低温余热发电的利用

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对低温余热资源量的统计与评价，除了用热力学第一定律分析其所含的资源量以外，还必须用热力学第二定律（分析法）对低温余热资源的作功能力及其动力利用的理论限度进行分析。根据余热资源的总量以及载热介质的比，可以科学地判断低温余热的作功能力及其动力利用的理论限度，从而合理地配置装机容量。同时，低温余热对于节约能源都具有十分重要的作用，有利于资源的合理利用。

一、引言

低温余热的利用大致有两种方式，一为热利用，二为动力利用。究竟以哪种利用方式为宜，一方面要看实际需要，另一方面要看低温余热资源的条件。温度过低的余热只适用于作一般的显热利用。如果余热的温度较高，量也足够大，那么利用低温余热发电产生动力，就会显示出其经济上的可行性。

二、低温余热发电的热力分析

（一）低温余热发电的热力循环

低温余热发电的动力利用装置，多采用朗肯循环。余热的载热介质（简称余热介质）通过预热器和蒸发器（或余热锅炉）来加热某种低沸点的中间工质（通常为水）。液态的中间工质在吸收了余热以后，在蒸发器中汽化为某一压力的蒸汽，然后推动汽轮机发电。进入汽轮机的蒸汽可以是饱和蒸汽，也可以是过热蒸汽。

在汽轮机中作过功的蒸汽排入凝汽器中冷凝为液态工质，用工质泵打回预热器，完成一个热力循环。

如果余热的温度较高，量也很大，那么可考虑采用更复杂一些的循环装置，称作余热发电装置的多级蒸发。在这一方案中，余热介质相继通过高压、低压等多个蒸发器来加热中间工质，使之产生压力不等的多股蒸汽，各股蒸汽根据其压力的高低，从适当的部位通入汽轮机发电作功。

如果余热介质是热水或是水蒸汽，那么只要条件符合要求，也可以使余热介质兼作作功的工质。以热水兼作作功工质时，需要使用扩容器。

纯低温余热发电系统的余热参数。预分解窑系统较为稳定，参数具有代表性和可靠性的前提下，进行现场热工标定。标定熟料产量5 260 t/d，测得窑尾预热器出口废气量29.3万 Nm3/h，废气温度318 ℃；由于入生料磨物料的综合水分较高，因此生料磨烘干物料所需废气温度较高，达220 ℃；另外，AQC锅炉从冷却机中部抽出的烟气量为25.5万Nm3/h、温度为360 ℃。

（二）低温余热发电的容量估算

在分析低温余热资源的动力利用时，除了用热力学第一定律分析其所含的资源量以外，还必须用热力学第二定律（分析法）对低温余热资源的作功能力及其动力利用的理论限度进行分析。根据余热资源的总量以及载热介质的比，可以科学地判断低温余热的作功能力及其动力利用的理论限度。温度过低的余热只适宜于做一般的显热利用。如果余热的温度较高，量也足够大，那么利用低温余热发电产生动力，就会显示出其经济上的可行性。

热平衡计算过程

需要补充的原始条件：

热量收入

（1）碳素氧化热

由C氧化成1m? 的CO2放热 =17898.43 KJ/m?，由C氧化成1m?的CO放热 =5248.45KJ/m?。碳素氧化热=302.18×19878.43+(426.86-2.22)×5250.50=7638119.90 KJ

（2）热风带入热

1150 ℃时干空气的比热容为1.429kJ/ m3?℃ ，水蒸气的比热为1.753 kJ/ m3?℃,热风带入热=[(1252.24-18.74)×1.429+18.74×1.753]×1150=2064848.00KJ

（3）成渣热

炉料中以碳酸盐形式存在的CaO和MgO，在高炉内生成钙铝酸盐时，1kg放出热量1130.49 kJ

混合矿的CaO=1670.86×0.0154×=32.75 KJ。成渣热=32.75×1130.49=307023.55kJ

热量支出

（1）氧化物分解与脱硫耗热

铁氧化物分解热：设焦炭和煤粉中FeO以硅酸铁形态存在，烧结矿中FeO有20%以硅酸铁形态存在其余以Fe3O4，铁氧化物分解热由FeO、Fe3O4和Fe2O3三部分组成。

m（FeO）硅酸铁=1670.86×0.79×0.0818×0.2+360×0.0067+160×0.0045=24.72 kg。去除进入渣中的FeO，它也以硅酸铁形式存在，计3.69 kg，余下的m(FeO)硅酸铁=24.72-3.69=21.03 kg

