1、低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)作者：來(lái)源：更新日期：2007-3-19引言我國(guó)水泥廠的余熱發(fā)電，先后經(jīng)歷高溫余熱發(fā)電、帶補(bǔ)燃爐的中低溫余熱發(fā)電和純低溫余熱發(fā)電3個(gè)階段。純低溫余熱發(fā)電與帶補(bǔ)燃的中低溫余熱發(fā)電相比，具有投資省、生產(chǎn)過(guò)程中不增加粉塵、廢渣、 N0o和S0。等廢棄物排 放的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹以色列奧瑪特 （0RMAT ）公司利用低溫?zé)嵩吹挠袡C(jī)朗肯循環(huán) （0rga nic Rankine Cyck ,簡(jiǎn)稱（）RC）純低溫余熱發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)有別于常規(guī)技術(shù)，其特點(diǎn)是：不是用水作為工質(zhì)，而是使用低沸點(diǎn)的有機(jī)物作為工質(zhì)來(lái)吸收廢氣余熱，汽化，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功。.低沸點(diǎn)的有機(jī)物在一個(gè)大

2、氣壓下，水的沸點(diǎn)足 100 C,而一些有機(jī)物的沸點(diǎn)卻低于水的沸點(diǎn)，見(jiàn)2。水的表I。景1幾種有機(jī)酒的港直需廈12.44 .ft A49有機(jī)物的沸點(diǎn)與壓力之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，以氯乙烷為例，見(jiàn)表沸點(diǎn)與壓力之間對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3表2軌乙烷沸點(diǎn)與甌力的曲關(guān)系1OTJ251血12445.S3i IM 12$*3水常點(diǎn)與壓力的對(duì)應(yīng)笑系11 WIM.3八257101325褊點(diǎn)代：7541(*1由表2和表3可見(jiàn)，氯乙烷的沸點(diǎn)比水低，蒸氣壓力很高。根據(jù)低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)的這種特點(diǎn)，就可以利用低溫?zé)嵩磥?lái)加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)，使它產(chǎn)生具 有較高壓 力的蒸氣來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)做功。ORC純低溫余熱發(fā)電在地?zé)岚l(fā)電方面的應(yīng)用ORC純低溫余熱發(fā)

3、電技術(shù)在我國(guó)地?zé)岚l(fā)電方面已得到初步應(yīng)用，我國(guó)目前已經(jīng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)的地?zé)崽锞鶎贌崴蜔醿?chǔ)。熱水型資源發(fā)電采用的熱力系統(tǒng)主要有兩種，即擴(kuò)容（閃蒸）系統(tǒng)和雙工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。西藏羊八井地?zé)犭娬?，熱水溫?45 C,采用二次擴(kuò)容熱力系統(tǒng)，汽輪機(jī)（青島汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造D3 1. 7/0. 5型地?zé)崞啓C(jī)發(fā)電機(jī)組）單機(jī)容量3000W , 3000W / m in , 一次進(jìn)汽壓力182kPa，溫度115 C,二次進(jìn)汽壓力54kPa ,溫度81C,額定排汽 壓力為10kPa。雙工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中，地?zé)崴鹘?jīng)熱交換器，把地 熱能傳遞給另 一種低沸點(diǎn)丁質(zhì)，使之蒸發(fā)產(chǎn)生蒸氣，組成低沸點(diǎn)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電。雙工質(zhì)循環(huán)機(jī)組，其熱效

