烟气余热有机朗肯循环工质的研究

张秀芬, 姜未汀, 赵 昕, 潘卫国

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)



烟气余热有机朗肯循环工质的研究

张秀芬, 姜未汀, 赵 昕, 潘卫国

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

通过热力学建模的方法对电厂烟气余热ORC循环工质进行研究,根据工质的筛选方法和REFPROP软件粗选出11种适合低温烟气余热发电的有机工质,通过热力学分析方法计算出ORC系统的循环热效率、泵功、净输出功、工质运行压力.结果表明,R601a是最适合低温烟气余热发电的工质,R245fa和R600次之.

余热利用; 有机朗肯循环; 循环效率; 有机工质

能源的合理利用一直都是我国关注的重大问题,而节能减排又是重中之重,因此节能减排、降低燃料消耗指标、综合利用资源是我国解决能源问题的根本.锅炉排烟热损失是锅炉热损失中最主要的一项.排烟温度偏高一直是国内各个电站普遍存在的问题,而锅炉的排烟温度过高,会造成火力发电厂煤耗量的增加.回收和利用工业生产中的各种低温余热,既有助于解决我国的能源问题,又能有效地减少工业污染,具有十分重要的现实意义.[1]余热回收利用不仅要求有好的节能效果,还要有好的经济效益,并符合环保要求.利用有机工质朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)进行中、低温余热发电或提供动力,既能实现能源的回收利用,又在相同输出条件下,减少了CO2等污染物的排放,有利于环境保护.[2]研究表明,若排烟热量直接被锅炉利用,排烟温度降低22 ℃,锅炉效率就会提高1%,[3]降低锅炉的排烟热损失,可以大幅度地节约煤耗,节省能源.因此,在电厂锅炉系统节能工作中,有效利用锅炉的排烟余热成为能否大幅度节能的关键.

针对有机朗肯循环余热回收技术,国外许多学者和公司已经进行了深入的研究,其技术成熟完备并已商业化，被广泛应用于工业余热、地热发电等领域.日本三井造船公司于1981年在日新钢建立了利用340 ℃炉窑废烟气的ORC余热电厂,装机容量为14 MW,实际运行热效率和火用效率分别达16.1%和48.2%.[4]美国机械技术公司曾针对炼油厂、化工厂工艺装置余热源的平均温度(120～220 ℃)和可用以发电的余热规模(1 500～3 500 kW),设计了以Rl3l为工质的ORC系统.[5]以色列ORMAT公司早在20世纪80年代就开始生产超过300 kW规模的ORC发电机组,于1999年在德国Lengufrt水泥厂建成了世界首座水泥厂ORC纯低温余热发电站,回收熟料冷却机约275 ℃废弃烟气,热效率为14%,输出功率范围为140～400 kW,可用率达98%.[6]同时,ORMAT公司的ORC技术还广泛用于精炼厂热油、焚烧炉蒸汽、燃机尾气等余热发电.美国莫来斯顿联合化学公司和石川岛播磨重工业公司共同设计、安装了一座利用化工厂硫酸稀释冷却热(约110 ℃),功率达500 kW的有机朗肯循环发电厂.[5]

在每一个有机朗肯循环系统设计之前,循环工质的理论研究与选择都是第一步,而在这方面的研究也颇多.韩中合等人[7]基于太阳能低温有机朗肯循环系统,对比分析了9种候选工质在低温朗肯循环中的性能,得出R601比较适合作为太阳能低温热发电朗肯循环系统的循环工质.王怀信等人[8]对低温地热的热电联产系统的不同工质进行了研究,推荐E170,R600,R141b作为工质.王辉涛等人[9]采用热动循环的分析方法及PR状态方程,分析了10种干流体有机工质,得出R227ea 是中低温地热发电有机朗肯循环较理想的工质.HEBERLE F等人[10]以80～180 ℃的地热热源为目标,研究了两种非共沸工质(R227ea/R245fa,异丁烯/异戊烷)在不同组分时的热力性能.结果表明,在研究工况范围(80～180 ℃)内,R227ea/R245fa工质性能优于异丁烯/异戊烷工质.刘广林等人[11]对于低温烟气热源的有机朗肯循环发电系统的研究表明,有机工质R245fa 优于其他工质,系统效率可达10.2%.KHENNICH M等人[12]针对100 ℃的低温工业余热,对5种工质进行了研究,得出R141b是较为合适的工质.韩中合等人[13]针对太阳能余热利用,根据热力学第一、二定律,对9种工质的热力循环特性进行了分析,发现当R245fa 作为工质时,系统具有较高的热效率和有效能效率.史汝涛等人[14]根据PR状态方程分析了9种有机工质的热力特性,结果表明,1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷为比较适合有机朗肯循环系统的工质.BOMBARDA P等人[15]以工业废气作为驱动热源,对卡琳娜循环和六甲基二硅烷为运行工质的有机朗肯循环余热回收性能进行了比较分析.LAI N A等人[16]研究了可应用于高温(423.15～623.15 K)余热的有机朗肯循环工质.

