基于有机朗肯循环的低品位工业烟气余热优化利用研究——以夹江县某建陶厂为例

李 悦 蒋福建 余南阳

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

0 引言

随着我国现代化工业技术高速发展，能源形势日趋严峻，做好节能减排工作己经成为全社会的共识。我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收率达60%，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大，工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容[1]。在建陶类企业中，陶瓷烧成过程中的窑炉排烟热损失占窑炉总输入热量的百分之二十五到百分之三十五[1]，因此烟气余热回收对建陶类企业的节能减排具有重要意义。而在低品位余热利用方面，有机朗肯循环发电系统因其具有结构简单、循环热效率高、蒸发压力和冷凝压力较低、环境友好和负荷适应能力强等优点，已成为低品位余热资源的主要利用方式之一[3]。本文以夹江某典型建陶厂为例，对其余热资源进行调研，并对不同余热温度段有机朗肯循环的最佳运行参数进行分析。

1 建陶类企业烟气调研情况

对四川省夹江县建陶类企业进行调研，夹江地区主要陶瓷厂生产工艺差别不大，在废水方面做到了循环利用，基本没有废水产出；在蒸汽方面，只有在对瓷砖进行喷水降温时产生少量蒸汽，温度区间较低且量极少，并无回收利用的必要；在固体余热方面，虽然烧成砖在出窑时仍有200～300℃的温度，但这一部分低温余热难以直接回收，且为满足实际生产过程中的质量与产量的综合需求，已使用喷淋水或风冷形式进行冷却，极大地牺牲了余热品位，回收难度大、收益低，因此在陶瓷厂余热方面，主要可利用的余热载体为烟气。

建陶类企业生产线工艺主要分为浆料处理及储备、砖坯干燥（干燥窑）、砖坯烧成及砖坯冷却。砖坯烧成主要通过烧成窑将天然气分段燃烧，以提供不同的烧成温度。烧成窑分为预热带、烧成带和冷却带三个阶段，温度在300～1200℃不等，产生烟气由抽热风机抽出排到干燥窑。干燥窑中利用烧成窑中的烟气余热，将含有水分的常温砖坯进行排水干燥，窑内温度保持在270℃～300℃之间，最终烟气从干燥窑排出，进入脱硫塔。

在整个生产过程中，烟气从窑炉中被引出进入干燥窑，对原料进行干燥，这部分烟气虽然得到了直接利用，但排放时依然有较高温度，根据调研，干燥窑出口烟气温度及流量如图2所示。

图1 陶瓷砖坯烧成过程Fig.1 Ceramic tile firing process

图2 干燥窑出口烟气温度及流量Fig.2 Temperature and flow rate of flue gas at the outlet of drying kiln

对于夹江县陶瓷企业现有的工艺设备，在余热回收方面，可利用烟气温度范围150～200℃，流量为2.75×10 m /h，根据表1的划分标准属于低品位余热[4]，忽略烟气杂质影响，假设烟气中仅含有氧气、氮气及水蒸气，利用Aspen Plus 软件对ORC发电系统进行烟气余热利用过程模拟。

表1 余热品位划分标准Table 1 Waste heat grade classification standard

2 有机朗肯循环系统

2.1 系统热力学模型

有机朗肯循环系统由蒸发器、冷凝器、膨胀机和工质泵组成。工质在蒸发器中吸收热量由液态变为气态，推动膨胀机旋转后，在膨胀机做完功的乏气进入冷凝器中经冷却水冷却后重新变为液体，最后由工质泵打入蒸发器，完成一个循环，工质循环的过程如图3所示。

图3 有机朗肯循环系统温熵图Fig.3 Temperature and Entropy Diagram of Organic Rankine Cycle System

等压吸热过程（4-5-6-1）有机工质在蒸发器中吸收热源热量，温度升高并蒸发，吸收热量为：

等熵膨胀过程（1-2s），在膨胀机中工质对外做功为：

等压放热过程（2s-3），由膨胀机排出的工质蒸汽进入冷凝器经由冷却水冷凝为液态，工质放出热量为：

等熵压缩过程（3-4），由冷凝器排出的液态工质通过工质泵加压送至蒸发器，外界对工质做功为：

因此，循环的热效率为：

系统净功为：

2.2 Aspen Plus 建模

为了评估系统性能，本文利用Aspen Plus 软件对系统进行模拟，物性方法选择PENG-ROB，收敛方法选择Wegstein 法，具体模型如图4所示，其中，蒸发器由B1 与B2 两个换热器组成，B3 为冷凝器，B5 为膨胀机，B4 为工质泵，流股IN 为烟气入口，流股OUT 为烟气出口，1 为断裂物流，其他参数设置如表2所示。最后通过输出功、热效率、㶲损失、年度净收益（ANI）及CO2减排量五种指标对系统进行评价。

