朱能闖

（武漢都市環(huán)保工程技術股份有限公司，湖北 武漢430071）

0 概述

ORC即Organic Rankine Cycle（有機朗肯循環(huán)），低沸點有機物作為工質(zhì)。該循環(huán)系統(tǒng)由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和工質(zhì)泵組成。與普通郎肯循環(huán)采用水作為循環(huán)工質(zhì)相比，有機郎肯循環(huán)采用有機循環(huán)工質(zhì)。與水相比，有機工質(zhì)的沸點低，在壓力(0.15～0.5MPa)左右，溫度60～70℃、甚至40～50℃左右，就可以汽化為蒸汽，從而可以利用原來廢棄的品位較低的熱能，將這些能源再生后以電能的形式輸出．有機工質(zhì)在回收顯熱方面也有較高的效率，由于朗肯循環(huán)中顯熱和潛熱二者的比例不相等，而ORC系統(tǒng)中顯熱的比例較大，因此采用該技術要比水蒸汽的朗肯循環(huán)可回收較多的熱量。

燒結(jié)余熱發(fā)電技術是一項將燒結(jié)廢氣余熱資源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Φ墓?jié)能技術。該技術不產(chǎn)生額外的廢氣、廢渣、粉塵和其它有害氣體，能夠有效提高燒結(jié)工序的能源利用效率。通過燒結(jié)余熱發(fā)電技術回收利用燒結(jié)熱氣中的熱能，可顯著降低燒結(jié)工序能耗（4~8kgce/t礦），節(jié)能減排效果非常明顯。因而自2005年中國首個燒結(jié)余熱發(fā)電工程投產(chǎn)開始，8年來，燒結(jié)余熱發(fā)電技術在中國得到了快速應用與蓬勃發(fā)展。據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，至2012年上半年，國內(nèi)已建成并投產(chǎn)的燒結(jié)余熱發(fā)電裝置已達到166套。

在已有的燒結(jié)余熱發(fā)電技術中，環(huán)冷機鍋爐利用的熱源為400~300℃煙氣，較低溫度的煙氣利用價值低，一般直接排放。而ORC技術可以有效利用該部分熱能，進一步提高廢熱利用率，增加燒結(jié)系統(tǒng)噸礦發(fā)電量。

1 ORC技術簡介

如圖1所示，ORC系統(tǒng)由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和工質(zhì)泵組成。低溫熱源通過蒸發(fā)器與有機工質(zhì)發(fā)生熱交換，使有機工質(zhì)達到沸點蒸發(fā)成為蒸汽，最終通過汽輪機做功發(fā)電，做完功的低溫工質(zhì)通過冷凝器凝結(jié)為液體，并通過工質(zhì)泵加壓送至蒸發(fā)器，完成整個系統(tǒng)循環(huán)。

ORC發(fā)電技術與常規(guī)汽輪發(fā)電技術原理基本一致，主要區(qū)別在于工質(zhì)為可以在低溫情況下蒸發(fā)的有機工質(zhì)，能有效的利用原先沒有利用價值的低溫低品位熱源。

圖1 ORC系統(tǒng)示意圖

圖2 ORC裝置

ORC系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

（1）效率高,系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要設置除氧、除鹽、排污及疏放水設施；凝結(jié)器里一般處于略高于環(huán)境大氣壓力的正壓，不需設置真空維持系統(tǒng)。

（2）透平進排氣壓力高，所需通流面積較小，透平尺寸小。

（3）使用干流體時，余熱鍋爐中不必設置過熱段，工質(zhì)蒸汽直接以飽和氣體進透平膨脹做功。

（4）可實現(xiàn)遠程控制，無人值守，需要極少的運行、維修人員，運行成本很低。

（5）單機容量可從幾kW到數(shù)千kW。

（6）系統(tǒng)部件、設備可實現(xiàn)標準模塊化生產(chǎn)，如圖2所示。能縮短安裝周期，降低制造成本。

（7）適用于溫度高于70℃以上的低溫余熱源。

2 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC技術結(jié)合方案

該組合系統(tǒng)典型示例流程如下：

如圖3所示，該系統(tǒng)為常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC技術結(jié)合的典型系統(tǒng)。其中左側(cè)為比較典型的常規(guī)雙壓燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)，主要設備包括雙壓冷卻機（目前有兩種形式，即環(huán)冷機和帶冷機）余熱鍋爐、燒結(jié)大煙道余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組等。燒結(jié)機大煙道余熱鍋爐為最近出現(xiàn)的新技術，利用燒結(jié)機尾部煙道平均約330℃的煙道與水換熱產(chǎn)生中壓蒸汽。冷卻機高溫部分煙罩中抽取的400~300℃高溫煙氣直接進入常規(guī)的冷卻機余熱鍋爐與水換熱產(chǎn)生中壓蒸汽及低壓蒸汽，冷卻機余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽與燒結(jié)大煙道余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽匯合，中壓蒸汽與低壓蒸汽分別送入汽輪機發(fā)電。在汽輪機中做完功的蒸汽通過凝汽器凝結(jié)為水，水再通過凝結(jié)水泵加壓送回冷卻機余熱鍋爐，完成整個汽水循環(huán)。

