有机朗肯循环发电技术在尿素装置中的应用

孙宏新，李　平，吴发洪

(宁波开山际源节能科技有限公司　浙江衢州　324000)

在尿素生产装置中，无论采用何种工艺流程，都有大量的反应热，这就产生了很多热源。虽然这些反应热可以实行不同程度的梯级利用，但随着节能技术的不断开发，仍有节能空间。根据有机朗肯循环的技术特性和应用现状并结合尿素生产的特点，提出将有机朗肯循环发电技术应用于尿素生产装置中，初步估算吨尿素可节电40～60 kW·h。

1　有机朗肯循环原理

1.1　有机朗肯循环介绍

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由换热器、膨胀机组、冷凝器和工质泵四大部分组成。有机工质在换热器内从余热流中吸收热量并生成具一定压力和温度的蒸气，蒸气进入膨胀机膨胀做功，从而带动发电机或拖动其他动力机械；从膨胀机排出的蒸气在凝汽器中向冷却水放热并凝结成液态，最后借助工质泵重新返回换热器中，实现一个闭路循环。

1.2　ORC型螺杆膨胀发电站工作过程

ORC是一种被认为能有效利用低温热能的技术，已在包括工质、膨胀机、换热器、系统的优化等方面进行了大量的研究，但由于各方面的原因而一直处于试验阶段，没有取得实质性的突破。目前，利用ORC技术回收低温热能发电并实现商业化运行的只有浙江开山集团研发的ORC型螺杆膨胀发电站，已在美国新墨西哥州地热回收项目中实现了商业化运行，采用的有机工质为R245fa(一种无色透明易流动液体，具有挥发性，低沸点物质，在常温常压下稳定，用作制冷剂时的代号为R245fa)，包括3个过程(图1)。

图1　ORC型螺杆膨胀发电站循环示意

(1) 换热过程：蒸发器接受热源(热水、热油等温度高于80 ℃的热流体)的热量，将蒸发器内液态R245fa工质加热成高温高压的R245fa工质蒸气。

(2) 做功过程：高温高压的R245fa工质蒸气进入螺杆膨胀机推动转子旋转并驱动发电机发电，同时降温降压，R245fa工质蒸气从膨胀机排出后进入油分离器分离润滑油。

(3) 凝气过程：低温低压的R245fa工质蒸气进入冷凝器冷凝成液体工质，液体R245fa工质被工质泵升压后送入蒸发器，完成一轮循环。

在ORC循环中，R245fa工质的作用是将热源的热量提取出来，将温度转化为压力，从而实现低温热源的动力输出。因为无压力或低压力的热源无法利用其他方法实现热工转换，ORC型螺杆膨胀机是唯一的选择。ORC型螺杆膨胀发电站机组标准配置示意如图2所示。

ORC型螺杆膨胀发电站主要由蒸发器(含预热器)、蒸发式冷凝器、螺杆膨胀机、工质泵、发电机、润滑系统、电气控制系统和其他附属配套设备组成。

1.3　ORC型螺杆膨胀发电站控制系统

ORC型螺杆膨胀发电站采用PLC自动控制，可手控，可无人值守。正常运行时，PLC控制快关阀、进气阀、排气阀均打开，旁通阀关闭(或微启)，发电站发电输出经并网柜送入用户电网。发电站正常停机或遇紧急停机时，发电站自动从电网解列，快关阀自动关闭，同时旁通阀自动打开。机组设有温度、压力、振动、转速、电流、电压、频率等全方位监测保护，运行数据自动记录并可追溯，遇异常情况有相应的自保护功能。ORC型螺杆膨胀发电站系统控制示意见图3。

发电机的安全保护包括过负荷保护、速断保护、过电压保护、并网后欠电压保护、并网后高频保护、并网后低频保护及逆功率保护。

2　ORC型螺杆膨胀发电站的特点

(1) 热源适应范围广：对热源要求不高，饱和蒸汽、汽水混合物、热水(80 ℃以上)、其他热流体均可以利用，是纯粹的废热利用。

(2) 变工况能力优越：在热源负荷大幅波动(10%～120%范围)的情况下，仍可以稳定运行。

(3) 精准控温，稳定性强：利用换热器对流换热，可以精确控制热源出口温度；如遇突发状况，如装置异常、动力机故障等，发电机组安全保护系统能自动与原工艺断开，恢复原工艺冷却方式，保证工艺装置的正常运行；发电系统与电网自动分闸，确保电网和发电机的安全。

