中材節(jié)能發(fā)展有限公司副總　董蘭起

　　3月23日，2010國(guó)際水泥周系列會(huì)議之第六屆余熱發(fā)電國(guó)際峰會(huì)在上海新天哈瓦那大酒店召開(kāi)。參加盛會(huì)的中材節(jié)能發(fā)展有限公司副總董蘭起在會(huì)上做了《非水質(zhì)循環(huán)在水泥余熱發(fā)電中的應(yīng)用分析》的報(bào)告。報(bào)告主要圍繞理論余熱發(fā)電量、非水工質(zhì)循環(huán)與Ranken循環(huán)比較、Kalina大紀(jì)事、ORC及Kalina工程實(shí)例及存在的問(wèn)題展開(kāi)闡述。以下為報(bào)告全文：

　　一、理論余熱發(fā)電量

　　卡諾循環(huán)計(jì)算

　　煙氣熱源－在水泥燒成熱耗3000kJ/kg-cl前提下

　　卡諾循環(huán)效率計(jì)算公式：

　　AQC余熱鍋爐卡諾循環(huán)效率：η=39.25%； 最大發(fā)電量：7695kW

　　SP余熱鍋爐卡諾循環(huán)效率：η=48.47%；最大發(fā)電量：8478kW

　　5500t/d水泥線最大發(fā)電量：16173kW；最大噸熟料發(fā)電量：70.57kWh/t.cl

　　設(shè)備效率影響：

　　結(jié)論：

　　無(wú)傳熱溫差下的最大發(fā)電量為：

　　16173kW×97%×80%×98%=12299.2kW

　　無(wú)傳熱溫差下的最大噸熟料發(fā)電量為：53.669kWh/t.cl

　　二、非水工質(zhì)循環(huán)與Ranken循環(huán)比較

　　2．1非水工質(zhì)介紹

　　通常使用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)，如正丁烷、正戊烷和R245fa等，利用中低溫流體與低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)換熱，使后者蒸發(fā)，產(chǎn)生具有較高壓力的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。
 
　　有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)ORC循環(huán)
 
　　采用氨混合工質(zhì)的Kalina循環(huán)

　　幾種常見(jiàn)工質(zhì)的沸點(diǎn)溫度

　　氨-水混合物熱物性

　　下圖作出了氨-水混合物相平衡圖，圖中橫坐標(biāo)為混合物中氨的質(zhì)量百分比，縱坐標(biāo)為溫度，圖中1點(diǎn)代表氨的質(zhì)量百分比為X，溫度為T(mén)的氨-水混合物氣-液兩相平衡狀態(tài)點(diǎn)，混合物氣體中氣態(tài)氨的濃度為XG，混合物液體中液態(tài)氨的濃度為XL，隨著溫度的改變，XG和XL將會(huì)改變。混合物剛開(kāi)始?xì)饣瘯r(shí)（點(diǎn)4），由于氨首先蒸發(fā)，氣體中幾乎是純氨（點(diǎn)5），在蒸發(fā)過(guò)程結(jié)束時(shí)（點(diǎn)6），混合物最后一滴液體幾乎是純水（點(diǎn)7），在整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程中，氨-水混合物的溫度始終在變。

