有机朗肯循环在玻璃窑低温余热回收中的应用

方海燕，李培涛，刘余庆

(深圳市凯盛科技工程有限公司，深圳 518054)

工业生产中，余热普遍存在，按照来源可分为烟气余热、冷却介质余热、废气废水余热、化学反应热、高温产品余热、炉渣余热以及可燃废气废料余热。但大量工业生产过程中产生的余热资源不能被有效地回收利用，不仅浪费能源，更产生了热污染。因为能源短缺，通过余热回收利用实现节能变得极为重要。节约资源是我国的基本国策，我国不断推进集约型社会建设，狠抓节能减排，出台了多项节能降耗有关的法律法规及规章制度，为确保落实，还将节能降耗目标纳入了政府考核体系。由此可见，节能降耗充分利用工业余热是工业生产中需要考量的重要部分。

1 玻璃窑低温余热利用现状

作为建材行业的耗能大户，玻璃生产需消耗大量能源，燃料燃烧释放的热量只有35%～40%是玻璃熔制的有效热，约30%～40%的热量通过排烟带走了。将这部分热量利用起来可给玻璃企业带来经济效益，并对节能减排带来显著的促进作用。以前玻璃熔窑排烟主要用于供热蒸汽和加热燃料，这种余热利用方式利用率低。如果由余热锅炉吸收烟气废热，生产过热蒸汽，将过热蒸汽送至汽轮机发电，这种玻璃熔窑余热回收发电装置的发电净效率大约为13%，可将玻璃熔窑燃料热量利用效率提高10%左右，并且产生的电量满足玻璃生产线60%～80%以上的用电量。根据《玻璃熔窑余热发电设计规范》，玻璃窑余热锅炉的排烟温度高于酸露点温度20 ℃以上。实际生产中锅炉排烟温度一般在170 ℃左右，排出的热量占玻璃熔窑排烟热量的34%。为了进一步利用此部分能量，进一步提高能源利用率，可在锅炉出口接低温有机朗肯循环装置，利用该装置继续吸收低温烟气余热，将烟气温度降至80 ℃(烟气已经过陶瓷滤管脱硫脱硝一体化装置处理，含硫量大幅降低，可以考虑将烟气温度降低到酸露点以下，该温度还可降低，但会降低发电效率，影响经济性)再排至烟囱，增加有机朗肯循环装置不仅提高了玻璃窑厂区余热电站总的发电效率和发电量，同时减少了玻璃窑排烟的热污染。具体玻璃窑烟气余热利用流程图详见图1。

2 有机朗肯循环原理及应用

世界范围内大约90%的电能都通过朗肯循环产生，其主要包括定压吸热、等熵膨胀、等压冷凝和等熵压缩四个过程，主要以水和水蒸气为循环工质，但是当热源温度低于370 ℃时，以水为工作介质的常规朗肯循环(详见图2、图3)利用率明显降低。

有机朗肯循环原理(详见图4、图5)与常规朗肯循环类似，区别在于有机朗肯循环的工作介质是低沸点、高蒸汽压的有机物，相比常规朗肯循环，有机朗肯循环不需要设置过热器除去工质中的湿蒸气。

选取正戊烷作为玻璃窑有机朗肯循环的工作介质是因为正戊烷相比其它有机物沸点低(见表1)。其热力学性能较稳定，热效率较高，可用于高于150 ℃的工作温度，且蒸汽密度大、比容小。所以汽机、排汽管道及空冷冷凝器中的管道尺寸相对较小，更节约成本。如表2所示，当工质温度为50 ℃时，有机物正戊烷的工质压力是水蒸气的13倍，工质密度是水蒸气的57倍；当工质温度为100 ℃时，正戊烷的工质压力是水蒸气的5倍，工质密度是水蒸气的27倍；当工质温度为150 ℃时，正戊烷的工质压力是水蒸气的3倍，工质密度是水蒸气的18倍。100 ℃标准大气压下，水的液体比焓418.82 kJ/kg，蒸汽比焓2 674 kJ/kg，汽化潜热为2 255.18 kJ/kg，潜热占比84%。而正戊烷的沸点下汽化热360.22 kJ/kg，如图6、图7所示，相比正戊烷，水的潜热占比更高，且水蒸气在进入汽轮机前需要过热器去除湿蒸气，而有机物正戊烷本身就是干工质，不需要设置过热器，以饱和气体进入膨胀机做功，热效率更高。