（2）碳酸盐分解热

由CaCO3分解出1 Kg的CO2需热4044.64 KJ，由M gCO3分解出1 Kg CO2需热2487.08 KJ，混合矿石CO2量=1670.86×0.0154=25.73Kg。假定CaCO3和M gCO3是按比例分配的。

三、低温余热发电的方案

（一）方案的选择

余热动力装置最常用的方案有中间工质方案与扩容方案两大类，每一类又有单级蒸发与多级蒸发之分。

在中间工质方案中，余热介质把热量通过面式换热器传给作为工质的中间介质，而余热介质本身并不作功。中间工质可以是非水工质也可以是水。如果余热介质本身是非水的或者是不洁净的，则中间工质方案是优先考虑的方案，在目前它是惟一可行的方案。

中间工质方案的主要优点是适应性比较强，通过工质种类的选择有可能减小汽轮机的尺寸，提高装置的循环效率，并有效地利用冬季的低温增加发电量。中间工质方案，特别是非水工质方案的最大缺点，就是不论在蒸发端还是凝结端，都需要相对来说比较庞大的换热器。品位低的余热装置，传热的端温差选得不能太大，非水中间工质的传热性能又差，这两个因素是导致换热面积大的主要原因。

（二）可利用余热条件

1、汽机系统

汽轮机为国产低压凝汽式汽轮机，额定功率为4.SMW。主汽参数:压力1.OMPa,温度310`，排汽压力0.007MPa,汽轮机转速为3000r/min,调速系统为电液控制。

2、锅炉系统

在窑头冷却机中部废气出口设置窑头余热锅炉:分两段设置(其中r段为蒸汽段，II段为热水段);在窑尾预热器废气出口设置窑尾余热锅炉(只设置I段一蒸汽段)。

窑头余热锅炉I段生产压力1.1MPa,温度340℃过热蒸汽7.3t/h。窑头余热锅炉II段生产的180℃左右的热水21.3t/h，其中7.6t/h的热水提供给窑头余热锅炉I段，另外13.7t/h的热水作为窑尾余热锅炉给水。

窑尾余热锅炉生产的压力1.1MPa,温度310℃过热蒸汽13.2t/h与窑头余热锅炉产生的过热燕汽并入汽轮机房的主蒸汽母管，除去室外管线的压力、温度损失混合为压力1.OMPa,温度310℃过热蒸汽(其烩值为3073.SkJ/kg)作为主蒸汽进人汽机做功，做功后的乏汽(压力盛0.0070MPa,熔约为2406.2kJ/kg)通过冷凝器冷凝成水，凝结水经凝结水泵送人锅炉给水泵，为窑头余热锅炉II段提供给水，从而形成完整的热力循环系统。

3、电气系统

余热电站采用l0kV单母线分段接线方式。1号、2号发电机组分别由电站10kV 1,11段母线经单回电缆线路与公司总降变电站10kV母线连接，从而实现余热电站与系统井网运行，同期并网操作设在电站侧，并且在发电机出口断路器、电站侧发电机联络断路器及电站侧10kV I,II段母线联络断路器处设置同期并网点。电站与电力系统并网运行，在不改变总降原有供电及运行方式的前提下，发电机发出的电量全部用于全厂负荷。

根据余热电站的运行特点，采用机、炉、电系统集中的控制方式。

四、结束语

本文分析了低温余热资源动力利用的理论限度，低温余热所能提供电力的理论最大值，等于余热介质的量，也就是低温余热发电装置的理论最大发电量，并导出了低温余热发电装置所能获得的最大净发电量Wt公式。笔者认为，在确定低温余热发电的装机容量与经济性时，应以净发电量的理论值为主要依据进行评估。