  濃度為70%的氨-水混合物在不同壓力下的泡點(diǎn)與露點(diǎn)溫度（℃）

壓力為1.25MPa氨-水混合物在不同濃度下的泡點(diǎn)與露點(diǎn)溫度（℃）

　　2.2Kalina循環(huán)與Rankine循環(huán)余熱發(fā)電對(duì)比分析

　　設(shè)計(jì)工況：
　　熱源：實(shí)際工程中一條5500t/d水泥生產(chǎn)線所產(chǎn)生的煙氣熱量。

　　選定Kalina循環(huán)工況參數(shù)：

　　Rankine循環(huán)熱力計(jì)算
　　工況參數(shù)及結(jié)果如下：

（b）發(fā)電量對(duì)比

　　汽機(jī)進(jìn)口壓力：1.25MPa →12.25MPa

　　1）鍋爐總可用能損失：

　　8659.1kW→4704.8kW，減小45.67%；

　　P>6MPa，     EuKalina<EuRankine

　　2）發(fā)電功率：

　　6399kW→10608kW，提高65.77%；

　　P>5.25MPa,   WKalina>WRankine ；

　　3）噸孰料發(fā)電量：

　　27.93kWh/t.cl→46.23kWh/t.cl，提高65.77%；

　　P>5.25MPa，ηKalina>ηRankine ；

　　4）發(fā)電效率：

　　16.1% →26.7%，提高65.7%；

　　P>5.25MPa， Kalina>Rankine ；

（C）發(fā)電效率對(duì)比

　　結(jié)論：

　　1）汽機(jī)進(jìn)口壓力從1.25MPa提高至12.25MPa，Kalina循環(huán)發(fā)電量并不是始終大于實(shí)際工程Rankine循環(huán)發(fā)電量。當(dāng)壓力大于5.25MPa時(shí)，Kalina循環(huán)發(fā)電量才開(kāi)始高于實(shí)際工程Rankine循環(huán)發(fā)電量。至12.25MPa時(shí)，Kalina循環(huán)比實(shí)際Rankine循環(huán)多發(fā)電1492.12kW。

　　2）當(dāng)壓力低于6MPa時(shí)，Kalina循環(huán)氨水工質(zhì)泡露點(diǎn)溫度較低，吸放熱傳熱溫差較大，工質(zhì)吸熱曲線與煙氣放熱曲線匹配性不如實(shí)際工程Rankine循環(huán)好，余熱鍋爐總可用能損失大于Rankine循環(huán)。

　　3）Kalina循環(huán)只有在高壓區(qū)發(fā)電量才高于實(shí)際工程采用低壓參數(shù)的 Rankine循環(huán)，但帶來(lái)的問(wèn)題是：設(shè)備與管道及其管件等承壓過(guò)高，材料要求較高，壁厚加大，用鋼量增大，閥門(mén)與管件等投資增加，造成系統(tǒng)投資大大增加，投資回收期增長(zhǎng)。

　　2.3  不同類(lèi)型余熱資源下發(fā)電量對(duì)比

　　余熱資源定義：

　　第一類(lèi)余熱資源：窯頭煙氣（盡可能地充分利用煙氣余熱，使煙氣余熱的排出溫度盡可能的低）
　　第二類(lèi)余熱資源：窯尾煙氣（煙氣的排放溫度限定為220℃）

　　計(jì)算方法：窯頭煙氣與窯尾煙氣分別獨(dú)立采用Kalina循環(huán)與Rankine循環(huán)。
　　最優(yōu)化方法：遺傳算法。
　　目標(biāo)函數(shù)：發(fā)電功率最大化
　　優(yōu)化參數(shù)為：1）汽機(jī)進(jìn)口壓力；
            　　　　2）汽機(jī)進(jìn)口溫度；
            　　　　3）蒸餾器溫度；
           　　　　 4）氨水混合物濃度。

　?、?nbsp;Kalina循環(huán)優(yōu)化計(jì)算邊界條件：
　　　汽機(jī)進(jìn)口壓力：   1MPa~12MPa；
　　　汽機(jī)進(jìn)口溫度：   280℃~320℃；
　　　蒸餾器溫度：       45℃~90℃；
　　　氨水混合物濃度：0.55~0.80；

　　② Rankine循環(huán)優(yōu)化計(jì)算邊界條件：
　　　汽機(jī)進(jìn)口壓力：  0.5MPa~6MPa；
　　　汽機(jī)進(jìn)口溫度：  280℃~320℃；

　　煙氣溫度：300℃
　　Kalina循環(huán)計(jì)算結(jié)果：

　　Rankine循環(huán)計(jì)算結(jié)果：

 

 

　　五、存在的問(wèn)題與結(jié)論

　　Kalina循環(huán)傳熱學(xué)分析
　?、賯鳠釡夭瞀減小，傳熱面積A增加。
    　　 熱力學(xué)角度分析： 鍋爐傳熱溫差：Δt Kalina< Δt Rankine,
    　　 傳熱學(xué)角度分析： 根據(jù)Q=KAΔt， Δt Kalina< Δt Rankine，煙氣散熱量Q=Const，從而傳熱面積AKalina>ARankine，進(jìn)而使得余熱鍋爐面積增大，余熱鍋爐鋼材耗用量增大，鍋爐體積增大，設(shè)備投資顯著增加。

