基于有機朗肯循環(huán)的低品位工業(yè)煙氣余熱優(yōu)化利用研究
——以夾江縣某建陶廠為例

李 悅 蔣福建 余南陽

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)高速發(fā)展，能源形勢日趨嚴峻，做好節(jié)能減排工作己經(jīng)成為全社會的共識。我國工業(yè)余熱資源豐富，廣泛存在于工業(yè)各行業(yè)生產(chǎn)過程中，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達60%，余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大，工業(yè)余熱回收利用又被認為是一種“新能源”，近年來成為推進我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[1]。在建陶類企業(yè)中，陶瓷燒成過程中的窯爐排煙熱損失占窯爐總輸入熱量的百分之二十五到百分之三十五[1]，因此煙氣余熱回收對建陶類企業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。而在低品位余熱利用方面，有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、循環(huán)熱效率高、蒸發(fā)壓力和冷凝壓力較低、環(huán)境友好和負荷適應(yīng)能力強等優(yōu)點，已成為低品位余熱資源的主要利用方式之一[3]。本文以夾江某典型建陶廠為例，對其余熱資源進行調(diào)研，并對不同余熱溫度段有機朗肯循環(huán)的最佳運行參數(shù)進行分析。

1 建陶類企業(yè)煙氣調(diào)研情況

對四川省夾江縣建陶類企業(yè)進行調(diào)研，夾江地區(qū)主要陶瓷廠生產(chǎn)工藝差別不大，在廢水方面做到了循環(huán)利用，基本沒有廢水產(chǎn)出；在蒸汽方面，只有在對瓷磚進行噴水降溫時產(chǎn)生少量蒸汽，溫度區(qū)間較低且量極少，并無回收利用的必要；在固體余熱方面，雖然燒成磚在出窯時仍有200～300℃的溫度，但這一部分低溫余熱難以直接回收，且為滿足實際生產(chǎn)過程中的質(zhì)量與產(chǎn)量的綜合需求，已使用噴淋水或風(fēng)冷形式進行冷卻，極大地犧牲了余熱品位，回收難度大、收益低，因此在陶瓷廠余熱方面，主要可利用的余熱載體為煙氣。

建陶類企業(yè)生產(chǎn)線工藝主要分為漿料處理及儲備、磚坯干燥（干燥窯）、磚坯燒成及磚坯冷卻。磚坯燒成主要通過燒成窯將天然氣分段燃燒，以提供不同的燒成溫度。燒成窯分為預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶三個階段，溫度在300～1200℃不等，產(chǎn)生煙氣由抽熱風(fēng)機抽出排到干燥窯。干燥窯中利用燒成窯中的煙氣余熱，將含有水分的常溫磚坯進行排水干燥，窯內(nèi)溫度保持在270℃～300℃之間，最終煙氣從干燥窯排出，進入脫硫塔。

在整個生產(chǎn)過程中，煙氣從窯爐中被引出進入干燥窯，對原料進行干燥，這部分煙氣雖然得到了直接利用，但排放時依然有較高溫度，根據(jù)調(diào)研，干燥窯出口煙氣溫度及流量如圖2所示。

圖1 陶瓷磚坯燒成過程Fig.1 Ceramic tile firing process

圖2 干燥窯出口煙氣溫度及流量Fig.2 Temperature and flow rate of flue gas at the outlet of drying kiln

對于夾江縣陶瓷企業(yè)現(xiàn)有的工藝設(shè)備，在余熱回收方面，可利用煙氣溫度范圍150～200℃，流量為2.75×10 m /h，根據(jù)表1的劃分標準屬于低品位余熱[4]，忽略煙氣雜質(zhì)影響，假設(shè)煙氣中僅含有氧氣、氮氣及水蒸氣，利用Aspen Plus 軟件對ORC發(fā)電系統(tǒng)進行煙氣余熱利用過程模擬。

表1 余熱品位劃分標準Table 1 Waste heat grade classification standard

2 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹機和工質(zhì)泵組成。工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱量由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，推動膨脹機旋轉(zhuǎn)后，在膨脹機做完功的乏氣進入冷凝器中經(jīng)冷卻水冷卻后重新變?yōu)橐后w，最后由工質(zhì)泵打入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán)，工質(zhì)循環(huán)的過程如圖3所示。

