楊澤學(xué)

ORC技術(shù)在水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用前景分析
Applica tion Ana lysis o fORC Techno logy in Cem ent Prod uc tion Line

楊澤學(xué)

1　我國水泥余熱發(fā)電現(xiàn)狀

水泥生產(chǎn)線的余熱主要以廢氣和輻射的形式存在，由于水泥技術(shù)的不斷發(fā)展，新型干法水泥生產(chǎn)線的余熱主要以中、低品位為主。隨著水泥燒成技術(shù)的發(fā)展，我國水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)也經(jīng)歷了高溫余熱發(fā)電、帶補(bǔ)燃的中低溫余熱發(fā)電、低溫余熱發(fā)電三個發(fā)展階段，現(xiàn)存的余熱發(fā)電技術(shù)主要以低溫余熱發(fā)電為主，早期建設(shè)的其他各種類型的余熱電站幾乎全部關(guān)停。

低溫余熱發(fā)電采用的熱力系統(tǒng)形式有單壓系統(tǒng)、閃蒸系統(tǒng)、雙壓系統(tǒng)等，都是以朗肯循環(huán)（Rankine Cycle）作為理論基礎(chǔ)發(fā)展改進(jìn)形成的［1］，主要是利用水泥窯排放的350℃以下的廢氣與水換熱使之產(chǎn)生一定壓力、溫度的蒸汽，推動蒸汽透平做功發(fā)電。由于水的特性，決定了較低品位的廢氣（250℃以下）利用常規(guī)朗肯循環(huán)時其循環(huán)參數(shù)將降低，循環(huán)效率下降，蒸汽中含水率提高，對透平葉片造成較大的沖擊，并且使用壽命下降。近年來由于材料技術(shù)的進(jìn)步，較低參數(shù)的蒸汽透平也得到了應(yīng)用，使透平工作壓力可以降低至0.5MPa以下，但是在投資、循環(huán)效率等方面付出了一定的代價，并且在超低品位余熱（150℃以下）利用方面還需要其他技術(shù)取代蒸汽透平。

為了達(dá)到利用超低品位余熱的目的，在技術(shù)裝備上也進(jìn)行了不斷的努力，從二十世紀(jì)90年代初期即開始研究如何利用螺桿機(jī)較低參數(shù)運(yùn)行的特點(diǎn)代替蒸汽透平等研究與實(shí)踐，并使蒸汽參數(shù)降低至0.2MPa甚至更低，但是由于建設(shè)成本、裝機(jī)功率的限制、裝備的規(guī)?；a(chǎn)、運(yùn)行的可靠性等諸多方面的原因始終得不到推廣應(yīng)用。

圖1　 ORC機(jī)組組成

表1　主要循環(huán)工質(zhì)性能對比

2　 ORC簡介

ORC理論始于20世紀(jì)20～30年代，國外的應(yīng)用研究始于70年代左右［2］，許多知名公司均參與其中，如GE、Turbuden、Ormat、Opcon等。國內(nèi)的研究工作始于上世紀(jì)70～80年代，當(dāng)時僅由幾所大學(xué)作為科研項(xiàng)目研究，僅僅處于理論研究階段，由于受到技術(shù)及市場方面的限制，一直沒能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

ORC為“有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle）”的縮寫，采用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)，如異戊烷（Iso-pentane）、五氟丙烷（perfluoro-propane）等，主要應(yīng)用于超低溫領(lǐng)域廢熱熱源。ORC研制初期主要采用異戊烷等作為ORC循環(huán)工質(zhì)，隨著研究的深入，目前國際上采用R245fa、R123等逐漸成為主流，其較低的蒸發(fā)溫度可以將廢熱利用的溫度低至80℃以下，甚至50℃以下。另外較烷類工質(zhì)也更安全。

ORC系統(tǒng)的組成見圖1。

ORC系統(tǒng)由膨脹機(jī)（螺桿或透平）、蒸發(fā)器、冷凝器、循環(huán)工質(zhì)泵及控制系統(tǒng)組成。

ORC系統(tǒng)的特點(diǎn)：

工質(zhì)蒸發(fā)溫度低，從有機(jī)工質(zhì)的特性來看，理論上＞50℃的余熱均可以使工質(zhì)蒸發(fā)，因此ORC技術(shù)適用于低品位余熱回收；

系統(tǒng)背壓運(yùn)行，冷凝系統(tǒng)簡單；

對于小機(jī)組單機(jī)效率高；

系統(tǒng)密閉，工質(zhì)安全；

模塊化組裝，自動化程度高，除熱源外可以做到一鍵啟停，運(yùn)行及維護(hù)成本較低。

3　 ORC技術(shù)在水泥生產(chǎn)線的利用

世界范圍內(nèi)ORC在水泥行業(yè)唯一的成功應(yīng)用是德國海德堡Lengfurt水泥廠，建于1999年，裝機(jī)功率1 500kW，由Omart承包建設(shè)。利用窯頭除塵器出口廢氣，采用導(dǎo)熱油為一次交換介質(zhì)，ORC工質(zhì)為正戊烷。廢氣加熱導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油再與有機(jī)工質(zhì)交換，這樣的系統(tǒng)在ORC早期廢氣利用是比較常見的設(shè)置，其目的是利用導(dǎo)熱油的高溫傳熱特性，技術(shù)參數(shù)如下（海德堡官方數(shù)據(jù)）：

