有機(jī)朗肯循環(huán)在玻璃窯低溫余熱回收中的應(yīng)用

方海燕，李培濤，劉余慶

(深圳市凱盛科技工程有限公司，深圳 518054)

工業(yè)生產(chǎn)中，余熱普遍存在，按照來源可分為煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢氣廢水余熱、化學(xué)反應(yīng)熱、高溫產(chǎn)品余熱、爐渣余熱以及可燃廢氣廢料余熱。但大量工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源不能被有效地回收利用，不僅浪費(fèi)能源，更產(chǎn)生了熱污染。因?yàn)槟茉炊倘?，通過余熱回收利用實(shí)現(xiàn)節(jié)能變得極為重要。節(jié)約資源是我國的基本國策，我國不斷推進(jìn)集約型社會(huì)建設(shè)，狠抓節(jié)能減排，出臺(tái)了多項(xiàng)節(jié)能降耗有關(guān)的法律法規(guī)及規(guī)章制度，為確保落實(shí)，還將節(jié)能降耗目標(biāo)納入了政府考核體系。由此可見，節(jié)能降耗充分利用工業(yè)余熱是工業(yè)生產(chǎn)中需要考量的重要部分。

1 玻璃窯低溫余熱利用現(xiàn)狀

作為建材行業(yè)的耗能大戶，玻璃生產(chǎn)需消耗大量能源，燃料燃燒釋放的熱量只有35%～40%是玻璃熔制的有效熱，約30%～40%的熱量通過排煙帶走了。將這部分熱量利用起來可給玻璃企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)節(jié)能減排帶來顯著的促進(jìn)作用。以前玻璃熔窯排煙主要用于供熱蒸汽和加熱燃料，這種余熱利用方式利用率低。如果由余熱鍋爐吸收煙氣廢熱，生產(chǎn)過熱蒸汽，將過熱蒸汽送至汽輪機(jī)發(fā)電，這種玻璃熔窯余熱回收發(fā)電裝置的發(fā)電凈效率大約為13%，可將玻璃熔窯燃料熱量利用效率提高10%左右，并且產(chǎn)生的電量滿足玻璃生產(chǎn)線60%～80%以上的用電量。根據(jù)《玻璃熔窯余熱發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，玻璃窯余熱鍋爐的排煙溫度高于酸露點(diǎn)溫度20 ℃以上。實(shí)際生產(chǎn)中鍋爐排煙溫度一般在170 ℃左右，排出的熱量占玻璃熔窯排煙熱量的34%。為了進(jìn)一步利用此部分能量，進(jìn)一步提高能源利用率，可在鍋爐出口接低溫有機(jī)朗肯循環(huán)裝置，利用該裝置繼續(xù)吸收低溫?zé)煔庥酂?，將煙氣溫度降?0 ℃(煙氣已經(jīng)過陶瓷濾管脫硫脫硝一體化裝置處理，含硫量大幅降低，可以考慮將煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下，該溫度還可降低，但會(huì)降低發(fā)電效率，影響經(jīng)濟(jì)性)再排至煙囪，增加有機(jī)朗肯循環(huán)裝置不僅提高了玻璃窯廠區(qū)余熱電站總的發(fā)電效率和發(fā)電量，同時(shí)減少了玻璃窯排煙的熱污染。具體玻璃窯煙氣余熱利用流程圖詳見圖1。

2 有機(jī)朗肯循環(huán)原理及應(yīng)用

世界范圍內(nèi)大約90%的電能都通過朗肯循環(huán)產(chǎn)生，其主要包括定壓吸熱、等熵膨脹、等壓冷凝和等熵壓縮四個(gè)過程，主要以水和水蒸氣為循環(huán)工質(zhì)，但是當(dāng)熱源溫度低于370 ℃時(shí)，以水為工作介質(zhì)的常規(guī)朗肯循環(huán)(詳見圖2、圖3)利用率明顯降低。

有機(jī)朗肯循環(huán)原理(詳見圖4、圖5)與常規(guī)朗肯循環(huán)類似，區(qū)別在于有機(jī)朗肯循環(huán)的工作介質(zhì)是低沸點(diǎn)、高蒸汽壓的有機(jī)物，相比常規(guī)朗肯循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)不需要設(shè)置過熱器除去工質(zhì)中的濕蒸氣。

選取正戊烷作為玻璃窯有機(jī)朗肯循環(huán)的工作介質(zhì)是因?yàn)檎焱橄啾绕渌袡C(jī)物沸點(diǎn)低(見表1)。其熱力學(xué)性能較穩(wěn)定，熱效率較高，可用于高于150 ℃的工作溫度，且蒸汽密度大、比容小。所以汽機(jī)、排汽管道及空冷冷凝器中的管道尺寸相對(duì)較小，更節(jié)約成本。如表2所示，當(dāng)工質(zhì)溫度為50 ℃時(shí)，有機(jī)物正戊烷的工質(zhì)壓力是水蒸氣的13倍，工質(zhì)密度是水蒸氣的57倍；當(dāng)工質(zhì)溫度為100 ℃時(shí)，正戊烷的工質(zhì)壓力是水蒸氣的5倍，工質(zhì)密度是水蒸氣的27倍；當(dāng)工質(zhì)溫度為150 ℃時(shí)，正戊烷的工質(zhì)壓力是水蒸氣的3倍，工質(zhì)密度是水蒸氣的18倍。100 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的液體比焓418.82 kJ/kg，蒸汽比焓2 674 kJ/kg，汽化潛熱為2 255.18 kJ/kg，潛熱占比84%。而正戊烷的沸點(diǎn)下汽化熱360.22 kJ/kg，如圖6、圖7所示，相比正戊烷，水的潛熱占比更高，且水蒸氣在進(jìn)入汽輪機(jī)前需要過熱器去除濕蒸氣，而有機(jī)物正戊烷本身就是干工質(zhì)，不需要設(shè)置過熱器，以飽和氣體進(jìn)入膨脹機(jī)做功，熱效率更高。

