孫宏新，李　平，吳發(fā)洪

(寧波開(kāi)山際源節(jié)能科技有限公司　浙江衢州　324000)

在尿素生產(chǎn)裝置中，無(wú)論采用何種工藝流程，都有大量的反應(yīng)熱，這就產(chǎn)生了很多熱源。雖然這些反應(yīng)熱可以實(shí)行不同程度的梯級(jí)利用，但隨著節(jié)能技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)，仍有節(jié)能空間。根據(jù)有機(jī)朗肯循環(huán)的技術(shù)特性和應(yīng)用現(xiàn)狀并結(jié)合尿素生產(chǎn)的特點(diǎn)，提出將有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于尿素生產(chǎn)裝置中，初步估算噸尿素可節(jié)電40～60 kW·h。

1　有機(jī)朗肯循環(huán)原理

1.1　有機(jī)朗肯循環(huán)介紹

有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)ORC)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由換熱器、膨脹機(jī)組、冷凝器和工質(zhì)泵四大部分組成。有機(jī)工質(zhì)在換熱器內(nèi)從余熱流中吸收熱量并生成具一定壓力和溫度的蒸氣，蒸氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或拖動(dòng)其他動(dòng)力機(jī)械；從膨脹機(jī)排出的蒸氣在凝汽器中向冷卻水放熱并凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新返回?fù)Q熱器中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉路循環(huán)。

1.2　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站工作過(guò)程

ORC是一種被認(rèn)為能有效利用低溫?zé)崮艿募夹g(shù)，已在包括工質(zhì)、膨脹機(jī)、換熱器、系統(tǒng)的優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量的研究，但由于各方面的原因而一直處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破。目前，利用ORC技術(shù)回收低溫?zé)崮馨l(fā)電并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的只有浙江開(kāi)山集團(tuán)研發(fā)的ORC型螺桿膨脹發(fā)電站，已在美國(guó)新墨西哥州地?zé)峄厥枕?xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，采用的有機(jī)工質(zhì)為R245fa(一種無(wú)色透明易流動(dòng)液體，具有揮發(fā)性，低沸點(diǎn)物質(zhì)，在常溫常壓下穩(wěn)定，用作制冷劑時(shí)的代號(hào)為R245fa)，包括3個(gè)過(guò)程(圖1)。

圖1　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站循環(huán)示意

(1) 換熱過(guò)程：蒸發(fā)器接受熱源(熱水、熱油等溫度高于80 ℃的熱流體)的熱量，將蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)R245fa工質(zhì)加熱成高溫高壓的R245fa工質(zhì)蒸氣。

(2) 做功過(guò)程：高溫高壓的R245fa工質(zhì)蒸氣進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)降溫降壓，R245fa工質(zhì)蒸氣從膨脹機(jī)排出后進(jìn)入油分離器分離潤(rùn)滑油。

(3) 凝氣過(guò)程：低溫低壓的R245fa工質(zhì)蒸氣進(jìn)入冷凝器冷凝成液體工質(zhì)，液體R245fa工質(zhì)被工質(zhì)泵升壓后送入蒸發(fā)器，完成一輪循環(huán)。

在ORC循環(huán)中，R245fa工質(zhì)的作用是將熱源的熱量提取出來(lái)，將溫度轉(zhuǎn)化為壓力，從而實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩吹膭?dòng)力輸出。因?yàn)闊o(wú)壓力或低壓力的熱源無(wú)法利用其他方法實(shí)現(xiàn)熱工轉(zhuǎn)換，ORC型螺桿膨脹機(jī)是唯一的選擇。ORC型螺桿膨脹發(fā)電站機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)配置示意如圖2所示。

ORC型螺桿膨脹發(fā)電站主要由蒸發(fā)器(含預(yù)熱器)、蒸發(fā)式冷凝器、螺桿膨脹機(jī)、工質(zhì)泵、發(fā)電機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和其他附屬配套設(shè)備組成。

1.3　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站控制系統(tǒng)

