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低温余热发电技术解析

发布日期:2020-11-25 作者: 点击:

一、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300400℃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2.53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。
 
二、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、高的循环㶲效率;
 
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,高的循环㶲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。
 
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。

 


单压工艺系统
 
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。
 


双压工艺系统图
 
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


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1030%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24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。
 
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1.2MPa310℃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150180℃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。
 
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
 


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-245fa1,1,1,3,3-五氟丙烷)的性能比R123好,同时在郎肯循环中HFC-245fa的热力效率要比R123R11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)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ORMAT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。
 
三、余热发电中存在的问题
 
低温余热发电技术在我国研究使用始于19962月,可以说我国在这项技术的水平比日本落后20年,尽管我们国家引进了消化了一部分技术,但由于科研水平,制造能力有限,目前按我国的水泥中、低温余热发电还处于一个研究阶段。目前的低温余热发电中目前存在的问题有:
 
低温余热发电,在发电系统的规模、效率及合理性等方面还存在着一些技术问题:
 
装机容量小、效率低、成本高、受地域影响较大、可利用的工质温差小、需要冷凝面大等。
 
目前低温余热发电的研究重点是如何利用更多的热能,提高锅炉热效率,增加发电量。国外设备汽轮机多采用混压进汽式,国产设备多采用补汽式汽轮机。
 
从发电效率来看,国外设备明显高于国产设备,但投资成本也高出一倍多。因此,必须大力推进低温余热发电技术设备的国产化,在保证系统运行可靠性的前提下,必须降低设备的造价,减少投资成本,最有效的手段是扩大与国外的技术合作,加强研发力度,从而逐步实现该技术的国产化;加强和提高余热发电系统及主要设备的研究开发工作,提供高效的中低温余热发电系列设备;
 
如确定经济、合理、高效的热力系统及电站汽水管路配置和除氧系统;解决余热锅炉所存在的磨损、漏风、集灰、炉内换热过程不清、换热效果不明以至余热锅炉热效率低下,影响余热发电量的问题,以及立式余热锅炉在实际生产运行中的结构、热力、传热特性及对于废气温度、废气粉尘的适应性等问题; 
 
余热发电与电力行业相协调的问题,政府应加强这方面的协调。同时鼓励发展余热发电的相关税收、投资等优惠政策应尽快出台。
 
四、余热发电的发展趋势
 
800℃、1000℃的高温烟气,利用难度小,技术成熟,规模够大的生产线大多已采用了各种回收技术。300℃、400℃的中低温烟气,以往的回收方式,是配备小型热水、蒸汽锅炉;部分企业采用补燃锅炉来生产电力。而近年来纯低温汽轮机和高效换热装置的出现,使得纯低温余热发电成为现实。低温烟气发电的项目如雨后春笋,一些厂家已经把补燃锅炉改造为余热锅炉,降低能耗,减少污染。
 
目前我国市场上纯低温的说法,指的常常是300-400℃的中低温。对于温度相对较低的烟气发电,常采用的方法是是根据温度梯度不同,利用其产生较低品味的蒸汽或是加热余热锅炉的给水,采用多级装置,配合较高温度烟气产生的品味较高的蒸汽,将不同压力的蒸汽,从汽轮机的不同位置进入,运用补汽式汽轮机发电;若是单纯对温度较低的烟气进行利用,则可采用有机郎肯循环进行发电,但是该发电系统的对发电设备的要求较高,发电效率往往很低,利用该系统发电经济性不好,该项技术在我国的研究也是刚刚开展,尚不成熟。
 
100-300℃烟气利用对余热发电这一途径而言,难度较大。主要问题是烟气成分通常含二氧化硫,从而决定了排烟温度不能低于露点,一般要170℃以上。进口温度越低,能利用的范围越窄;烟气流量较小的情况下,经济效益较低。如工厂有供热需求,可以考虑配套热水锅炉,不产汽。如有制冷需求,可考虑溴化锂机组。可以预计的是,未来300-400℃低温烟气得到充分利用后,注意力将转移到更低温度上,低沸点工质汽轮机等技术将有用武之地。
 
现在200℃的低温难以利用,对应200℃以下的低温余热,汽轮机适用范围反映在进汽参数上,通常是低温低压。如果是用于驱动的工业汽轮机,进汽压力最好高一些,较低的情况也有56kg,实际应用已经不少了。参数不是技术上的限制,更多是出于适用性和经济效益上的考虑。
 
随着世界范围内的能源紧缺,各国正致力于节能、减排,力争可持续的发展。基于有机郎肯循环原理的发电设备,由于采用低沸点的有机介质替代传统郎肯循环热机中的水(整齐)作为工作介质,在中低温余热回收利用领域有着独特的优势,其应用日益引起各国的重视,尤其是在今年得到较快的发展。同时我国面临着节能、减排,寻求绿色可持续发展的艰巨任务,与此同时,有大量的中低温余热(包括地热)未能得到很好的回收和利用。
 
五、小结
 
综上所述,国内低温余热发电技术的应用逐渐的增多,不论是在技术上还是设备上都趋于成熟,但是相比其他国家,低温余热发电技术在我国的应用普及率还是很低,随着能源形势的紧张,低温余热发电在我国也还有很大的发展空间。
 
低温烟气的余热发电技术,在我国常指的是对300-400℃左右的余热进行利用,在水泥业、玻璃行业、钢铁行业等均有开展应用,该技术可分为纯低温余热发电和带补燃锅炉的余热发电技术,但是由于带补燃锅炉的余热发电技术发电效率不高,且会带来一系列的环境问题,因此,纯低温余热发电技术是低温烟气余热利用的一个重要方向,其中以有机郎肯循环(ORC)系统最有发展潜力。目前需要做的就是消化吸收国外的先进技术,同时要加大低温余热发电设备的研究,如,高效能的余热锅炉(换热器)、汽轮机等,只有大力推进纯低温余热发电技术的国产化,降低设备的造价,提高发电能力,减少投资成本,保证系统运行稳定可靠,才能使得纯低温余热发电技术在我国得到普遍的推广和广泛的应用,为低温余热发电的利用提供更好的发展前景。



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