ORC技术在烧结余热发电系统中的应用

朱能闯

（武汉都市环保工程技术股份有限公司，湖北 武汉430071）

0 概述

ORC即Organic Rankine Cycle（有机朗肯循环），低沸点有机物作为工质。该循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成。与普通郎肯循环采用水作为循环工质相比，有机郎肯循环采用有机循环工质。与水相比，有机工质的沸点低，在压力(0.15～0.5MPa)左右，温度60～70℃、甚至40～50℃左右，就可以汽化为蒸汽，从而可以利用原来废弃的品位较低的热能，将这些能源再生后以电能的形式输出．有机工质在回收显热方面也有较高的效率，由于朗肯循环中显热和潜热二者的比例不相等，而ORC系统中显热的比例较大，因此采用该技术要比水蒸汽的朗肯循环可回收较多的热量。

烧结余热发电技术是一项将烧结废气余热资源转变为电力的节能技术。该技术不产生额外的废气、废渣、粉尘和其它有害气体，能够有效提高烧结工序的能源利用效率。通过烧结余热发电技术回收利用烧结热气中的热能，可显著降低烧结工序能耗（4~8kgce/t矿），节能减排效果非常明显。因而自2005年中国首个烧结余热发电工程投产开始，8年来，烧结余热发电技术在中国得到了快速应用与蓬勃发展。据行业协会统计，至2012年上半年，国内已建成并投产的烧结余热发电装置已达到166套。

在已有的烧结余热发电技术中，环冷机锅炉利用的热源为400~300℃烟气，较低温度的烟气利用价值低，一般直接排放。而ORC技术可以有效利用该部分热能，进一步提高废热利用率，增加烧结系统吨矿发电量。

1 ORC技术简介

如图1所示，ORC系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成。低温热源通过蒸发器与有机工质发生热交换，使有机工质达到沸点蒸发成为蒸汽，最终通过汽轮机做功发电，做完功的低温工质通过冷凝器凝结为液体，并通过工质泵加压送至蒸发器，完成整个系统循环。

ORC发电技术与常规汽轮发电技术原理基本一致，主要区别在于工质为可以在低温情况下蒸发的有机工质，能有效的利用原先没有利用价值的低温低品位热源。

图1 ORC系统示意图

图2 ORC装置

ORC系统的优点如下：

（1）效率高,系统构成简单，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施；凝结器里一般处于略高于环境大气压力的正压，不需设置真空维持系统。

（2）透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小。

（3）使用干流体时，余热锅炉中不必设置过热段，工质蒸汽直接以饱和气体进透平膨胀做功。

（4）可实现远程控制，无人值守，需要极少的运行、维修人员，运行成本很低。

（5）单机容量可从几kW到数千kW。

（6）系统部件、设备可实现标准模块化生产，如图2所示。能缩短安装周期，降低制造成本。

（7）适用于温度高于70℃以上的低温余热源。

2 烧结余热发电与ORC技术结合方案

该组合系统典型示例流程如下：

如图3所示，该系统为常规烧结余热发电与ORC技术结合的典型系统。其中左侧为比较典型的常规双压烧结余热发电系统，主要设备包括双压冷却机（目前有两种形式，即环冷机和带冷机）余热锅炉、烧结大烟道余热锅炉、汽轮发电机组等。烧结机大烟道余热锅炉为最近出现的新技术，利用烧结机尾部烟道平均约330℃的烟道与水换热产生中压蒸汽。冷却机高温部分烟罩中抽取的400~300℃高温烟气直接进入常规的冷却机余热锅炉与水换热产生中压蒸汽及低压蒸汽，冷却机余热锅炉产生的中压蒸汽与烧结大烟道余热锅炉产生的中压蒸汽汇合，中压蒸汽与低压蒸汽分别送入汽轮机发电。在汽轮机中做完功的蒸汽通过凝汽器凝结为水，水再通过凝结水泵加压送回冷却机余热锅炉，完成整个汽水循环。

图3 烧结余热发电与ORC结合技术方案一

冷却机余热锅炉出口烟气温度约150℃，与冷却机后部300~150℃的低温烟气混合后，送至引风机加压，加压后的烟气送入有机工质余热锅炉（蒸发器）与有机工质进行换热，换热后的低温烟气温度约70℃，通过烟囱直接排放。换热后的有机工质蒸汽送入ORC汽轮发电机组发电。做完功的有机工质蒸汽通过凝汽器凝结为液体，再通过工质泵加压送回有机工质余热锅炉，完成整个工质循环。

以上仅为本系统的一个典型示例，实际设计中，可根据项目的实际情况，灵活选取介质及烟气参数，以取得最大的经济效益。

本系统的难点及要点在于：

合理选择取风温度及取风段及介质参数，以取得最大的经济效益；

冷却机余热锅炉出口压力约-1200Pa左右，与冷却机直接抽出的低温烟气压力差距较大，需注意通过调节阀选型及烟道阻力计算进行合理控制，避免出现烟气流量无法控制的情况；

有机工质余热锅炉出口烟气温度约70℃，温度低于烟气露点温度。虽然烧结冷却机烟气主要成分为热空气，含硫、氯等腐蚀性化学成分较低，但仍可能产生一定腐蚀，烟气系统低温部分需考虑采用耐低温腐蚀的管道材料或者喷涂材料，这部分技术国内已经有较成熟的经验，可直接使用。

本系统的优点在于：

对烧结冷却机的热能进行了进一步的梯级利用，再次降低了冷却机的烟气排放温度、减少了热污染的同时，获得了额外的电能。

新增的常规烧结余热发电与ORC组合系统对原有的烧结冷却系统无任何影响。避免了普通烟气再循环烧结发电系统中出现温度及发电量上去但烧结矿冷却不下来的情况。

本系统的缺点在于：

有机工质余热锅炉及ORC整套系统国内经验少，设备投资费用较高。同时，以目前成熟的技术来说，低温烟气部分的ORC技术发电净效率为15%左右，发电效率仍偏低，投资回收期较长。

本系统与常规烧结余热发电技术相比，更进一步的提高了烧结系统的废热利用率。同时，从整个烧结发电技术发展来看，也可看作是烧结发电技术深化改进的一个发展方向，具有一定的经济价值，值得我们去进行进一步的深入研究及系统改进。

3 烧结余热发电与ORC结合技术发展前景

目前该系统仍然存在的问题是，因设备制造原因，烧结冷却机余热锅炉与有机工质余热锅炉分开布置，为相互独立的设备，烟气系统结合时，低温的烟气段需克服的阻力比实际需要的大，增加了一部分能耗，同时两台独立的设备也增加设备费用。

对于这种情况，我们考虑了一种组合式的冷却机余热锅炉，即传统的冷却机余热锅炉与ORC系统的有机工质余热锅炉结合起来，将有机工质余热锅炉的蒸发器布置于传统烧结冷却机余热锅炉的末级，如图4所示，这样可进一步的简化烧结余热发电与ORC结合技术的烟气系统，降低烟气系统阻力减少能耗的同时，又可减少设备投资。

图4 烧结余热发电与ORC结合技术方案二

该方案存在的问题是，这种组合式的余热锅炉目前无设备厂家有设计经验，需要进行更深入的锅炉系统设计及可行性研究。

［1］张惠宁.烧结设计手册[M].1990．

［2］王华.低温余热发电有机朗肯循环技术及其产业化[R].2011．