(4) 余热利用率高：针对ORC运行条件专门开发的ORC型螺杆膨胀机，等熵效率可达85%～88%，直接将废热转化为电能，可利用面广泛。

(5) 可无人值守：ORC型螺杆膨胀发电站配备了完善的PLC自动控制系统，可实现无人值守、一键启停、远程监控，运行成本低。

图2　ORC型螺杆膨胀发电站机组标准配置示意

图3　ORC型螺杆膨胀发电站系统控制示意

3　有机朗肯循环发电技术在尿素装置中的应用

3.1　软水循环系统的利用

水溶液全循环法尿素生产工艺中的一吸塔外冷器使用闭路循环的软水吸收部分甲铵液反应热，一般上水温度在85 ℃左右，回水温度在105 ℃左右，此部分热能有的企业采用溴化锂技术回收，有的企业直接采用二次利用的循环水带走热量，均存在能量直接利用率不高的问题。对某些冷量需求不大的企业来说，冬季溴化锂装置基本上无法投运。有机朗肯循环膨胀发电技术可直接将热能转化为电能或直接拖动设备，能量利用率高、利用面广；工质与热源之间采用间接对流传热的方式，精准控制温度；热源变化对机组没有任何影响，机组可在热源波动10%～120%范围内稳定运行。目前按热源温度105 ℃、流量400 t/h、年平均气温20 ℃、年运行8 000 h、电价0.65元/(kW·h)计，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度85 ℃，除去自耗电，小时净发电量达780 kW·h(吨水发电量1.95 kW·h)，年可创造经济效益405万元左右。

汽提法尿素生产工艺中的高调水系统，其上水温度一般在110 ℃左右，回水温度在130 ℃左右。按机组进水温度130 ℃、流量400 t/h、年平均气温20 ℃、年运行8 000 h、电价0.65元/(kW·h)计，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度110 ℃，除去自耗电，小时净发电量达900 kW·h(吨水发电量2.25 kW·h)，年可创造经济效益468万元左右。

3.2　低压富裕蒸汽的利用

汽提法尿素生产过程中需要使用大量的蒸汽，吨尿素耗蒸汽约900 kg，这些蒸汽经梯级利用后，吨尿素将富裕0.3 MPa低压蒸汽约300 kg。对于300 kt/a尿素装置，每小时可以富裕输出0.3 MPa低压蒸汽11 t，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度在68 ℃，除去自耗电，小时净发电量可以达到1 150 kW·h(吨蒸汽发电量104.5 kW·h)，年可创造效益598万元左右。

3.3　水解残液的利用

生产1 t尿素会产生300 kg水，这部分水含NH3和尿素质量分数分别为4%～5%和1%～3%，目前通常采用深度水解技术回收其中的NH3和尿素，即在水解塔内通入2.3～2.5 MPa蒸汽，使残液中的尿素水解成NH3和CO2并在塔顶冷却器中被回收，塔底形成达到排放标准的冷凝液。

水解塔塔顶冷凝器通过软水冷却系统来降温，软水温度一般控制在70～90 ℃(温度高不利于冷却吸收，而温度太低甲铵液会结晶)。按热源温度90 ℃、流量400 t/h、年平均气温20 ℃、年运行8 000 h、电价0.65元/(kW·h)计，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度72 ℃，除去自耗电，小时净发电量可达380 kW·h(吨水发电量0.95 kW·h)，年可创造效益约197万元。

水解塔底部排放的残液也可利用有机朗肯循环技术回收热能，但各装置水解残液利用程度不同，发电量需根据残液温度及流量进行计算。

4　有机朗肯循环膨胀发电技术应用情况

到目前为止，有机朗肯循环膨胀发电技术已在国内外投运几十套，全部由浙江开山集团生产制造，其中国内部分应用情况如表1所示。

表1国内有机朗肯循环膨胀发电技术部分应用情况

项 目热源条件总装机功率/kW年发电效益/万元年节约标准煤/t年减少碳排放量/t 中石化海南炼化有限公司芳烃一期热水ORC螺杆膨胀发电站热水200 t/h,上水118 ℃,回水70 ℃1 340519.122 596.06 167.14 山东永鑫能源集团热水ORC螺杆膨胀发电站热水420 t/h,上水100 ℃,回水70 ℃2 020756.563 782.88 987.93 燕山石化SZorb工艺ORC螺杆膨胀发电站热汽油125 t/h,来油135 ℃,回油70 ℃900294.561 472.83 499.37 安徽昊源化工集团有限公司ORC螺杆膨胀发电站饱和蒸汽,0.108 MPa(绝压),6.5 t/h,101 ℃500280.001 400.03 326.40 天津天丰钢铁有限公司蒸汽和有机朗肯循环的串级循环饱和蒸汽,0.4 MPa(绝压),12 t/h,143 ℃1 420900.803 153.07 491.00