低温余热发电

焙烧炉烟气潜热回收前期研究
1低温余热发电简介
余热发电，是利用生产过程中多余的热能转换为电能的技术，是余热的动力回收途径，也是余热利用的一个重要发展方向。

它不仅节能，还有利于环境保护。

余热发电的重要设备是余热锅炉,它利用废气、废液等工质中的热或可燃质作热源，生产蒸汽用于发电。

由于工质温度不高，故锅炉体积大，耗用金属多。

用于发电的余热主要有：高温烟气余热，化学反应余热，废气、废液余热，低温余热等。

此外，还有用多余压差发电的；例如，高炉煤气在炉顶压力较高，可先经膨胀汽轮发电机继发电后再送煤气用户使用。

余热发电的方式有许多种，如：利用余热锅炉首先产生蒸汽，再通过汽轮发电机组，按凝汽循环或背压供热循环发电。

对于高温余热利用，采用余热发电系统产生电能更符合能级匹配的原则。

对较低温度的余热，在没有合适的热用户的情况下，将余热转换成电能再加以利用，也是一种可以选择的回收利用方案。

如：采用低沸点工质(氟里昂等)回收中低温余热，产生的氟里昂蒸汽按朗肯循环在透平中膨胀作功，带动发电机发电；或则采用加热工质至中低参数，再采用闪蒸器闪蒸出蒸汽，进入汽轮机中混汽做功。

余热发电技术与大中型火力发电不同，余热发电是通过回收工业生产过程中排放的废烟气、蒸汽所含的热量来发电，是一项变废为宝的高效节能技术。

它的特点是经济效益高；余热利用效率较高；系统简单，便于管理，生产人员较少；不增加大气污染物的排放，等效减少了二氧化碳及其它污染气体的排放；不消耗燃料，经济效益不受燃料价格波动的影响。

1.1国外余热发电现状
国外从40年代就开始进行余热利用的研究，美、苏、日、法等国对余热利用给予重视，大量投资进行科研工作。

而对于纯中、低温余热发电技术，从上世纪六十年代开始研究，到七十年代中期，该技术无论是从热力系统还是相关发电设备都进入实用阶段，到80年代初期此项技术的应用达到了高潮，渐趋普及。

日本对此项技术的研究开发较早，也较为成熟，不但在本国二十几条预分解窑水泥生产线上应用了此项技术，并且出口到台湾，韩国等国家和地区。

他们开发研制的余热锅炉及中、低品位蒸汽汽轮机，经数十个工厂多年运转试验证明：技术成熟可靠并且有很大的灵活性。

目前，国外水泥窑低温余热发电系统的比例是很高的。

20世纪80年代以来，先进工业国家也正是一直这样做的，在日本，自1981年3月住友水泥公司蛙阜水泥厂投运一套1320千瓦×2的余热发电系统后到现在，70％的水泥企业在新型干法生产线上都设置有余热发电系统，其余热发电量占自身用电量的比例，在1995年就已经达到43%。

在发达国家，特别是在能源短缺地区，纯低温余热发电已被广泛应用。

以色列可利用90℃左右的载热体来发电。

因此，无论从利用载热体的温度上，还是地热废热发电设备的可靠性和这些设备的自动控制水平上来讲，以色列的废热地热发电技术居世界领先地位。

目前世界上许多国家和地区，如美国、日本、俄罗斯、新西兰、菲律宾、冰岛等均引进了以色列的废热发电设备和技术。

它使用的工质是碳氢化合物，在中、低温状态下就可获得高于水蒸汽循环的效率，详见有机郎肯循环发电系统的介绍。

在美国，水泥工业节约能源首先从在烧窑后设置空气预热器降低能耗开始，采用这种节能措施可使水泥生产的平均能耗减少22999×105焦耳/吨水泥(即回收余热的节能达45.7％)。

