吳羅剛

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510665)

余熱回收在煤化工行業(yè)的應用

吳羅剛

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510665)

煤化工行業(yè)存在大量低品位余熱，以某大型煤化工廠凝液精制裝置中工藝凝液余熱為例，介紹有機郎肯循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電站發(fā)電原理和技術流程，通過本項目的實施將低品味的熱能(88 ℃)轉化成電能，在額定工況下實現(xiàn)凈發(fā)電功率516 kW，達到節(jié)能增效的目的。

有機郎肯循環(huán)；余熱發(fā)電；節(jié)能；余熱回收

隨著能源消耗的日益增長，生態(tài)破壞、全球變暖等環(huán)境問題已凸顯，節(jié)能減排已經(jīng)成為我國目前的基本國策。工業(yè)節(jié)能十三五規(guī)劃要求在鋼鐵、化工、輕工等余熱資源豐富行業(yè)，全面推廣余熱余壓回收利用技術，推進低品質熱源的回收利用[1]。

工業(yè)余熱即工業(yè)生產(chǎn)過程中在完成某一生產(chǎn)工藝后剩余的熱量，我國工業(yè)能耗占能源總量的70%左右，而工業(yè)能耗的60%～65%都轉化為載體不同、溫度不同的工業(yè)余熱。包括低品位煙氣、蒸汽和熱水等，回收和利用工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種余熱，既有助于解決我國的能源問題，又可以有效減少工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染，具有重要的意義。

按照余熱的不同溫度情況,將余熱資源分為3種,即:高溫余熱(≥500 ℃ )、中溫余熱(400～500 ℃ )和低溫余熱(≤400 ℃ )。我國在高溫熱源余熱發(fā)電領域的技術已經(jīng)成熟,并且在鋼鐵、冶金、水泥、化工等行業(yè)中得到廣泛應用[2],但中、低溫余熱發(fā)電技術尚未成熟，尤其低品位中低于100 ℃的熱量基本都是被風冷和循環(huán)水冷卻，既造成能量的浪費，又增加公用工程水和電的消耗。煤化工行業(yè)存在大量的低品位余熱，如低壓蒸汽冷凝液等，有效地利用這些低品位余熱不僅對項目本身具有一定的經(jīng)濟效益，對節(jié)能減排亦有深遠的意義[3]。

1 余熱現(xiàn)狀

某大型煤化工廠凝液精制裝置主要將送入本裝置的工藝凝液進行處理，制備合格的除鹽水，處理之前需將凝液冷卻至40 ℃，目前采用的是大量循環(huán)冷卻水冷卻降溫，該種方式不僅沒有充分利用余熱，造成能源的浪費，而且需要消耗大量循環(huán)冷卻水。其中工藝凝液參數(shù)如下：夏季：凝液流量194.2 t/h，凝液溫度88～95 ℃；冬季：凝液流量245 t/h，凝液溫度82～88 ℃。設計采取加權平均流量219 t/h，加權平均溫度88 ℃。

2 余熱發(fā)電原理

2.1 有機郎肯循環(huán)的熱力過程

圖1 機郎肯循環(huán)的T-S圖

有機朗肯循環(huán),即在傳統(tǒng)水蒸汽朗肯循環(huán)中采用有機工質(如R245fa、R134a 等)代替水蒸汽推動透平膨脹機或螺桿膨脹機做功,由于有機工質的沸點低,易形成高壓蒸汽,而冷凝壓力接近或稍大于大氣壓力,系統(tǒng)運行壓力小,且其冷凝溫度較低,可最大限度地將低品位熱源的熱量轉化為電能,提高了能量利用率。有機郎肯循環(huán)由定壓吸熱、定熵膨脹、定壓放熱和定熵壓縮四個過程組成[4]，如圖1有機郎肯循環(huán)T-S圖。工質在蒸發(fā)器中經(jīng)歷定壓吸熱過程，其狀態(tài)由過冷液(狀態(tài)4)變化為飽和蒸氣(狀態(tài)1)；之后在膨脹部件中經(jīng)歷絕熱膨脹過程，成為乏氣(狀態(tài)2)；乏氣在冷凝器中經(jīng)歷定壓放熱過程，成為飽和液(狀態(tài)3)；在工質泵中經(jīng)歷絕熱壓縮過程，回到狀態(tài)4，完成循環(huán)。

2.2 有機郎肯循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電站

有機朗肯循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電站以低沸點有機物為工質的朗肯循環(huán)，由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和泵等4大部件組成。外界熱介質通過蒸發(fā)器將熱量輸送給有機工質，有機工質經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱后，產(chǎn)生飽和狀態(tài)的有機蒸汽，引導進入專用的螺桿膨脹機，有機蒸汽內(nèi)能轉換為機械能對外做功，膨脹機與發(fā)電機相連，機械能也就轉換為電能，發(fā)電后的乏汽再進入冷凝器凝結成有機凝液，由泵增壓送至蒸發(fā)器循環(huán)做功。有機朗肯循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電站發(fā)電技術流程見圖2。