　?、趥鳠嵯禂?shù)K減小，傳熱面積A增加。
　　根據(jù)非共沸混合物熱物性的研究可知，在純質(zhì)里面加入另一種工質(zhì)從而形成混合物是對(duì)純質(zhì)沸騰傳熱的一種削弱，這種削弱程度與混合物泡露點(diǎn)溫差有關(guān)。傳熱學(xué)角度分析：根據(jù)Q=KAΔt， KKalina<KRankine，煙氣散熱量Q=Const，從而傳熱面積AKalina>ARankine ，余熱鍋爐換熱面積增大，設(shè)備投資增加。

　　工質(zhì)熱物性評(píng)價(jià)
　　由于Kalina循環(huán)采用氨-水混合物作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，因此需要考慮氨-水混合物的穩(wěn)定性、腐蝕性以及對(duì)環(huán)境的影響。
　?、侔?水混合物在高溫高壓下的穩(wěn)定性。
　?、诎?水混合物在高溫高壓下的腐蝕性。
　　③主要設(shè)備承壓能力。
　?、苡酂徨仩t的排煙溫度影響。
　?、莅?水混合物工質(zhì)外漏對(duì)人與環(huán)境的影響。

　　經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)
　　1.Kalina循環(huán)采用高壓參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)：
　　如前計(jì)算所示，在目前水泥煙氣溫度下，Kalina循環(huán)只有在汽機(jī)進(jìn)口壓力較高時(shí)發(fā)電量才大于目前實(shí)際工程中技術(shù)較成熟，高壓參數(shù)帶來(lái)的問(wèn)題：
　　①Kalina循環(huán)采用高壓力參數(shù)，將加大系統(tǒng)設(shè)備、管道、管件、閥門(mén)等承壓能力，設(shè)備與管道等壁厚將加大，用鋼量增加，投資增大。
　?、贙alina循環(huán)采用高壓力參數(shù)，對(duì)電站工作人員的安全性要求較高。
　?、跭alina循環(huán)采用氨-水混合工質(zhì)，對(duì)于工質(zhì)泄漏控制嚴(yán)格。

　　結(jié)論：按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)Kalina循環(huán)系統(tǒng)投資將增加1.3倍，單位發(fā)電量投資增加45%~50%，投資回收期延長(zhǎng)5~8年。但是對(duì)于國(guó)內(nèi)投資將是Rankine循環(huán)的2倍左右。

　　2.Kalina循環(huán)提出了蒸餾－冷凝子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)代替普通凝汽器將汽機(jī)排汽在稍高于大氣壓力下冷凝至飽和液態(tài)，避免了Kalina循環(huán)采用普通凝汽器時(shí)可用能損失過(guò)大的問(wèn)題。但該系統(tǒng)設(shè)備較多，系統(tǒng)復(fù)雜，投資較大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，大大提高單位發(fā)電量投資。

　　3.由以上傳熱學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)可知，Kalina循環(huán)特點(diǎn)是吸放熱傳熱溫差減小，從而余熱鍋爐可用能損失減小，但余熱鍋爐傳熱面積顯著增大，其鋼材耗用量增大，投資增加。

　　4.由于Kalina循環(huán)采用氨-水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，因此現(xiàn)有Rankine循環(huán)設(shè)備都需要更換為適用于Kalina循環(huán)的設(shè)備，設(shè)備需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算制作，并且余熱鍋爐、汽機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家少，因此需要外購(gòu)，設(shè)備投資增大。

　　綜合評(píng)價(jià)
　　Kalina或ORC循環(huán)在技術(shù)上完全可行
　　Kalina或ORC與Rankine相比在低溫廢氣熱源具有一定的優(yōu)勢(shì)
　　但是在200℃以下廢氣熱源的條件下ORC具有一定的優(yōu)勢(shì)
　　在目前的技術(shù)條件下投資較高
　　運(yùn)行的安全性以及維護(hù)成本過(guò)高
　　對(duì)于ORC循環(huán)來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步降低投資是推廣的關(guān)鍵
　　對(duì)于Kalina循環(huán)來(lái)說(shuō)還需在系統(tǒng)和裝備上進(jìn)行深入研究
　　當(dāng)能源愈加緊張時(shí)必定會(huì)促進(jìn)ORC和Kalina的發(fā)展

 

 

 

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