表1 部分有機(jī)物熱力學(xué)參數(shù)

表2 水蒸氣和正戊烷熱力學(xué)參數(shù)

所以以正戊烷為工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)對(duì)低品位熱源的利用率遠(yuǎn)高于以水為工質(zhì)的常規(guī)朗肯循環(huán)。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)由換熱器、膨脹機(jī)、冷凝器和泵組成。等壓吸熱過程中，有機(jī)工質(zhì)在換熱器中被煙氣預(yù)熱、蒸發(fā)、汽化，從玻璃窯余熱鍋爐排出的低溫?zé)嵩次諢崃慨a(chǎn)生高壓蒸氣；等熵膨脹過程中，煙氣進(jìn)入膨脹機(jī)推動(dòng)膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)，膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；等壓放熱過程中，做功后的乏氣進(jìn)入冷凝器冷凝為液體；等熵壓縮過程中，冷凝后液體工質(zhì)再由泵增壓打入換熱器，繼續(xù)循環(huán)利用。

因?yàn)槠胀ɡ士涎h(huán)中鍋爐高溫高壓運(yùn)行，廠區(qū)給水需要凈化、軟化、除氧和除鹽來去除水中所含懸浮物的膠體和易形成水垢的硬度離子，以防止水在鍋爐中造成氧腐蝕以及形成水垢，從而影響鍋爐運(yùn)行安全和造成降低鍋爐熱效率，所以普通朗肯循環(huán)需要除氧器和除鹽裝置。廠區(qū)給水的除鹽過程以及鍋爐設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)需要排污和疏放水裝置。且因?yàn)樵诶淠郎囟认拢睦淠龎毫^低，需要水源、射水抽氣器和射水箱保持真空度(見表3)。

表3 水和正戊烷的冷凝參數(shù)

而有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)不需除氧、除鹽、排污、疏放水設(shè)施和射水抽氣器，所以設(shè)備成本比普通朗肯循環(huán)低。且膨脹機(jī)尺寸小，設(shè)備造價(jià)和土建成本上相比普通朗肯循環(huán)更為節(jié)約?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，所以運(yùn)行成本低。部件及設(shè)備可模塊化生產(chǎn)，降低制造成本，縮短安裝周期。膨脹機(jī)排出的乏氣為過熱度較大的蒸汽，遠(yuǎn)高于冷凝器內(nèi)的冷凝溫度，直接送入冷凝器冷凝，浪費(fèi)能源，且加大冷凝器的熱損失，可在乏氣進(jìn)入冷凝器前預(yù)熱進(jìn)入換熱器前的液體工質(zhì)，再進(jìn)入冷凝器，從而提高能源利用率(見圖8)。

汽機(jī)間也可改造為中壓汽輪機(jī)和有機(jī)朗肯膨脹機(jī)組合，蒸汽鍋爐吸收玻璃窯排出的中溫段煙氣熱能，將過熱蒸汽送至中壓汽輪機(jī)發(fā)電，有機(jī)朗肯蒸發(fā)器吸收低溫段煙氣熱能，將過熱有機(jī)工質(zhì)送至有機(jī)朗肯膨脹機(jī)發(fā)電。

3 案例分析

以某使用天然氣作為燃料的玻璃窯余熱鍋爐系統(tǒng)為例，忽略勢(shì)能變化、阻力、泵耗能、冷卻劑帶走的熱能，鍋爐排煙已經(jīng)過陶瓷濾管脫硫脫硝一體化工藝處理，選取如下操作參數(shù)作為計(jì)算工況：進(jìn)有機(jī)朗肯系統(tǒng)換熱器的煙氣量為100 000 Nm3/h，煙氣溫度170 ℃，換熱器排煙溫度90 ℃。設(shè)有機(jī)朗肯系統(tǒng)換熱器的漏風(fēng)率為3%，則有機(jī)朗肯換熱器的出口煙氣量為103 000 Nm3/h，煙氣釋放熱能，有機(jī)工質(zhì)正戊烷C5H11在換熱器中通過熱交換吸收煙氣余熱，設(shè)該有機(jī)朗肯換熱器的熱效率為0.6,正戊烷進(jìn)入有機(jī)朗肯換熱器的溫度為25 ℃，該溫度下正戊烷液體密度為621 kg/m3,比熱容2.268 kJ/(kg·℃)，設(shè)正戊烷進(jìn)入有機(jī)朗肯蒸發(fā)器的體積流量10 m3/h，則正戊烷質(zhì)量流量為6.21 t/h，設(shè)膨脹機(jī)內(nèi)效率為0.2，膨脹機(jī)乏氣溫度為51.7 ℃，質(zhì)量流量5.59 m3/h，該溫度下正戊烷密度為596 kg/m3，比熱容為2.34 kJ/(kg·℃)，則膨脹機(jī)輸出功率637 kW,相當(dāng)于每年節(jié)省標(biāo)煤686 t，每年節(jié)約電費(fèi)305.76萬元，投資回收期約3～4年。

4 結(jié) 論

有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術(shù)是一種回收低品位熱能的有效方法，對(duì)玻璃窯低位余熱的開發(fā)利用具有重要的參考意義。