发电机余热回收（精选八篇）
发电机余热回收 篇1
石油化工企业正常生产中,由于工艺需要,蒸汽通常存在梯级使用情况,而不同压力段的蒸汽量需要量不一致,常常会有低压段蒸汽富余。这些低压蒸汽的品质一般较低,通常有如下特征:蒸汽中含水、热源较为分散、蒸汽压力及流量不稳定。目前该蒸汽除部分供企业内部生产或生活使用外,仍然有富余,不仅造成能源的浪费,同时还对周围环境带来一定的影响。
中石化股份有限公司茂名分公司积极响应国家号召,努力开展工作,乙烯厂1#高压聚乙烯装置在生产过程中,副产低压蒸汽原设计全部排放大气,不仅造成巨大的能源浪费,而且形成较严重的热污染和对环境的噪声污染。茂名石化为降低生产成本,节约能耗,改善环境,采用了螺杆膨胀动力机组,回收蒸汽能量,实施余热发电改造。发电并入企业电网自用,做功后蒸汽冷凝回收循环利用为企业创造良好的经济效益和社会效益。
1 利用螺杆膨胀动力机回收蒸汽余热进行发电工艺技术
1.1 热力系统选择
茂名石化乙烯厂1#高压聚乙烯装置是采用气相管式反应器,采用高温、高压技术。使用高纯度乙烯为原料,以空气和有机过氧化物为引发剂,以丙烷和丁烯-1为调整剂,通过乙烯单点进料、两段反应而得到性能优良的低密度聚乙烯产品。生产工艺流程由压缩、反应和分离、挤压造粒、风送掺混和产品包装组成。产品主要用途是制造农膜、重包装膜、内衬膜、电缆料等加工产品,能生产吹塑料和注塑料及线性共混料。产品性能好、应用领域宽。在工艺反应过程中,反应器撤热副产低压蒸汽约20t/h,其压力为0.36MPa(G),温度为147℃。这股副产蒸汽原设计全部排放大气。近年来,茂名石化乙烯厂先后对这股副产蒸汽通过技术改造将一部分用到其它生产上装置,进行能源回收利用,但还剩余约9t/h直接排大气。利用这股放空蒸汽,作为螺杆膨胀动力机组的动力介质,采用螺杆膨胀动力机组回收富产蒸汽能量发电,做功后蒸汽冷凝回收,发出的电并入企业的生产电网。
从1#高压聚乙烯装置的低压副产蒸汽原管路上接出,引入一套螺杆膨胀动力机发电机组做功,通过螺杆膨胀动力机发电后变成100℃、0.1MPa(绝压)的蒸汽,再将这部分的蒸汽通过高压装置的换热器E-4222用过的冷却水(冷却水二级利用)冷却变为冷凝液进入冷凝液罐中,最后通过冷凝液泵将冷凝液罐中的冷凝液直接送至界区冷凝液管网回收重新利用。现有装置本身的工艺流程不做任何改变。
1.2 螺杆膨胀动力机的参数选择
考虑到管阀损失,动力机的进排水设计参数如下:
进汽压力:P1=0.41MPa<绝>;
排汽压力:P2=0.10MPa<绝>;
进汽温度:t1=146℃;
排汽温度:t2=100℃;
蒸汽流量:9t/h。
1.3 方案选择和数据
根据富产蒸汽参数情况,确定采用如下应用方案来回收富产蒸汽能量发电:
1.3.1 技术指标螺杆膨胀动力机:SEPG500-400/2250-1.65-C,1台;发电功率:360kW;额定转速:2250rpm;
进汽参数:0.41MPa<绝>,146℃,9t/h;
排汽参数:0.10MPa<绝>,100℃。
1.3.2 热力系统图
2 机组构造、工作原理及特点
2.1 发电机组成
基本构造是由两根(阴、阳)螺杆转子、支撑轴承、冷却水套、机械密封、调节阀、调速器和机壳体等组成的动力机。
2.2 工作原理
蒸汽介质先进入机内螺杆齿槽A,推动转子旋转,随着螺杆转子的转动,容积不断增大,齿槽从A到B、C、D逐渐加长,容积增加蒸汽降压降温膨胀(或闪蒸)做功,最后排出气体,从齿槽E排出,从主轴阳螺杆转子输出功率,驱动发电机,实现能量转换。参看附图。
2.3 主要特点
(1)结构简单紧凑、零部件少,占地面积小,运转平稳安全、可靠,振动小、经久耐用,操作维修简便和螺杆压缩机比噪音较小;
(2)螺杆膨胀机是容积式动力机,转速一般设计为1500~3000rpm,机内流速较低,除泄漏外很少其他损失,因而内效率较高,一般高于同类型、同功率汽轮机;
(3)工质适用范围广,适应过热蒸汽,饱和蒸汽、汽液两相及高温热水等,这是汽轮机所不及的;
(4)转子刚度大,壳体与转子,转子与转子之间间隙小,有自洁污能力,所以抗污能力强;
(5)螺杆膨胀动力机的启动及正常运行,不暖机、不盘车、不飞车、操作简单、维修方便(现有在职人员稍加培训即可胜任)、机组运转平稳、安全、可靠、低噪音、微振动、可实现全自动无人职守、远距离监控、长期无大修,很适合非电力工业企业推广应用的热动力机;
(6)和汽轮机不同,螺杆机的效率对工质参数及负荷变化不敏感,很适用于工矿企业生产用热、用电负荷,余热、余压参数以及工质品质的变化,并能维持稳定的高效率,运行依然平稳安全可靠;
(7)螺杆膨胀动力机为快装、集装式机组,可集中、可分散、可移动、占地少,最适合热源会衰减、规划可变化等场合应用的动力机;
(8)螺杆膨胀动力机投资少、运行费用低、高效益、投资回报期短,是实施节能技改项目最短、平、快的动力机。
3 利用蒸汽余热发电及效益
茂名石化乙烯厂1#高压聚乙烯装置利用螺杆膨胀动力机采用蒸汽余热发电项目,于2009年2月17日破土动工建设,2009年5月中旬建成中交,6月中旬投入运行,发电并网一次成功。目前的生产规模下平均可用于发电的蒸汽为9t/h,平均发电量可达到372kW/h,平均回收冷凝液8.67t/h。按0.697元/kwh回收冷凝液按2.5元/吨计算,发电效益:项目总投资480万元,包括:设计、土建工程、设备安装及电仪等辅助设备安装费及材料费。
项目成本(消耗的原材料主要是余热产生的饱和蒸汽,因此原材料费用为零;系统辅助设备耗电约12 kW/h;机组无故障运行两年,检修备件运行费用为零;由于无需运行人员,不计人员工资;机组使用年限为40年)合计3万元/a,平均发电量是372kW/h。
3.1 发电工程经济效益
3.1.1 360kW发电机组的年发电量
按年运行8000小时计算,年发电量=(372-12)×8000=288万kW·h/年。
3.1.2 360kW发电机组的年发电效益
按电价0.697元/kW·h计算,则年发电效益为288×0.697 =200.74万元/年。
3.1.3 360kW发电机组的年节水量
按年运行8000小时计算,则年节水量为9×8000 =7.2万吨/年。
3.1.4 360kW发电机组的年节水效益
按软水价格2.5元/吨计算,则年发电效益为2.5×7.2万 =18万元/年。
3.1.5 360kW发电机组的年总效益
年总效益 = 年发电效益 + 年节水效益 = 200.74+ 18 = 218.74万元。
3.1.6 360kW发电机组的建设周期
项目总建设周期:6个月。
4 结论及建议
(1)利用螺杆膨胀动力机回收蒸汽余热进行发电,发电后产生的冷凝液也达到循环利用,最大程度地提高余热综合利用率。
(2)整个发电工艺过程不需要任何燃料,对大气环境不增加任何污染物的排放,而且还可以降低排汽温度,减轻温室效应和降低热污染,是节约能源、资源、降低企业成本极为有效的途径,对保护生态环境有促进作用,环保效益与节能效益显著。
(3)利用废气余热进行发电,在厂区直接并网利用,减少外购电力,而且较低成本电力的补充,可为企业创造显著的经济效益。