由于热物性的不同,不同的有机工质在相同的ORC 系统中有着不同的性能,因此针对不同热源参数特点,优选出合适的发电系统形式及工质,为有机朗肯循环发电系统设计和应用提供科学依据,是保证其有效应用的前提和关键.探索适宜的有机工质是目前有机朗肯循环研究领域的研究热点之一.本文在已有研究的基础上,针对常见的中低温工业余热,根据工质的筛选方法和REFPROP软件,粗选出11种适合低温烟气余热发电的有机工质,通过热力学分析方法计算出ORC系统的循环热效率、泵功、净输出功、工质运行压力,结果表明,R601a是最适合低温烟气余热发电的工质,R245fa和R600次之.

1 有机朗肯循环及其模型的建立

1.1 有机朗肯循环

有机朗肯循环(ORC)和传统的朗肯循环原理相同,区别在于传统的朗肯循环采用水作为工质.而有机朗肯循环采用低沸点的有机物作为工质,从有机物的物性可以看出,在低温热源条件下,ORC发电比传统的朗肯循环发电具有更大的优势,甚至可以回收温度低至70 ℃的热源.与传统的发电系统相似,ORC发电系统的主要工作部件包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、循环泵和发电机.

本文利用电厂的低温烟气作为热源发电,图1为电厂ORC烟气余热回收模型流程,拟在静电除尘器(Electrostatic precipitator,ESP)和引风机间加入ORC发电系统.从图1可以看出,烟气从锅炉出来,经过除尘器除尘后到达ORC的蒸发换热器,将烟气热量传递给低温的有机工质后进入引风机,之后流经脱硫塔,最后通过烟囱排入大气层.

图2为ORC发电系统及其T-S图.

图1 电厂ORC发电烟气余热回收系统

图2 ORC发电系统及其T-S图

从图2可以看出,有机工质首先在蒸发器中吸热转化为高温蒸汽(2-3-4过程),随后进入膨胀机膨胀做功(4-5过程),降温降压后的工质在冷凝器中被冷凝为饱和液体工质(5-6-1过程),然后通过循环泵升压后进入下一个循环(1-2过程),如此循环往复,带动发电机发电.

1.2 有机朗肯循环模型的建立

在本文的模型分析中忽略管道的压力损失,假定各段输送工质的管道压力为定值.

从图2可以看出,由于烟气温度不高,所以T-S循环图中没有加入工质的过热和再热过程,以最基本的循环方式运行工作,1-2′虚线表示泵在理论工况下的等熵过程,4-5′虚线表示膨胀机在理论工况下的等熵过程.参考实际工况中泵和膨胀机的运行效率,取泵和膨胀机的等熵效率分别为0.85和0.8.

ORC循环部分的计算方法如下.

(1) 工质加压过程为1-2,有机工质经过泵加压过程,泵功为:

(1)

(2) 蒸发器吸热过程为2-3-4,工质从热源吸热后定压蒸发,吸收热量为:

(2)

式中:h2——蒸发器进口工质焓值;h4——蒸发器出口工质焓值.

(3) 工质做功过程为4-5,有机工质在膨胀机内做功,即:

(3)

式中:h5——膨胀机实际膨胀焓值;h5′——膨胀机等熵膨胀焓值;η膨——膨胀机的效率.

(4) 工质冷凝过程为5-1,有机工质定压冷凝放热为:

(4)

因此,ORC系统循环热效率为:

(5)

2 烟气热源参数计算

为了简化模型计算,在不影响结果的条件下作如下假设.

(1) 本文选取THA工况下温度为124 ℃的除尘器出口烟气,假设通过ORC蒸发换热器后,烟气温度从124 ℃降低至85 ℃.

(2) 烟气中的成分为:H2O,N2,O2,CO2,SO2,固体颗粒,其中由于SO2和固体颗粒所占比例较小,所以忽略其对换热的影响,只考虑H2O,N2,CO2,O2在换热器中的换热过程.烟气工况如表1所示.

