余热回收在煤化工行业的应用

吴罗刚

(广东寰球广业工程有限公司，广东 广州 510665)

余热回收在煤化工行业的应用

吴罗刚

(广东寰球广业工程有限公司，广东 广州 510665)

煤化工行业存在大量低品位余热，以某大型煤化工厂凝液精制装置中工艺凝液余热为例，介绍有机郎肯循环螺杆膨胀机发电站发电原理和技术流程，通过本项目的实施将低品味的热能(88 ℃)转化成电能，在额定工况下实现净发电功率516 kW，达到节能增效的目的。

有机郎肯循环；余热发电；节能；余热回收

随着能源消耗的日益增长，生态破坏、全球变暖等环境问题已凸显，节能减排已经成为我国目前的基本国策。工业节能十三五规划要求在钢铁、化工、轻工等余热资源丰富行业，全面推广余热余压回收利用技术，推进低品质热源的回收利用[1]。

工业余热即工业生产过程中在完成某一生产工艺后剩余的热量，我国工业能耗占能源总量的70%左右，而工业能耗的60%～65%都转化为载体不同、温度不同的工业余热。包括低品位烟气、蒸汽和热水等，回收和利用工业生产过程中的各种余热，既有助于解决我国的能源问题，又可以有效减少工业生产过程中的环境污染，具有重要的意义。

按照余热的不同温度情况,将余热资源分为3种,即:高温余热(≥500 ℃ )、中温余热(400～500 ℃ )和低温余热(≤400 ℃ )。我国在高温热源余热发电领域的技术已经成熟,并且在钢铁、冶金、水泥、化工等行业中得到广泛应用[2],但中、低温余热发电技术尚未成熟，尤其低品位中低于100 ℃的热量基本都是被风冷和循环水冷却，既造成能量的浪费，又增加公用工程水和电的消耗。煤化工行业存在大量的低品位余热，如低压蒸汽冷凝液等，有效地利用这些低品位余热不仅对项目本身具有一定的经济效益，对节能减排亦有深远的意义[3]。

1 余热现状

某大型煤化工厂凝液精制装置主要将送入本装置的工艺凝液进行处理，制备合格的除盐水，处理之前需将凝液冷却至40 ℃，目前采用的是大量循环冷却水冷却降温，该种方式不仅没有充分利用余热，造成能源的浪费，而且需要消耗大量循环冷却水。其中工艺凝液参数如下：夏季：凝液流量194.2 t/h，凝液温度88～95 ℃；冬季：凝液流量245 t/h，凝液温度82～88 ℃。设计采取加权平均流量219 t/h，加权平均温度88 ℃。

2 余热发电原理

2.1 有机郎肯循环的热力过程

图1 机郎肯循环的T-S图

有机朗肯循环,即在传统水蒸汽朗肯循环中采用有机工质(如R245fa、R134a 等)代替水蒸汽推动透平膨胀机或螺杆膨胀机做功,由于有机工质的沸点低,易形成高压蒸汽,而冷凝压力接近或稍大于大气压力,系统运行压力小,且其冷凝温度较低,可最大限度地将低品位热源的热量转化为电能,提高了能量利用率。有机郎肯循环由定压吸热、定熵膨胀、定压放热和定熵压缩四个过程组成[4]，如图1有机郎肯循环T-S图。工质在蒸发器中经历定压吸热过程，其状态由过冷液(状态4)变化为饱和蒸气(状态1)；之后在膨胀部件中经历绝热膨胀过程，成为乏气(状态2)；乏气在冷凝器中经历定压放热过程，成为饱和液(状态3)；在工质泵中经历绝热压缩过程，回到状态4，完成循环。

2.2 有机郎肯循环螺杆膨胀机发电站

有机朗肯循环螺杆膨胀机发电站以低沸点有机物为工质的朗肯循环，由蒸发器、膨胀机、冷凝器和泵等4大部件组成。外界热介质通过蒸发器将热量输送给有机工质，有机工质经过蒸发器吸热后，产生饱和状态的有机蒸汽，引导进入专用的螺杆膨胀机，有机蒸汽内能转换为机械能对外做功，膨胀机与发电机相连，机械能也就转换为电能，发电后的乏汽再进入冷凝器凝结成有机凝液，由泵增压送至蒸发器循环做功。有机朗肯循环螺杆膨胀机发电站发电技术流程见图2。