4、率高，結(jié)構(gòu)緊湊。我國(guó)的小型雙工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)地?zé)犭娬疽灰贿|寧營(yíng)口熊岳試驗(yàn)電站的裝機(jī)容量2 XJ00KW ,利用地?zé)崴ㄋ疁?5 C）發(fā)電，于1977年1 1月投入運(yùn)行ORC純低溫余熱發(fā)電在水泥工業(yè)的應(yīng)用我國(guó)水泥廠在利用 ORC純低溫余熱發(fā)電技術(shù)方面尚屬空白。1999年德國(guó)海德堡水泥集團(tuán)在德國(guó)環(huán)境部支持下，利用世界銀行貸款，由以色列奧瑪特（ORMAT）公司設(shè)計(jì)，在德國(guó)的 Lengfurt水泥廠3000t / d的生產(chǎn) 線上，建成了世界首座水泥廠 ORC純低溫余熱發(fā)電站。該發(fā)電 站的特點(diǎn)是： 余熱熱源來(lái)自熟料冷卻機(jī)出口的廢氣，而窯尾預(yù)熱器出門的廢氣用來(lái)烘干生料和煤，該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。表4

5、 I engfnrt水泥廠魂很溫余熱發(fā)電站的主褻技術(shù)托襟M卻標(biāo)濡/015叭昭農(nóng)電切率幾U1 50Q|) VK16?lVWH7/3 1E |牡電丹瞬舉占4產(chǎn)找11)2據(jù)報(bào)道，白1999年投產(chǎn)以來(lái)，整套設(shè)備運(yùn)行情況良好，發(fā)電站占地面積 很少， 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，在水泥廠的中控室對(duì)電站進(jìn)行控制。，投產(chǎn)以來(lái)電站的平均zfN98 %;單位熟料發(fā)電量可達(dá)10 . 5kWh /1 ;其維修費(fèi)用較 低，每年約6800美元。從節(jié)電和環(huán)保角度來(lái)說(shuō)，每年CO。減排量約7600t o據(jù)以色列奧瑪特（0RMAT）公司介紹，德國(guó)海德堡水泥集團(tuán)正利用在Lengf urt水泥廠取得的經(jīng)驗(yàn)，在印尼分公司新建的水泥生

6、產(chǎn)線上建造新的ORC純低溫余熱發(fā)電站。冷卻機(jī)余熱回收系統(tǒng)的 OEC （奧瑪特能量轉(zhuǎn)換器 Ormat Energy Convert er ） 的工藝過(guò)程址圖1。為了回收熟料冷卻機(jī)廢氣中的余熱，在電除 4器后裝設(shè)r常規(guī)的廢熱回收 熱交換器，熱量傳遞型位于低壓閉路循環(huán)中的導(dǎo)熱油中。導(dǎo)熱 油的熱量在 蒸發(fā)器中傳遞給 OEC中的有機(jī)工質(zhì) （上E戊烷）。正戊烷在蒸 發(fā)器中蒸發(fā)，蒸氣在汽輪機(jī)中膨脹做功，在窄冷的冷凝器中凝 結(jié)成液態(tài)正戊烷， 通過(guò)泵（60m。/h , 27 C）送回蒸發(fā)器，完成循環(huán)。4有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC） 原理常規(guī)的水蒸氣朗肯循環(huán)中，工質(zhì)是水，由鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器和給水泵組成，工質(zhì)在熱力設(shè)

7、備中不斷進(jìn)行等壓加熱、絕熱膨脹、等壓放熱和絕熱壓縮4 個(gè)過(guò)程，使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。當(dāng)利用低溫有機(jī)工質(zhì)時(shí)，主要設(shè)備有：蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、冷凝器和正戊烷 循環(huán)泵 對(duì)于低等及中等的焰熱，ORC技術(shù)比 常規(guī)的水蒸氣朗肯循環(huán)有很 多優(yōu)點(diǎn)，主要是在回收顯熱方面有較高的效率，由 于循環(huán)中顯熱/潛熱比 例不相等，ORC技術(shù)中此比例大。因此采用 ORC技術(shù) 比水蒸氣循環(huán)會(huì)同 收較多的熱值。冷盤懸 Tl:熱空換器；* I_i_ ； _發(fā)吐機(jī)L i氏輪機(jī)i感航壞系績(jī)：卜.我| 1 M !熟口冷亦0巴鳴空I I莪益H i orc的工藝淤上述的顯熱/潛熱比例的不同，可以從圖 2所示的T- S圖1看出一 l過(guò)程：鍋爐及