(4)螺杆膨胀动力机作为余热回收的首选热机,它不仅具有体积小、维护方便等优点,同时还能适用多种热源,并在热源参数波动变化较大时能保证机组的安全、稳定的运行。
(5)利用螺杆膨胀动力机回收富余蒸汽项目的实施,节约了能源,降低厂内用电率,为企业创造良好的经济效益。该项目的投运及正常运行,不仅为本厂的节能减排工作开创了新的开端,更为中石化企业节能减排工作的开展打下良好基础。
综上所述,采用螺杆膨胀发电机系统可以提高能源利用效率,改造后产生的经济效益较好。因此利用螺杆膨胀动力发电机组回收余热蒸汽能量发电是非常适宜的,不仅不影响工艺要求,还带来了良好的经济效益。相对节省了大量的能源,改善了环境,是一个对社会有益、对企业有益的好项目。
在石油化工行业有许多用汽设备,它们常年或连续或间断地消耗大量的低压蒸汽或排放,目前,为达到工艺要求的用汽参数及蒸汽品质,绝大部分工艺是在系统中设置减压或减温减压装置将蒸汽减温减压,蒸汽在绝热节流过程中造成高品位能量的浪费。而螺杆膨胀动力机作为一种回收低压饱和蒸汽余压余热的源动机,可用于拖动风机、水泵及发电机,填补了低压饱和蒸汽余压余热难以回收利用的难题。
螺杆膨胀动力机为我们提供了一种回收低压饱和蒸汽的可行方案,它体积小(L1500×W1000×H800mm)、结构简单、维护方便、自动化程度高、内效率高、噪声低、投资适中、投资回收期短(一般在两年左右)的优点,使其应用前景广阔。
余热回收 大有可为 篇2
受历史、技术、理念等因素局限，我国大量运营的工业耗能装置中的绝大部分，其原始设计无法合理利用显热和潜热。在国家大力推进节能减排、使用绿色能源的理念下，数十年来粗犷式工业发展渐渐暴露出弊端。包括高温废气余热、冷却介质余热、废气废水余热、高温产品和炉渣余热等一系列概念呼之欲出，为暖通专业助力工业领域降耗指引出方向。
“江森自控正在工业余热回收等领域开发并引入更多适用于中国节能减排的产品和解决方案。”江森自控建筑设施效益业务中国区楼宇自控系统业务总经理暨华北大区总经理兼执行总监吴松在接受《新财经》记者专访时表示，随着节能减排的推进，余热回收市场大有可为。
余热回收市场大有可为
我国工业各领域余热总资源占其燃料消耗总量的17%？67%，其中可回收利用的部分约占余热总量的六成。在“十二五”规划大力推动工业节能的背景下，高耗能行业的余热利用正在加速。需求和利润空间下滑的压力，也促使工业企业开始学习过“紧日子”，“变废为宝”的余热回收技术受到企业的欢迎。
暖通业内人士在接受记者采访时指出，余热回收利用“天经地义”。对于我国工业余热利用的潜力，在其看来，“一片光明”。
“工业利用效率是我国发展的薄弱环节，也是同发达国家的最大差别。事实上，我们每节约一点，对行业乃至国家发展都十分有利。”该业内人士表示，“人们一直在谈论危机，我认为这集中体现在两方面：能源和资源。我国面临着极大的环境压力，很多问题已经超过警戒线。在余热回收问题上，思维变化将会给结果带来转变。”
目前，国内市场上余热回收率达30%？50%，余热回收利用项目一般造价都在上亿元。中国余热回收利用基本上不到20%，在美国等其他发达国家则已达到50%的利用率。吴松表示，中国余热发电还处于初级阶段，在未来10年中将会有一个跨越式发展。
以煤为例，中国50%的煤都用于发电，很多的废气、乏气都被白白浪费掉。这是整个余热回收利用市场得以发展的契机，通过余热回收利用可以将这部分浪费掉的资源重新利用起来。随着节能减排被列为考核经济发展的“硬性指标”，余热余压利用以其可观的经济效益和社会效益不断被提上国家战略层面。
余热回收技术日趋成熟
随着我国工业化、城镇化进程的加快，政府制定了建设资源节约型、环境友好型社会的战略决策。节能减排、资源综合利用已成为各级政府及企业共同努力的目标，有越来越多的企业加入这一行业，逐渐趋于成熟的余热回收技术也为解决余热利用提供了思路。数据显示，截至今年上半年，从事余热回收的企业已过千家。
值得说明的是，对于这些涉足热回收领域的开拓者，其先入为主的优势或将使其在市场中占得先机。“余热回收的过程像榨甘蔗汁，最终能得到多少，取决于你‘榨’的次数以及技术水平。”中国建筑学会建筑热能动力分会副理事长许文发曾公开表示。
世界500强企业之一的江森自控在过去的几十年中，被公认为是世界上最主要的建筑设备自动化管理系统的生产商和工程承建商，在余热回收技术开发上亦取得明显的成绩。以江森自控生产的热泵机组为例，热泵机组是余热回收利用过程中的核心设备，由于技术和资金上的欠缺，目前国内生产离心式热泵机组的企业就只有江森自控一家。
“江森自控基于庞大的市场需求，为中国工业用户量身定做了热泵系统，结合江森自控的自控系统集成能力，为各类工矿企业提供安全、可靠、高效的余热回收解决方案。”据吴松介绍，在冶金、电子、造纸、印染、煤矿等行业，江森自控提供供热能力从400千瓦到60兆瓦、热水出水温度从50℃到110℃的全系列热泵系统方案，能满足各类工业余热回收兼制冷/供热的应用需求。
对于工业余热回收，江森自控目前在中国已有几个成功的案例，吴松告知记者，“包括北方某市市政污水余热回收集中供暖工程，通过‘工业级余热回收型热泵技术’回收利用污水处理厂污水中的低品位热量，制取高温热水用于城市集中供暖。还有北方某热电厂余热回收集中供暖工程，通过回收利用发电汽轮机凝汽器冷却水中的低品位热量，制取高温热水用于城市集中供暖。”
据了解，工业余热回收解决方案是帮助企业实现节能减排的目标，可广泛应用于热电厂、企业自备电厂、市政污水厂、工矿企业及石油化工等余热回收领域。以电厂冷却塔的循环水中蕴含着大量的低品位热量为例，这些热量通常被白白地排放到空气中，结果不仅造成了能源的巨大浪费，而且对周围环境产生诸如飘水、热岛效应等不利影响。
“事实上，电厂冷却塔循环水的水量非常充足，水质较好，冬季北方电厂的循环水温度在10℃以上，是壓缩式热泵机组非常好的低温热源。”前文所述业内人士对江森自控的压缩式热泵机组做过研究，在他看来，该机组是目前中国市场先进的低温余热回收解决方案。
该机组由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置四大部件组成。吴松告诉记者，通过给压缩机输入少量的电能或蒸汽作为循环动力，使得制冷工质在热泵机组中循环并发生相变，从流经蒸发器的低温热源中提取热量，并且在冷凝器中把热量传递给需求侧的循环水，达到制热的目的。
吴松举例说，电厂的废热量非常大，而且供暖用户一般都是100万平方米以上的小区，该公司的单机制热容量大的热泵机组就比较适合这种区域供暖。
发电机余热回收 篇3
温差发电作为一种新型节能环保技术,应用于锅炉尾部烟道的余热回收具有很大潜力。欧美、日本等发达国家在工业余热回收领域,已开展利用温差发电技术的前瞻性研究,并已取得初步成果。近年来关于温差发电技术用于低温余热回收的研究报告也相当丰富,但大都局限于小型化应用(如汽车尾气余热回收等),在大型化工业低温余热回收应用甚少。特别是针对大型电站锅炉余热利用方面的研究报道很少,如果能够充分利用温差发电技术回收电厂烟气余热,将能产生兆瓦级的电能输出,这种余热回收技术的利用将具有很大的发展前途。
