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[水泥周]非水工质循环在水泥余热发电中的应用分析

2010-03-25 00:00 来源：字号：【大中小】

中材节能发展有限公司副总　董兰起 　　3月23日，2010国际水泥周系列会议之第六届余热发电国际峰会在上海新天哈瓦那大酒店召开。参加盛会的中材节能发展有限公司副总董兰起在会上做了《非水质循环在水泥余热发电中的应用分析》的报告。报告主要围绕理论余热发电量、非水工质循环与Ranken循环比较、Kalina大纪事、ORC及Kalina工程实例及存在的问题展开阐述。以下为报告全文：　　一、理论余热发电量　　卡诺循环计算　　烟气热源－在水泥烧成热耗3000kJ/kg-cl前提下

5500t/d水泥线	进烟温度℃	排烟温度℃	烟气流量 Nm³/h
AQC余热锅炉	355	90	200000
SP余热锅炉	340	210	340000

　　卡诺循环效率计算公式：

　　AQC余热锅炉卡诺循环效率：η=39.25%；最大发电量：7695kW 　　SP余热锅炉卡诺循环效率：η=48.47%；最大发电量：8478kW 　　5500t/d水泥线最大发电量：16173kW；最大吨熟料发电量：70.57kWh/t.cl 　　设备效率影响：

设备	余热锅炉	汽轮机	发电机
效率	97%	80%	98%

　　结论：　　无传热温差下的最大发电量为：　　16173kW×97%×80%×98%=12299.2kW 　　无传热温差下的最大吨熟料发电量为：53.669kWh/t.cl 　　二、非水工质循环与Ranken循环比较　　2．1非水工质介绍　　通常使用低沸点有机工质，如正丁烷、正戊烷和R245fa等，利用中低温流体与低沸点有机工质换热，使后者蒸发，产生具有较高压力的蒸汽推动汽轮机做功发电。

　　有机工质朗肯循环Organic Rankine Cycle，简称ORC循环

　　采用氨混合工质的Kalina循环　　几种常见工质的沸点温度

	压力MPa	沸点℃	潜热 KJ/kg	饱和液粘度 μPa-s	饱和汽粘度 μPa-s
水	0.10142	100	2256.43	281.74	12.269
正丁烷	0.10142	-0.465	385.69	203.45	6.7570
正戊烷	0.10142	36.091	357.55	198.56	7.2047
R134a	0.10142	-26.053	216.95	378.59	9.7799
R245fa	0.10142	15.163	196.03	163.25	9.9296
70%氨水	1.25	47.2~144.1	1890.65	—	—

　　氨-水混合物热物性　　下图作出了氨-水混合物相平衡图，图中横坐标为混合物中氨的质量百分比，纵坐标为温度，图中1点代表氨的质量百分比为X，温度为T的氨-水混合物气-液两相平衡状态点，混合物气体中气态氨的浓度为XG，混合物液体中液态氨的浓度为XL，随着温度的改变，XG和XL将会改变。混合物刚开始气化时（点4），由于氨首先蒸发，气体中几乎是纯氨（点5），在蒸发过程结束时（点6），混合物最后一滴液体几乎是纯水（点7），在整个蒸发过程中，氨-水混合物的温度始终在变。

浓度为70%的氨-水混合物在不同压力下的泡点与露点温度（℃）

压力MPa	1.25	2.25	3.25	4.25	5.25	6.25	7.25	8.25	9.25	10.25	11.25	12.25
泡点温度	47	71	89	103	115	126	136	145	153	161	169	176
露点温度	144	166	181	193	202	209	216	222	227	231	235	238

压力为1.25MPa氨-水混合物在不同浓度下的泡点与露点温度（℃）

浓度	40%	45%	50%	55%	60%	65%	70%	75%	80%	85%	90%	95%
泡点温度	89.8	80.1	71.4	63.7	57.2	51.7	47.2	43.6	40.6	38.2	36.1	34.2
露点温度	168.2	164.9	161.4	157.6	153.5	149.0	144.1	138.5	132.0	124.2	114.1	98.77

　　2.2Kalina循环与Rankine循环余热发电对比分析　　设计工况：
　　热源：实际工程中一条5500t/d水泥生产线所产生的烟气热量。

5500t/d水泥线	烟气温度℃	烟气流量 Nm³/h
窑头篦冷机	355	200000
窑尾预热器	340	340000

　　选定Kalina循环工况参数：

氨-水混合物浓度：	70%	汽机进口温度：	315℃
汽机背压：	120kPa	汽轮机效率：	80%
发电机效率：	98%	余热锅炉效率：	97%
AQC余热锅炉排烟温度：	90℃	SP余热锅炉排烟温度：	210℃
冷却水温度：	25℃	漏风系数：	1.5%

