ORC系统在水泥工业余热利用中的应用

李　浩

ORC系统在水泥工业余热利用中的应用

李浩

针对水泥生产过程中产生的余热烟气，利用ORC系统进行发电，通过理论计算及实际工程分析，结论如下：在现有常规余热发电系统基础上，利用窑尾收尘器前150℃左右烟气，设置ORC系统，2 500～5 000t/d水泥生产线余热发电能力可新增发电量250～350kW；利用窑头窑尾余热烟气，以ORC系统取代目前常规余热发电系统，2 500～5 000t/d水泥生产线余热发电能力减少500～1 000kW。

ORC系统，汽水朗肯循环系统，应用分析

1　引言

随着工业的快速发展，人们对能源问题的关注度日益增加。以色列利用ORC系统针对水泥、钢铁等工业生产过程中产生的150～350℃低温烟气进行余热发电，该技术被美国、日本、俄罗斯等国家引进。目前，在水泥工业纯低温余热发电领域中，针对350℃左右烟气主要采用气水发电机组，本文主要讨论在该领域中采用ORC系统的应用方式及适用性。

2　ORC原理及特点

ORC即采用有机工质作为热力循环的工质与中低温余热换热，工质吸热后产生高压蒸气，推动透平带动发电机发电（见图1）。由于有机工质一般具有低沸点特性，因此能够实现温度范围在80℃以上的热水和150℃以上的烟气的余热回收和发电。

ORC系统特点如下：

图1　ORC系统图

（1）目前成熟商用ORC机组，要求热源形式为液相流体，因此，以水泥窑余热烟气为例，需要通过中间换热器将烟气形式热源转换为热水或热油，然后进入ORC机组被利用。

（2）ORC系统自用电率较高约15%～20%，油泵、工质泵及循环冷却水泵三者电耗分别占系统发电量的5%～7%。

（3）由于没有类似气水朗肯循环的射水抽气设备，透平排汽压力大于环境压力，循环终参数较高，根据热源品位不同系统效率通常为3%～20%。

表1　商用ORC机组系列

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3　成熟ORC机组分析

针对目前成熟应用的商业ORC机组主要参数指标进行分析，由表1数据可知：

（1）目前成熟商用ORC机组，要求热源形式必须为液相流体，一般采用导热油。

（2）随着蒸发器出口油温的降低，系统效率逐渐降低。

（3）以“TD 12 HRS”机组为例，蒸发器设计进/出口油温为305℃/ 206℃。虽然机组效率高达24.7%，但对于中间换热器，导热油进口温度为206℃时，烟气出口温度至少达到250℃以上才能满足系统要求（导热油传热性能比水较差，必须保证40℃以上传热温差）。由此分析，若以水泥窑余热烟气为热源，仅能利用温降100℃左右的热量，整体发电性能较差。

综上所述，余热发电系统不能仅考虑发电效率，应综合考虑余热利用率等因素选择最佳的系统配置方案。

4　ORC系统在水泥工业余热利用中的分析

4.1在现有水泥余热发电系统基础上增设ORC系统

在现有水泥窑余热发电系统基础上对尚未回收的150℃左右的余热烟气（如窑尾电收尘器入口）进一步深度利用。

以目前水泥窑余热发电为例，主要针对窑头冷却机中部取风350～360℃及窑尾取风330℃等中温烟气，采用以水为工质的汽轮机发电机组，而生产过程中依然存在150～160℃低温烟气尚未被利用，若采用有机工质汽轮机朗肯循环系统则可在现有基础上进一步提高系统发电量。

余热资源：

窑头：余热锅炉出口、窑头收尘器入口烟气温度较低（100℃左右）且波动较大，不适宜作为ORC热源。

图2　ORC系统应用方案

图3　ORC系统应用方案

表2　ORC与单压系统发电量对比

表3　ORC余热发电系统主要参数

窑尾：根据生料磨形式，窑尾收尘器入口温度不同，产能5 000t/d辊磨水泥生产线，窑尾收尘器前多为100～150℃左右；产能2 500t/d球磨水泥生产线，窑尾收尘器前温度较高，可达200℃左右。若水泥生产线位于南方多雨潮湿地区，烘干生料烟气用量更多，甚至不足，则窑尾收尘器前烟气温度更低。

因此，当窑尾收尘器前温度达到150℃左右时，适宜在现有水泥余热发电系统基础上增设ORC机组，根据生产规模经理论计算，2 500～5 000t/d水泥生产线余热发电可新增发电量250～350kW。

4.2水泥余热发电系统全部采用ORC

4.2.1理论计算分析

利用窑头窑尾余热烟气，采用带有预热器的ORC机组进行发电，系统如图3所示。

采用上述ORC系统，根据实际工程烟气数据，进行理论发电量计算，见表3。

综上所述，水泥窑余热烟气全部采用ORC系统，发电能力均低于相同条件下现有单压气水朗肯循环发电系统，普遍相差500～1 000kW。

4.2.2实际工程分析

以色列ORMAT是全球开展最早、市场份额最大的从事ORC系统工程应用的企业，适用热源温度150～300℃，装机容量200kW～70MW，主要应用于工业余热回收及地热发电。

ORMAT德国海德堡水泥ORC余热发电项目，热源及系统如图4、5所示。

针对上述余热烟气，采用篦冷机中部取风，常规气水朗肯循环，系统净发电效率19%～20%，总发电量1 800～2 000kW，高于目前采用的ORC系统。

图4　余热资源

图5　ORC余热发电方案

5　结论

（1）当窑尾收尘器前温度达到150℃左右时，适宜在现有水泥余热发电系统基础上增设ORC机组，根据生产规模经理论计算，2 500～5 000t/d水泥生产线余热发电可新增发电量250～350kW。

（2）利用窑头窑尾余热烟气，以ORC系统取代目前常规余热发电系统，发电能力均低于相同条件下现有单压气水朗肯循环发电系统，普遍相差500～1 000kW。

（3）以水泥窑为代表的300℃以上余热不适用ORC系统，相比更适用目前常规的气水朗肯循环系统。

Application of ORC System on Waste Heat Utilization in Cement Industry

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2014-10-29；编辑：赵莲