化工企業(yè)低品位余熱能源的發(fā)電應(yīng)用

1、化工企業(yè)低品位余熱能源的發(fā)電應(yīng)用通化化工股份有限公司尹繼平江蘇凱茂石化科技有限公司李洪偉天津圣智達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司李光寅化工生產(chǎn)存在大量的低品位余熱，許多企業(yè)無(wú)法利用只能放空處置。隨著石油能源危 機(jī)的出現(xiàn)，人類(lèi)不斷尋找新型能源，同時(shí)也在關(guān)注低品位能源的利用研究。時(shí)代的發(fā)展與能源格局的驟變，不被人們關(guān)注的垃圾級(jí)低品位能源還是有幸讓研究人 員發(fā)現(xiàn)與研究利用。垃圾處理焚燒發(fā)電、新農(nóng)村秸桿沼氣發(fā)電、生物能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太 陽(yáng)能發(fā)電、半導(dǎo)體溫差發(fā)電，震動(dòng)發(fā)電，甚至連微小的能源也被科學(xué)家關(guān)愛(ài)了，掀起了 新一輪的工業(yè)化發(fā)電熱潮。筆者長(zhǎng)期研究低品位余熱發(fā)電技術(shù)和跟蹤發(fā)電設(shè)備研發(fā)進(jìn)展，目前已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用 階

2、段，本文是近年來(lái)的研究應(yīng)用情況。一、低品位余熱利用發(fā)電的價(jià)值按照發(fā)電一千瓦小時(shí)電消費(fèi)327克標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，折合碳排放870g/kwh。如果能把化工 企業(yè)的低壓余熱蒸汽利用發(fā)電，無(wú)論是當(dāng)前還是未來(lái)，將功不可沒(méi)。1MPa以下的低品位蒸汽無(wú)法滿(mǎn)足1.5MPa (340C )傳統(tǒng)低壓汽輪機(jī)所需參數(shù)工作條件。 近年由江西華電電力有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)成功的“螺桿膨脹蒸汽發(fā)電機(jī)”工作壓力為 0.2-3MPa，能適應(yīng)汽液兩相混合工質(zhì)熱源，很好地解決了甲醛生產(chǎn)過(guò)程副產(chǎn)0.4MPa飽和蒸 汽的用途。二、低壓低溫蒸汽發(fā)電原理利用0.2-3MPa壓力，溫度不高于300C的飽和蒸汽，直接通入蒸汽產(chǎn)生動(dòng)力，利用較 低的壓力差、

3、溫度差拖動(dòng)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)“蒸汽能-機(jī)械能-電能”的轉(zhuǎn)換機(jī)理。這類(lèi)發(fā)電機(jī)組有傳統(tǒng)汽輪機(jī)的改良型，也有獨(dú)具特色的氣液混合式機(jī)型。其發(fā)電消耗 蒸汽流量2.5-4t/h時(shí)，能發(fā)電200kwh。下面就筆者跟蹤的蒸汽發(fā)電設(shè)備調(diào)查如下：1、美國(guó)ECT飽和蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)是利用純低溫飽和蒸汽即可接入發(fā)電的高科技設(shè)備， 在余熱利用發(fā)電工程上很為適用。在現(xiàn)在已有蒸汽鍋爐供車(chē)間設(shè)備使用蒸汽的工廠最為有 利，即把此飽和蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)串接在蒸汽管道上，即可產(chǎn)生40-2500KW電能，(條件：蒸 汽壓力在2公斤以上，蒸汽流量在3噸/小時(shí)以上)，不增加蒸汽鍋爐的燃料，不影響車(chē)間 設(shè)備蒸汽的使用，只利用車(chē)間設(shè)備不利用的蒸汽動(dòng)能。