后来在改造工艺窑的同时，采用设置余热锅炉回收余热进行发电的方式。

例如，美国国家石膏公司水泥部的爱尔派工厂，从1973年后的5年时间内，先后建成了五套余热锅炉—蒸汽轮机发电机组，容量达5000—12500千瓦。

美国北美公司和波特兰水泥厂所开发的有机工质
朗肯循环余热锅炉发电机组系统，它能更有效地回收利用干法工艺水泥窑的中低温余热，其回收效率比蒸汽循环高得多，如在利用260~540℃的中低温余热时，可高达50％左右。

1.2我国余热发电
我国利用高温热源的余热发电技术已经成熟(例如钢铁企业和中空水泥回转窑高温烟气回收热量发电)，并且已成功走向工业化，但中低温余热发电技术尚不很成熟。

在钢铁、电解铝、石油化工、建材、水泥、制糖等行业中，生产厂家具有大量低品位余热，包括低品位烟气、蒸汽和热水等，这些热量品位低、数量大、分布较散，基本不能为生产再利用，因此，推广纯低温余热发电作为一项低品位余热利用的手段，已经成为当前余热发电技术上的研究热点，并受到了政府部门的重视。

从我国能源局编制的《2010热电联产发展规划及2020年远景目标》可以知道，中国低温余热发电的未来将十分光明。

我国的纯低温余热发电研制起步较晚，首条配备纯低温余热发电系统的新型干法生产线是1996年日本新能源组织向我国安徽宁国水泥厂4000t/h预分解窑赠送一套648KW纯中、低温余热发电设备，工程已于1997年11月投产，运行良好。

在借鉴国外先进技术的基础上，经过几代人的努力、十几年的开发、研究和若干实际工程投产运行，我国对低温余热发电已经有了相当成熟的技术，无论是热力循环系统还是国产化设备都已成熟可靠，尤其是补汽式汽轮机的研制成功，使得我国的余热发电技术及装备除了汽轮机本体效率比外国日本的产品略低外，总体技术水平已经赶上国际先进国家，可提供各种类型的余热发电技术及设备。

余热发电技术，无论是循环系统、循环工质，还是余热锅炉、补燃锅炉、汽轮机、锅炉给水除氧设备等仍然有一进步发展提高的余地。

随着余热发电技术装备的不断创新，余热利用的方式和用途也不断拓宽，老机组的技术改造任务将不断增多，余热利用仍然有潜在市场。

纯低温余热发电在我国的冶金、化工、食品等行业早已得到推广使用。

低温余热发电在我国以水泥行业的普及率最高，一方面因为国家规定新上生产线必须配套余热发电项目，另一方面余热发电本身效益明显，企业积极性高。

水泥行业对于低温余热发电应用最多也最成熟，水泥窑余热发电技术的发展大致经历了中空水泥窑余热发电技术、带补燃炉的预分解窑余热发电技术和当前的纯低温水泥窑余热发电技术三个阶段，每个阶段的发展都与同时期的水泥发展技术、企业需求、国家产业政策、环境要求等因素息息相关，密不可分。

在国内玻璃行业，自从2007年9月首条玻璃熔窑烟气余热发电工程项目在江苏华而润集团成功并网发电后至今，全国玻璃行业已建和在建的余热发电工程项目约30多个，装机容量从4.5MW到15MW不等，具有较大影响力的工程项目有江苏华尔润、成都南玻、虎门信义、三峡新材等。

针对利用玻璃伏法玻璃熔窑生产过程中排放的300~500℃的低品位废气热能资源，通过余热锅炉进行热交换，回收废气余热产生过热蒸汽，推动低参数汽轮机组，带动发电机组发出电能，实现热能向机械能的转换。

都南玻投资1亿元的12 MW余热发电项目，其作为规模最大的余热发电项目，有望为国内玻璃行业提供一个标准运行模式。

玻璃熔窑余热发电技术可以节约能源、降低热耗，并具有显著的经济和社会效益。

亟待解决的问题是制定本行业的有关节能措施、标准和政策导向，研究重点是研制开发能够适用的余热锅炉系列，做到热能的高效转换。

在钢铁行业，低温余热发电技术在国内钢铁厂的应用十分成功，纯低温余热发电技术可以充分利用钢铁工业余热，目前也是国内重点发展的方向，钢铁工业纯低温烟气余热发电主要包括：钢铁烧结余热发电、炼钢电炉低温余热发电、炼钢转炉烟气余热发电。