　　Rankine循环热力计算
　　工况参数及结果如下：

汽机进口压力	1.25MPa	汽机进口温度	315℃
汽机出口背压	0.008MPa	汽机效率	80%
计算发电功率	9116.25kW	吨熟料发电量	39.78kW/t.cl

　　数据分析结果

（a）余热锅炉总可用能损失对比

（b）发电量对比　　汽机进口压力：1.25MPa →12.25MPa 　　1）锅炉总可用能损失：　　8659.1kW→4704.8kW，减小45.67%；　　P>6MPa， EuKalina 　　2）发电功率：　　6399kW→10608kW，提高65.77%；　　P>5.25MPa, WKalina>WRankine ；　　3）吨孰料发电量：　　27.93kWh/t.cl→46.23kWh/t.cl，提高65.77%；　　P>5.25MPa，ηKalina>ηRankine ；　　4）发电效率：　　16.1% →26.7%，提高65.7%；　　P>5.25MPa， Kalina>Rankine ；

（C）发电效率对比　　结论：　　1）汽机进口压力从1.25MPa提高至12.25MPa，Kalina循环发电量并不是始终大于实际工程Rankine循环发电量。当压力大于5.25MPa时，Kalina循环发电量才开始高于实际工程Rankine循环发电量。至12.25MPa时，Kalina循环比实际Rankine循环多发电1492.12kW。　　2）当压力低于6MPa时，Kalina循环氨水工质泡露点温度较低，吸放热传热温差较大，工质吸热曲线与烟气放热曲线匹配性不如实际工程Rankine循环好，余热锅炉总可用能损失大于Rankine循环。　　3）Kalina循环只有在高压区发电量才高于实际工程采用低压参数的 Rankine循环，但带来的问题是：设备与管道及其管件等承压过高，材料要求较高，壁厚加大，用钢量增大，阀门与管件等投资增加，造成系统投资大大增加，投资回收期增长。　　2.3 不同类型余热资源下发电量对比　　余热资源定义：

　　第一类余热资源：窑头烟气（尽可能地充分利用烟气余热，使烟气余热的排出温度尽可能的低）
　　第二类余热资源：窑尾烟气（烟气的排放温度限定为220℃）　　计算方法：窑头烟气与窑尾烟气分别独立采用Kalina循环与Rankine循环。
　　最优化方法：遗传算法。
　　目标函数：发电功率最大化
　　优化参数为：1）汽机进口压力；
            　　　　2）汽机进口温度；
            　　　　3）蒸馏器温度；
           　　　　 4）氨水混合物浓度。　　① Kalina循环优化计算边界条件：
　　　汽机进口压力：   1MPa~12MPa；
　　　汽机进口温度：   280℃~320℃；
　　　蒸馏器温度：       45℃~90℃；
　　　氨水混合物浓度：0.55~0.80；　　② Rankine循环优化计算边界条件：
　　　汽机进口压力： 0.5MPa~6MPa；
　　　汽机进口温度： 280℃~320℃；　　优化计算初始条件

项目	单位	数值
烟气温度	℃	340
烟气流量	kg/s	175.273
泵效率	-	0.65
汽机效率	-	0.8
大气压力	MPa	0.1
环境温度	℃	15
冷却水流量	kg/s	2000
群体数量	个	50
交叉概率	-	0.95
变异概率	-	0.05
终止代数	代	200

（一）Kalina循环优化结果：

项目单位第一类余热第二类余热

排烟温度 ℃ 96.2 210

节点温差 ℃ 8 52.5

汽机进口压力 MPa 11.64 11.607

汽机进口温度 ℃ 315.1 319.9

蒸馏器温度 ℃ 59.4 71

氨水混合物浓度 - 0.745 0.55

净输出功率 kW 12282.23 7490.4
（二）Rankine循环优化结果：

项目单位第一类余热第二类余热

排烟温度 ℃ 133.7 210

节点温差 ℃ 8 8.1

汽机进口压力 MPa 0.673 3.461

汽机进口温度 ℃ 319.8 319.9

净输出功率 kW 9825.973 8259.09
　　结论：　　1）对第一类余热资源，Kalina循环发电量比Rankine循环发电量高25%。这是充分利用Kalina循环氨水工质泡露点温度具有滑移的特性，充分吸收低温度区间的烟气余热，降低排烟温度。　　2）对第二类余热资源，Kalina循环发电量是Rankine循环发电量的90.69%。这是由于Kalina循环节点温差较大，传热不可逆损失较大，余热吸收量较小，发电量降低。　　3）从以上两表可知，对于SP余热锅炉，排烟温度较高， Rankine循环性能较好；而对于AQC余热锅炉，由于氨水工质具有泡露点温度滑移，因此Kalina循环可以充分利用低温烟气余热，降低排烟温度，吸收烟气余热，增加发电量。　　2.4 不同温度范围烟气余热发电　　随着水泥工艺系统升级，余热回收利用率不断提高，排烟温度会降低至300℃以下。下面对不同低温烟气，采用Kalina循环与Rankine循环分别对比分析。烟气流量同前。　　选定的Kalina循环工况参数为：