图4 Aspen Plus 模拟有机朗肯循环系统图Fig.4 Aspen Plus simulated organic Rankine cycle system diagram

表2 系统参数设置范围Table 2 System parameter setting range

有机朗肯循环中，影响循环性能的参数很多，本文主要通过输出功、热效率、㶲损失、年度净收益（ANI）及CO2减排量五种指标，研究系统工质、夹点温差、蒸发压力、过热度对系统的影响。有机朗肯循环的工质有以下几点要求：回收效果好，余热回收效率高；传热性能好，换热系数大；饱和压力水平适中；来源丰富获取成本低；稳定性好，无毒害，环境友好。基于以上条件以及现有文献推荐工质，本文选择R227ea、R245fa、R236ea 及R123四种工质[5-9]，其相关物性参数如表3所示。

表3 有机工质物性参数Table 3 Physical parameters of organic working fluid

3 研究结果与分析

在其他条件一定的前提下，夹点温差主要影响系统ANI，如图5所示，工质R227ea、R236ea 和R245fa 在热源温度160℃，蒸发压力2MPa 时，同一工质夹点温差越高，系统经济性越差，因此在同一蒸发压力下，应尽可能减小系统夹点温差。

图5 夹点温差对系统ANI 影响Fig.5 The influence of the temperature difference of the pinch point on the ANI of the system

当热源温度在150～200℃之间变化时，不同的热源温度及蒸发压力需匹配不同的夹点温差，过小的夹点温差可能无法达到系统要求，图6以工质R245fa 为例，给出了各夹点温差下系统对应的最高ANI，可以看出，当夹点温差小于25℃时，系统ANI 对夹点温差增大而增大；当夹点温差大于25℃时，系统ANI 对夹点温差增大而减小，系统在夹点温差25℃时达到最优值。

图6 工质R245fa 的夹点温差对系统ANI 的影响Fig.6 The influence of the temperature difference of the pinch point of the working fluid R245fa on the ANI of the system

工质蒸发压力与蒸发温度一一对应，一般情况下，工质蒸发温度随蒸发压力升高而增大，表4给出了工质在不同压力下蒸发温度。

表4 不同压力下工质蒸发温度/℃Table 4 Evaporating temperature of working fluid under different pressure/℃

续表4 不同压力下工质蒸发温度/℃

图7～8 显示了热源温度160℃时，在不同蒸发压力下四种工质系统热效率和ANI 变化，四种工质的热效率均随蒸发压力增大而增大，但其增速随蒸发压力增大而减缓：以工质R245fa 为例，蒸发压力由1MPa 增加到1.5MPa 时，系统热效率增加1.66%，增幅为17.2%；蒸发压力由2.5MPa 增加到3MPa 时，系统热效率增加0.3%，增幅仅为2.4%。

图7 蒸发压力对系统热效率影响Fig.7 The influence of evaporation pressure on the thermal efficiency of the system

图8 蒸发压力对系统ANI 影响Fig.8 Effect of evaporation pressure on system ANI

对于系统ANI，工质为R123 和R245fa 时，系统ANI 随着蒸发压力的增大先增大后减小，存在一个最大值，工质R123 的最大值出现在蒸发压力1MPa 处，而工质R245fa 的最大值出现在蒸发压力2MPa 处；工质为R236ea 和R227ea 时，系统ANI没有出现拐点，其大小均随蒸发压力增大而增大，但随着蒸发压力的增大，其增速减缓。

由图9可知，工质为R227ea、R236ea 和R245fa时，系统㶲损失随着蒸发压力的增大先减小后增大，存在一个最小值，工质R227ea 的最小值出现在蒸发压力2MPa 处，工质R236ea 和R245fa 最小值出现在蒸发压力2.5MPa 处；工质为R123 时，系统㶲损失没有出现拐点，其大小均随蒸发压力增大而减小。