圖3 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)溫熵圖Fig.3 Temperature and Entropy Diagram of Organic Rankine Cycle System

等壓吸熱過程（4-5-6-1）有機工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱源熱量，溫度升高并蒸發(fā)，吸收熱量為：

等熵膨脹過程（1-2s），在膨脹機中工質(zhì)對外做功為：

等壓放熱過程（2s-3），由膨脹機排出的工質(zhì)蒸汽進入冷凝器經(jīng)由冷卻水冷凝為液態(tài)，工質(zhì)放出熱量為：

等熵壓縮過程（3-4），由冷凝器排出的液態(tài)工質(zhì)通過工質(zhì)泵加壓送至蒸發(fā)器，外界對工質(zhì)做功為：

因此，循環(huán)的熱效率為：

系統(tǒng)凈功為：

2.2 Aspen Plus 建模

為了評估系統(tǒng)性能，本文利用Aspen Plus 軟件對系統(tǒng)進行模擬，物性方法選擇PENG-ROB，收斂方法選擇Wegstein 法，具體模型如圖4所示，其中，蒸發(fā)器由B1 與B2 兩個換熱器組成，B3 為冷凝器，B5 為膨脹機，B4 為工質(zhì)泵，流股IN 為煙氣入口，流股OUT 為煙氣出口，1 為斷裂物流，其他參數(shù)設(shè)置如表2所示。最后通過輸出功、熱效率、?損失、年度凈收益（ANI）及CO2減排量五種指標對系統(tǒng)進行評價。

圖4 Aspen Plus 模擬有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.4 Aspen Plus simulated organic Rankine cycle system diagram

表2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置范圍Table 2 System parameter setting range

有機朗肯循環(huán)中，影響循環(huán)性能的參數(shù)很多，本文主要通過輸出功、熱效率、?損失、年度凈收益（ANI）及CO2減排量五種指標，研究系統(tǒng)工質(zhì)、夾點溫差、蒸發(fā)壓力、過熱度對系統(tǒng)的影響。有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)有以下幾點要求：回收效果好，余熱回收效率高；傳熱性能好，換熱系數(shù)大；飽和壓力水平適中；來源豐富獲取成本低；穩(wěn)定性好，無毒害，環(huán)境友好。基于以上條件以及現(xiàn)有文獻推薦工質(zhì)，本文選擇R227ea、R245fa、R236ea 及R123四種工質(zhì)[5-9]，其相關(guān)物性參數(shù)如表3所示。

表3 有機工質(zhì)物性參數(shù)Table 3 Physical parameters of organic working fluid

3 研究結(jié)果與分析

在其他條件一定的前提下，夾點溫差主要影響系統(tǒng)ANI，如圖5所示，工質(zhì)R227ea、R236ea 和R245fa 在熱源溫度160℃，蒸發(fā)壓力2MPa 時，同一工質(zhì)夾點溫差越高，系統(tǒng)經(jīng)濟性越差，因此在同一蒸發(fā)壓力下，應(yīng)盡可能減小系統(tǒng)夾點溫差。

圖5 夾點溫差對系統(tǒng)ANI 影響Fig.5 The influence of the temperature difference of the pinch point on the ANI of the system

當熱源溫度在150～200℃之間變化時，不同的熱源溫度及蒸發(fā)壓力需匹配不同的夾點溫差，過小的夾點溫差可能無法達到系統(tǒng)要求，圖6以工質(zhì)R245fa 為例，給出了各夾點溫差下系統(tǒng)對應(yīng)的最高ANI，可以看出，當夾點溫差小于25℃時，系統(tǒng)ANI 對夾點溫差增大而增大；當夾點溫差大于25℃時，系統(tǒng)ANI 對夾點溫差增大而減小，系統(tǒng)在夾點溫差25℃時達到最優(yōu)值。

圖6 工質(zhì)R245fa 的夾點溫差對系統(tǒng)ANI 的影響Fig.6 The influence of the temperature difference of the pinch point of the working fluid R245fa on the ANI of the system

工質(zhì)蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度一一對應(yīng)，一般情況下，工質(zhì)蒸發(fā)溫度隨蒸發(fā)壓力升高而增大，表4給出了工質(zhì)在不同壓力下蒸發(fā)溫度。

表4 不同壓力下工質(zhì)蒸發(fā)溫度/℃Table 4 Evaporating temperature of working fluid under different pressure/℃