本文将针对此问题,提出一种利用锅炉排烟余热进行温差发电的方法,设计一种温差发电实验系统,并基于该系统特点,对温差发电系统的材料选择、性能参数等进行了实验研究,对其在电站锅炉中的应用进行了可行性分析,以此提高火电厂的燃料利用效率。
1温差发电技术
1.1温差发电技术原理
温差发电模块是利用温差电转换的方法将热能直接转换为电能的一种装置,是德国科学家塞贝克于18世纪发现并以其名字命名的。塞贝克效应简叙为:在2种不同的半导体材料构成的回路中,若两接头具有不同的温度TH和TC,那么在回路两端可测得电动势△Vxy与热冷两端的温度差成正比,若在回路中串接负载RL,则回路中产生电流并对负载供电,实现热能到电能的转换,这就是我们常说的温差发电。
其中:△Vxy为温差电动势,V;TH、TC分别为高温面、低温面温度,℃;aXP为赛贝克常数。
1.2温差发电片性能参数
1.2.1温差发电片的电压比例系数α
对于一片温差发电片而言,是由许多对温差电偶组成。当温差发电片高低温面存在温差时我们也可以利用类似于式(1)的公式表示温差发电片产生的热电势:
其中:α为常数;△T为温差,℃。
1.2.2温差发电片的最大功率PMAX
Ri为内阻,RL为负载电阻,当RL=Ri时,温差发电片功率P有最大值PMAX,由电路的分压定理可得:
1.2.3温差发电片的最大热电转换效率ηMAX
温差发电片的热电转换效率即为从温差发电片得到的电能与流入高温面热量的比值,它反映了温差发电片将热能转换为电能的能力,是评价温差发电片性能的重要参数。
温差发电的最大发电功率即RL=Ri时的发电功率,与此对应的最大温差发电片的热电转换效率与最大发电功率PMAX和此时流入热端的热量QH,MAX满足下列方程,我们还可以根据温差发电片所选用的材料以及其内部结构从理论上计算出温差发电片的最大热电转换效率:
2温差发电实验系统设计及其原理
2.1材料选择
目前,应用最为广泛的温差发电材料有Bi2Te3类材料、Pb Te类材料、Si Ge合金类材料3种。但是由于3种物质自身特性的原因,由它们制成的温差发电器件分别适用于不同范围的温度区域。其中Bi2Te3类材料适用于高温端温度不超过400℃的普通冷温区域条件下运行,而后两种均适合在400℃~500℃之间和700℃以上的高温区域条件下运行。
烟气排烟温度一般在130℃~160℃范围内,由上述可知:Bi2Te3类材料的温差发电器件最适合应用于电厂烟气余热回收的。在器件的两端建立一个温差,使一端端保持高温TH,另一端保持低温TC,根据塞贝克效应,将产生一个开路电压△Vxy,若将回路中接入负载电阻,则将有电流流过,其作用就是一个发电器,将许多温差电偶串联就组成了一片温差发电片。
2.2实验系统
我们对测试温差发电模块性能的系统给出如下假设:1)假设温差发电片冷热端表面温度均匀;2)假设温差发电片四周绝热。基于这两种假设,对于实验所用的温差发电片,我们选用德圣新能(北京)科技开发有限公司(TECHESUN)生产的帕尔贴(PELTIER)系列G1162741型温差发电片;温差发电模块热端采用加热功率为0W~800W电阻丝加热台进行加热;冷端采用20L自来水循环进行冷却;并使用精度为0.1℃的双通道电子测温计分别测量温差发电模块冷热端温度,使用万用表分别测量温差发电模块的开路电压和短路电流。
2.3实验过程和原理
1)一片温差发电片并将它安装于加热台上(加热台可以安装多片温差发电片,为了方便叙述以后称这片温差发电片为温差发电模块),将冷却水装置接通,将测量装置连接完毕,接通电源开始加热。
2)启动循环冷却水泵,通过调节热阻丝加热功率改变高温端温度。
3)当高温端温度达到测试值时,读取并记录万用表上的开路电压(I)与短路电流(U)。
4)重复实验步骤(2)-(3),测取不同的高温端温度下对应的开路电压(I)与短路电流(U)。
5)由PMAX=U·I/4计算出不同高温面温度下最大发电功率PMAX。
6)制作数据表格并并且分别绘制开路电压(U)和最大发电功率(PMAX)随高低面温差(△T)变化的曲线。
3实验数据结果与分析
为了计算出在电厂实际工况变化范围内温差发电模块的最大功率和最大热电转化效率,分别选取高温面为110℃,120℃,130℃,140℃,150℃,160℃,冷端选取25℃。
根据式(3)和式(4)计算不同温差下的最大功率和最大热电转化效率,其中:Z=0.003,为了更加直观地反映出温差发电模块在电厂运行实际条件下的稳定性,将表中的数据以曲线的形式表现出来,分别绘制最大发电功率和最大热电转化效率随高低面温差的变化曲线,如图1所示。从图中可以看出,最大热电转化效率随温差变化曲线呈近似直线关系,最大功率随温差变化曲线呈近似双曲线关系,与理论推导得出的关系吻合。
4结论
温差发电技术在电厂实际运行工况变化范围内可以稳定运行。这可以从发电片在电厂实际工况范围内最大热电转化效率(U)和最大发电功率(Pmax)随高低面温差(△T)的变化的曲线与理论关系吻合的结果中得出;温差发电模块在电厂实际运行工况变化范围内有较大的输出功率,如一片温差发电片在高温端温度为140℃,低温端在25℃时可产生4.64W的电功率,发电效果比较可观;温差发电技术在电厂实际运行工况变化范围内最大热电转化效率可以保持在5%~8%之间,热电转化效率可观。
摘要：本文介绍了温差发电原理,并对温差发电模块的性能进行测试,证明了现有的温差发电片,可以在电厂实际运行工况变化范围内稳定运行,且有较大输出功率。针对不同排烟温度和冷却水出口温度,进行了发电系统发电功率和热电转换效率的计算。结果表明,温差发电技术可以在电厂烟气余热回收中应用,并可提高能源的利用率、改善环境。
关键词：温差发电,塞贝克效应,烟气余热,环境保护
参考文献
细分余热回收市场 篇4
本次制冷展我们带来了全新的工业防暴型双级溴化锂吸收式冷水机组,可以利用60 ℃的低温余热制冷,大幅扩展了工业余热回收的应用范围,使采用常规技术无法利用的余热得以回收利用,是工业企业节能降耗和节能减排的重要技术装备。
希望深蓝将在技术的革新和工艺的改进上,使产品的性能再上一个台阶,大幅度提升市场实际适用性,这些新品将会接受用户的检验。与此同时,希望深蓝将会在接下来的市场运营中,进一步完善营销体制建设,不仅仅是在国内渠道方面,深蓝也将会加大出口市场工作,进一步做好、做大欧盟、中东、东南亚等重点、成熟的市场,为将国产民族品牌推向世界尽自己的一份责任。
豆奶闪蒸余热回收设计 篇5
关键词：闪蒸,余热回收,节能减排
闪蒸脱腥是豆奶生产过程中的重要工序, 该工序主要作用是完全去除大豆中的豆腥味和苦涩味, 造就产品独特的细腻润滑口感和纯正风味, 同时最大程度保留大豆中丰富的植物蛋白、维生素、矿物质等营养成分。
闪蒸脱腥的工作原理为:大豆经过磨浆、分离等工序后形成豆奶, 豆奶在物料泵的输送下, 进入瞬时杀菌器进行杀菌, 杀菌后的豆奶以切线的方式进入闪蒸罐, 在罐壁以切线高速旋转的形式形成液膜, 并迅速分离, 经过气液分离后, 豆奶由底部出料进入下一道工序, 而分离后的二次蒸汽在真空的作用下, 迅速进入到喷射式冷凝器与冷却水混合、冷凝, 随冷却水一起排出。原理图见图一。