4、該飽和蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)為聯(lián)合國(guó)環(huán)保 組織投資，美國(guó)研制生產(chǎn)的高科技設(shè)備，具有環(huán)保，節(jié)能，高效的優(yōu)勢(shì)。2、背壓式過(guò)熱蒸汽機(jī)組需配備帶有過(guò)熱器的鍋爐使用，原飽和汽的鍋爐需要加裝過(guò)熱 器才能與之配套。6-10t/h以上的鍋爐都有加裝過(guò)熱器位置，10t/h鍋爐有飽和汽1.27 Mpa、 194C改為1.27 Mpa、350C，需加裝過(guò)熱面積為43.67m2.。過(guò)熱器是有多根$322.5的鋼 管彎曲幾圈而成。進(jìn)排氣參數(shù)對(duì)背壓式汽輪機(jī)做功能力和效率有一定影響，在一定范圍內(nèi)進(jìn) 汽參數(shù)越高，排氣參數(shù)越低；汽輪機(jī)做功越多，汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電越多、汽耗越低。例如：B0.3-1.27/0.49進(jìn)汽280C、汽耗32公斤/

5、度電。B0.3-1.27/0.294 進(jìn)汽 320C、排氣 2160C、汽耗 21.5 公斤/度電。B0.3-2.45/0.49 進(jìn)汽 390C、排氣 2730C、汽耗 19.5 公斤/度電。該背壓式汽輪機(jī)組節(jié)能的宏觀認(rèn)識(shí)，能量的可用性必須從能的數(shù)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)加以分析，能的品質(zhì)主要由它的做功能力來(lái)衡量。電能機(jī)械能的品質(zhì)高于熱能，而溫度高的熱 能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰?qiáng)，是高品位熱能。工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中使用的蒸汽大部分是降低了鍋爐的壓 力、溫度后使用的。一般1.27Mpa、1940C的鍋爐降低至0.588Mpa、1640C使用，其卡諾循 環(huán)熱效率降低了 4.35%，如果該鍋爐提高至3200C，則卡諾循

6、環(huán)熱效率將提高53%，更重要 的是加裝過(guò)熱器提高溫度之后，發(fā)送了熱能的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了熱能的梯級(jí)利用，使之提高了其 能量的綜合利用水平，降低了企業(yè)總的能源消耗成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。一臺(tái)1500KW 低壓冷凝機(jī)組改為背壓式機(jī)組后，每度電從576克煤耗下降到189克，節(jié)能67%。3、同濟(jì)大學(xué)有機(jī)朗肯循環(huán)機(jī)組（低溫余熱發(fā)電試驗(yàn)臺(tái)），試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于進(jìn)行低溫余 熱發(fā)電的相關(guān)試驗(yàn)，其中包括：有機(jī)工質(zhì)研究、膨脹機(jī)研究、傳熱研究及系統(tǒng)性能研究。通 過(guò)試驗(yàn)，為有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)及研發(fā)提供理論基礎(chǔ)及試驗(yàn)參數(shù)。系統(tǒng)主要用 于回收150C250C的余熱，包括地?zé)帷煔庥酂?、廢液余熱等各種形式余熱。膨脹

7、機(jī)的 軸功率設(shè)計(jì)范圍為110kw。系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為2MPa。系統(tǒng)工質(zhì)采用R123或R134a等環(huán)保 冷媒。4、“螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)ZL03123341.4”專(zhuān)利持有單位,2009年科技部批復(fù)產(chǎn)業(yè)化基地總 投資50億元，發(fā)改委推薦節(jié)能項(xiàng)目，2008年成功投入應(yīng)用！產(chǎn)品介紹：SEPG-400B-500-2700-1.65-C（動(dòng)力輸出 420kw，發(fā)電 400kw）機(jī)型-功率-轉(zhuǎn)速-長(zhǎng)徑比-標(biāo)準(zhǔn)C產(chǎn)品規(guī)格：SEPG-250B-XXSEPG-300B-XXSEPG-400B-XX50-100KW、 100-200KW、 200-250KW;100-200KW、 200-300KW、 300-400KW;2