表1 部分有机物热力学参数

表2 水蒸气和正戊烷热力学参数

所以以正戊烷为工质的有机朗肯循环系统对低品位热源的利用率远高于以水为工质的常规朗肯循环。有机朗肯循环系统由换热器、膨胀机、冷凝器和泵组成。等压吸热过程中，有机工质在换热器中被烟气预热、蒸发、汽化，从玻璃窑余热锅炉排出的低温热源吸收热量产生高压蒸气；等熵膨胀过程中，烟气进入膨胀机推动膨胀机旋转，膨胀机带动发电机发电；等压放热过程中，做功后的乏气进入冷凝器冷凝为液体；等熵压缩过程中，冷凝后液体工质再由泵增压打入换热器，继续循环利用。

因为普通朗肯循环中锅炉高温高压运行，厂区给水需要净化、软化、除氧和除盐来去除水中所含悬浮物的胶体和易形成水垢的硬度离子，以防止水在锅炉中造成氧腐蚀以及形成水垢，从而影响锅炉运行安全和造成降低锅炉热效率，所以普通朗肯循环需要除氧器和除盐装置。厂区给水的除盐过程以及锅炉设备的运行维护需要排污和疏放水装置。且因为在冷凝温度下，水的冷凝压力较低，需要水源、射水抽气器和射水箱保持真空度(见表3)。

表3 水和正戊烷的冷凝参数

而有机朗肯循环系统不需除氧、除盐、排污、疏放水设施和射水抽气器，所以设备成本比普通朗肯循环低。且膨胀机尺寸小，设备造价和土建成本上相比普通朗肯循环更为节约。可实现远程控制，所以运行成本低。部件及设备可模块化生产，降低制造成本，缩短安装周期。膨胀机排出的乏气为过热度较大的蒸汽，远高于冷凝器内的冷凝温度，直接送入冷凝器冷凝，浪费能源，且加大冷凝器的热损失，可在乏气进入冷凝器前预热进入换热器前的液体工质，再进入冷凝器，从而提高能源利用率(见图8)。

汽机间也可改造为中压汽轮机和有机朗肯膨胀机组合，蒸汽锅炉吸收玻璃窑排出的中温段烟气热能，将过热蒸汽送至中压汽轮机发电，有机朗肯蒸发器吸收低温段烟气热能，将过热有机工质送至有机朗肯膨胀机发电。

3 案例分析

以某使用天然气作为燃料的玻璃窑余热锅炉系统为例，忽略势能变化、阻力、泵耗能、冷却剂带走的热能，锅炉排烟已经过陶瓷滤管脱硫脱硝一体化工艺处理，选取如下操作参数作为计算工况：进有机朗肯系统换热器的烟气量为100 000 Nm3/h，烟气温度170 ℃，换热器排烟温度90 ℃。设有机朗肯系统换热器的漏风率为3%，则有机朗肯换热器的出口烟气量为103 000 Nm3/h，烟气释放热能，有机工质正戊烷C5H11在换热器中通过热交换吸收烟气余热，设该有机朗肯换热器的热效率为0.6,正戊烷进入有机朗肯换热器的温度为25 ℃，该温度下正戊烷液体密度为621 kg/m3,比热容2.268 kJ/(kg·℃)，设正戊烷进入有机朗肯蒸发器的体积流量10 m3/h，则正戊烷质量流量为6.21 t/h，设膨胀机内效率为0.2，膨胀机乏气温度为51.7 ℃，质量流量5.59 m3/h，该温度下正戊烷密度为596 kg/m3，比热容为2.34 kJ/(kg·℃)，则膨胀机输出功率637 kW,相当于每年节省标煤686 t，每年节约电费305.76万元，投资回收期约3～4年。

4 结 论

有机朗肯循环低温余热发电技术是一种回收低品位热能的有效方法，对玻璃窑低位余热的开发利用具有重要的参考意义。