这种工艺使用的喷射式冷凝器设备一次投入约低一点, 但在设备运行过程中, 为保证真空度的稳定, 需要补充自来水及时带走热量, 二次蒸汽的余热没有被有效利用, 生产运营成本高。
为了有效利用二次蒸汽余热和减少自来水的使用, 节能减排, 降低生产成本。在不增加较大投入的前提下, 从国内豆奶生产现状和实际出发, 谋求工艺的先进性、实用性、可靠性、经济性, 对现有设备进行技术改造, 满足实际生产需要。
1 闪蒸余热回收设计原理
为保证豆奶的风味, 确保产品质量稳定, 豆奶从闪蒸脱腥罐出来之前的工艺流程不作改动。经过分析喷射式冷凝器具有抽真空和冷却二次蒸汽作用, 将喷射式冷凝器的功能进行拆分, 分为二次蒸汽余热回收部分和抽真空部分。
余热回收部分采用列管式换热器方式, 为有效回收二次蒸汽的余热, 满足结构紧凑, 节约空间, 操作简便, 采用立式列管换热器。流程为:二次蒸汽从加热器顶部进入到管束内表面, 在管束内表面形成一层完整的液膜并连续向下流动, 在流动过程中二次蒸汽冷凝成冷凝水后被收集排入污水管中;纯净水从换热器壳程的下方入口进入, 上方的出口排出, 以提高传热效率, 减少冷却水流动中的死角。经加热后的纯净水, 可用于豆奶灭酶处理工序。
真空部分采取真空泵方式抽真空, 根据真空泵选择要求:如果要求绝对压强高于3300Pa, 则优先选择水环式真空泵作为真空装置, 如果绝对压强要求低于3300Pa, 则不能选择水环式真空泵, 选择旋片式真空泵或更高真空级别的真空泵作为真空获得装置。本工艺要求真空度为0.02-0.026MPa, 绝对压强超过3300Pa, 故选用水环式真空泵, 其原理图见图二。
该设计主要关键设备就是列管式换热器的选择, 换热器选择的关键就是换热面积计算和水环式真空泵的选择。
2 列管式换热器换热面积计算和真空泵的选择
2.1 列管式换热器换热面积计算
列管式换热器换热面积计算是选择加热器的关键, 若计算失误则达不到二次蒸汽回收效果。该换热器换热面积计算包括二次蒸汽热量、平均温度、传热系数。
2.1.1 热量计算
二次蒸汽传热过程中由蒸汽变成液体冷凝水, 有相变化, 而被加热的液体无相的变化。选择热量计算公式如下:
式中:
Q———换热器的热负荷, KJ;
G———二次蒸汽的流量, Kg/H;
r———饱和蒸汽的冷凝潜热, KJ/Kg;
Cp———蒸汽的平均恒压比热容, KJ/ (Kg·℃) ;
TS———蒸汽冷凝液饱和温度, ℃;
T2———冷凝水的排出温度, ℃。
乳品厂使用的脱腥机组工艺条件为:真空度为0.02~0.026Mpa, 饱和蒸汽排出量为350Kg/H, 冷凝水排出温度为40℃, 通过热交换器换热后出口温度达到75℃。
根据工艺参数, 查相关表得:
由公式得出:
2.1.2 总传热系数的确定
总传热系数 (K) 是评价换热器性能的一个重要参数, 也是换热器的传热计算所需的基本依据, 其大小主要取决于流体的物性、传热过程条件和换热器的类型等。通常K值来源于生产实际中的经验数据、实际测定或直接计算。
现列举列管式换热器中K的一些经验值范围 (见表一) 。
根据经验本文的传热系数K值取为2000[W/ (M2.K) ]。
2.1.3 平均温度的计算
在工程计算中, 将较大温差记为Δt1, 较小温差记为Δt2, 当Δt1/Δt2≤2时, 可用算数平均温度代替对数平均温度差, 其误差不大。
该项目中:
2.1.4 换热面积计算
由公式:Q=KSΔt
考虑面积裕度15%~25%, 取20%, 得S=1.2×6.87=8.24M2。
根据厂家提供的样本书和列管式换热器结构, 复核好换热系数K值, 选择适宜的换热器。
2.2 水环式真空泵的选择
水环式真空泵具有结构简单、紧凑, 制造精度要求不高, 气体等温压缩, 吸气均匀, 泵腔内无金属摩擦、表面摩损很小, 工作平稳可靠, 操作简单, 维修方便, 抽除可凝性气体和气水混合物等特点。选择水环式真空泵应注意的两点:
2.2.1 满足工艺要求达到的真空度
水环式真空泵的工作压力应满足工艺工作压力要求, 选型时尽可能要求所选真空泵的真空度要求在高效区间内, 即在临界所需真空度或临界所需排气压力的区域内运行, 才能保证真空泵能够按照需要的条件和要求正常工作。选择水环式真空泵应避免在真空泵最大真空度或最大排气压力范围附近运行。在这个区域内运行, 不仅效率极低, 而且工作很不稳定, 容易发生汽蚀现象, 使真空泵产生振动和噪音, 甚至导致真空泵无法正常工作。另外选型时真空度要高于真空设备真空度的一个数量级。
2.2.2 满足工艺要求的抽气速率
抽气速率就是要求真空泵在其工作压力下, 排出气体、液体的能力, 是弥补漏气率的参数。在实际运行中管路或者容器始终不可能做到绝对不漏气, 抽气量大的真空泵弥补了漏气所带来的真空度下降, 很容易抽到理想的真空度值。因此, 抽气速率是衡量真空泵抽速的一个重要因素, 一般单位用m3/S或m3/H来表示。
其计算公式为:
式中:
S———真空泵抽气速率 (m 3/S)
V———真空室容积 (m 3)
t———达到要求真空度所需时间 (s)
P1———初始压强 (Pa)
P2———要求压强 (Pa)
乳品厂的工艺参数为:真空设备总体容积 (V) 为:0.7m3, 管线紧凑, 均为焊接, 忽略设备及管道漏气的情况下, 在20秒内将设备从大气压状态下抽到75000Pa, 根据公式计算出需要选用抽气量为:
在计算出理论抽气量的情况下, 选用时至少应该选择抽气速率高于0.024 (m3/S) 的水环式真空泵, 根据实际我们选用抽气速率为90m3/H的真空泵。
3 余热回收经济分析
经过该项设计, 取得明显的经济效益主要有两个方面:一是节约了天然气;二是取消了用于补充喷射式冷凝器的冷却水, 其补充用量为1.5吨/小时。电力费用的节约没计算在内。
3.1 节约的总费用
3.1.1 节约的天然气费用
按照燃烧一立方天然气产生大约35530KJ, 每天设备有效运行时间为10小时, 全年除去设备保养天数48天, 实际运行天数为317天, 由第一章计算出回收热量为874965KJ/H, 天然气的价格为2.55元/m3, 得出全年节约的天燃气费用F1表示:
3.1.2 节约的自来水费用
根据上面的生产条件, 水的单价为3.25元/吨, 得出全年节约的水费用F2表示。
没有计算节约的污水处理费用。
因此, 节约总费用由F1与F2之和, 用F表示:
3.2 投资回收期
该项目投入资金购买设备为10万元, 现场改造和安装费用为8万元, 总投入为18万元。
由此看来, 投资实施后大约10个月就能收回投资, 具有较大的经济效益。
4 结论
通过对豆奶闪蒸脱腥工艺的原理深入分析, 结合实际生产中的工艺流程、实际使用的各类设备的特性, 设计了合理、可行的豆奶闪蒸脱腥二次蒸汽余热回收的工艺流程, 并根据流程原理进行设备的参数的选型计算。
通过生产厂实际运行状况, 进行了投入产出分析, 得出在10个月之内, 能够全部回收投入并达到了节能减排的目的。
参考文献
[1]赵黎明, 黄阿根.食品工程原理.中国纺织出版社, 2013.
[2]蒋汉文, 热工学.高等教育出版社, 1984.
