低温余热发电的利用技术

郑杰

摘要：余热资源来源丰富，按温度等级被分为（>400度）高温余热、（250-～400度）中温余热、（<250度）低温余热。其中，高温、中温余热的热源品质较高，可选择余热利用方法较多，可选择各种型式的换热设备、拖动设备、发电设备。低温余热的利用方法选择相对较少，低温余热只能产生热水或者低参数的蒸汽，应用领域相对较少。所以，有时只能希望用来发电，接下来举例详细分析利用低温余热资源发电的方法。

关键词：低温余热;螺杆膨胀机;ORC发电

1.低温余热发电利用的技术路线

1.1 低温余热利用简介

低温余热是指热源温低于250度，而常规汽轮机发电需要的蒸汽参数最低为1.27Mpa，温度为340度，即使补汽凝汽式机组的补汽，参数也在0.25MPa，温 度200度。余热用于发电的应用需要将热源换热成热水或者蒸汽，考虑换热器的换热效率、换热面积等因素，换热器最低要保证20度左右的端差，而温度140度蒸汽对应的饱和压力0.36Mpa（a），已不适用于常规汽轮发电机组。因此，当余热热源温度在低于160度的热源就很难利用。

1.2 低温余热发电利用方式

烧结厂全厂的热平衡，已没有能与之匹配简洁有效的直接利用方式，只能用来发电。如果用来发电，可采用两种方式：1）将烟气换热成压力0.36MPa（a）、温度140度或者更低参数的饱和蒸汽，选用低品位热能汽轮机或者螺杆膨胀机进行发电;2）将烟气换热成热水，通过热水-制冷剂换热连接ORC发电系统直接发电。

2 低品位热能汽轮机或者螺杆膨胀机发电

2.1 螺杆膨胀机工作原理：1）进气过程：介质经进气口进入转子的齿间容积后，将推动转子旋转，并使齿间容积不断扩大。2）膨胀过程：随着齿间容积继续增大，介质体积膨胀温度降低，同时输出动力到转子的伸出轴处。3）排气过程：当齿间容积排气口相通时，便开始排气过程，直至齿间容积减少为零，完成一个工作循环为止。螺杆膨胀机间隙密封，从而具有透平膨胀机不具有的特点，即对进气为含有液滴的湿蒸汽有良好的适应性，当进气为湿蒸汽时，液滴有助于密封。螺杆膨胀动力机优点：1）螺杆膨胀机可作为全流膨胀机使用，即工作介质的进气口状态不仅可为干蒸汽，也可为二相流体或全液体。2）适用于过热蒸汽、湿饱和蒸汽、热水等各种介质。3）不飞车、无盘车、免暖机、机组启停和运行平稳简便。4）在热源参数大幅波动工况下，能够高效、安全运行。5）轴封效

果好，寿命长。长期无大修，小修维护简易。螺杆膨胀动力机缺点：螺杆膨胀机属于容积式动力设备，进汽量一般较小，不适用于大规模发电机组。

2.2 案例分析

该工程单烟道可产生 0.23MPa（a），温度 125度饱和蒸汽 16.2t/h，双烟道蒸汽量为 32.4t/h。选择 S1.8 - 0.14 机型，进汽压力 0.14MPa（a），最大进汽量 34t/h，凝结水温度采用70度回水，发电功率为1754KW，厂用电率按8%，机组净发电能力1438KW。年运行小时数按 8000小时，则该机组全年可净发电：1438×8000=11504000KWh，电价按0.5/KWh计费，则该机组全年运行产生效益 575.2 万元。根据方案确定的设备，经初步估算，预计初投资为￥16，00万元（不含余热的蒸汽锅炉投资）。水费按3元/m3计算，冷却塔年平均补水量为46.8m3/h，全年水费为112.32万;相关运行维护费用为每年80万元;电的二氧化碳排放量 1.0kg/kwh，每年CO2 减排 11504t，按 CO2交易 65 元/ t计算，每年可收入74.48 万元。不考虑任何折损、通胀预期发生费用，也未考虑任何政策性支持补助费用，预计回收年限=总投资/年收益=1600万元/（575.2万元/年+74.78万元/年-112.32万元/年 -80万元/年）=3.50 年。

3低温余热 ORC 发电系统

3.1ORC 发电系统简介

ORC 发电技术始于 20世纪 50 年代，适用于80度～300度热源的低品位余热发电领域。ORC 是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵四部分组成。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量后汽化，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电或拖动其它动力机械做功。从膨胀机排出的低蒸汽在冷凝器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到蒸发器，构成整个系统循环。采用 ORC 发电技术的具有适应性灵活的优点，当余热工质的条件恶劣，不适合做有机工质的直接换热时，可采用水循环做中间换热循环。由于某项目的烟气含尘量高达500～1000mg/Nm3，工艺环节位于脱硫前，SO₂ 含量高达1000～3000mg/Nm3，因此烟气换热器腐蚀和磨损较为严重，且换热器允许布置空间较小。为了运行安全可靠，选择换热设备尺寸较小的水冷却双循环 ORC发电系统，换热设备材质采用双相钢 2205，循环水温度选择80度～110度区间，保证双相钢在酸露点下的耐腐蚀寿命。采用烟气-水换热器，以热水为介質，提取烟气中余热，再供ORC系统发电。

3.2 案例分析

根据前面的参数，该工程单烟道可产生压力0.3MPa、温度80度～110度循环水270t/h，双烟道循环水量为540t/h，发电 系 统 拟 采 用 一 台 涡 轮ORC机 组，供 热 量 18837kw，机组发电能力 1620kw，采用蒸发式冷凝器，厂用电率20%，机组净发电能力 1296KW。年运行小时数按8000小时，则 该 机 组 全 年 可 净 发 电：1296×8000 =10368000kwh，电价按0.5元/kwh计费，则该机组全年运行产生效益 518.4 万元。根据方案确定的设备，经初步估算，预计初投资为 ￥2000 万元（不含余热的热水换热器和循环泵投资）。水费按2 元/m3计算，冷却塔年平均补水量为 32.9m3/h，全年水费为 78.396 万;相关运行维护费用为每年 70 万元;电的二氧化碳排放量1.0kg/kwh，每 年 CO2 减 排 10368t，按CO2 交易65 元/t计算，每年可收入67.39 万元。不考虑任何折损、通胀预期发生费用，也未考虑任何政策性支持补助费用，预计回收年限=总投资/年收益=2000万元/（518.4 万元/年 +67.39 万元/年 -78.96 万元/年 -70 万元/年）=4.58 年。

参考文献

[1]侯祥松;;电炉炼钢冶炼周期中烟气热力学特性的变化规律[J];冶金能源;2010年01期