氨-水混合物浓度	70%	汽机进口温度	175 ℃ /275℃
汽机背压	120kPa	汽轮机效率	80%
发电机效率	98%	余热锅炉效率	97%
冷却水温度	25℃	漏风系数	1.5%

　　烟气温度：300℃
　　Kalina循环计算结果：

汽机进口压力MPa	1.25	2.25	3.25	4.25	5.25	6.25	7.25	8.25
过热度℃	131	109	94	83	73	65	59	53
发电量kW	4509.4	5382.8	5916.9	6296.4	6588.7	6825	7021	7188

　　Rankine循环计算结果：

汽机进口压力MPa	0.95	1.05	1.15	1.25	1.35	1.45
过热度℃	93	89	85	82	78	75
AQC排烟温度℃	144	148	152	157	162	166
发电量kW	5678.6	5561	5447	5332	5213	5090

　　烟气温度：300℃
　　结论：
　　1）Rankine循环AQC余热锅炉排烟温度较高，未能充分回收烟气余热。
　　2）当烟气温度由350 ℃降至300℃的过程中，随着烟气温度的降低，Kalina循环逐渐在低压区体现其发电量高于Rankine循环的优越性。
　　3）烟气温度降至300 ℃，Kalina循环汽机进口压力宜选择在4~5MPa，压力过高，则过热度较小，工质进入汽机后很快进入两相区，容易析液，冲击汽机叶片，造成汽机破坏，同时大大降低汽机效率。　　烟气温度：200℃

循环	压力MPa	温度℃	过热度℃	蒸汽量kg/h	排烟温度℃	汽耗率kg/kW	总发电量kW
Rankine	0.3	175	37	4513.2	155	7.95	567.7
Kalina	0.85	175	45	15020	90	13.34	1125.5

　　氨水的饱和温度：

压力MPa	0.55	0.65	0.75	0.85	1.00	1.25
泡点℃	19.416	24.615	29.244	33.434	39.081	47.246
露点℃	116.69	121.95	126.58	130.73	136.25	144.08

烟气温度：200℃
　　结论：
　　1）烟气温度降至200℃，Kalina循环计算发电量高于Rankine循环。
　　2）若Kalina循环压力继续降低，由下表可知，冷却水将很难将其冷却至饱和液态。
　　3）由于Kalina循环与Rankine循环此时压力下过热度都较低，进入汽机后很快进入两相区，容易析液，冲击汽机，同时汽机效率大大降低，而且此时Rankine循环进口压力过低，因此，烟气温度降至200℃，宜采用低沸点有机工质循环（ORC循环）进行余热回收发电。　　三、Kalina大纪事　　Kalina循环由Dr.Alex Kalina 博士发明并以其命名，1983年，Kalina循环首次公开，随后世界上许多学者围绕着Kalina循环进行了许多研究，到目前为止发表的论文不计其数。　　薄涵亮—卡林那循环的势力学分析                     （1989年发表）
　　陈亚平—改进型卡林那循环热力分析                   （1989年发表）
　　吕灿仁、马一太－Kalina循环放热过程的热力学分析     （1989年发表）
　　吕灿仁、马一太－Kalina循环研究和开发及其提高效率的分析       （1991年发表）
　　D. Yogi Goswami－Thermodynamic propertise of ammonia-water mixture for power-cycle applications.                          （1997年发表）
　　P.K.Nag－Exergy analysis of the Kalina cycle.      （1998年发表）　　“kalina循环前期工作探讨”研讨会：
　　1990年5月9~10召开了“Kalina循环前期工作探讨”研讨会，出席大会的有天津大学、西安交通大学、上海机械学院、华东化工学院等单位16名代表。与会代表一致认为：Kalina循环是一项有前途，但又有相当难度的技术，将其应用于实际工程，应综合考虑技术经济性分析。　　1997年，GE公司设计了125MW联合循环示范电站，Kalina循环作为联合循环的1991年，在美国能源部（D.O.E）的支持下，在加州Canoga Park建造了3MW的试验Kalina电站，并进行了技术测试。
　　底部循环。示范电站由一台75MW的7E型燃气轮机和一台50MW的GE氨水发电机组构成，与常规联合电站相比，电站效率仅提高2%。2000年交付使用的Húsavík电站，是目前采用Kalina循环技术建成的唯一地热电站。该电站位于冰岛，现发电容量为1700kW，总投资370万欧元。在经济性上，目前该电站还不具备优势，对比同期欧洲市场条件，同类项目建设成本通常控制在1000美元/kW，该电站在预算设计时，成本约为1440美元/kW，成本提高44%。　　四、ORC及Kalina工程实例　　Lengfurt ORC循环余热电站：1999年海德堡水泥集团在德国环境部支持下利用世界银行贷款，由以色ORMAT公司设计，在德国Lengfurt水泥厂3000t/d的生产线上，建成了世界首座水泥厂ORC纯低温余热发电站，也是至今唯一一座水泥厂ORC循环余热电站。　　Lengfurt主要技术指标