窑筒体余热回收利用经验 篇6
1 筒体余热回收工艺
筒体余热回收工艺见图1。
洗浴用水采用洗浴热水箱和保温水箱两级换热。洗浴热水箱内温度>70℃, 保温水箱增设换热器 (比洗浴热水箱少, 起保温作用) 。洗浴热水箱位置高于保温水箱, 利用水位差将洗浴热水箱中热水送入保温水箱中。洗浴热水箱补水采用液位电控阀控制, 洗浴热水箱向保温水箱补水采用差量补水方式。这样可以保证集中用水时保温水箱温度变化不大, 或长时间无人用水时保温水箱保持温度。同时由于洗浴热水箱能及时补水, 水温变化小, 在与取暖换热水箱串联时不会降低水温而影响取暖效果。冬季两条窑可错开检修时间, 不影响供暖及洗浴。
原余热罩采用两头水箱中间水管的结构, 水管与水箱焊接处易因温度变化产生变形开裂, 且管道采用无缝钢管易被腐蚀, 使用3年就出现腐蚀漏水现象, 停止使用后, 只能启用蒸汽锅炉。新余热系统内循环水利用余热发电系统的软化水, 换热罩采用蛇形不锈钢管, 在使用过程中不易结垢, 延长了系统使用寿命。新旧余热罩水管见图2。
原系统供热方式是供暖和洗浴分路供水, 优点是供暖和洗浴互不影响, 缺点是温度分布不均, 供暖要24h全开, 热耗损大, 洗浴开启时间短, 使用时过热, 浪费严重。新系统3个热水箱采用集中串联提供热水的方式。由于供暖面积较大, 冬季主要用于集中供暖和职工洗浴, 冬季过后富余热水可供余热发电系统。
2 经济效益分析
1) 2012年冬天开始为办公楼、中控楼、宿舍 (两栋) 、专家公寓、食堂和招待所供暖, 面积约18 000m2。停用供暖锅炉, 一冬 (3个月) 可节约资金90万元。
2) 停用洗浴蒸汽锅炉, 一年可节约资金75万元。
3) 其余9个月将热水用于余热发电原水加热, 预计原水可提温10℃, 将原水软化后用于发电。经计算余热发电系统全年可提高发电量100万k Wh, 按0.6元/k Wh计算, 每年可创造经济效益60万元。
我国工业余热回收利用技术综述 篇7
当前, 我国能源利用仍然存在着利用效率低、经济效益差, 生态环境压力大的主要问题, 节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展战略规划的重要内容, 是解决我国能源问题的根本途径, 处于优先发展的地位。
实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依靠工业领域。处在工业化中后期阶段的中国, 工业是主要的耗能领域, 也是污染物的主要排放源。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%, 主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30%左右。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外, 工业余热利用率低, 能源 (能量) 没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因, 我国能源利用率仅为33%左右, 比发达国家低约10%, 至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃[1,2]。因此从另一角度看, 我国工业余热资源丰富, 广泛存在于工业各行业生产过程中, 余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%, 其中可回收率达60%, 余热利用率提升空间大, 节能潜力巨大, 工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”, 近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容。
1 工业余热资源特点
余热资源属于二次能源, 是一次能源或可燃物料转换后的产物, 或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。按照温度品位, 工业余热一般分为600℃以上的高温余热, 300～600℃的中温余热和300℃以下的低温余热三种;按照来源, 工业余热又可被分为:烟气余热, 冷却介质余热, 废汽废水余热, 化学反应热, 高温产品和炉渣余热, 以及可燃废气、废料余热[3]。
具体来说, 烟气余热量大, 温度分布范围宽, 占工业余热资源总量的50%以上, 分布广泛, 如冶金、化工、建材、机械、电力等行业, 各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟, 而且有些工业窑炉的烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30%～60%, 节能潜力大, 是余热利用的主要对象。冷却介质余热是指在工业生产中为了保护高温生产设备或满足工艺流程冷却要求, 空气、水和油等冷却介质带走的余热, 多属于中低温余热, 余热量占工业余热资源总量的20%。废水废汽余热是一种低品位的蒸汽或凝结水余热, 约占余热资源总量的10%～16%;化学反应余热占余热资源总量的10%以下, 主要存在于化工行业;高温产品和炉渣余热主要指坯料、焦炭、熔渣等的显热, 石化行业油、气产品的显热等;可燃废气、废料余热是指生产过程的排气、排液和排渣中含有可燃成分, 如冶金行业的高炉煤气、转炉煤气等。
虽然余热资源来源广泛、温度范围广、存在形式多样, 但从余热利用角度看, 余热资源一般具有以下共同点[3]:由于工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动, 导致余热量不稳定;余热介质性质恶劣, 如烟气中含尘量大或含有腐蚀性物质;余热利用装置受场地、原生产等固有条件限制。
因此工业余热资源利用系统或设备运行环境相对恶劣, 要求有宽且稳定的运行范围, 能适应多变的生产工艺要求, 设备部件可靠性高, 初期投入成本高, 从经济性出发, 需要结合工艺生产进行系统整体的设计布置, 综合利用能量, 以提高余热利用系统设备的效率。
2 工业余热利用技术
余热温度范围广、能量载体的形式多样, 又由于所处环境和工艺流程不同及场地的固有条件的限制, 生产生活的需求, 设备型式多样, 如有空气预热器, 窑炉蓄热室, 余热锅炉, 低温汽轮机等。常见的工业余热回收利用方式, 有多种分类方式, 根据余热资源在利用过程中能量的传递或转换特点, 可以将国内目前的工业余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术、余热制冷制热技术。
2.1 热交换技术
余热回收应优先用于本系统设备或本工艺流程, 降低一次能源消耗, 尽量减少能量转换次数, 因此工业中常常通过空气预热器、回热器、加热器等各种换热器回收余热加热助燃空气、燃料 (气) 、物料或工件等, 提高炉窑性能和热效率, 降低燃料消耗, 减少烟气排放;或将高温烟气通过余热锅炉或汽化冷却器生成蒸汽热水, 用于工艺流程。这一类技术设备对余热的利用不改变余热能量的形式, 只是通过换热设备将余热能量直接传递给自身工艺的耗能流程, 降低一次能源消耗, 可统称为热交换技术, 这是回收工业余热最直接、效率较高的经济方法, 相对应的设备是各种换热器, 既有传统的各种结构的换热器、热管换热器, 也有余热蒸汽发生器 (余热锅炉) 等。
2.1.1 间壁式换热器
工业用的换热器按照换热原理基本分为间壁式换热器、混合式换热器和蓄热式换热器。其中间壁式和蓄热式是工业余热回收的常用设备, 混合式换热器是依靠冷热流体直接接触或混合来实现传递热量, 如工业生产中的冷却塔、洗涤塔、气压冷凝器等, 在余热回收中并不常见。