现在国内已有多家钢铁厂采用此项技术。

如：武钢3×450m2烧结机环冷低温烟气余热发电项目利用280~400℃的低温烟气发电；淮钢烧结机380℃烟气的的余热发电等。

低温余热发电技术于2009年11月在国内某火法竖罐炼锌厂建成投产并获得成功，所运
行的各项技术指标均达到设计要求。

电站额定发电量为13×103kw，可作企业自身发展用，不向公网输送电能。

这是低温余热发电技术在炼锌企业中的首次应用。

据了解，在我国，低温余热发电技术在水泥生产上的利用相对较多，也比较成熟，随着对能源紧张形势的加剧，以及国家政策的推动与完善，其他行业也在相继开展余热发电的应用研究。

有色冶金行业的应用案例较少，锌、铅、铝等方向将是今后的发展重点。

2低温余热发电技术
根据现有的技术水平，也出于对稳定性、安全性和经济性的考虑，低温余热发电的基本方法可分为纯低温余热发电技术和带补燃锅炉的余热发电技术两种。

纯低温余热利用技术是基于能量梯级利用的角度提出的，用相对较高品位的烟气余热产生较高品质蒸汽，而用相对较低品位的烟气余热产生相应品位的热水或蒸汽。

带补燃锅炉的低温余热发电技术是克服纯低温余热发电技术适用生产波动较差的缺点而产生的。

它的技术特点是：主要采用300～400℃废气余热生产高压饱和蒸汽及高温热水，通过补燃锅炉将蒸汽量、压力、温度调整到汽轮机所需要的参数；其次是利用200℃左右的废气生产饱和蒸汽及120℃左右的热水，为锅炉给水除氧并取代汽轮机回热抽汽，降低汽轮机的发电汽耗率。

该技术需要配套一台补燃锅炉，明显的增加了系统的复杂程度和初投资费用。

所以，该技术一般只在设有自备电厂的水泥厂节能改造时才采用。

补燃锅炉一般燃用发热量小于3,000kcal/kg以下的劣质煤（煤矸石）进行发电或热电联供，在水泥行业，锅炉所产生的灰渣全部回用于水泥生产，起到了资源综合利用的效果。

但是企业往往一味地追求经济效益，余热回收效率得不到应有的重视，实际运行的情况类似于小火电。

因此国家对于带补燃炉的余热发电技术不在产业政策的鼓励范畴，推广应用的意义不大。

带补燃锅炉的余热发电，其运行操作比火电厂复杂、不易控制，而且设备庞大、投资费用高，推广受到一定的限制。

且增设补燃锅炉而多发出的电能部分，与大容量的高温高压蒸汽发电（火电厂）相比，其单位电能煤耗要高40%以上，是不经济的，环境污染也较明显，环保措施难以跟上，同时由于国家产业政策调整、环保要求及煤资源供应日趋紧张，故带补燃炉的余热发电技术受到很大局限，未能大范围的推广与应用。

为了克服带补燃锅炉的中低温余热发电系统存在的缺点，采用补汽式汽轮机组，充分回收200℃以下的废气余热。

纯低温余热发电技术相对于带补燃锅炉的余热发电技术有诸多的优点，如纯低温余热发电技术是直接利用排放的中低温废气进行余热回收发电，无需消耗燃料，发电过程不产生任何污染，是一种经济效益可观、清洁环保、符合国家清洁节能产业政策的绿色发电技术，具有十分广阔的发展空间与前景。

纯低温余热发电（不带补燃装置）的利用效率和经济性跟许多因素有关，包括：工艺方案、工质的选择、工质参数的选取等等。

利用纯低温余热发电技术，采用国产装备,纯低温余热发电系统在建成后2.5一3年内可收回成本。

目前国家在大力的推广纯低温余热发电技术,纯低温余热发电是政府重点鼓励的对象。

对企业而言，充分利用余热发电，既可以最大限度满足企业终身的用电需求，减少外购电量，又可以降低产品制造成本，提高经济效益，是世界工业发展的趋势。

而我国作为世界上的能源消费大国，也是能源紧缺国家，充分利用低温余热发电势在必行。

3纯低温余热发电技术分类
根据低温余热特征，指导低温余热发电对策建立的基本原则如下：
（1）对于中低温废气余热，应首先考虑用其生产几个不同压力级别的相对高压、高温的蒸汽并按其蒸汽压力分别补入补燃锅炉或补入汽轮机不同压力级的补汽口。