图9 蒸发压力对系统火用损失影响Fig.9 Influence of evaporation pressure on system exergy loss

系统做功能力受工质流量及工质蒸汽温度双因素影响，不同工质在不同热。源条件下需要具体分析计算。图10 以工质R245fa 为例，表明蒸发压力在不同热源温度下对系统的影响：低蒸发压力的系统，系统净功随热源温度的变化幅度明显低于高蒸发压力的系统，且以最高膨胀机做功为指标，不同热源温度系统的最佳蒸发压力不同，在热源温度低于160℃时，1MPa 的蒸发压力下，系统做功较高；热源温度高于190℃时，3.5MPa 的蒸发压力下，系统做功较高。工质流量与蒸发压力呈负相关，而蒸发温度则与蒸发压力呈正相关，二者都对膨胀机做功有着直接影响，且影响程度与热源温度相关，因此若以系统做功作为优化指标，不同热源温度应对应不同的蒸发压力。

图10 不同热源温度下蒸发压力对系统净功影响Fig.10 The influence of evaporation pressure on the net power of the system under different heat source temperatures

过热度主要影响工质进入膨胀机的温度，在蒸发压力一定的情况下，过热度越高，同一工质进入膨胀机的蒸汽温度越高，单位流量下工质蒸汽做功能力越强。但工质过热度受蒸发器夹点温差以及热源流体温度制约。

以工质R245fa 为例，在热源温度为180℃，蒸发压力3MPa 以及夹点温差为20℃时，模拟了不同过热度对系统性能的影响，结果如图11～14 所示。当系统蒸发压力2MPa 时，在同一蒸发压力下，过热度的增加对系统热效率和㶲损失有正面影响：热效率随过热度增加有所增加，但增幅随过热度增加而减缓，且过热度对热效率整体影响有限，过热度由0 增加到16℃时，增长率仅1.81%；㶲损失随过热度的增加有所减小，过热度由0 增加到16℃时，㶲损失减少了23.09%。同时，过热度的增加对系统净功和ANI 有负面影响：过热度由0增加到16℃时，其净功和ANI 分别减小了20.82%和19.37%。

图11 过热度对系统净功影响Fig.11 The influence of superheat on the net power of the system

图12 过热度对系统热效率影响Fig.12 The effect of superheat on the thermal efficiency of the system

图13 过热度对系统㶲损失影响Fig.13 The effect of superheat on system exergy loss

图14 过热度对系统ANI 影响Fig.14 The effect of superheat on the system ANI

根据以上分析，基于不同的评价指标，系统有不同的参数选择，因此本文提出基于层次分析法的综合评价方法，层次结构如图15 所示。

图15 评价层次结构图Fig.15 Evaluation hierarchy diagram

对于准则层权重系数，本文参考文献[3]，根据表5进行计算。

表5 准则层权重系数Table 5 Criterion-level weight coefficient

对于指标的权重，要先将各指标均一化，再根据其均一化指标分级取值，均一化指标x具体计算公式如下：

式中，xi为第i个指标的均一化指标；Xi为第i个指标值；Xiopt为所有候选方案中第i个指标的最优值。

将指标进行均一化处理之后，按照均一化结果，将不同指标值平均分为五级，并按照分级数值生成判断矩阵，计算准则层的权重。

根据准则层权重及指标层权重相乘，得到各准则在系统内的总权重。

根据均一化指标值及其系统总权重，建立系统的可行性判断指标（Feasibility Level，FL），其定义式为：

式中，wi为第i个指标的系统总权重。

根据以上计算方式，可以得到不同热源温度下较优的工质及其相关参数选择结果如表6～7 所示。

表6 有机朗肯循环系统参数选择Table 6 Parameter selection of organic Rankine cycle system

表7 最优FL 下的有机朗肯循环系统相关指标Table 7 Related Indexes of Organic Rankine Cycle System under Optimal FL

4 结论

本文基于四川省夹江县建陶类企业余热资源调研结果，通过有机朗肯循环系统对其烟气余热进行利用，并根据Aspen Plus 流程模拟软件对其进行模拟，得到以下结论：

（1）通过调研，夹江县建陶类企业具有大量以烟气为载体的余热资源，可利用温度为150～200℃，流量为275000m /h，属低品位余热。

（2）夹点温差主要影响系统经济性，为达到更高的经济性，不同工质存在其最优的夹点温差。

（3）在蒸发压力方面，更高的蒸发压力可使系统达到更高的热效率，但对于系统经济性，则存在一个最佳蒸发压力使系统有更高的经济性，且对于系统输出功，不同的热源温度对应的系统最佳蒸发压力不同。

（4）在过热度方面，在相同的蒸发压力下，过热度的升高使热效率小范围内增加，㶲损失减少，但系统净功和经济性都减小。

（5）基于不同的热源温度，有机朗肯循环循环系统应选择不同的工质及运行参数，使系统性能达到最佳。