續(xù)表4 不同壓力下工質(zhì)蒸發(fā)溫度/℃

圖7～8 顯示了熱源溫度160℃時，在不同蒸發(fā)壓力下四種工質(zhì)系統(tǒng)熱效率和ANI 變化，四種工質(zhì)的熱效率均隨蒸發(fā)壓力增大而增大，但其增速隨蒸發(fā)壓力增大而減緩：以工質(zhì)R245fa 為例，蒸發(fā)壓力由1MPa 增加到1.5MPa 時，系統(tǒng)熱效率增加1.66%，增幅為17.2%；蒸發(fā)壓力由2.5MPa 增加到3MPa 時，系統(tǒng)熱效率增加0.3%，增幅僅為2.4%。

圖7 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱效率影響Fig.7 The influence of evaporation pressure on the thermal efficiency of the system

圖8 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)ANI 影響Fig.8 Effect of evaporation pressure on system ANI

對于系統(tǒng)ANI，工質(zhì)為R123 和R245fa 時，系統(tǒng)ANI 隨著蒸發(fā)壓力的增大先增大后減小，存在一個最大值，工質(zhì)R123 的最大值出現(xiàn)在蒸發(fā)壓力1MPa 處，而工質(zhì)R245fa 的最大值出現(xiàn)在蒸發(fā)壓力2MPa 處；工質(zhì)為R236ea 和R227ea 時，系統(tǒng)ANI沒有出現(xiàn)拐點，其大小均隨蒸發(fā)壓力增大而增大，但隨著蒸發(fā)壓力的增大，其增速減緩。

由圖9可知，工質(zhì)為R227ea、R236ea 和R245fa時，系統(tǒng)?損失隨著蒸發(fā)壓力的增大先減小后增大，存在一個最小值，工質(zhì)R227ea 的最小值出現(xiàn)在蒸發(fā)壓力2MPa 處，工質(zhì)R236ea 和R245fa 最小值出現(xiàn)在蒸發(fā)壓力2.5MPa 處；工質(zhì)為R123 時，系統(tǒng)?損失沒有出現(xiàn)拐點，其大小均隨蒸發(fā)壓力增大而減小。

圖9 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)火用損失影響Fig.9 Influence of evaporation pressure on system exergy loss

系統(tǒng)做功能力受工質(zhì)流量及工質(zhì)蒸汽溫度雙因素影響，不同工質(zhì)在不同熱。源條件下需要具體分析計算。圖10 以工質(zhì)R245fa 為例，表明蒸發(fā)壓力在不同熱源溫度下對系統(tǒng)的影響：低蒸發(fā)壓力的系統(tǒng)，系統(tǒng)凈功隨熱源溫度的變化幅度明顯低于高蒸發(fā)壓力的系統(tǒng)，且以最高膨脹機做功為指標，不同熱源溫度系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)壓力不同，在熱源溫度低于160℃時，1MPa 的蒸發(fā)壓力下，系統(tǒng)做功較高；熱源溫度高于190℃時，3.5MPa 的蒸發(fā)壓力下，系統(tǒng)做功較高。工質(zhì)流量與蒸發(fā)壓力呈負相關(guān)，而蒸發(fā)溫度則與蒸發(fā)壓力呈正相關(guān)，二者都對膨脹機做功有著直接影響，且影響程度與熱源溫度相關(guān)，因此若以系統(tǒng)做功作為優(yōu)化指標，不同熱源溫度應(yīng)對應(yīng)不同的蒸發(fā)壓力。

圖10 不同熱源溫度下蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)凈功影響Fig.10 The influence of evaporation pressure on the net power of the system under different heat source temperatures

過熱度主要影響工質(zhì)進入膨脹機的溫度，在蒸發(fā)壓力一定的情況下，過熱度越高，同一工質(zhì)進入膨脹機的蒸汽溫度越高，單位流量下工質(zhì)蒸汽做功能力越強。但工質(zhì)過熱度受蒸發(fā)器夾點溫差以及熱源流體溫度制約。