水泥熟料產(chǎn)量：3 000t/d

平均發(fā)電功率：1 300kW

正戊烷沸點(diǎn)：36℃

平均運(yùn)轉(zhuǎn)率：98%

噸熟料發(fā)電量：10.5kWh

電站循環(huán)效率：16%

投資回收年限：12年以上

實(shí)際回收年限：8～10年（政府節(jié)能資助后）

導(dǎo)熱油換熱器

進(jìn)口廢氣溫度：275℃

出口廢氣溫度：175℃

導(dǎo)熱油循環(huán)量：85t/h

導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度：85℃

導(dǎo)熱油出口溫度：230℃

OMART ORC透平與發(fā)電機(jī)

轉(zhuǎn)速：3 015r/min

額定功率：1 500kW

發(fā)電機(jī)電壓：690V

頻率：50Hz

在水泥熟料生產(chǎn)線中，在現(xiàn)有余熱發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)利用的熱量以外，還有以下低溫余熱可以被ORC利用：

（1）窯尾除塵器排出的廢氣

生料磨排出的廢氣溫度約70℃左右，與窯尾匯風(fēng)箱的160℃廢氣混合后通過窯尾除塵器排放，這部分廢氣約130℃～140℃，由于廢氣量較大，熱量可觀。利用此部分煙氣余熱通過換熱器生產(chǎn)熱水可利用ORC機(jī)組發(fā)電。

（2）窯頭冷卻機(jī)仍有130℃左右的廢氣進(jìn)入收塵系統(tǒng)

現(xiàn)有余熱發(fā)電窯頭AQC余熱鍋爐排出的廢氣溫度一般在100～130℃，目前全部通過進(jìn)入窯頭收塵器對外排放，可通過設(shè)置換熱器生產(chǎn)熱水，利用ORC機(jī)組發(fā)電。

（3）窯筒體輻射熱

水泥窯筒體表面溫度可達(dá)到350℃以上，在冷卻帶還需要專門風(fēng)機(jī)冷卻，目前這部分熱量完全沒有得到利用，但國內(nèi)也有一部分水泥廠利用窯筒體表面輻射熱，設(shè)置簡易的輻射換熱器，加熱水來供熱或浴室用水。經(jīng)過研究，輻射交換器可以使水加熱至150℃以上，甚至可以產(chǎn)生低參數(shù)的飽和蒸汽。國內(nèi)已有專業(yè)公司研制出高效的輻射換熱設(shè)備，并隨其總包的發(fā)電項(xiàng)目出口至國外，說明其技術(shù)的成熟性，這部分熱水可以利用ORC發(fā)電，使筒體輻射熱得到有效利用。

（4）原汽水循環(huán)發(fā)電閃蒸水余熱

在閃蒸技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)中，伴隨閃蒸蒸汽還會產(chǎn)生相同溫度的熱水，每產(chǎn)生1t/h閃蒸蒸汽就會伴隨產(chǎn)生9～12t/h熱水，熱水溫度一般為120～140℃，這些熱水與汽機(jī)的40℃凝結(jié)水混合作為系統(tǒng)的給水，給水溫度為70～90℃，較之其他熱力系統(tǒng)，其AQC鍋爐廢氣排放溫度一般在120℃左右。如果使這些熱水先經(jīng)過ORC發(fā)電，ORC排出的水溫降至60℃左右再與凝結(jié)水混合，可使給水溫度降至50℃以下，同時也會降低AQC鍋爐的廢氣排放溫度。

以上低溫?zé)嵩吹膽?yīng)用范圍分布見圖2所示，以5 500t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，以上4部分超低溫余熱利用ORC技術(shù)發(fā)電可達(dá)600～1 000kW。

圖2　ORC在水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用分布

4　 ORC在水泥生產(chǎn)線應(yīng)用前景分析

隨著能源的日漸緊缺及余熱利用技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫領(lǐng)域的利用逐漸被重視起來，而200℃以下低溫余熱用于發(fā)電的最佳方案是采用低沸點(diǎn)工質(zhì)循環(huán)，其代表為ORC，我國水泥廠在利用ORC余熱發(fā)電技術(shù)方面尚屬空白。

近年來國內(nèi)一些從事水泥窯余熱研究的單位也進(jìn)行了不懈的努力，經(jīng)過幾年的研究，已經(jīng)開發(fā)出可用于水泥生產(chǎn)線的ORC應(yīng)用系統(tǒng)，并建設(shè)了國內(nèi)水泥窯第一個ORC余熱發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組，目前已經(jīng)投入運(yùn)行。該機(jī)組裝機(jī)132kW，實(shí)際發(fā)電90～110kW，利用閃蒸器熱水溫度95℃，有時受到AQC鍋爐廢氣工況的影響，AQC鍋爐省煤器出水溫度較低，在閃蒸器不能投入時可使熱水進(jìn)入ORC發(fā)電，此時熱水溫度為130℃。當(dāng)熱水溫度為180℃時，發(fā)電功率可達(dá)到150kW以上，推算循環(huán)效率可達(dá)8%～10%，基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，與閃蒸系統(tǒng)循環(huán)效率相當(dāng)，但其穩(wěn)定性優(yōu)于閃蒸系統(tǒng)，當(dāng)熱水溫度高于90℃時均能穩(wěn)定運(yùn)行。

