李曉琪

（合肥水泥研究設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230051）

1 項目概況

某公司800t石灰窯系統(tǒng)現(xiàn)有余熱煙氣資源360 000Nm3/h-320℃，年運(yùn)行時間300天/年。窯尾設(shè)置布袋式收塵器進(jìn)行粉塵收集，為了保證收塵器和引風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)置1套煙氣熱回收裝置將收塵器入口煙氣溫度降到安全范圍。本設(shè)計方案通過煙氣換熱裝置將煙氣廢熱轉(zhuǎn)換為飽和蒸汽，再利用飽和蒸汽拖動螺桿膨脹機(jī)組發(fā)電。采用螺桿膨脹機(jī)組的好處是相較于汽輪發(fā)電機(jī)組省去了大量輔機(jī)設(shè)備，同時節(jié)約汽輪機(jī)房和循環(huán)冷卻水池的土建投資，對于建設(shè)場地有限的工程項目具有很大優(yōu)勢。

2 螺桿膨脹技術(shù)簡介

螺桿膨脹機(jī)屬于實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換的熱能機(jī)械，可以利用低品位熱源，實現(xiàn)功率輸出。傳統(tǒng)的熱功轉(zhuǎn)化，是利用高壓、高溫過熱蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，再帶動同步發(fā)電機(jī)，從而實現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功。例如汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，消耗的是高品位能源或原料，無法使用低品位的能源。

螺桿膨脹動力機(jī)正好可以利用低品位的熱源，實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換，從而彌補(bǔ)低位熱源回收方面的空缺。

根據(jù)熱能回收方式，目前螺桿膨脹機(jī)主要有兩種形式，一種是利用高壓蒸汽直接驅(qū)動的蒸汽型螺桿膨脹機(jī)，蒸汽型螺桿膨脹機(jī)利用蒸汽的壓差進(jìn)行發(fā)電，用于帶壓熱源余壓的能量回收，實測等熵效率70%以上。另一種是利用熱源溫度能驅(qū)動的ORC螺桿膨脹機(jī)，ORC型螺桿膨脹機(jī)利用熱流體的溫度加熱有機(jī)工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)被加熱后壓力升高，帶壓有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)后膨脹降壓，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動進(jìn)行發(fā)電。因其對可利用熱源溫度要求很低并且效率較高，是當(dāng)前進(jìn)行低品質(zhì)能源回收利用的一種不錯的選擇，目前做的較好的ORC 型螺桿膨脹機(jī)實測等熵效率85%。

圖1 蒸汽直接膨脹原理圖

圖2 ORC熱力循環(huán)原理圖

圖1和圖2分別為蒸汽螺桿膨脹及ORC螺桿膨脹原理圖。蒸汽螺桿膨脹使用的熱源介質(zhì)為0.4MPa～1.0MPa水蒸氣，ORC螺桿膨脹使用的熱源介質(zhì)為85℃以上熱流體（可以是熱水或低壓蒸汽），ORC內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)目前常規(guī)使用R245fa。

3 項目系統(tǒng)介紹

本項目方案設(shè)計中，利用煙氣熱回收裝置將360 000Nm3/h-320℃煙氣溫度降到160℃并產(chǎn)出1.0MPa-180℃飽和蒸汽作為膨脹機(jī)熱源，考慮到石灰窯出口煙氣成份中含硫濃度在1%左右，為了避免煙氣結(jié)露腐蝕，需要保證排煙溫度在150℃以上。圖3為系統(tǒng)熱平衡計算流程，根據(jù)計算結(jié)果，通過蒸汽螺桿膨脹+ORC螺桿膨脹兩級發(fā)電方式可實現(xiàn)3 759kW發(fā)電能力，其中蒸汽螺桿膨脹直發(fā)2 402kW，ORC螺桿膨脹發(fā)電1 357kW。

圖3 螺桿膨脹發(fā)電系統(tǒng)流程圖

表1 蒸汽直接膨脹螺桿機(jī)性能

表2 ORC螺桿膨脹機(jī)性能

表1和表2為所參考蒸汽直接膨脹螺桿機(jī)和ORC螺桿機(jī)組性能參數(shù)，由表中數(shù)據(jù)可見，蒸汽直接膨脹機(jī)組進(jìn)汽壓力1.0MPa時，單位凈發(fā)電功率可達(dá)到68 kW/t。ORC螺桿膨脹機(jī)的單位凈發(fā)電功率受冷凝溫度影響較大，在常規(guī)工況下凈發(fā)電功率可達(dá)50kW/t。

4 環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)設(shè)計，系統(tǒng)年總運(yùn)行時間為300天，有效發(fā)電功率3 759kW，年發(fā)電量2 732×104kWh，可年減少9 047t標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒，年可減少2.4萬t CO2排放，76.8噸SO2排放、68t NOx排放。

相較于汽輪發(fā)電機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，本方案節(jié)省了汽輪機(jī)房和循環(huán)水池的土建成本，根據(jù)實際發(fā)電能力，本項目初步估算總裝機(jī)4MW，其中蒸汽螺桿機(jī)組2.5MW，ORC螺桿機(jī)組1.5MW，按照目前常規(guī)投資成本估算，約需投資3 600萬元，根據(jù)年發(fā)電能力2 732萬kWh，年節(jié)約電費(fèi)約1 300萬元，投資回收期約為3年。

5 總 結(jié)

（1）在進(jìn)行石灰窯煙氣換熱設(shè)備選型計算時，應(yīng)充分考慮煙氣中硫成份結(jié)露對換熱管道的腐蝕影響，控制排煙溫度不宜過低。

（2）螺桿膨脹機(jī)組由于對低品位熱源的適應(yīng)能力較高，在工業(yè)低溫?zé)嵩椿厥疹I(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在進(jìn)行機(jī)組選型時，可以根據(jù)熱源情況進(jìn)行相應(yīng)的計算搭配。

（3）螺桿膨脹機(jī)組占地面積小，系統(tǒng)組成簡單，對于建設(shè)場地有嚴(yán)格限制的項目具有較大的優(yōu)勢。

（4）目前螺桿膨脹機(jī)單功率裝機(jī)投資成本還是比較高的，但隨著技術(shù)不斷成熟與進(jìn)步，在設(shè)備投資成本進(jìn)一步降低后，該系統(tǒng)將是工業(yè)低溫余熱利用方面的優(yōu)勢選擇。