圖2 螺桿膨脹機發(fā)電站技術流程

Fig．2 technical flowsheet of the screw expansion generator units

3 余熱發(fā)電方案

本項目選用一套型號為KE800-75W-1-50C ORC螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)，采用低沸點R245fa作為循環(huán)的有機工質。為了提高熱效率和發(fā)電量，選用2套膨脹機機組，高溫級機組和低溫級機組串聯(lián)運行。系統(tǒng)主要包括工藝凝液系統(tǒng)、ORC冷媒系統(tǒng)和ORC油系統(tǒng)三部分組成。

工藝凝液系統(tǒng)的工藝流程為：工藝凝液(219 t/h，88 ℃)首先通過高溫級蒸發(fā)器加熱高溫級的冷媒后分成兩部分，一部分工藝凝液進入低溫級的蒸發(fā)器和預熱器加熱低溫級的冷媒，另一部分進入高溫級的預熱器加熱高溫級的冷媒，高溫級和低溫級預熱器出口的兩路工藝凝液混合組成回水(219 t/h，60 ℃)回到下游裝置。

ORC冷媒系統(tǒng)包括高溫級和低溫級兩部分。冷媒在蒸發(fā)器吸熱變成高溫高壓的飽和氣體，進入膨脹機做功，膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電，將發(fā)出的電輸送到電網(wǎng)。膨脹機出口的過熱蒸汽通過油分進行油氣分離，然后進入蒸發(fā)式冷凝器冷凝成飽和液體。儲液罐收集液態(tài)冷媒被工質泵加壓到高壓狀態(tài)，然后進入預熱器，將過冷的冷媒預熱到飽和液態(tài)。然后進入蒸發(fā)器完成一個循環(huán)。

ORC油系統(tǒng)指膨脹機主機供油系統(tǒng)和工質泵供油系統(tǒng)。油分離器分離出來的油存儲到油分底部的儲油包，主油泵將油打回到膨脹機各個噴油口進行潤滑。工質泵的油路配有專用的油箱，通過副油泵將油箱里的油打到工質泵各個進油口進行潤滑，主機供油系統(tǒng)和工質泵供油系統(tǒng)相互之間聯(lián)通確保系統(tǒng)的油平衡。

在工藝凝液管道和系統(tǒng)管道上安裝各類閥門和建立旁通，用于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定開機、運行以及停機。當膨脹機需要維護或緊急停機時，系統(tǒng)快切閥門將立即關閉，工藝凝液通過旁通回路返回凝液精制裝置，不影響下游正常生產(chǎn)。且在緊急停機時發(fā)電機自動從電網(wǎng)中解列出來，對電網(wǎng)不會產(chǎn)生影響。

ORC螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)設計工況下具體技術參數(shù)見表1。

表1 機組技術參數(shù)一覽表

機組凈發(fā)電量受工藝凝液溫度和環(huán)境干球溫度的影響，在額定流量下根據(jù)進水溫度不同和環(huán)境溫度的變化繪制機組變工況性能曲線圖，詳見圖3。從圖可以看出進水溫度越高，環(huán)境溫度越低，發(fā)電量越大。

圖3 機組變工況下性能曲線圖

通過本項目的實施，可實現(xiàn)額定工況下凈發(fā)電功率516 kW，年(8000h)發(fā)電412.8×104kW·h，為業(yè)主年(0.45元/kWh)創(chuàng)造185.76萬元經(jīng)濟效益，節(jié)省循環(huán)冷卻水(8 ℃溫差)流量為766.5 t/h。

4 結語

綜上所述，有機郎肯循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電站在低溫余熱回收方面效果明顯，可以將低品味的熱能轉化成電能，達到節(jié)能增效的作用，而且在熱源參數(shù)大幅波動工況下(10%～120%)，也能夠高效、平穩(wěn)運行。目前在煤化工行業(yè)還存在大量低品位的熱量，應用前景將十分廣泛。

[1] 王 華，王輝濤.低溫余熱發(fā)電有機郎肯循環(huán)技術[M].北京：科學出版社，2010：1-10.

[2] 馮 馴，徐 建，王墨南,等.有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收低溫余熱的優(yōu)勢[J].節(jié)能技術，2010, 28(163) :387-391.

[3] 鄧立生，黃宏宇，何兆紅,等，有機朗肯循環(huán)的研究進展[J].新能源進展，2014,2(3):180-189.

[4] 曹濱斌，李惟毅.螺桿膨脹機雙循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)分析[J].天津大學學報，2010,43(4):310-314.

(本文文獻格式：吳羅剛.余熱回收在煤化工行業(yè)的應用[J].山東化工，2017，46(08)：126-127，129.)

Energy Saving Transformation of the Combined Unit of Arene in a Certain Factory

WuLuogang

(HQC(GuangYe)Co.,Ltd.,Guangdong， Guangzhou 510655,China)

There are a large number of low-grade waste heat in the coal chemical industry,takes example for the waste heat of the technical stream of a large coal chemical plant in this paper,introduces power generation principle and technical flowsheet of the organic rankine cycle screw expansion generator units, through this project low-grade thermal energy can convert into electrical energy, it can generate a net power electricity of 516 kW in the rated operating conditions,achieves the purpose of energy saving and efficiency increasing.

organic rankine cycle; waste heat power generation ; energy saving;waste heat recovery

2017-03-03

吳羅剛(1983—)，湖北人，本科，工程師，主要從事石油化工醫(yī)藥行業(yè)節(jié)能和設計。

TQ440.8

A

1008-021X(2017)08-0126-02