低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术

低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术作者：张红云南电力职工大学来源：更新日期：2007-3-19引言

我国水泥厂的余热发电，先后经历高温余热发电、带补燃炉的中低温余热发电和纯低温余热发电3个阶段。纯低温余热发电与带补燃的中低温余热发电相比，具有投资省、生产过程中不增加粉尘、废渣、N0。和S0。等废弃物排放的优点。

本文介绍以色列奥玛特(0RMAT)公司利用低温热源的有机朗肯循环(0rga nic Rankine Cyck，简称()RC)纯低温余热发电技术。该技术有别于常规技术，其特点是：不是用水作为工质，而是使用低沸点的有机物作为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功。

1.低沸点的有机物

在一个大气压下，水的沸点足100℃，而一些有机物的沸点却低于水的沸点，见表l。

有机物的沸点与压力之间存在着对应关系，以氯乙烷为例，见表2。水的沸点与压力之间对应关系见表3。

由表2和表3可见，氯乙烷的沸点比水低，蒸气压力很高。根据低沸点有机工质的这种特点，就可以利用低温热源来加热低沸点工质，使它产生具有较高压力的蒸气来推动汽轮机做功。

2ORC纯低温余热发电在地热发电方面的应用

0RC纯低温余热发电技术在我国地热发电方面已得到初步应用，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。热水型资源发电采用的热力系统主要有两种，即扩容(闪蒸)系统和双工质循环系统。西藏羊八井地热电站，热水温度145℃，采用二次扩容热力系统，汽轮机(青岛汽轮机厂设计制造D3一1．7／0．5型地热汽轮机发电机组)单机容量3000W，3000W／mi n，一次进汽压力182kPa，温度115℃，二次进汽压力54kPa，温度81℃，额定排汽压力为10kPa。双工质循环系统中，地热水流经热交换器，把地热能传递给另一种低沸点丁质，使之蒸发产生蒸气，组成低沸点工质朗肯循环发电。双工质循环机组，其热效率高，结构紧凑。我国的小型双工质循环系统地热电站——辽宁营口熊岳试验电站的装机容量2×J00KW，利用地热水(水温75℃)发电，于1977年1 1月投入运行。

3 ORC纯低温余热发电在水泥工业的应用

我国水泥厂在利用ORC纯低温余热发电技术方面尚属空白。

1999年德国海德堡水泥集团在德国环境部支持下，利用世界银行贷款，由以色列奥玛特(ORMAT)公司设计，在德国的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。该发电站的特点是：余热热源来自熟料冷却机出口的废气，而窑尾预热器出门的废气用来烘干生料和煤，该系统的主要技术指标如表4所示。

据报道，白1999年投产以来，整套设备运行情况良好，发电站占地面积很少，汽轮机发电机现场实现无人操作，在水泥厂的中控室对电站进行控制。，投产以来电站的平均zfN>98％；单位熟料发电量可达10．5kWh ／t；其维修费用较低，每年约6800美元。从节电和环保角度来说，每年CO。减排量约7600t。

据以色列奥玛特(0RMAT)公司介绍，德国海德堡水泥集团正利用在Lengf urt水泥厂取得的经验，在印尼分公司新建的水泥生产线上建造新的ORC 纯低温余热发电站。

冷却机余热回收系统的OEC(奥玛特能量转换器Ormat Energy Converte r)的工艺过程址图1。

为了回收熟料冷却机废气中的余热，在电除4器后装设r常规的废热回收热交换器，热量传递型位于低压闭路循环中的导热油中。导热油的热量在蒸发器中传递给OEC中的有机工质(上E戊烷)。

正戊烷在蒸发器中蒸发，蒸气在汽轮机中膨胀做功，在窄冷的冷凝器中凝结成液态正戊烷，通过泵(60m。／h，27℃)送回蒸发器，完成循环。4有机朗肯循环(ORC)原理常规的水蒸气朗肯循环中，工质是水，由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵组成，工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，使热能不断转化为机械能。

当利用低温有机工质时，主要设备有：蒸发器、汽轮机、冷凝器和正戊烷循环泵对于低等及中等的焓热，ORC技术比常规的水蒸气朗肯循环有很多优点，主要是在回收显热方面有较高的效率，由于循环中显热／潜热

比例不相等，ORC技术中此比例大。因此采用ORC技术比水蒸气循环会同收较多的热值。

上述的显热／潜热比例的不同，可以从图2所示的T—S图1看出

4一l过程：锅炉及过热器巾的等压加热过程，其中：(4—5)段，由未饱和水等压预热成饱和水；(5—6)段，再等压等温汽化为饱和蒸气；(6一1)段再等压加热成过热蒸气。

1—2过程：过热蒸气住汽轮机中的绝热膨胀过程，工质对外做功。

2—3过程：在冷凝器中的等压放热凝结过程。

3—4过程：水在给水泵内的绝热压缩过程，在T—S图上，3、4两点几乎重合。

从T—S图上可以看到，当有机蒸气在汽轮机中膨胀时，它趋向过渡或变得更干燥些，¨1i水蒸气则在膨胀过程中变得更潮湿。因此，有机蒸气进入汽轮机前不需要过热。

与水蒸气朗肯循环相比较，0RC的特征uJ‘总结如下：

1)正戊烷具有良好的热力学性质，同时已把爆炸防护以及环境与工作地点的防护考虑住1人J。低的沸点及高的蒸气压力使0RC方法比水蒸气朗肯循环具有较高的热效率，对较低温度热源的利用有更高的效率。

2)正戊烷比水蒸气密度大(见表5)、比容小，导致汽轮机(特别是其末级叶片的高度)、排气管道及空冷冷凝器中的管道尺寸较小。

3)与水蒸气不同，正戊烷在膨胀做功过程中，从高压到低压始终保持干燥状态，这就消除J，形成湿气的可能性以及当高速小水滴冲击汽轮机时产生腐蚀损坏的可能性。所以，0RC能比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动，不需要装过热器。

4)在缺水地区，优先使用空气冷却的冷凝器。0RC电厂使用的窄冷冷凝器要比水蒸气电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多，价格也低得多。

5)与水蒸气相比，山于有机：Ii质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在50Hz时能产牛高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。

6)有机T质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力下工作，使得有机工质的漏失现象大为降低。

7)有机工质凝固点很低(低于一73℃)，在较低温度下仍能释放能量。这样在寒冷天气可增加出力，冷凝器也不需要增加防冻设施。

5 oRC技术在其他领域的应用

0RC技术不仅已用于水泥厂的余热发电，且也用于其他1：、lp，见表6。从表6可知，此技术所利用的热源温度最低达104℃。