表1 300 MW的亚临界机组THA数据

根据烟气焓的计算公式计算出烟气的焓值,即:

(6)

(7)

(8)

表2为标准状态下1m3三原子气体、氮气、水蒸气、湿空气的体积焓和每千克飞灰的质量焓.

通过式(8)和表2可以得出70～170 ℃的烟气焓值,如表3所示.通过烟气的焓值则可以计算出烟气传递给ORC系统的热量值.

表2 标准状态下1 m3三原子气体、氮气、水蒸气、湿空气的体积焓和每千克飞灰的质量焓

表3 烟气温度及焓值

3 工质筛选与计算条件

与水在水蒸气发电中的重要性一样,有机工质的性质对ORC循环也起着至关重要的作用,不仅要求与系统的热力学和经济性能相匹配,而且要在相应的热源条件下具有化学稳定性,所以系统效率、运行工况、环境评价以及经济性能都与工质的选择有重要的关系.本文使用美国国家标准与技术研究院NIST REFPROP 9.0提供的数据筛选工质,分别选取了临界温度在340～500 K中间11种低沸点的有机物作为工质,如表4所示.选取工质之后,依据计算方法,对影响系统热力学性能的主要循环参数进行分析.

为了简化计算,降低系统计算的复杂性,做出对最终计算结果影响不大的假设,具体如下:

(1) 系统已经达到稳定状态,忽略蒸发器、冷凝器和管道等部件中压力以及散热损失;

(2) 工质在蒸发器出火用状态处为饱和蒸汽,不过热;

(3) 为了防止烟气低温腐蚀引风机和管道,排烟温度应该高于酸露点,本文设计烟温度降低至 85 ℃;

(4) 设计蒸发温度变化范围为352～387 K,其中R134a,R227ea,R161,R1234ze,R152a这5种工质依次进入超临界区,假定达到超临界后,工质的运行压力维持在临界压力以上0.05 MPa.

表5为工况的边界条件,根据边界条件和计算模型对工质进行计算.

表4 初选工质的性质

表5 ORC系统边界条件

4 计算结果及分析

设定ORC系统冷凝温度为303.15 K,锁定烟气热源进出口温度.在烟气进口温度为124 ℃和烟气出口温度为85 ℃的条件下,计算系统的热效率、净输出功、泵功和质量流量随着蒸发温度的变化规律.ORC系统热效率随蒸发温度的变化曲线如图3所示.

由图3可知,有机工质的系统热效率基本上随着蒸发温度的增加而逐渐增加,其中R601a的热效率一直大于其他工质,在387 K时达到最大值,为12.57%.随着蒸发温度的升高,工质R134a,R227ea,R161,R1234ze,R152a依次进入超临界区,在蒸发温度接近工质的临界温度时,R134a,R227ea,R161在367～372 K间的上升趋势变缓,而R1234ze和R152a分别在382 K和387 K的热效率有明显的降低,R1234ze在降低后进入超临界区,热效率逐渐回升.

图3 ORC系统热效率随蒸发温度的变化

图4是R152a的P-h图,从图4可以看出,随着蒸发温度接近R152a的临界温度,R152a的饱和蒸汽焓值先增大后逐渐减小;当突破临界温度时,焓值会随着温度的增加而升高.

图4 R152a的P-h图

图5和图6给出了泵功和净输出功的变化规律.由图5可知,随着蒸发温度的上升,工质的泵功也逐渐上升,R245的泵功最小,R601a次之;R245fa,R601a,R600的泵功随着蒸发温度的升高变化并不大,相比于其他有机工质,R161的泵功消耗最大.由于初始条件的设定,当工质的温度超过临界温度时,令压力为定值,所以R134a,R227ea,R161在377 K后泵功保持定值.

图5 泵功随蒸发温度的变化

图6 ORC系统净输出功随蒸发温度的变化

由图6可知,工质的净输出功随着蒸发温度的升高而升高,其中,R601a的净输出功大于其他所有工质,R600和R245fa与R601a相差不大,R134a,R227ea,R161,R1234ze,R152a这5种工质在临界温度附近净输出功均有不同程度的降低,到达超临界温度后又逐渐上升.

图7为工质压力随蒸发温度的变化曲线.

图7 工质压力随蒸发温度的变化

由图7可知,工质的蒸发压力随着蒸发温度的升高而升高,其中R601a的蒸发压力最低,在蒸发温度为387 K时,R601a的蒸发压力为0.96 MPa,远低于其他工质.因此,利用R601a作为循环工质可以降低设备的承压要求,并可使设备使用周期更长.