间壁式换热器主要有管式、板式及同流换热器等几类, 管式换热器虽然在热效率较低, 平均在26%～30%, 紧凑性和金属耗材等方面也逊色于其它类型换热器, 但它具有结构坚固、适用弹性大和材料范围广的特点, 是工业余热回收中应用最广泛的热交换设备。冶金企业40%的换热器设备为管式换热器, 允许入口烟气温度达1 000℃以上, 出口烟温约600℃, 平均温差约300℃[4]。板式换热器有翅片板式、螺旋板式、板壳式换热器等, 与管式换热器相比, 其传热系数约为管壳式的二倍, 传热效率高, 结构紧凑, 节省材料等。在冶金行业的联合、中小企业多采用板式换热器预热助燃空气, 热回收率平均在28%～35%, 入口烟气温度700℃左右, 出口温度达360℃[4]。但由于板式换热器使用温度、压力比管式换热器的限制大, 应用范围受到限制。对于各种工业炉窑的高温烟气, 还常采用块孔式换热器、空气冷却器和同流热交换器等。其中同流换热器属于气-气热交换器, 主要有辐射式和对流式两类, 应用较为广泛, 多用在均热炉、加热炉等设备上回收烟气余热, 预热助燃空气或燃料, 降低排烟量和烟气排放温度。常见的辐射同流换热器入口烟气温度可达1100℃以上, 出口烟气温度亦高达600℃, 可将助燃空气加热到400℃, 助燃效果好;温度效率可达40%以上, 但热回收率较低, 平均在26%～35%[5]。
2.1.2 蓄热式热交换器
蓄热式热交换设备是冷热流体交替流过蓄热元件进行热量交换, 属于间歇操作的换热设备, 适宜回收间歇排放的余热资源, 多用于高温气体介质间的热交换, 如加热空气或物料等。
根据蓄热介质和热能储存形式的不同, 蓄热式热交换系统可分为显热储能和相变潜热储能。显热储能的系统在工业中应用已久, 简单换热设备如常见的回转式换热器;复杂设备如炼铁高炉的蓄热式热风炉、玻璃熔炉的蓄热室。由于显热储能热交换设备储能密度低、体积庞大、蓄热不能恒温等缺点, 在工业余热回收中具有局限性。相变潜热储能换热设备利用蓄热材料固有热容和相变潜热储存传递能量, 具有高出显热储能设备至少一个数量级的储能密度, 因此在储存相同热量的情况下, 相变潜热储能换热设备比传统蓄热设备体积减少30%～50%[6]。此外, 热量输出稳定, 换热介质温度基本恒定, 使换热系统运行状态稳定是此类相变潜热储能换热设备的另一优点。相变储能材料根据其相变温度大致分为高温相变材料和中低温相变材料, 前者相变温度高、相变潜热大, 主要是由一些无机盐及其混合物、碱、金属及合金、氧化物等和陶瓷基体或金属基体复合制成, 适合于450～1100℃及以上的高温余热回收, 应用较为广泛;后者主要是结晶水合盐或有机物, 适合用于低温余热回收。
2.1.3 基于热管的换热设备
热管是一种高效的导热元件, 通过在全封闭真空管内工质的蒸发和凝结的相变过程和二次间壁换热来传递热量, 属于将储热和换热装置合二为一的相变储能换热装置。热管导热性优良, 传热系数比传统金属换热器高近一个量级, 还具有良好的等温性、可控制温度、热量输送能力强、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、无外加辅助动力设备等一系列优点。热管工作温度分为低温 (-200～+50℃) , 常温 (50～250℃) , 中温 (250～600℃) , 高温 (>600℃) 的热管, 需要根据不同的使用温度选定相应的管材和工质[7]。其中碳钢-水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广, 使得此类热管得到了广泛的应用。实际应用中用于工业余热回收的热管使用温度在50～400℃之间, 用于干燥炉、固化炉和烘炉等的热回收或废蒸汽的回收, 以及锅炉或炉窑的空气预热器[8]。
2.1.4 余热锅炉
采用蒸汽发生器, 即余热锅炉回收余热是提高能源利用率的重要手段, 冶金行业近80%的烟气余热是通过余热锅炉回收, 节能效果显著。
余热锅炉中不发生燃烧过程, 从本质上讲只是一个气-水/蒸汽的换热器, 可利用高温烟气余热、化学反应余热、可燃气体余热以及高温产品余热等, 生产高压、中压或低压蒸汽或热水, 用于工艺流程或进入管网供热。同时, 余热锅炉是低温汽轮机发电系统中的重要设备, 为汽轮机等动力机械提供做功蒸汽工质。
实际应用中, 利用350～1 000℃高温烟气的余热锅炉居多, 和燃煤锅炉的运行温度相比, 属于低温炉, 效率较低。由于余热烟气含尘量大, 含有较多腐蚀性物质, 更易造成锅炉积灰、腐蚀、磨损等问题, 因此防积灰、磨损是设计余热锅炉的关键。直通式炉型、大容积的空腔辐射冷却室、设置的密封炉墙、除尘室、大量振打吹灰装置都是余热锅炉为解决积灰、磨损问题在结构上的考虑。另外由于受工艺生产场地空间限制, 余热锅炉把换热部件分散安装在工艺流程各部位, 而不是像普通锅炉一样组装成一体[3]。
近十年随着节能减排工作的推进, 国内主要余热锅炉设计制造企业获得加速发展, 余热锅炉为适应工业领域产能调整和增长, 朝着大型化、高参数方向发展, 如有色冶金行业蒸发量50 t/h、工作压力4.2 MPa的余热锅炉, 或钢铁冶金行业蒸发量达100 t/h, 工作压力12.5 MPa的干熄焦余热锅炉。此外, 进一步提高锅炉传热效果、热利用率, 减轻积灰、磨损等问题, 在锅炉循环方式、受热面结构、锅炉内烟气流道及清灰方式等方面进行改造、革新是余热锅炉技术进步的内容。
2.2 热功转换技术
热交换技术通过降低温度品位仍以热能的形式回收余热资源, 是一种降级利用, 不能满足工艺流程或企业内外电力消耗的需求。此外, 对于大量存在的中低温余热资源, 若采用热交换技术回收, 经济性差或者回收热量无法用于本工艺流程, 效益不显著。因此, 利用热功转换技术提高余热的品位是回收工业余热的又一重要技术。
按照工质分类, 热功转换技术可分为传统的以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点工质的有机工质发电技术。由于工质特性显著不同, 相应的余热回收系统及设备组成也各具特点。目前主要的工业应用以水为工质, 以余热锅炉+蒸汽透平或者膨胀机所组成的低温汽轮机发电系统[9]。相对于常规火力发电技术参数而言, 低温汽轮机发电机组利用的余热温度低、参数低、功率小, 在行业内多被称为低温余热汽轮机发电技术, 新型干法水泥窑低温余热发电技术是典型的中低温参数的低温汽轮机发电技术[10]。
低温汽轮机机发电可利用的余热资源主要是大于350℃的中高温烟气, 如烧结窑炉烟气, 玻璃、水泥等建材行业炉窑烟气或经一次利用后降温到400～600℃的烟气, 单机功率在几兆瓦到几十兆瓦, 如钢铁行业氧气转炉余热发电、烧结余热发电, 焦化行业干熄焦余热发电、水泥行业低温余热发电, 玻璃、制陶制砖等建材炉窑烟气余热发电等多种余热发电形式。但从余热资源的温度范围来看, 该技术利用的中高温余热, 属于中高温余热发电技术。
此外, 通过余热锅炉或换热器从工艺流程中回收大量蒸汽, 其中低压饱和蒸汽 (1 MPa左右) 、或热水占有很大比例, 除用于生产生活, 还有大量剩余常被放散。目前利用这类低压饱和蒸汽发电或拖动的技术主要是采用螺杆膨胀动力机技术。该技术具有以下特点[10,11]:可用多种热源工质作为动力源, 适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相混合物, 也适用于烟气、含污热水、热液体等;结构简单紧凑, 可自动调节转速, 寿命长, 振动小;机内流速低, 除泄露损失外, 其他能量损失少, 效率高;双转子非接触式的特性, 运转时形成剪切效应具有自清洁功能、自除垢能力。螺杆膨胀动力机属于容积式膨胀机, 受膨胀能力限制, 直接驱动螺杆膨胀动力机的热源应用范围为小于300℃的0.15～3.0 MPa的蒸汽或压力0.8 MPa以上, 高于170℃的热水等, 由于结构特点, 因此螺杆膨胀动力机单机功率受限, 多数在1 000 kW以下, 主要用于余热规模较小的场合。
2.3 制冷制热技术
2.3.1 余热制冷技术
与传统压缩式制冷机组相比, 吸收式或吸附式制冷系统可利用廉价能源和低品位热能而避免电耗, 解决电力供应不足;采用天然制冷剂, 不含对臭氧层有破坏的CFC类物质, 具有显著的节电能力和环保效益, 在20世纪末得到了广泛的推广应用。
吸收式和吸附式制冷技术的热力循环特性十分相近, 均遵循“发生 (解析) -冷凝-蒸发-吸收 (吸附) ”的循环过程, 但吸收式制冷的吸收物质为流动性良好的液体, 制冷工质为氨-水、溴化锂水溶液等, 其发生和吸收过程通过发生器和吸收器实现;吸附式制冷吸附剂一般为固体介质, 吸附方式分为物理吸附和化学吸附, 常使用分子筛-水、氯化钙-氨等工质对, 解析和吸附过程通过吸附器实现。