按此原则可以
获得小的换热温差、高的循环火用效率；
（2）对于低温废气余热，在保证小的换热温差条件下，首先利用相对低温的余热取代汽轮机回热抽汽即加热蒸汽锅炉的给水，其次利用相对高温的余热生产不同压力、温度的低压蒸汽或低温热水闪蒸产生蒸汽，并按其压力分别补入汽机不同压力级的补汽口。

按此原则也可以获得小的换热温差，高的循环火用效率并可以将可利用的废气余热量全部回收用于发电。

纯低温余热发电热力循环系统主要有三种形式：单压工艺系统；双压工艺系统；闪蒸工艺系统，其中单压与双压为传统常规工艺系统。

接下来将分别对这几种发电系统以及水泥窑纯低温余热发电技术和有机郎肯循环进行介绍。

3.1单压不补汽系统（单压系统）
单压工艺系统是采用单级进汽汽轮机及单压余热锅炉的单压不补汽系统，系统原理图见图1。

一般余热锅炉排气温度在170℃，由于废气余热得不到充分利用，相应影响了发电能力，发电能力低。

同时由于主蒸汽压力低，汽轮机叶片的开发和制造难度较大。

还有一点需要注意，当余热温度和流量发生突然增高的时候，没有方法可以吸收多余的热量，所以省煤器的水管中的水会发生汽化(汽塞)，使得锅炉汽包的水位无法控制，从而造成整个发电系统停止运行。

单压系统只能间断运行或者是把系统的工质热水排放掉，所以整个发电项目的经济效益差。

但单压系统属常规发电工艺，并且套用国家原有的系列发电设备，所以项目总投资略低，但投资回收期较长。

图1 单压工艺系统
3.2双压单级补汽系统（双压系统）
双压系统是采用补汽式汽轮机的双压单级补汽系统，系统原理图见图2。

为了充分利用低位热能，在余热锅炉上设置两个汽包，生产两种不同的蒸汽，一为主蒸汽，一为低压补汽，分别吸收高位和低位热能，采用补汽式汽轮机引入高压和低压蒸汽作功。

如果低压蒸汽参数提高，则可以提高系统效率，但锅炉排烟温度则相应提高，余热利用量降低；如果低压蒸汽参数低，则吸收热量多，蒸汽量大，发电量增加，但对汽轮机的体积和末级叶片的要求会相应提高，另外凝汽器的循环水量也要增大，从而增加电站自用电量。

因此需根据设备配置，优化系统参数设计，从而选择最佳参数。

由于双压系统是在单压系统的基础上，又机械的叠加了一套较低压力的单压系统，以提高整个系统的发电效率，所以双压发电系统的发电量从理论上讲高于单压发电系统。

但是单压系统“汽塞”的问题依然存在，所以系统的调节能力和单压相同，也处于间断发电的状态，造成经济效益较差。

相对而言, 双压系统综合来看,发电能力高，也比较合理, 既能多发电, 国产设备又能保
证, 每千瓦投资也较为经济。

图2 双压工艺系统图
3.3复合闪蒸单级补汽系统
闪蒸发电技术是一种能最大限度地利用中、低温余热的纯余热利用发电技术。

它是利用余热锅炉和热水闪蒸技术产生双压蒸汽,配套补汽凝汽式汽轮机组。

同双压系统不同的是，闪蒸系统不是另设一个低压部分，而是利用闪蒸原理(即高温高压水在压力突然降低时部分瞬间蒸发为饱和蒸汽的现象)，在常规余热发电系统的主机以外增设闪蒸器和闪蒸型除氧器，当机组正常运行带负荷后，从省煤器集箱中抽取达到参数要求的一部分热水引入闪蒸器热水在闪蒸器内迅速扩容降压后闪蒸分离出低压饱和蒸汽和低压饱和热水，分离出的低压饱和蒸汽和余热锅炉的主过热蒸汽分别进入多进汽汽轮机的低压汽缸和高压汽缸做功发电，而分离出的低压饱和水进入除氧器作为除氧热源进行充分利用，系统原理图见图3。

