石灰窑低温余热发电系统对比研究

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1、中国工程热物理学会学术会议论文工程热力学与能源利用编号：121117石灰窑低温余热发电系统对比研究王江峰，王漫，阎哲泉，戴义平(西安交通大学能源与动力工程学院，西安710049)(联系人：王江峰Tel:13519144531,Ema订:jfwangSmail.xjtu.edu.cn)摘要：针对石灰窜余热条件，分别釆川水蒸汽余热发电系统、有机工质单压余热发电系统、有机工质单压再热余热发电系统、冇机工质双压余热发电系统和氨水混介工质余热发电系统进行回收，转化为高品位的电能。在余热发电系统数学模型基础上，建立了石灰帑余热发电系统的热力学仿真平台，对五种余热发电系统在相同余热条件F进行

2、了热力优化计算，比较了不同系统的热力学性能。结果表明，氮水混合工质余热发电系统的净输出功率绘人，其次为有机工质双压余热发电系统，从工程应用潜力角度，考虑到系统复杂性、技术成熟性和投资成本等因素，冇机工质双压余热发电系统是最合适的石灰窑余热利用的技术方案。关键词：余热利用；有机朗肯循环；Kalina循环；石灰密0前言石灰是钢铁、铝冶炼、金属镁冶炼、电石等牛产中的重耍原料z—。随着我国经济的快速发展，活性石灰I口I转窜系统得到了突飞猛进的发展。由于活性石灰在生产过程中会产牛250C左右的窑尾废气，该废气无一例外地经除尘处理后全部排放到环境，造成了能源的浪费和热污染。因此，开展石灰窑

3、余热发电系统的研究，符合我国节能减排的战略要求，具有重要的学术价值和工程应用价值。石灰窑的余热属于低温余热，目前対低温热源冋收利用的技术方案通常为有机朗肯循环和Kalina循环。冇机朗肯循环就是采用沸点比较低的冇机物代替水作为工质的朗肯循环，广泛应用于工业余热利用、A阳能利用和地热能利用。国内外学者对有机朗肯循环的研究主要围绕冇机工质选择胛】、循环热力学分析及优化31、循环系统比较16,71和实验研究［&9】开展工作。Kalina循环是采用氨水混合物为工质，利用了非共沸点混合物在蒸发过程中温度增加的特性，使得工质的吸热温度曲线和热源的放热温度曲线达到很好的匹配，从而减少不可逆损

4、失，提高整个循环的效率。同时采用蒸锚冷凝子系统(DistillerCondensateSub-System,简称DCSS)解决了常温下氨水混介物的冷凝问题。许多学者对Kalina循环进行了深入的研究，主要围绕热力学分析和优化叫⑵、系统比较【⑶叭应用和示范电站⑸等。市于不同的动力循环在余热利用中各有优势，为了确定合适的石灰窑余热发电系统的循环方案，本文对水蒸汽余热发电系统、有机工质单压余热发电系统、有机工质单压再热余热发电系统、有机工质双压余热发电系统和氨水混合工质余热发电系统在相同石灰帑余热条件下进行了热力优化计算，比较了不同系统的热力学性能。基金项目：国家自然科学基金(511

5、06117),国家科技支撑计划(2011BAA05B03)o1石灰窑余热条件石灰窑的余热主要来自预热器排放出来的废气，对于某年产30万吨活性石灰生产线的设计参数如下：表1某年产30力吨活性石灰生产线的设计参数项目数值生产能力>1000t/d余热流量13.5万NmVhCaO含量$90%石灰单位热耗4800kJ/kg.lime预热器排出废气量13500()NmVh预热器排出废气温度220〜250°C预热器排出废气含尘浓度W30g/Nm2有机工质单压余热发电系统有机工质单压余热发电系统采用有机工质代替水作为循环T质，例如R123、R245fa、R134a等，系统构成和图1相同。液态有

6、机工质经增压泵增压升压后进入省煤器预热，预热后的有机工质在蒸发器中被加热成饱利蒸气，饱和蒸气再由过热器加热成过热蒸气,从余热锅炉出来的过热蒸气进入透平膨胀做功驱动发电机发电，膨胀后的乏汽进入冷凝器被冷凝成液态有机工质，最后进入增压泵完成一个循坏。除尘器处理风量300000n?/h2石灰窑余热发电系统2.1水蒸汽余热发电系统传统的石灰密水蒸汽余热发电系统如图1所示。凝结水经水泵加压后进入省煤器预热，预热后的水在蒸发器中被加热成饱和蒸汽，饱和蒸汽再由过热器加热成过热蒸汽，从余热锅炉出来的过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功驱动发电机发电，膨胀后的乏汽进入冷凝器被冷凝成凝结水，凝结水最后进入水

7、泵完成一个循环。图2给出了水蒸汽余热发电系统中余热锅炉的换热温度曲线。增压泵图2水蒸汽余热发电系统余热锅炉换热温度Illi线图I水蒸汽余热发电系统2.3有机工质单压再热余热发电系统有机工质单压再热余热发电系统如图3所示，有机工质经增压泵增压后进入省煤器预热，预热后的有机工质在蒸发器被加热成饱和蒸气，饱和蒸气再山过热器加热成过热蒸气，然后进入高压透平膨胀做功，从高压透平出来的乏气再进入再热器再热，再热后的蒸气进入低压透平继续膨胀做功，两个透平共同驱动发电机发电，从低压透平汕来的乏汽进入冷凝器冷