8、過(guò)熱器巾的等壓加熱過(guò)程，其中： (4 5)段，由未飽 和水等壓預(yù)熱成飽和水；(5 6)段，再等壓等溫汽化為飽和蒸氣；(6 一 1)段 再等壓加熱成過(guò)熱蒸氣。1 2過(guò)程：過(guò)熱蒸氣住汽輪機(jī)中的絕熱膨脹過(guò)程，工質(zhì)對(duì)外做功。23過(guò)程：在冷凝器中的等壓放熱凝結(jié)過(guò)程。3 4過(guò)程：水在給水泵內(nèi)的絕熱壓縮過(guò)程，在TS圖上，3、4兩點(diǎn)幾 乎 重合“氣血楠吉出先的事鯊從迥臨收禺剛*的ffl 2S?-ffiffi （T-Sffi .從T S圖上可以看到，當(dāng)有機(jī)蒸氣在汽輪機(jī)中膨脹時(shí)，它趨向過(guò)渡或變得更干燥些，1i水蒸氣則在膨脹過(guò)程中變得更潮濕。因此，有機(jī)蒸氣進(jìn) 入汽輪機(jī)前不需要過(guò)熱。與水蒸氣朗肯循環(huán)相比較，ORC的特

9、征uJ 總結(jié)如下：1）正戊烷具有良好的熱力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)已把爆炸防護(hù)以及環(huán)境與工作地點(diǎn)的防護(hù)考慮住1人J。低的沸點(diǎn)及高的蒸氣壓力使 ORC方法比水蒸氣朗肯 循環(huán) 具有較高的熱效率，對(duì)較低溫度熱源的利用有更高的效率。2）正戊烷比水蒸氣密度大 （見(jiàn)表5）、比容小，導(dǎo)致汽輪機(jī)（特別是其末級(jí)葉 片的高度）、排氣管道及空冷冷凝器中的管道尺寸較小水蠶hl/UDIl rttlSUiZlItICOtllOlIM)皿1649150476|IW)47 773）與水蒸氣不同，正戊烷在膨脹做功過(guò)程中，從高壓到低壓始終保持干燥 狀 態(tài)，這就消除J,形成濕氣的可能性以及當(dāng)高速小水滴沖擊汽輪機(jī)時(shí)產(chǎn) 生腐蝕損壞的可能性。所以，

10、ORC能比水蒸氣汽輪機(jī)更有效地適應(yīng)部分負(fù)荷運(yùn)行及大的功率變動(dòng)，不需要裝過(guò)熱器。4）在缺水地區(qū)，優(yōu)先使用空氣冷卻的冷凝器。ORC電廠使用的窄冷冷凝器要比水蒸氣電廠使用的空冷冷凝器的體積小得多，價(jià)格也低得多。 TOC o 1-5 h z 5）與水蒸氣相比，山于有機(jī)：Ii質(zhì)的聲速低，在低葉片速度時(shí)，能獲得有利的空氣動(dòng)力配合，在50Hz時(shí)能產(chǎn)牛高的汽輪機(jī)效率，不需要裝齒輪箱。6）有機(jī)T質(zhì)冷凝壓力高，整個(gè)系統(tǒng)在接近和稍高于大氣壓力下工作，使得有機(jī)工質(zhì)的漏失現(xiàn)象大為降低。7）有機(jī)工質(zhì)凝固點(diǎn)很低 （低于一 73 C）,在較低溫度下仍能釋放能量。這 樣在寒冷天氣可增加出力，冷凝器也不需要增加防凍設(shè)施。oRC技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用1 :、Ip,見(jiàn)表 60RC技術(shù)不僅已用于水泥廠的余熱發(fā)電，且也用于其他從表6可知，此技術(shù)所利用的熱源溫度最低達(dá)104 C炮1位眸Q 婕？ 8S老ht川Si 1so迥口湘艘:HO冷覽羈MMIii (t/*m