8、50-400KW、400-550KW、550-700KW;400-800KW、 800-1000KW、 1000-1500KW;SEPG-500B-XX使用條件：蒸汽 0.15s3.0MPa 170C。三、燃式發(fā)電機(jī)原理1、內(nèi)燃式發(fā)電經(jīng)過(guò)改造的汽油、柴油機(jī)，可以使用天然氣、液化氣、沼氣發(fā)電，商品化的發(fā)電機(jī)組 價(jià)格很便宜，約600-1000元/kw。甲醛尾氣通入內(nèi)燃式發(fā)電機(jī)也可以發(fā)電，但易形成積炭效率逐漸降低，維護(hù)麻煩，不 保證長(zhǎng)期運(yùn)行。早年重慶大方化工就試驗(yàn)過(guò)該方法，取得了 40kw/t 37%甲醛尾氣的可貴數(shù) 據(jù)。2012年河北省石家莊一家甲醛廠購(gòu)置了 1臺(tái)多燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，但存在爆劈聲，該發(fā)電

9、機(jī) 由南通寶駒氣體發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司提供。2、外燃式發(fā)電機(jī)1816年由蘇格蘭牧師雷伯爾特斯特林發(fā)明，又稱(chēng)“熱空氣發(fā)動(dòng)機(jī)”當(dāng)時(shí)已生產(chǎn)出數(shù) 千臺(tái)。后由于蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)而被冷落，到二十世紀(jì)初已基本消失，主要由于封入的 工質(zhì)為空氣，加熱溫度僅幾百度，致使機(jī)構(gòu)龐大使用不便。1930年荷蘭菲利蒲公司欣賞它 的外燃式靜止發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，做為無(wú)線電用發(fā)電機(jī)的動(dòng)力而重新開(kāi)發(fā)，但不久由于電子器件 的晶體管化而停頓。以后又做為汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)重新開(kāi)發(fā)，采取700C以上的溫度加熱5 20MPa的氫氣和氮?dú)鉃楣べ|(zhì)，試制了換置式和斜板回轉(zhuǎn)式雙向型發(fā)動(dòng)機(jī)，并做了裝車(chē)試驗(yàn)。 由于高溫，高壓產(chǎn)生的高效率和高轉(zhuǎn)矩，在以氫氣為工質(zhì)時(shí)達(dá)

10、到了高速度，初步顯示有可能 成為比內(nèi)燃機(jī)效率高的外燃式汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。該公司將液氨用發(fā)動(dòng)機(jī)商品化，將其余的發(fā)動(dòng)機(jī) 制造技術(shù)于19571967年陸續(xù)轉(zhuǎn)讓給西德和瑞典的有關(guān)公司。1973年世界性石油危機(jī)后，節(jié)油和油的替代提上重要議事日程。菲利蒲公司重新和美 國(guó)福特公司合作共同開(kāi)發(fā)了 127kw的回轉(zhuǎn)斜板式雙向型4-2150A發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)入八十年代以來(lái)，第二次石油危機(jī)又引起各國(guó)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)心，后來(lái)石油供應(yīng) 雖有緩和，但從環(huán)保和能源角度出發(fā)各國(guó)又競(jìng)相進(jìn)行斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)工作。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是可以利用多種分散的能源。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè) 是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。我國(guó)農(nóng)村有豐富的生物質(zhì)能資源，但

11、品種、分布不均，具有季節(jié)性、間 歇性分散性的特點(diǎn)。用舊式爐灶直接燃燒，熱效率很低，一般為1015%。如果用斯特林 發(fā)動(dòng)機(jī)將農(nóng)村燒掉的生物質(zhì)能（按1987年的328Mtce計(jì)算），以同樣的效率（10%15%）轉(zhuǎn) 換為電能，相當(dāng)于轉(zhuǎn)化同年農(nóng)村用電量的23倍。在邊遠(yuǎn)的地區(qū)、山區(qū)和荒漠，以及海島 等地區(qū)，架設(shè)電網(wǎng)的投資太大，采用柴油發(fā)電成本太高，而斯特林外燃機(jī)可以利用太陽(yáng)能、 沼氣、植物垃圾熱解氣體的特性，可以較好的解決這一難題。目前，農(nóng)用動(dòng)力斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，已引起各國(guó)的極大興趣。在農(nóng)村，可以燃燒各種物質(zhì)如 木屑、米糠、棉稈、椰子皮殼和谷殼等進(jìn)行工作的。以空氣為工質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪音低，振動(dòng) 小，無(wú)污染。不

