低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术

２００６．Ｎｏ．８

水泥

ＣＥＭＥＮＴ

１）由于煤风、

净风入窑时的速度差别大，涡流作用增强，使空气与煤粉很好地混合，火焰温度高，辐射能力强，改善了煤粉燃烧的特性，降低热耗，熟料烧成煤耗由３６０ｋｇ／ｔ降至２９０ｋｇ／ｔ；

２）一次风量仅１２％左右，比原来的３０％降低了１８％左右，有效地利用二次风，大幅度地提高了窑的

热效率；

３）火焰形状不散无分支，有刚度，二次风对它没

有影响；

４）火焰不冲击窑皮，不损伤窑耐火材料，有利于

减少窑内结圈；

５）火焰热力集中，便于烧成带温度的提高，有利

于熟料的煅烧，提高了熟料的质量；

６）火焰伸缩自如，调整灵活，工艺人员可根据工

艺的需要调整出合适的火焰形状，保证了熟料的质量，有利于窑的热工制度及正常操作的稳定。

（编辑

顾志玲）

中图分类号：ＴＱ１７２．６２５．９

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００２－９８７７（２００６）０８－００１３－０３

０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、ＮＯｘ和ＳＯ２等废弃物排放的优点。

本文介绍以色列奥玛特（ＯＲＭＡＴ）公司利用低温热源的有机朗肯循环（ＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅＣｙｃｌｅ，简称ＯＲＣ）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，水的沸点是１００℃，而一些有

机物的沸点却低于水的沸点，见表１。

表１

几种有机物的沸点温度

℃

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。

表２

氯乙烷沸点与压力的对应关系

表３

水沸点与压力的对应关系

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

ＯＲＣ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

Ｄ３－１．７／０．５型地热汽轮机发电机组）单机容量３０００ｋＷ，３０００ｒ／ｍｉｎ，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工质，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２×１００ｋＷ，利用地热水（水温

低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术

张

红

（云南电力职工大学，云南昆明

６５００３３）

氯乙烷

正戊烷

异戊烷

环戊烷

１２．４３６２８４９

压力／ｋＰａ１０１．３２５１６２．１２３５４．６３８４４５．８３沸点／℃

１２．４

２５

５０

６０

压力／ｋＰａ３９．２２７４９．０３３６８．６４７１０１．３２５沸点／℃

７５．４

８０．９

８９．５

１００

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

１３－－

２００６．Ｎｏ．８

水泥

ＣＥＭＥＮＴ

窑熟料产量／（ｔ／ｄ）

３０００

熟料冷却机出口废气量（标态）／（ｍ３

／ｈ）１５００００冷却机出口废气平均温度／℃２７５热交换器的出口废气温度／℃１２５导热油量／（ｔ／ｈ）８５导热油进口温度／℃２３０导热油出口温度／℃８５正戊烷沸点／℃

３６ＯＲＭＡＴ汽轮机轴转速／（ｒ／ｍｉｎ）３０１５额定发电功率／ｋＷ１５００平均发电功率／ｋＷ１３００发电机参数６９０Ｖ／５０Ｈｚ／３相

发电机转速／（ｒ／ｍｉｎ）

３０００发电自给率占生产线用电／％

１２

７５℃）发电，于１９７７年１１月投入运行。

３ＯＲＣ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，而窑尾预热器出口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。

表４

Ｌｅｎｇｆｕｒｔ水泥厂纯低温余热发电站的主要技术指标

据报道，自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可用率＞９８％；单位熟料发电量可达ｌ０．５ｋＷｈ／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ＣＯ２减排量约

７６００ｔ。

据以色列奥玛特（ＯＲＭＡＴ）公司介绍，德国海德堡水泥集团正利用在Ｌｅｎｇｆｕｒｔ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ＯｒｍａｔＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）的工艺过程见图１。

图１

ＯＥＣ的工艺流程

为了回收熟料冷却机废气中的余热，在电除尘器后装设了常规的废热回收热交换器，热量传递到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（正戊烷）。

正戊烷在蒸发器中蒸发，蒸气在汽轮机中膨胀做功，在空冷的冷凝器中凝结成液态正戊烷，通过泵（６０ｍ３／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

气循环会回收较多的热量。

上述的显热／潜热比例的不同，可以从图２所示的Ｔ－Ｓ图上看出。

图２

水和有机液体的温度－熵图（Ｔ－Ｓ图）

１４－－