李　浩

ORC系統(tǒng)在水泥工業(yè)余熱利用中的應(yīng)用

李浩

針對水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱煙氣，利用ORC系統(tǒng)進行發(fā)電，通過理論計算及實際工程分析，結(jié)論如下：在現(xiàn)有常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用窯尾收塵器前150℃左右煙氣，設(shè)置ORC系統(tǒng)，2 500～5 000t/d水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電能力可新增發(fā)電量250～350kW；利用窯頭窯尾余熱煙氣，以O(shè)RC系統(tǒng)取代目前常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)，2 500～5 000t/d水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電能力減少500～1 000kW。

ORC系統(tǒng)，汽水朗肯循環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)用分析

1　引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對能源問題的關(guān)注度日益增加。以色列利用ORC系統(tǒng)針對水泥、鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的150～350℃低溫?zé)煔膺M行余熱發(fā)電，該技術(shù)被美國、日本、俄羅斯等國家引進。目前，在水泥工業(yè)純低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域中，針對350℃左右煙氣主要采用氣水發(fā)電機組，本文主要討論在該領(lǐng)域中采用ORC系統(tǒng)的應(yīng)用方式及適用性。

2　ORC原理及特點

ORC即采用有機工質(zhì)作為熱力循環(huán)的工質(zhì)與中低溫余熱換熱，工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生高壓蒸氣，推動透平帶動發(fā)電機發(fā)電（見圖1）。由于有機工質(zhì)一般具有低沸點特性，因此能夠?qū)崿F(xiàn)溫度范圍在80℃以上的熱水和150℃以上的煙氣的余熱回收和發(fā)電。

ORC系統(tǒng)特點如下：

圖1　ORC系統(tǒng)圖

（1）目前成熟商用ORC機組，要求熱源形式為液相流體，因此，以水泥窯余熱煙氣為例，需要通過中間換熱器將煙氣形式熱源轉(zhuǎn)換為熱水或熱油，然后進入ORC機組被利用。

（2）ORC系統(tǒng)自用電率較高約15%～20%，油泵、工質(zhì)泵及循環(huán)冷卻水泵三者電耗分別占系統(tǒng)發(fā)電量的5%～7%。

（3）由于沒有類似氣水朗肯循環(huán)的射水抽氣設(shè)備，透平排汽壓力大于環(huán)境壓力，循環(huán)終參數(shù)較高，根據(jù)熱源品位不同系統(tǒng)效率通常為3%～20%。

表1　商用ORC機組系列

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3　成熟ORC機組分析

針對目前成熟應(yīng)用的商業(yè)ORC機組主要參數(shù)指標(biāo)進行分析，由表1數(shù)據(jù)可知：

（1）目前成熟商用ORC機組，要求熱源形式必須為液相流體，一般采用導(dǎo)熱油。

（2）隨著蒸發(fā)器出口油溫的降低，系統(tǒng)效率逐漸降低。

（3）以“TD 12 HRS”機組為例，蒸發(fā)器設(shè)計進/出口油溫為305℃/ 206℃。雖然機組效率高達24.7%，但對于中間換熱器，導(dǎo)熱油進口溫度為206℃時，煙氣出口溫度至少達到250℃以上才能滿足系統(tǒng)要求（導(dǎo)熱油傳熱性能比水較差，必須保證40℃以上傳熱溫差）。由此分析，若以水泥窯余熱煙氣為熱源，僅能利用溫降100℃左右的熱量，整體發(fā)電性能較差。

綜上所述，余熱發(fā)電系統(tǒng)不能僅考慮發(fā)電效率，應(yīng)綜合考慮余熱利用率等因素選擇最佳的系統(tǒng)配置方案。

4　ORC系統(tǒng)在水泥工業(yè)余熱利用中的分析

4.1在現(xiàn)有水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)ORC系統(tǒng)

