余热发电在工业余热回收中应用的探讨

孙素英, 臧 镇

(江苏省冶金设计院, 江苏 南京 210016)



余热发电在工业余热回收中应用的探讨

孙素英, 臧 镇

(江苏省冶金设计院, 江苏 南京 210016)

针对不同工况下各种参数的工业余热蒸汽，提出以不同的发电方式加以回收利用，使余热发电生产更平稳、效率更高，最大化地提高能源利用率，提高余热发电项目的经济效益。

余热发电； 有机朗肯循环； 汽、液全流螺杆发电； 非标透平发电

引 言

随着中国经济的不断发展，社会对能源的需求量越来越大，一方面由于能源的短缺，燃料价格不稳定；另一方面，由于能源的利用率低，造成能源的极大浪费。中国的各种工业窑炉和锅炉，由于设计和运行中存在一些缺陷，造成大量的高温烟气自烟囱无利用地排掉，这部分烟气热能一般约占锅炉热损失的约80%或更高[1]。在烟道部位设置有效的余热回收装置，在回收热量的同时，减少污染物的排放，保护环境，达到节能、环保、增效的目的。

工业余热是指多余、废弃的热源，包括电厂、钢铁、水泥、玻璃、化工、造纸、煤气发生炉等行业、炉窑排掉的低温、低压废热蒸汽，工业窑炉和锅炉排出的废热烟气，工业炉冷却水产生的余热，工业炉产生的化学热，高温产品及炉渣产生的余热(红焦炭、热烧结矿、高炉红热铁水渣、高温度的硫酸)等等，这部分二次余热能源被利用的潜力还很大。余热能源按其温度可划分为三类：高温余热为350～600℃以上的余热资源，中温余热为200～350 ℃的余热资源，低温余热为70～200 ℃的余热资源。

工业余热的特点为热源不稳定，随生产工艺的周期及负荷的变化而变化；余热介质质量较差，含有较多的灰尘和腐蚀性物质，甚至粘结性的杂质；余热回收一般为改造项目，增设余热回收器的空间位置较为紧张。鉴于余热回收项目以上几个特点，余热回收比较适合“就近回收，就近转换，就近使用，梯级利用，高质高用”的原则。

1 适用于低温余热的有机朗肯循环系统发电

1.1 技术原理

中、低温有机朗肯循环(ORC)发电系统，采用了一个有机的工作流体代替了传统的蒸汽郎肯循环系统中的水，中、低温发电流体是用沸点较低的制冷剂捕捉低沸点的温度的热量，变成压力达到高压的饱和工质蒸汽，在自动化控制系统的指挥下，高压蒸汽经过高速汽轮机喷嘴推动汽轮叶轮高速旋转，从而推动发电机工作。

这种技术有效地利用了蒸汽的潜热，排出温度为60 ℃左右的水，降低了发电机组系统的冷源损失，提高了发电量。此技术的意义在于能充分回收低品位的热量，实现最大限度的能源回收利用。低温发电系统原理图如图1所示。

图1 低温发电系统原理图

1.2 技术特点

有机朗肯循环系统具有效率高、适应性强、小型方便等特点，在回收低温余热方面具有较大的优势[2]。这种发电主要适用于以下低温余热资源的工况：1)温度≥85 ℃，流量≥35 t/h的热水，例如需要降温的工艺热水、热油、热物料、大型锅炉连排污水等。2)压力>0.1 MPa(A)，流量≥1 t/h的饱和蒸汽或过热蒸汽。因为有机朗肯循环发电系统的最大特点就是利用了余热蒸汽的汽化潜热，而在低温余热蒸汽中，汽化潜热甚至占到可利用热量的比例达80%～90%以上，因此它能充分挖掘、利用以往废弃的低温余热资源领域。这种发电方式的设备通常可以制作为撬装一体化设备，配带触摸屏操作控制系统，设备操作简单、方便；但是设备一次性投入相对较高，投资回收期略长，一般在3～8年不等，适用于用电成本比较高的区域；特别是已经有工业低温、低压蒸汽放散时，采用这种方式进行回收，效果较好。可适用于工业设备冷却汽化器回收的废热蒸汽、烟道废热锅炉回收的低温、低压蒸汽、煤气发生炉的夹套蒸汽、锅炉连排水、部分透平机、螺杆机排出的废热蒸汽等工况。

1.3 技术应用

例如，某汽车轮毂公司的煤气发生炉低温余热发电项目，回收利用原来放散的煤气发生炉产生的富余夹套蒸汽(压力0.15～0.2 MPa(A)，饱和温度，流量约2 t/h的低温、低压蒸汽)，已经成功发电并入企业管网，发电机组可自动控制调节，实现无人值守。

2 适用于中、低温余热的汽、液全流螺杆发电

2.1 技术原理

螺杆发电机按螺杆压缩机的逆原理工作，余热蒸汽进入螺杆齿槽，靠蒸汽压力推动螺杆转动，齿槽容积增加，余热蒸汽降压、降温膨胀做功，拖动发电机，从而实现从蒸汽的热能转化为机械能，机械能转化为电能的能量转换。螺杆发电机蒸汽膨胀过程示意图如图2所示。