ORC型螺桿膨脹發(fā)電站采用PLC自動(dòng)控制，可手控，可無(wú)人值守。正常運(yùn)行時(shí)，PLC控制快關(guān)閥、進(jìn)氣閥、排氣閥均打開(kāi)，旁通閥關(guān)閉(或微啟)，發(fā)電站發(fā)電輸出經(jīng)并網(wǎng)柜送入用戶(hù)電網(wǎng)。發(fā)電站正常停機(jī)或遇緊急停機(jī)時(shí)，發(fā)電站自動(dòng)從電網(wǎng)解列，快關(guān)閥自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)旁通閥自動(dòng)打開(kāi)。機(jī)組設(shè)有溫度、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、頻率等全方位監(jiān)測(cè)保護(hù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄并可追溯，遇異常情況有相應(yīng)的自保護(hù)功能。ORC型螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)控制示意見(jiàn)圖3。

發(fā)電機(jī)的安全保護(hù)包括過(guò)負(fù)荷保護(hù)、速斷保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、并網(wǎng)后欠電壓保護(hù)、并網(wǎng)后高頻保護(hù)、并網(wǎng)后低頻保護(hù)及逆功率保護(hù)。

2　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站的特點(diǎn)

(1) 熱源適應(yīng)范圍廣：對(duì)熱源要求不高，飽和蒸汽、汽水混合物、熱水(80 ℃以上)、其他熱流體均可以利用，是純粹的廢熱利用。

(2) 變工況能力優(yōu)越：在熱源負(fù)荷大幅波動(dòng)(10%～120%范圍)的情況下，仍可以穩(wěn)定運(yùn)行。

(3) 精準(zhǔn)控溫，穩(wěn)定性強(qiáng)：利用換熱器對(duì)流換熱，可以精確控制熱源出口溫度；如遇突發(fā)狀況，如裝置異常、動(dòng)力機(jī)故障等，發(fā)電機(jī)組安全保護(hù)系統(tǒng)能自動(dòng)與原工藝斷開(kāi)，恢復(fù)原工藝?yán)鋮s方式，保證工藝裝置的正常運(yùn)行；發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)自動(dòng)分閘，確保電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的安全。

(4) 余熱利用率高：針對(duì)ORC運(yùn)行條件專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的ORC型螺桿膨脹機(jī)，等熵效率可達(dá)85%～88%，直接將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，可利用面廣泛。

(5) 可無(wú)人值守：ORC型螺桿膨脹發(fā)電站配備了完善的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、一鍵啟停、遠(yuǎn)程監(jiān)控，運(yùn)行成本低。

圖2　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)配置示意

圖3　ORC型螺桿膨脹發(fā)電站系統(tǒng)控制示意

3　有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在尿素裝置中的應(yīng)用

3.1　軟水循環(huán)系統(tǒng)的利用

水溶液全循環(huán)法尿素生產(chǎn)工藝中的一吸塔外冷器使用閉路循環(huán)的軟水吸收部分甲銨液反應(yīng)熱，一般上水溫度在85 ℃左右，回水溫度在105 ℃左右，此部分熱能有的企業(yè)采用溴化鋰技術(shù)回收，有的企業(yè)直接采用二次利用的循環(huán)水帶走熱量，均存在能量直接利用率不高的問(wèn)題。對(duì)某些冷量需求不大的企業(yè)來(lái)說(shuō)，冬季溴化鋰裝置基本上無(wú)法投運(yùn)。有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能或直接拖動(dòng)設(shè)備，能量利用率高、利用面廣；工質(zhì)與熱源之間采用間接對(duì)流傳熱的方式，精準(zhǔn)控制溫度；熱源變化對(duì)機(jī)組沒(méi)有任何影響，機(jī)組可在熱源波動(dòng)10%～120%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。目前按熱源溫度105 ℃、流量400 t/h、年平均氣溫20 ℃、年運(yùn)行8 000 h、電價(jià)0.65元/(kW·h)計(jì)，利用有機(jī)朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機(jī)組出水溫度85 ℃，除去自耗電，小時(shí)凈發(fā)電量達(dá)780 kW·h(噸水發(fā)電量1.95 kW·h)，年可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益405萬(wàn)元左右。