由于目前國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)的限制，國產(chǎn)的ORC機(jī)組僅能采用螺桿機(jī)作為膨脹主機(jī)，由于螺桿的結(jié)構(gòu)限制，裝機(jī)功率不宜過大，筆者認(rèn)為單機(jī)1 000kW以下為宜，這就限制了ORC技術(shù)的應(yīng)用空間。裝機(jī)功率＞1 000kW時透平機(jī)綜合指標(biāo)要優(yōu)于螺桿機(jī)。對于透平機(jī)國內(nèi)仍然處于研發(fā)階段，如采用國外機(jī)組造價較高，經(jīng)濟(jì)性較差。對于國產(chǎn)裝備就目前的技術(shù)而言還需要做很多的工作才能將此類技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，主要的障礙是設(shè)備造價較高，效率較低，投資回收期較長。除此之外關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)的開發(fā)與規(guī)模化生產(chǎn)也是制約其進(jìn)一步發(fā)展的因素。

ORC在水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用，無論是窯頭、窯尾還是筒體，均需要增加一次換熱設(shè)備，這必然造成投資的增加，以目前的ORC設(shè)備造價來看，機(jī)組造價大約10 000元/kW，加上一次換熱設(shè)備及安裝費(fèi)用，初步估計總造價在15 000元/kW左右，對于目前的電價水平而言投資回收期較長，如果沒有政府資助推廣難度較大，海德堡的實(shí)例就充分說明了這一點(diǎn)，而在海德堡之后水泥行業(yè)再沒有ORC項(xiàng)目建設(shè)，其主要原因還是造價較高。

對于原有閃蒸發(fā)電系統(tǒng)，增加ORC機(jī)組是當(dāng)前比較可行的方案，不需要增加過多的附加投資，僅對相應(yīng)的管道進(jìn)行改造即可滿足ORC的需要，并且由于ORC機(jī)組的高集成化，安裝周期很短，對現(xiàn)有系統(tǒng)影響很小，國內(nèi)水泥行業(yè)第一個用于實(shí)際運(yùn)行的ORC機(jī)組就是利用了閃蒸的回水。利用原有車間周邊的空地即可增加ORC機(jī)組。

對于需要增加一次換熱的其他環(huán)節(jié)，如果在余熱發(fā)電甚至是水泥廠整體設(shè)計中統(tǒng)一考慮規(guī)劃，一次換熱帶來的造價會降低很多，為ORC的應(yīng)用創(chuàng)造條件。隨著ORC技術(shù)的不斷進(jìn)步和國產(chǎn)化，機(jī)組本體造價會逐步下降，預(yù)測最終將降至6 500元/ kW以下。

圖3　ORC實(shí)驗(yàn)室機(jī)組

圖4　窯筒體換熱裝置

圖5　海德堡Lengfurt水泥廠ORC電站

圖6　現(xiàn)有發(fā)電廠房旁邊建設(shè)的ORC機(jī)房

5　結(jié)語

ORC技術(shù)的特點(diǎn)是能夠利用較低品位的余熱，這一點(diǎn)常規(guī)的朗肯循環(huán)是難以企及的，但是也存在著循環(huán)效率較低、自用電高、造價高等缺陷，在水泥行業(yè)應(yīng)用還需增加一次換熱設(shè)備，綜合造價會更高，不過不失為一種利用超低品位余熱的技術(shù)，在將來一定的階段會得到有效的利用。對于ORC循環(huán)來說，進(jìn)一步降低投資是推廣的關(guān)鍵，還需在系統(tǒng)和裝備上進(jìn)行深入研究，當(dāng)能源愈加緊張時必定會促進(jìn)ORC的發(fā)展［1］。

對于水泥生產(chǎn)線余熱的利用仍然要堅持梯級利用的原則：即首先滿足生產(chǎn)線的需求，如原料、煤的烘干等，對于排放的廢氣余熱，需要分析其品位，確定利用的方式，對于大量的300℃以上的廢氣仍然要采用汽水工質(zhì)的普通朗肯循環(huán)，而對于200～300℃的廢氣，需要分析裝機(jī)規(guī)模，＞1 000kW時可采用飽和蒸汽透平循環(huán)或透平ORC機(jī)組。1 000kW及以下時可采用螺桿ORC機(jī)組，200℃以下熱源是ORC發(fā)揮優(yōu)勢的區(qū)域。

［1］董蘭起.水泥窯余熱發(fā)電的參數(shù)及熱力系統(tǒng)［J］.中國水泥，2010，（8）.

［2］顧偉，翁一武，曹廣義，翁史烈.低溫?zé)崮馨l(fā)電的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.熱能動力工程，2007，（3）.

TQ172.622.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1001-6171（2015）05-0083-03

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