的。