图2 螺杆发电机蒸汽膨胀过程示意图

螺杆发电系统为容积式结构，通过采用螺杆代替传统汽轮机的旋转叶片，这样蒸汽冷凝后的液体对设备的影响微乎其微，因此螺杆发电机不仅可以利用饱和蒸汽，还可以利用汽、液两相工质。由于构件之间间隙小，同时利用汽、液两相工质，使螺杆机的泄露率大大降低；发电机转速一般为1500～4000 r/min，内流速较低，泄露减少，因而具备较高的内效率，其热功转化效率(系统对外输出机械能与低温热源所含热能的比例)可达10%～15%。所以，螺杆发电机更适合汽、液两相工质的中、低温余热发电系统。

2.2 技术特点

螺杆发电机组进汽介质压力范围0.2～3.0 MPa；最高进汽温度250 ℃；一般一级最大进、排汽压差1.3 MPa；单体装机最大功率3000 kW；转速可以在1000～4000 r/min无级调速。螺杆膨胀机组发电系统适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽、液两相混合物、烟气等不同种类的工业余热，或者有蒸汽压差需求的工况条件，适合余热规模较小的发电系统。当余热热源的温度、压力、流量等变化明显时，机组运行及效率仍能保持相对稳定。

螺杆发电机组的优势在于①发电设备的结构简单、体积小、运行平稳、震动小，运行维护费用很低，运行时无需盘车、暖机，并且不会“飞车”，可以一键直接启、停设备，操作简单，维修方便，可实现无人职守。②机体本身能除垢自洁，更适用于低品质的汽、液混合物的余热蒸汽进行发电。③克服了汽轮机的发电效率对工质参数及负荷变化敏感的缺陷，能适应工业余热负荷变化大、余压参数变化以及回收蒸汽品质的变化等不稳定工况，并能维持稳定的生产，持续保持高效率发电。因此，螺杆发电机组在余热回收中适应范围广，系统单位投资少，投资回报期短，逐步成为一种重要的余热发电的利用方式。

2.3 技术应用

例如，某钢铁公司利用250 t/h锅炉产生的连排水(连排水参数为压力9～10 MPa、饱和温度、流量20～36 t/h)，配备700 kW螺杆膨胀发电机回收连排水的能量，做功驱动发电机发电，并入甲方的企业电网，螺杆膨胀发电机的排汽进入疏水系统进行回收，取得了显著的经济效益。

3 适用于高、中温余热的非标透平发电

3.1 技术原理

透平发电机是由汽轮机作为动力拖动发电机转动进行发电。余热蒸汽进入汽轮机先经过喷嘴叶栅将热能转换成动能，再经过动叶栅将动能装换成转子高速旋转的机械能，从而带动发电机做功。传统热电厂多采用此种发电方式，设备配套系统有抽气器、凝汽器、轴封系统、油系统、冷却供水系统等。

3.2 技术特点

该发电机对余热蒸汽的品质要求较高，适用于进汽压力大于0.8 MPa，流量大于3 t/h的饱和或过热蒸汽；系统具有精密度高、效率高、安全可靠性高、设备性价比高等特点；一般单体装机功率要求大于200 kW。 设备为非标设计，根据余热蒸汽的温度、状态、流量、压力等参数确定。为避免液击现象的发生，透平机不允许液态工质进入，余热蒸汽必须是饱和或过热状态，否则，膨胀后凝结的液滴会直接损害高速旋转的透平机叶片。因此，透平发电机适用于余热量较大，工况连续、稳定的较大规模的余热发电项目，这种项目往往具有较好的经济效益。例如，钢铁、水泥、陶瓷、玻璃行业大型的余热发电项目多采用这种发电方式。

4 结束语

在余热发电项目实施中，最重要的是需要对余热资源进行充分的调研，掌握各种工况下的连续监测数据，取得原始设计参数。根据原始数据的特点，针对性地选择正确的发电方式，确定合适的机组能力，这是余热发电项目初步成功的基础；其次，利用有限的场地资源合理布置分区，既节约用地、合理利用地形、方便集中管理，又保证缩短管线、工艺系统布局走向合理；既要满足项目的安全、稳定、经济性要求，又要满足项目施工及投产后的安全性要求。这样，余热项目才能符合生产现场的实际需要，取得最大的经济效益。

目前，余热发电的实际发展情况并不乐观，究其原因主要是受膨胀能力限制，单机功率一般不高，用户无法综合衡量节能效果；其次，设备可靠性没有保障，缺乏统一的技术标准。在已经实施的余热发电项目中经常出现各种问题，阻碍了余热发电项目的推广。随着以上技术问题的逐步解决，余热发电项目在我国的工业领域会有广阔的市场前景。

[1] 张建福, 赵钦新, 王海超，等.烟气余热回收装置的参数优化分析[J].动力工程学报，2010,30(9):652—657.

[2] 刘广彬, 赵远扬, 李连生，等.小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究[J]，西安交通大学学报，2009,43(11):100—103.

2016-06-03

孙素英(1968—)，女，高级工程师。电话：15260225795

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