图3 闪蒸单级补气系统图
该技术能够在成本投资较小的情况下极大限度地利用温度在200~500℃之间的低品位热源，余热利用率80%左右，最终废气排出温度可控制在90℃以下；比同条件下的常规余热发电系统能多发电10～30%左右；闪蒸系统对余热源参数大幅度变化具有较强的适应性；保证发电系统安全、稳定、高效的运行。

经济效益明显，一般项目都在2～4年收回投资。

属纯余热利用技术，不增加任何对环境污染因素，社会效益高。

它具有节能、环保、低成本和便于运行维护等特点，符合我国能源政策的节能和环保的发展趋势，可以广泛应用。

双进汽(或多进汽)的闪蒸汽轮机是整个系统的关键，由于闪蒸汽属于饱和蒸汽，所以闪蒸汽含水量达到10％左右，必须对汽轮机采取除水等一系列措施，所以此项技术对汽轮机
的结构和材质要求较高，目前需要进口主机设备, 价格昂贵；同时给水泵流量较大，用电量较大，部分抵消了其充分多利用热能的优势。

采用补汽式汽轮机的复合闪蒸单级补汽系统，余热锅炉生产主蒸汽同时生产高温热水，高温热水再降压蒸发出二次蒸汽，二次蒸汽补入汽轮机。

虽然废气余热被充分利用了，但由于闪蒸器的出水未能转换为电能，有闪蒸汽补进汽轮机，降低了系统的发电能力，所以发电能力和投资在前两种系统之间。

对于这种热力循环系统，即使采用多级(甚至无限级)闪蒸多级补汽系统，其发电能力也只能接近但绝不会超过采用多压多级补汽的热力循环系统。

由于目前闪蒸余热发电系统能更大程度地吸收和利用低温废气余热, 从而在一定程度上提高余热发电量, 因此得到越来越多的学者和业主的认可。

3.4水泥窑纯低温余热发电
在水泥熟料生产过程中，水泥窑窑头和窑尾产生大量废气（废热），在废气排出的地方安装余热锅炉，分别称为AQC锅炉和SP 锅炉，窑头炉为AQC炉，布置在烧成窑头熟料冷却机中部废气出口与窑头电收尘器之间，窑尾炉为SP炉，布置在烧成窑尾预热器与窑尾高温风机之间。

在余热锅炉内，废气与水进行热交换，使水产生一定温度和压力的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组进行发电。

水泥窑纯低温余热发电技术的基本原理就是以30℃左右的软化水经除氧器除氧后，经水泵加压进入窑头余热锅炉省煤器，加热成190℃左右的饱和水，分成两路，一路进入窑头余热锅炉汽包，另一路进入窑尾余热锅炉汽包，然后依次经过各自锅炉的蒸发器，过热器产生1.2MPa、310℃左右的过热蒸汽，汇合后进入汽轮机作功，或闪蒸出饱和蒸汽补入汽轮机辅助作功，作功后的乏汽进入冷凝器，冷凝后的水和补充软化水经除氧器除氧后再进入下一个热力循环。

整个余热发电系统主要由余热锅炉即窑头炉和窑尾炉、汽轮发电机组、除氧器、凝汽器、冷却水塔、化学水处理设备、电气设备、生产监控设备以及各种泵类和管道系统组成，除尘系统、风动力系统与水泥熟料生产线共用。

与普通小型火力发电系统相比，在纯低温余热发电抽汽回热系统只装设除氧器，不设高低压加热器。

对于小于200℃低温废气余热的回收，日本KHI的海螺宁国系统采用的是：AQC炉主蒸汽段排出的200℃以下低温废气设置生产150～180℃的热水段，生产的热水再分级（分为串联两级）闪蒸扩容出不同压力的低压饱和蒸汽并分别补入汽轮机的方式。