5 结 论

(1) ORC系统的热效率随着蒸发温度的升高而升高,在接近工质临界温度时,热效率上升变缓,部分工质会出现下降的趋势;当超过临界温度时,热效率将继续上升.工质的泵功、净输出功和蒸发压力基本上随着蒸发温度的升高而升高,部分工质在接近临界区域呈下降趋势.

(2) 工质R601a的热效率最高,净输出功和蒸发压力最小,比其他工质更适合作为烟气余热回收的工质.并且R601a在蒸发温度为387 K时的冷凝压力为0.17 MPa,仅比大气压大0.07 MPa,这样可以大大降低工质的泄漏和设备运行维护的难度.从计算结果可以看出R601a是最适合烟气余热发电的工质.

[1] 王华,王辉涛.低温余热发电有机朗肯循环技术[M].北京:科学出版社,2010:1-2.

[2] 李艳,连红奎,顾春伟.有机朗肯循环在工业余热回收中的应用[C].2009年中国动力工程学会透平专业委员会2009年学术研讨会论文集,2009:123-128.

[3] 曾华锋.HG_1100_25_4_YM1型锅炉排烟温度高的治理[J].热力发电,2012,41(4):83-84.

[4] HIRAKAWA Y,SUUZKI T.14 MW ORC Plnat insatlled at Nippon Steel[J].Organic Ranking Cycel,1982(5):45-49.

[5] 顾伟,翁一武,曹广益,等.低温热能发电的研究现状和发展趋势[J].热能动力工程,2007,22(3):115-119.

[6] LEGMANN Hilel,CITRIN David.Recovery of Low grade heat by means of the ORC process in the cement in dustry[J].World Cement,2004(4):24-29.

[7] 韩中合,叶依林.基于太阳能的有机朗肯循环低温发电工质的选择[J].华东电力,2011,39(6):952-956.

[8] GUO Tao,WANG Huaixin,ZHANG Shengjun.Fluids and parameters optimization for a novel cogeneration system driven by low-temperature geothermal sources[J].Energy,2011,36(5):2 639-2 649.

[9] 王辉涛,王华,葛众,等.中低温地热发电有机朗肯循环工质的选择[J].昆明理工大学学报:自然科学版,2012,37(1):41-46.[10] HEBERLE F,PREIBINGER M,BRüGGEMANN D.Zeotropic mixtures as working fluids in Organic Rankine Cycles for low-enthalpy geothermal resources[J].Renewable Energy,2012,37(1):364-370.

[11] 刘广林,陈奇成,张兵.烟气热源有机朗肯循环系统工质选择[J].热能动力工程2013,28(3):241-245.

[12] KHENNICH M,GALANIS N.Thermodynamic analysis and optimization of power cycles using a finite low-temperature heat source[J].International Journal of Energy Research,2012,36(7):871-885.

[13] 韩中合,叶依林,刘赟.不同工质对太阳能有机朗肯循环系统性能的影响[J].动力工程学报,2012,32(3):229-234.

[14] 史汝涛,韩吉田,宋彦美.基于地热能的有机朗肯循环工质的选择[J].化工生产与技术,2014,21(1):28-30.

[15] BOMBARDA P,COSTANTE M I,CLAUDIO P.Heat recovery from diesel engines:a thermodynamic comparison between Kalina and ORC cycle[J].Applied Thermal Engineering,2010,33(2-3):212-219.

[16] LAI N A,WENDLAND M,FISCHER J.Working fluids for high-temperature organic rankine cycles[J].Energy,2011,36(1):199-211.

(编辑 胡小萍)

Research of Working Fluid for Organic Rankine Cycle Used in Waste Heat of Power Plant

ZHANG Xiufen, JIANG Weiting, ZHAO Xin, PAN Weiguo

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The ORC cycle working fluid is studied by thermodynamic modeling approach to power plant flue gas heat recovery.According to the working fluid of the screening method,eleven kinds of organic working fluid that are suitable for low temperature waste heat power generation are selected by REFPROP software,and thermodynamic analysis method is used to calculate the thermal efficiency of the cycle of ORC systems,pump power,the net output power,operating pressure.The results are obtained that R601a is the most suitable low temperature waste heat power generation refrigerants,followed by R245fa and R600.

waste heat recovery; organic Rankine cycle; cycle efficiency; organic working fluid

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.007

2015-03-23

简介：姜未汀(1979-),男,工学博士,副教授,浙江余姚人.主要研究方向为余热利用,强化换热,纳米流体.E-mail:jiangweiting618@163.com.

TM617; X706

A

1006-4729(2016)05-0443-06