圖3 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術方案一

冷卻機余熱鍋爐出口煙氣溫度約150℃，與冷卻機后部300~150℃的低溫煙氣混合后，送至引風機加壓，加壓后的煙氣送入有機工質(zhì)余熱鍋爐（蒸發(fā)器）與有機工質(zhì)進行換熱，換熱后的低溫煙氣溫度約70℃，通過煙囪直接排放。換熱后的有機工質(zhì)蒸汽送入ORC汽輪發(fā)電機組發(fā)電。做完功的有機工質(zhì)蒸汽通過凝汽器凝結(jié)為液體，再通過工質(zhì)泵加壓送回有機工質(zhì)余熱鍋爐，完成整個工質(zhì)循環(huán)。

以上僅為本系統(tǒng)的一個典型示例，實際設計中，可根據(jù)項目的實際情況，靈活選取介質(zhì)及煙氣參數(shù)，以取得最大的經(jīng)濟效益。

本系統(tǒng)的難點及要點在于：

合理選擇取風溫度及取風段及介質(zhì)參數(shù)，以取得最大的經(jīng)濟效益；

冷卻機余熱鍋爐出口壓力約-1200Pa左右，與冷卻機直接抽出的低溫煙氣壓力差距較大，需注意通過調(diào)節(jié)閥選型及煙道阻力計算進行合理控制，避免出現(xiàn)煙氣流量無法控制的情況；

有機工質(zhì)余熱鍋爐出口煙氣溫度約70℃，溫度低于煙氣露點溫度。雖然燒結(jié)冷卻機煙氣主要成分為熱空氣，含硫、氯等腐蝕性化學成分較低，但仍可能產(chǎn)生一定腐蝕，煙氣系統(tǒng)低溫部分需考慮采用耐低溫腐蝕的管道材料或者噴涂材料，這部分技術國內(nèi)已經(jīng)有較成熟的經(jīng)驗，可直接使用。

本系統(tǒng)的優(yōu)點在于：

對燒結(jié)冷卻機的熱能進行了進一步的梯級利用，再次降低了冷卻機的煙氣排放溫度、減少了熱污染的同時，獲得了額外的電能。

新增的常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC組合系統(tǒng)對原有的燒結(jié)冷卻系統(tǒng)無任何影響。避免了普通煙氣再循環(huán)燒結(jié)發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)溫度及發(fā)電量上去但燒結(jié)礦冷卻不下來的情況。

本系統(tǒng)的缺點在于：

有機工質(zhì)余熱鍋爐及ORC整套系統(tǒng)國內(nèi)經(jīng)驗少，設備投資費用較高。同時，以目前成熟的技術來說，低溫煙氣部分的ORC技術發(fā)電凈效率為15%左右，發(fā)電效率仍偏低，投資回收期較長。

本系統(tǒng)與常規(guī)燒結(jié)余熱發(fā)電技術相比，更進一步的提高了燒結(jié)系統(tǒng)的廢熱利用率。同時，從整個燒結(jié)發(fā)電技術發(fā)展來看，也可看作是燒結(jié)發(fā)電技術深化改進的一個發(fā)展方向，具有一定的經(jīng)濟價值，值得我們?nèi)ミM行進一步的深入研究及系統(tǒng)改進。

3 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術發(fā)展前景

目前該系統(tǒng)仍然存在的問題是，因設備制造原因，燒結(jié)冷卻機余熱鍋爐與有機工質(zhì)余熱鍋爐分開布置，為相互獨立的設備，煙氣系統(tǒng)結(jié)合時，低溫的煙氣段需克服的阻力比實際需要的大，增加了一部分能耗，同時兩臺獨立的設備也增加設備費用。

對于這種情況，我們考慮了一種組合式的冷卻機余熱鍋爐，即傳統(tǒng)的冷卻機余熱鍋爐與ORC系統(tǒng)的有機工質(zhì)余熱鍋爐結(jié)合起來，將有機工質(zhì)余熱鍋爐的蒸發(fā)器布置于傳統(tǒng)燒結(jié)冷卻機余熱鍋爐的末級，如圖4所示，這樣可進一步的簡化燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術的煙氣系統(tǒng)，降低煙氣系統(tǒng)阻力減少能耗的同時，又可減少設備投資。

圖4 燒結(jié)余熱發(fā)電與ORC結(jié)合技術方案二

該方案存在的問題是，這種組合式的余熱鍋爐目前無設備廠家有設計經(jīng)驗，需要進行更深入的鍋爐系統(tǒng)設計及可行性研究。

［1］張惠寧.燒結(jié)設計手冊[M].1990．

［2］王華.低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)技術及其產(chǎn)業(yè)化[R].2011．