导热油锅炉
废气量	150000	Nm3/h
入口废气温度	275	℃
出口废气温度	175	℃
导热油量	85	t/h
导热油进口温度	85	℃
导热油出口温度	230	℃
正戊烷沸点	36	℃
OMART Turbine
转速	3015	r/min
装机功率	1500	kW
平均发电功率	1300	kW
吨熟料发电量	10.5	kWh/t-cl
ORC循环效率	16	%
成本回收年限	>12	year
政府资助后成本回收年限	8~10	year

　　Húsavík Kalina循环地热电站

　　五、存在的问题与结论　　Kalina循环传热学分析
　　①传热温差Δt减小，传热面积A增加。
    　　热力学角度分析：锅炉传热温差：Δt Kalina< Δt Rankine,
    　　传热学角度分析：根据Q=KAΔt， Δt Kalina< Δt Rankine，烟气散热量Q=Const，从而传热面积AKalina>ARankine，进而使得余热锅炉面积增大，余热锅炉钢材耗用量增大，锅炉体积增大，设备投资显著增加。　　②传热系数K减小，传热面积A增加。
　　根据非共沸混合物热物性的研究可知，在纯质里面加入另一种工质从而形成混合物是对纯质沸腾传热的一种削弱，这种削弱程度与混合物泡露点温差有关。传热学角度分析：根据Q=KAΔt， KKalinaARankine ，余热锅炉换热面积增大，设备投资增加。　　工质热物性评价
　　由于Kalina循环采用氨-水混合物作为系统循环工质，因此需要考虑氨-水混合物的稳定性、腐蚀性以及对环境的影响。
　　①氨-水混合物在高温高压下的稳定性。
　　②氨-水混合物在高温高压下的腐蚀性。
　　③主要设备承压能力。
　　④余热锅炉的排烟温度影响。
　　⑤氨-水混合物工质外漏对人与环境的影响。　　经济评价
　　1.Kalina循环采用高压参数的经济性评价：
　　如前计算所示，在目前水泥烟气温度下，Kalina循环只有在汽机进口压力较高时发电量才大于目前实际工程中技术较成熟，高压参数带来的问题：
　　①Kalina循环采用高压力参数，将加大系统设备、管道、管件、阀门等承压能力，设备与管道等壁厚将加大，用钢量增加，投资增大。
　　②Kalina循环采用高压力参数，对电站工作人员的安全性要求较高。
　　③Kalina循环采用氨-水混合工质，对于工质泄漏控制严格。　　结论：按照欧洲标准Kalina循环系统投资将增加1.3倍，单位发电量投资增加45%~50%，投资回收期延长5~8年。但是对于国内投资将是Rankine循环的2倍左右。　　2.Kalina循环提出了蒸馏－冷凝子系统，该子系统代替普通凝汽器将汽机排汽在稍高于大气压力下冷凝至饱和液态，避免了Kalina循环采用普通凝汽器时可用能损失过大的问题。但该系统设备较多，系统复杂，投资较大，运行维护费用较高，大大提高单位发电量投资。　　3.由以上传热学技术评价可知，Kalina循环特点是吸放热传热温差减小，从而余热锅炉可用能损失减小，但余热锅炉传热面积显著增大，其钢材耗用量增大，投资增加。　　4.由于Kalina循环采用氨-水混合物作为循环工质，因此现有Rankine循环设备都需要更换为适用于Kalina循环的设备，设备需要重新设计计算制作，并且余热锅炉、汽机等关键设备由于国内生产厂家少，因此需要外购，设备投资增大。　　综合评价
　　Kalina或ORC循环在技术上完全可行
　　Kalina或ORC与Rankine相比在低温废气热源具有一定的优势
　　但是在200℃以下废气热源的条件下ORC具有一定的优势
　　在目前的技术条件下投资较高
　　运行的安全性以及维护成本过高
　　对于ORC循环来说，进一步降低投资是推广的关键
　　对于Kalina循环来说还需在系统和装备上进行深入研究
　　当能源愈加紧张时必定会促进ORC和Kalina的发展       更多精彩内容请敬请关注：2010国际水泥周 专题报道！

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汽机进口温度	℃	315.1	319.9
蒸馏器温度	℃	59.4	71
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