这种方式一方面对汽轮机的要求（末级叶片带水及补汽在汽机通流部分的配汽问题等）很高，国产机组能否满足要求尚需进一步实践；另一方面，系统比较复杂，就国产调节阀及执行器而言，实行串联并分级调整是比较困难的。

3.5有机郎肯循环（ORC系统发电）
关于200℃以下的余热发电技术，目前普遍认为比较有发展潜力的是低沸点工质有机郎肯循环低温余热发电(Organic Rankine Cycle)技术，即ORC系统发电。

ORC发电技术是采用在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(或者混合物)，利用余热产生动力，可回收不同温度范围的低温余热。

ORC发电系统主要由汽轮机(或螺杆膨胀机)、发电机、冷凝器、工质密封泵、高效换热器等组成。

工作流程是工艺废热流入蒸发器，在蒸发器内将热能传给密闭循环的有机工质，有机工质被加热后达沸点并汽化。

在进入透平前，汽化后的工质须流经设于蒸发器上部的一个液体分离器。

其目的是将未汽化的液滴从汽体中分离出来，以防进入透平，损坏透平叶片。

汽化了的有机工质经过分离器达到一定的压力后，便会通过管道和喷射阀进入透平膨胀做功。

高速旋转的透平通过联轴器带动发电机发电。

透平还设有透平旁通管路和旁通阀，在某种情况下，汽化了的工质可通过旁通管路和旁通阀直接进入冷凝器内。

作功后的乏气从透平出口流
出，进入冷凝器内将其冷却成液体，再由多极离心工质泵将其从冷凝器内泵入到蒸发器内进行第二轮汽化和循环，如此反复。

工作原理图见图4。

图4 ORC 发电系统图
低沸点工质的特性对整个发电系统有着巨大的影响。

不同低沸点工质主要通过影响ORe 循环特性来影响系统的效率。

不同工质，热物性不同，使膨胀机的相对内效率，换热器的换热特性及换热损失，在工质泵和水泵的选型等方面都有较大的差别。

在ORC 循环中常用的低沸点工质见下表：
表中列出的工质中，R123在回收200℃左右的低温废热时有很好的性能，当废热温度在150~200℃时，HFC-245fa （1,1,1,3,3-五氟丙烷）的性能比R123好，同时在郎肯循环中HFC-245fa 的热力效率要比R123和R11高。

R134a 和异丁烷的临界温度都不高，故在100℃~200℃时，ORC 应用的单一工质主要考虑HFC-245fa 和异戊烷。

有机郎肯循环低温余热发电系统可回收300℃以下的低温余热进行发电，可与一般工业低温余热、地热、生物质能结合成冷、热、电共生系统。

ORC 发电技术主要应用于工业余热、地热、海洋温差能、太阳能热电等。

目前我国在工业低温余热方面，利用ORC 发电技术的实例尚属空白。

该技术仍处在理论研究和小型工业实验阶段，离商业化还有一段很长的路要走。

利用ORC 发电技术循环回收工业余热，在国外已经成功应用并得到了不同程度的商业化。

美国MTI 公司曾经建造了利用炼油厂余热(110℃)的ORC 系统，该系统以R113为工质，采用单级向心透平，输出功率约为1174kW 。

以色列ORMA T 公司于1999年在德国海德堡水泥公司Lengfart 水泥厂建立了利用熟料冷却机低温废气(275℃)的余热电厂。

装机1310kW ，热效率1％，发电自给率12％，目前运行良好，投产以来平均可用率>98％。

日本也建造了利用废热的ORC 系统，取得了很好的经济和环保效益。

3余热发电中存在的问题
工质 参数 沸点℃ 临界压力 临界温度 R123 27.7 3.67 183.68 R134a ﹣26.10 4.06 101.10 HFC-254fa 15.3 3.64 154.20 异丁烷 ﹣11.61 3.64 134.70 异戊烷 27.8 3.33 187.80。