以工質(zhì)R245fa 為例，在熱源溫度為180℃，蒸發(fā)壓力3MPa 以及夾點溫差為20℃時，模擬了不同過熱度對系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果如圖11～14 所示。當系統(tǒng)蒸發(fā)壓力2MPa 時，在同一蒸發(fā)壓力下，過熱度的增加對系統(tǒng)熱效率和?損失有正面影響：熱效率隨過熱度增加有所增加，但增幅隨過熱度增加而減緩，且過熱度對熱效率整體影響有限，過熱度由0 增加到16℃時，增長率僅1.81%；?損失隨過熱度的增加有所減小，過熱度由0 增加到16℃時，?損失減少了23.09%。同時，過熱度的增加對系統(tǒng)凈功和ANI 有負面影響：過熱度由0增加到16℃時，其凈功和ANI 分別減小了20.82%和19.37%。

圖11 過熱度對系統(tǒng)凈功影響Fig.11 The influence of superheat on the net power of the system

圖12 過熱度對系統(tǒng)熱效率影響Fig.12 The effect of superheat on the thermal efficiency of the system

圖13 過熱度對系統(tǒng)?損失影響Fig.13 The effect of superheat on system exergy loss

圖14 過熱度對系統(tǒng)ANI 影響Fig.14 The effect of superheat on the system ANI

根據(jù)以上分析，基于不同的評價指標，系統(tǒng)有不同的參數(shù)選擇，因此本文提出基于層次分析法的綜合評價方法，層次結(jié)構(gòu)如圖15 所示。

圖15 評價層次結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Evaluation hierarchy diagram

對于準則層權(quán)重系數(shù)，本文參考文獻[3]，根據(jù)表5進行計算。

表5 準則層權(quán)重系數(shù)Table 5 Criterion-level weight coefficient

對于指標的權(quán)重，要先將各指標均一化，再根據(jù)其均一化指標分級取值，均一化指標x具體計算公式如下：

式中，xi為第i個指標的均一化指標；Xi為第i個指標值；Xiopt為所有候選方案中第i個指標的最優(yōu)值。

將指標進行均一化處理之后，按照均一化結(jié)果，將不同指標值平均分為五級，并按照分級數(shù)值生成判斷矩陣，計算準則層的權(quán)重。

根據(jù)準則層權(quán)重及指標層權(quán)重相乘，得到各準則在系統(tǒng)內(nèi)的總權(quán)重。

根據(jù)均一化指標值及其系統(tǒng)總權(quán)重，建立系統(tǒng)的可行性判斷指標（Feasibility Level，F(xiàn)L），其定義式為：

式中，wi為第i個指標的系統(tǒng)總權(quán)重。

根據(jù)以上計算方式，可以得到不同熱源溫度下較優(yōu)的工質(zhì)及其相關(guān)參數(shù)選擇結(jié)果如表6～7 所示。

表6 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)選擇Table 6 Parameter selection of organic Rankine cycle system

表7 最優(yōu)FL 下的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)指標Table 7 Related Indexes of Organic Rankine Cycle System under Optimal FL

4 結(jié)論

本文基于四川省夾江縣建陶類企業(yè)余熱資源調(diào)研結(jié)果，通過有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)對其煙氣余熱進行利用，并根據(jù)Aspen Plus 流程模擬軟件對其進行模擬，得到以下結(jié)論：

（1）通過調(diào)研，夾江縣建陶類企業(yè)具有大量以煙氣為載體的余熱資源，可利用溫度為150～200℃，流量為275000m /h，屬低品位余熱。

（2）夾點溫差主要影響系統(tǒng)經(jīng)濟性，為達到更高的經(jīng)濟性，不同工質(zhì)存在其最優(yōu)的夾點溫差。

（3）在蒸發(fā)壓力方面，更高的蒸發(fā)壓力可使系統(tǒng)達到更高的熱效率，但對于系統(tǒng)經(jīng)濟性，則存在一個最佳蒸發(fā)壓力使系統(tǒng)有更高的經(jīng)濟性，且對于系統(tǒng)輸出功，不同的熱源溫度對應(yīng)的系統(tǒng)最佳蒸發(fā)壓力不同。

（4）在過熱度方面，在相同的蒸發(fā)壓力下，過熱度的升高使熱效率小范圍內(nèi)增加，?損失減少，但系統(tǒng)凈功和經(jīng)濟性都減小。

（5）基于不同的熱源溫度，有機朗肯循環(huán)循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)選擇不同的工質(zhì)及運行參數(shù)，使系統(tǒng)性能達到最佳。