以溴化锂水溶液为工质的吸收式制冷系统应用最广泛, 一般可利用80～250℃范围的低温热源, 但由于用水做制冷剂, 只能制取0℃或5℃以上的冷媒温度, 多用于空气调节或工业用冷冻水, 其性能系数COP因制冷工质对热物性和热力系统循环方式的不同而有很大变化, 实际应用的机组COP多不超过2, 远低于压缩式制冷系统[12], 但是此类机组可以利用低温工业余热、太阳能、地热等低品位热能, 不消耗高品质电能, 而在工业余热利用方面有一定优势。吸收式余热制冷机组制冷效率高, 适用于大规模热量的余热回收, 制冷量小可到几十千瓦, 高可达几兆瓦, 在国内已获得大规模应用, 技术成熟, 产品的规格和种类齐全。
吸附式制冷机的制冷工质对种类很多, 包括物理吸附工质对、化学吸附工质对和复合吸附工质对, 适用的热源温度范围大, 可利用低达50℃的热源, 而且不需要溶液泵或精馏装置, 也不存在制冷机污染、盐溶液结晶以及对金属的腐蚀等问题。吸附式制冷系统结构简单, 无噪音, 无污染, 可用于颠簸震荡场合, 如汽车、船舶, 但制冷效率相对低, 常用的制冷系统性能系数多在0.7以下, 受限于制造工艺, 制冷量小, 一般在几百千瓦以下, 更适合利用小热量余热回收, 或用于冷热电联产系统[12]。
2.3.2 热泵技术
工业生产中存在大量略高于环境温度的废热 (30～60℃) , 如工业冲渣水、冷却废水、火电厂循环水、油田废水、低温的烟气、水汽等, 温度很低, 但余热量大, (水源) 热泵技术常被用于回收此类余热资源。
热泵以消耗一部分高质能 (电能、机械能或高温热能) 作为补偿, 通过制冷机热力循环, 把低温余热源的热量“泵送”到高温热媒, 如50℃及以上的热水, 可满足工农商业的蒸馏浓缩、干燥制热或建筑物采暖等对热水的需求。目前, 热泵机组的供热系数在3～5之间, 即消耗1 kW电能, 可制得3～5 kW热量, 在一定条件环境下是利用略高于环境温度废水余热的经济可行的技术。
当前研制生产的大都是压缩式热泵, 中型热泵正在开发, 大型热泵尚属空白。压缩式热泵中以水源热泵技术应用最为广泛, 可用于火电厂/核电厂循环水余热、印染、轮胎制造、油田、制药等行业的余热回收。例如, 电厂以循环水或工艺产热水作为热源水, 通过热泵机组提升锅炉给水的品位, 使原有的锅炉给水由15℃ (20、25℃) 提升到50℃, 减少锅炉对燃煤的需求量, 达到节能降耗的目的[13]。
2.4 小结
综上所述, 余热利用的技术设备种类繁多, 但都有一定的适用条件, 应当根据工业余热温度、余热量, 结合生产条件、工艺流程、内外能量需求, 选择合适的余热利用方式。
目前国内各主要余热资源都有可选的回收利用技术或设备, 这些技术在原理上和国外余热利用技术并无本质差别, 基本上都是通过上文所述的热交换技术、热功转换技术、制冷制热技术进行余热利用。但由于国外余热回收技术已基本成熟, 其设备性能优良, 应用广泛, 极大地提高了能源利用率。而国内, 高、中温余热利用技术设备未得到有效推广普及, 低温余热由于相应的利用技术不成熟基本被废弃, 造成余热整体利用率低。其中被废弃的200℃甚至300℃以下的低温工业余热虽然品位低、利用技术难度高, 但具有很大比例的余热能量, 如在石化行业可达80%。对于此类低温工业余热, 基于有机朗肯循环ORC的热力发电系统是有效、经济的利用工业低温热能的技术。
3 基于有机介质的低温工业余热发电技术
3.1 低温有机朗肯循环
对于工业中大量废弃的200℃, 甚至300℃以下的低温余热, 目前无法利用蒸汽/热水闪蒸系统进行有效回收, 更适宜采用经济可行的有机朗肯循环余热发电技术。
基于有机介质的低温工业余热发电技术属于热功转换技术, 如有机工质朗肯循环、Kalina循环。有机朗肯循环 (Organic Rankine Cycle, 简称ORC) 是以低沸点有机物为工质的朗肯循环, 其系统组成及原理示意如图1所示, 与常规的蒸汽发电装置的热力循环原理相同, 只是循环工质不同而已, 系统更简单紧凑。采用这种发电方式对低温范围余热利用有显著优点, 余热物流与工质不直接接触, 有机工质蒸汽比容小, 管道尺寸小, 透平通流面积小, 单位体积的功率可以较大, 非常适宜用于低温余热回收。若选择适宜的有机工质, 如干流体和等熵流体, 可不设置过热器, 降低系统的复杂度, 直接将饱和的有机工质蒸汽送入透平膨胀做功后, 在透平出口仍是干蒸汽, 也不会对透平产生液滴侵蚀。
有机工质的选取是有机朗肯循环余热发电技术的重要环节。通常要求工质应满足: (1) 发电性能好, 即在相同蒸发温度和冷凝温度下, 绝热焓降大; (2) 传热性能好, 在相同条件下, 换热系数大; (3) 工质临界参数、常压下沸点等热物理性质适宜; (4) 化学稳定性好、不分解、腐蚀性小、毒性小、环保、不易燃易爆; (5) 经济性好, 既来源丰富, 价格低。但是在实际应用中, 工质很难同时满足上述全部条件, 而且随着国际上对有机工质环保要求的日益提高, 可用工质不断更新, 因此根据热源类型及温度品位, 综合考虑。采用不同有机工质 (或者有机工质的混合物) , 可回收不同温度范围的低温热能, 系统简单, 运行维护成本低, 系统组成示意如图1所示。所选用的工质热物性有所差异, 导致其热力循环特征有所不同, 相应的热力发电系统也各具特点。
有机朗肯循环发电系统设备中, 热交换器、泵与管路阀门等的设计制造可参考化工、制冷行业的热交换设备, 发电机是系列产品, 仅透平膨胀机的选型设计以及密封技术需要区别对待, 进行非标准设计。常用的透平膨胀机有多级轴流透平, 适用于温度较高、工质流量大、总焓降大、容量大的情况下, 但相对内效率相对低, 工艺较复杂;径流式透平相对内效率相对高, 结构紧凑、工艺制造简单, 但单机容量小, 在国外余热利用中有很多应用实例, 适用于余热回收量较小的情况。
目前, 国外ORC技术已成功商业化, 涌现出许多ORC设计与制造厂商, 如美国ORMAT公司、意大利Turboden、德国GMK公司等, 普惠、GE、三菱等著名叶轮机械设计制造企业也成立了专门的ORC公司。目前, 国外ORC技术的应用已从工业余热回收转向地热、太阳能、生物质等低品位能源。
我国对ORC系统的研究应用起步晚, 目前在ORC回收低温工业余热的应用尚数空白。近年来, 浙江大学、中南大学、清华大学等科研单位对有机工质、热力循环、进行了一定理论或小型实验研究。2008年以来, 清华大学和杭州中能汽轮动力有限公司联合开展对ORC工业余热发电系统的工程应用研究和关键技术研发[15], 建立有机朗肯循环热力设计系统和相应的透平设计系统, 在工质选取、热力系统设计优化、有机工质透平设计, 并进行系统变工况性能分析, 将ORC工业低温余热技术积极向工程应用阶段推进。
3.2 Kalina循环
纯工质有机朗肯循环, 由于工质的等温蒸发吸热过程与实际的变温低温热源配合不紧密, 换热平均温差大, 不可逆损失较大。为了减小换热不可逆损失, 对纯工质有机物朗肯循环提出了几种改进的方法, 如混合工质循环、Kalina循环等。Kalina循环是以氨水混合物为工质的循环系统, 最简单的热力循环是一级蒸馏循环, 基本流程如图2所示[14], 即一定浓度的氨水溶液经过水泵加压、预热器升温之后, 进入余热锅炉蒸发, 形成过热氨水蒸汽进入透平膨胀做功, 然后利用复杂的蒸馏冷却子系统解决氨水混合物冷凝问题, 使透平乏汽重新形成一定浓度的工质溶液, 再到达给水泵, 完成一个循环[14]。
Kalina循环在蒸发过程中工质等压变温蒸发, 减少工质吸热过程的不可逆性, 而又因为冷凝过程中的基本工质含氨低, 克服了混合工质有机朗肯循环冷凝损失大的弱点。有理论分析, Kalina循环比纯工质的ORC循环系统性能高出15%以上, 但在实际运行中, 由于氨水混合工质蒸发过程的复杂性以及系统的复杂性等因素, Kalina循环并未表现出非常高的性能。
研究表明, 在中低温余热回收利用中, 针对不同类型的余热类型, Kalina循环和朗肯循环在余热回收利用各方面各有优势, 对于温度和流量一定、余热回收利用后以一定的温度排出, 用于生产过程的余热源, 有机朗肯循环低温余热回收系统更具有优势。
4 结语
节能减排、提高能源利用率是我国能源发展战略的重要内容。我国工业余热资源丰富, 回收利用工业余热是节能减排工作的重点。