汽提法尿素生產(chǎn)工藝中的高調(diào)水系統(tǒng)，其上水溫度一般在110 ℃左右，回水溫度在130 ℃左右。按機(jī)組進(jìn)水溫度130 ℃、流量400 t/h、年平均氣溫20 ℃、年運(yùn)行8 000 h、電價(jià)0.65元/(kW·h)計(jì)，利用有機(jī)朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機(jī)組出水溫度110 ℃，除去自耗電，小時(shí)凈發(fā)電量達(dá)900 kW·h(噸水發(fā)電量2.25 kW·h)，年可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益468萬(wàn)元左右。

3.2　低壓富裕蒸汽的利用

汽提法尿素生產(chǎn)過(guò)程中需要使用大量的蒸汽，噸尿素耗蒸汽約900 kg，這些蒸汽經(jīng)梯級(jí)利用后，噸尿素將富裕0.3 MPa低壓蒸汽約300 kg。對(duì)于300 kt/a尿素裝置，每小時(shí)可以富裕輸出0.3 MPa低壓蒸汽11 t，利用有機(jī)朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機(jī)組出水溫度在68 ℃，除去自耗電，小時(shí)凈發(fā)電量可以達(dá)到1 150 kW·h(噸蒸汽發(fā)電量104.5 kW·h)，年可創(chuàng)造效益598萬(wàn)元左右。

3.3　水解殘液的利用

生產(chǎn)1 t尿素會(huì)產(chǎn)生300 kg水，這部分水含NH3和尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%～5%和1%～3%，目前通常采用深度水解技術(shù)回收其中的NH3和尿素，即在水解塔內(nèi)通入2.3～2.5 MPa蒸汽，使殘液中的尿素水解成NH3和CO2并在塔頂冷卻器中被回收，塔底形成達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的冷凝液。

水解塔塔頂冷凝器通過(guò)軟水冷卻系統(tǒng)來(lái)降溫，軟水溫度一般控制在70～90 ℃(溫度高不利于冷卻吸收，而溫度太低甲銨液會(huì)結(jié)晶)。按熱源溫度90 ℃、流量400 t/h、年平均氣溫20 ℃、年運(yùn)行8 000 h、電價(jià)0.65元/(kW·h)計(jì)，利用有機(jī)朗肯膨脹發(fā)電技術(shù)控制機(jī)組出水溫度72 ℃，除去自耗電，小時(shí)凈發(fā)電量可達(dá)380 kW·h(噸水發(fā)電量0.95 kW·h)，年可創(chuàng)造效益約197萬(wàn)元。

水解塔底部排放的殘液也可利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收熱能，但各裝置水解殘液利用程度不同，發(fā)電量需根據(jù)殘液溫度及流量進(jìn)行計(jì)算。

4　有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)應(yīng)用情況

到目前為止，有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外投運(yùn)幾十套，全部由浙江開(kāi)山集團(tuán)生產(chǎn)制造，其中國(guó)內(nèi)部分應(yīng)用情況如表1所示。

表1國(guó)內(nèi)有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹發(fā)電技術(shù)部分應(yīng)用情況

項(xiàng) 目熱源條件總裝機(jī)功率/kW年發(fā)電效益/萬(wàn)元年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤/t年減少碳排放量/t 中石化海南煉化有限公司芳烴一期熱水ORC螺桿膨脹發(fā)電站熱水200 t/h,上水118 ℃,回水70 ℃1 340519.122 596.06 167.14 山東永鑫能源集團(tuán)熱水ORC螺桿膨脹發(fā)電站熱水420 t/h,上水100 ℃,回水70 ℃2 020756.563 782.88 987.93 燕山石化SZorb工藝ORC螺桿膨脹發(fā)電站熱汽油125 t/h,來(lái)油135 ℃,回油70 ℃900294.561 472.83 499.37 安徽昊源化工集團(tuán)有限公司ORC螺桿膨脹發(fā)電站飽和蒸汽,0.108 MPa(絕壓),6.5 t/h,101 ℃500280.001 400.03 326.40 天津天豐鋼鐵有限公司蒸汽和有機(jī)朗肯循環(huán)的串級(jí)循環(huán)飽和蒸汽,0.4 MPa(絕壓),12 t/h,143 ℃1 420900.803 153.07 491.00