图2 螺杆膨胀机发电站技术流程

Fig．2 technical flowsheet of the screw expansion generator units

3 余热发电方案

本项目选用一套型号为KE800-75W-1-50C ORC螺杆膨胀发电站系统，采用低沸点R245fa作为循环的有机工质。为了提高热效率和发电量，选用2套膨胀机机组，高温级机组和低温级机组串联运行。系统主要包括工艺凝液系统、ORC冷媒系统和ORC油系统三部分组成。

工艺凝液系统的工艺流程为：工艺凝液(219 t/h，88 ℃)首先通过高温级蒸发器加热高温级的冷媒后分成两部分，一部分工艺凝液进入低温级的蒸发器和预热器加热低温级的冷媒，另一部分进入高温级的预热器加热高温级的冷媒，高温级和低温级预热器出口的两路工艺凝液混合组成回水(219 t/h，60 ℃)回到下游装置。

ORC冷媒系统包括高温级和低温级两部分。冷媒在蒸发器吸热变成高温高压的饱和气体，进入膨胀机做功，膨胀机带动发电机发电，将发出的电输送到电网。膨胀机出口的过热蒸汽通过油分进行油气分离，然后进入蒸发式冷凝器冷凝成饱和液体。储液罐收集液态冷媒被工质泵加压到高压状态，然后进入预热器，将过冷的冷媒预热到饱和液态。然后进入蒸发器完成一个循环。

ORC油系统指膨胀机主机供油系统和工质泵供油系统。油分离器分离出来的油存储到油分底部的储油包，主油泵将油打回到膨胀机各个喷油口进行润滑。工质泵的油路配有专用的油箱，通过副油泵将油箱里的油打到工质泵各个进油口进行润滑，主机供油系统和工质泵供油系统相互之间联通确保系统的油平衡。

在工艺凝液管道和系统管道上安装各类阀门和建立旁通，用于控制系统的稳定开机、运行以及停机。当膨胀机需要维护或紧急停机时，系统快切阀门将立即关闭，工艺凝液通过旁通回路返回凝液精制装置，不影响下游正常生产。且在紧急停机时发电机自动从电网中解列出来，对电网不会产生影响。

ORC螺杆膨胀发电站系统设计工况下具体技术参数见表1。

表1 机组技术参数一览表

机组净发电量受工艺凝液温度和环境干球温度的影响，在额定流量下根据进水温度不同和环境温度的变化绘制机组变工况性能曲线图，详见图3。从图可以看出进水温度越高，环境温度越低，发电量越大。

图3 机组变工况下性能曲线图

通过本项目的实施，可实现额定工况下净发电功率516 kW，年(8000h)发电412.8×104kW·h，为业主年(0.45元/kWh)创造185.76万元经济效益，节省循环冷却水(8 ℃温差)流量为766.5 t/h。

4 结语

综上所述，有机郎肯循环螺杆膨胀机发电站在低温余热回收方面效果明显，可以将低品味的热能转化成电能，达到节能增效的作用，而且在热源参数大幅波动工况下(10%～120%)，也能够高效、平稳运行。目前在煤化工行业还存在大量低品位的热量，应用前景将十分广泛。

[1] 王 华，王辉涛.低温余热发电有机郎肯循环技术[M].北京：科学出版社，2010：1-10.

[2] 冯 驯，徐 建，王墨南,等.有机朗肯循环系统回收低温余热的优势[J].节能技术，2010, 28(163) :387-391.

[3] 邓立生，黄宏宇，何兆红,等，有机朗肯循环的研究进展[J].新能源进展，2014,2(3):180-189.

[4] 曹滨斌，李惟毅.螺杆膨胀机双循环低温余热回收系统分析[J].天津大学学报，2010,43(4):310-314.

(本文文献格式：吴罗刚.余热回收在煤化工行业的应用[J].山东化工，2017，46(08)：126-127，129.)

Energy Saving Transformation of the Combined Unit of Arene in a Certain Factory

WuLuogang

(HQC(GuangYe)Co.,Ltd.,Guangdong， Guangzhou 510655,China)

There are a large number of low-grade waste heat in the coal chemical industry,takes example for the waste heat of the technical stream of a large coal chemical plant in this paper,introduces power generation principle and technical flowsheet of the organic rankine cycle screw expansion generator units, through this project low-grade thermal energy can convert into electrical energy, it can generate a net power electricity of 516 kW in the rated operating conditions,achieves the purpose of energy saving and efficiency increasing.

organic rankine cycle; waste heat power generation ; energy saving;waste heat recovery

2017-03-03

吴罗刚(1983—)，湖北人，本科，工程师，主要从事石油化工医药行业节能和设计。

TQ440.8

A

1008-021X(2017)08-0126-02