在現(xiàn)有水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上對尚未回收的150℃左右的余熱煙氣（如窯尾電收塵器入口）進一步深度利用。

以目前水泥窯余熱發(fā)電為例，主要針對窯頭冷卻機中部取風(fēng)350～360℃及窯尾取風(fēng)330℃等中溫?zé)煔猓捎靡运疄楣べ|(zhì)的汽輪機發(fā)電機組，而生產(chǎn)過程中依然存在150～160℃低溫?zé)煔馍形幢焕茫舨捎糜袡C工質(zhì)汽輪機朗肯循環(huán)系統(tǒng)則可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步提高系統(tǒng)發(fā)電量。

余熱資源：

窯頭：余熱鍋爐出口、窯頭收塵器入口煙氣溫度較低（100℃左右）且波動較大，不適宜作為ORC熱源。

圖2　ORC系統(tǒng)應(yīng)用方案

圖3　ORC系統(tǒng)應(yīng)用方案

表2　ORC與單壓系統(tǒng)發(fā)電量對比

表3　ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)

窯尾：根據(jù)生料磨形式，窯尾收塵器入口溫度不同，產(chǎn)能5 000t/d輥磨水泥生產(chǎn)線，窯尾收塵器前多為100～150℃左右；產(chǎn)能2 500t/d球磨水泥生產(chǎn)線，窯尾收塵器前溫度較高，可達200℃左右。若水泥生產(chǎn)線位于南方多雨潮濕地區(qū)，烘干生料煙氣用量更多，甚至不足，則窯尾收塵器前煙氣溫度更低。

因此，當(dāng)窯尾收塵器前溫度達到150℃左右時，適宜在現(xiàn)有水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)ORC機組，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)理論計算，2 500～5 000t/d水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電可新增發(fā)電量250～350kW。

4.2水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)全部采用ORC

4.2.1理論計算分析

利用窯頭窯尾余熱煙氣，采用帶有預(yù)熱器的ORC機組進行發(fā)電，系統(tǒng)如圖3所示。

采用上述ORC系統(tǒng)，根據(jù)實際工程煙氣數(shù)據(jù)，進行理論發(fā)電量計算，見表3。

綜上所述，水泥窯余熱煙氣全部采用ORC系統(tǒng)，發(fā)電能力均低于相同條件下現(xiàn)有單壓氣水朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，普遍相差500～1 000kW。

4.2.2實際工程分析

以色列ORMAT是全球開展最早、市場份額最大的從事ORC系統(tǒng)工程應(yīng)用的企業(yè)，適用熱源溫度150～300℃，裝機容量200kW～70MW，主要應(yīng)用于工業(yè)余熱回收及地?zé)岚l(fā)電。

ORMAT德國海德堡水泥ORC余熱發(fā)電項目，熱源及系統(tǒng)如圖4、5所示。

針對上述余熱煙氣，采用篦冷機中部取風(fēng)，常規(guī)氣水朗肯循環(huán)，系統(tǒng)凈發(fā)電效率19%～20%，總發(fā)電量1 800～2 000kW，高于目前采用的ORC系統(tǒng)。

圖4　余熱資源

圖5　ORC余熱發(fā)電方案

5　結(jié)論

（1）當(dāng)窯尾收塵器前溫度達到150℃左右時，適宜在現(xiàn)有水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)ORC機組，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)理論計算，2 500～5 000t/d水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電可新增發(fā)電量250～350kW。

（2）利用窯頭窯尾余熱煙氣，以O(shè)RC系統(tǒng)取代目前常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電能力均低于相同條件下現(xiàn)有單壓氣水朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，普遍相差500～1 000kW。

（3）以水泥窯為代表的300℃以上余熱不適用ORC系統(tǒng)，相比更適用目前常規(guī)的氣水朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

Application of ORC System on Waste Heat Utilization in Cement Industry

TQ172.622.22

A

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2014-10-29；編輯：趙蓮