按照余热能量的传递转换过程, 可将国内目前余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术和余热制冷制热技术。与热交换技术相对应的设备有各种换热器、热管、余热蒸汽发生器 (余热锅炉) 等, 基本适用于各种温度水平的余热回收, 但只能对余热进行热利用, 用途受到限制。热功转换技术难度较大, 系统复杂, 但可将余热回收转换为电功, 便于输送和使用, 主要有余热锅炉-低温汽轮机发电技术, 适用于利用大于350℃中高温余热, 以干熄焦发电技术和水泥窑纯低温余热发电技术为典型代表;余热制冷制热技术有可利用250℃以下余热的吸收式制冷技术、可利用30～60℃余热的热泵技术, 但其用途需求有限, 只能用于一般的生产或生活制冷制热, 对余热的回收能力有限。
当前中高温余热利用技术普及率不高, 低温余热未被利用是我国余热利用率低的原因之一。因此, 推进工业节能减排工作, 一方面要进一步推广普及中高温余热利用技术, 尤其是提高中小型企业余热利用率, 要推进余热利用技术与工艺节能相结合, 从整个工艺系统分析能源的供给需求, 优化工艺系统及其相应的余热利用技术。另一方面, 从技术发展看, 低温有机朗肯循环技术是利用低温工业余热、地热、太阳能的经济有效方案, 但国内未掌握该技术, 因此强化研究有机朗肯循环等低温余热发电技术, 并积极进行工程应用推广, 对提高低品位余热利用率会起到重要作用。
烟气余热深度回收方法研究 篇8
关键词：烟气余热,深度回收,换热器,热电联产
引言
随着我国经济的发展,人们对能源的需求与日俱增,同时也对能源的品质提出了更高的要求。我国的能源结构主要以燃煤为主,占据总能源消耗的四分之三以上。煤炭燃烧产生的大量氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物以及粉尘等物质,是造成环境污染的主要因素。与煤炭相比,天然气属于清洁能源,其主要由甲烷组成,燃烧产生的烟气中没有粉尘和硫化物,大大降低了对环境的污染。在我国,随着西部气田的开发,天然气这种高热值清洁能源将得到广泛的应用。以北京为例,在未来几年内,中心城区的集中供暖系统将逐步实行煤改气工程,即由燃煤锅炉逐步改造为具有较高的热值的燃气锅炉[1]。
目前,燃气锅炉的排烟温度都很高(150°C~250°C),烟气中夹带有大量的水蒸汽,占烟气成分的20%。如果直接排放,水蒸气不仅会携带走有大量的汽化潜热(占天然气高位发热量的10%~11%),导致锅炉效率降低[2]。而且会导致空气湿度增加,造成水雾以及雾霾的形成。虽然在相同供热量的前提下,燃气锅炉氮化物的排放量相对于燃煤锅炉显著降低了,但是随着燃气锅炉的普及,其排放的氮氧化物对环境的污染不容小视。因此,在加快实施燃煤改燃气步伐的同时,开发具有高效烟气余热回收装置对节能减排具有实质性的意义。
1 烟气余热回收
提高燃气锅炉的热效率的两个主要途径:一是提高燃气系统的燃烧效率;二是提高排烟热能利用率。因此,燃气锅炉的热效率主要与过量空气系数以及排烟的温度有关。图1为在不同排烟温度下以及过量空气系数下的锅炉效率曲线。从图中可以看出,随着排烟温度的逐渐降低,其锅炉效率呈阶梯式上升。在排烟温度200°C时仅为86%左右,在高于露点的温度范围内,其效率随着温度的下降缓慢升高。当烟气温度下降到露点一下时,由于烟气的潜热被吸收,且其效率显著提升到96%左右[3]。传统的燃气锅炉,为了防止低温酸腐蚀,其排烟温度设计为180°C左右,远高于露点温度,因此大量的显热和余热被浪费。通过烟气余热回收技术,即在燃气设备尾部增设冷凝水换热器,对这些热能加以利用,不仅可以减少燃料的消耗,而且可以为企业节约成本,提高经济效益。
烟气余热回收技术的基本原理是通过高温烟气与低温介质(空气、水等)之间的热交换来实现的。通过冷凝介质将锅炉烟气排放温度降至露点以下,水蒸气因冷凝释放出大量的气化潜热,从而可将锅炉的热效率提高到100%以上。同时冷凝式锅炉内的水蒸气冷凝后,可以溶解大部分的NOx、CO2,减少了烟气对环境的污染。
对冷凝式锅炉的研究始于1971年,法国煤气公司和液化工业公司对冷凝式锅炉进行了最早的研究,且于1972年建成了数个成功的示范系统。随后欧美多家公司相继设计出燃气装置的烟气冷凝回收系统,并在西方发达国家的采暖等方面得到了广泛应用。然而,相比于西方国家,我国对燃气冷凝式锅炉的研究不多。近年来,随着锅炉改造步伐的加快,设计高效燃气冷凝式锅炉势在必行。
2 燃气冷凝式锅炉
2.1 直接接触式冷凝锅炉
根据换热的方式不同,可以分为间接式和直接接触式冷凝式锅炉。直接接触式冷凝式锅炉,一般是以水为冷凝介质,采用喷淋逆流方式流入烟气气流,冷凝水与烟气在锅炉内发生直接的热量交换。当有足够数量的水时,烟气将会被冷凝到绝对饱和温度以下,即低于烟气露点温度。最终烟气以低温饱和水的状态离开系统,而水以被加热的形式离开系统。
直接接触式冷凝式锅炉的结构示意图如图2所示[4],锅炉冷凝水经泵输入6-给水雾化器,经过雾化喷嘴雾化成细小水雾,从而增大了冷凝水与烟气的传热传质比表面积,提高了锅炉的传热效率。高温烟气经1-烟气进口自下而上流入,与从雾化器逆向流入的冷凝水进行直接换热,在高温烟气显热被充分吸收的同时,其携带的水蒸气释放出大量的气化潜热而被冷凝,并伴随着加温后的冷凝水从8-出水座流出锅炉。直接冷凝式锅炉具有以下特点:
(1)有着很高的传热系数;
(2)结构简单,耗材小;
(3)无端差,易于小温差传热;
(4)不存在传热面带来的污垢热阻,间壁热阻;
(5)冷凝水与烟气接触时能起到洗气的作用从而减少了烟气中污染物的排放。
2.2 间接式冷凝式锅炉
在间壁式烟气余热回收装置的换热过程中,冷凝液与高温烟气不发生直接接触,热量的传递仅通过中间的固体壁面来完成。由于间壁式换热器冷热工质是间隔的,因此其换热系数要低于直接接触式换热,在相同换热量的前提下,所需的锅炉体积大,换热面耗材要高[5]。烟气冷凝产生的冷凝水会吸收部分烟气中的酸性气体,导致冷凝液酸性(p H=5.5~6.5),在长期运行过程中会对换热面材料造成严重腐蚀,同时由腐蚀产生的污垢会影响换热面的换热系数,导致锅炉的换热效率降低。常见的间接式换热器有板式换热器、管事换热器。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各板片之间形成薄矩形通道,通过半片进行热量交换。板式换热器特殊的结构及换热原理使得其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、热损小、安装和清洗方便等特点。在烟气冷凝系统中具有很广泛的应用前景。
2.3 热管换热器
传统的换热器主要采用管板式结构,在回收余热的过程中具有换热器体积大、耗材大、烟气阻力大、易产生低温腐蚀等缺点,对系统的设计布局带来不便。而热管换热器作为一种新型、高效的换热元件可以解决上述问题[6]。以重力式热管为例,如图3所示,它主要由管壳,外部扩展受热面、工质组成。热管是密封的,且在装入工作液体前被抽真空。工作液体在热端吸收热量而沸腾汽化,产生的蒸汽流到冷端放出潜热而凝结为液体,凝结液在重力的作用下回到热端被再次加热沸腾,如此反复,热量不断有工作液体从热端传递至冷端,完成热循环。热管其特殊的结构,使得其具有换热系数高、流体阻力小、壁问可调控、安全可靠等特点[7]。
3 结束语
随着烟气余热深度回收技术中燃气锅炉的节能优化不断取得突破,热管换热器的研究与应用也取得很大进步,目前吸收式热泵技术与二者的结合集成大大降低了热电联产集中供热能耗,大幅度提升了热网的供热能力,已经在不少热电联产集中供热的电厂得到了应用和推广,取得了良好的经济效益和环境效益。
参考文献
[1]李慧君,王树众,张斌,林宗虎(2003)冷凝式燃气锅炉烟气余热回收可行性经济分析.工业锅炉(2):1-4.
[2]李慧君,林宗虎(2005)燃气锅炉烟气余热回收实验分析.工业锅炉(6):1-4.
[3]王志勇,刘畅荣,王汉青,寇广孝(2010)燃气锅炉烟气热损失及冷凝余热回收.煤气与热力30(6):4-7.
[4]刘武标,林世平,陈鹏飞,林晶(2007)新型燃气锅炉尾部烟气余热回收节能器的应用研究.能源工程(3):70-72.
[5]杨石,顾中煊,罗淑湘,钟衍(2014)我国燃气锅炉烟气余热回收技术.建筑技术45(11):976-980.
[6]张欣,赵清晨(1998)热管换热器在小型锅炉上的应用.山西建筑3:029.