12、用潤(rùn)滑，即可取暖，又可發(fā)電，非熟練工人也能操作。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的另一優(yōu)勢(shì)是余熱回收，而且大大簡(jiǎn)化了工藝技術(shù)。利用熱腔溫度達(dá)到 700 r即可發(fā)電的特性，不需要任何介質(zhì)或熱能轉(zhuǎn)換裝置，直接將熱腔伸入熱源之中，將余 熱轉(zhuǎn)換成高價(jià)值的電能。例如：煉油廠、化工廠、焦化廠、冶煉廠等，均可使用。每個(gè)外燃 機(jī)可以回收50kW電能和90kW熱能。1臺(tái)50kW的斯特林外燃機(jī)完全可以滿(mǎn)足1000-3000建筑平方米采暖。這種使用斯特林 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置實(shí)際上相當(dāng)于一臺(tái)副產(chǎn)電力的供熱鍋爐，一般情況下是根據(jù)供熱需求 來(lái)確定其運(yùn)行狀態(tài)的，其電力系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，多余的電力通過(guò)配電盤(pán)向外界供電。如 果配備相應(yīng)的熱水型

13、吸收式制冷機(jī)的話，夏季就可以利用熱能制取空調(diào)所需的冷卻水，從而 部分地取代目前廣泛使用的耗電量可觀的蒸汽壓縮式空調(diào)制冷裝置。顯然，不僅在冬季的供 暖期，而且在夏天的供冷期，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置都能發(fā)揮重要的作用。我國(guó)目前已設(shè)計(jì)出功率150kW-1OkW該類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)11種，是一種具有國(guó)際水準(zhǔn)的科研成 果，而排放的污染氣體比目前市面上的其它發(fā)動(dòng)機(jī)都要小，達(dá)到歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)。適合甲醛行 業(yè)生產(chǎn)單位含氫尾氣直接燃燒發(fā)電應(yīng)用。筆者跟蹤上海711研究所燃?xì)馐聵I(yè)部從事的外燃式動(dòng)力機(jī)6年，2012年用氫氣燃燒獲 得了發(fā)電機(jī)組寶貴數(shù)據(jù)，不久甲醛尾氣就可以直接接入這種機(jī)組發(fā)電，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它 類(lèi)型動(dòng)力發(fā)電機(jī)。這種外燃式動(dòng)

14、力機(jī)是斯特林結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒室很大，常壓燃燒，運(yùn)行 壽命長(zhǎng)，免維護(hù)。尺寸2620X1398X1647,重量2.2t，運(yùn)行噪音75dB （A），單機(jī)功率50kW， 同時(shí)產(chǎn)55r熱水1.5t/h，總能效n 385%。2011年4R90GZ外燃式熱電聯(lián)供機(jī)榮獲了 “中國(guó)分布式能源創(chuàng)新獎(jiǎng)”，該事業(yè)部對(duì)外為 上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司，位于上海市張江高科牛頓路400號(hào)。四、甲醛企業(yè)發(fā)電應(yīng)用一家5萬(wàn)噸甲醛裝置年工作300天，37%甲醛產(chǎn)量為6.94t/h，原料單耗444.65kg/t為 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。每生產(chǎn)一噸甲醛，尾氣有582m2, N2氮?dú)庹剂酥饕煞?，甲醛尾氣含可燃成分H2氫氣 19-21%，其它 CO

15、、CH4、CH3HO、CH2O 約 1%，屬低品位能源。每生產(chǎn)一噸甲醛，582m2尾氣經(jīng)鍋爐燃燒生產(chǎn)0.4MPa的飽和蒸汽330kg/t，車(chē)間氧化反 應(yīng)器的廢熱鍋爐最大富裕蒸汽220kg/t。企業(yè)蒸汽系統(tǒng)的管網(wǎng)為并聯(lián)，蒸汽總余量：(330+220)kg/tX 6.94t/h=3.8t/h企業(yè)適用哪種發(fā)電方案，見(jiàn)下表選擇。低品位能源利用發(fā)電設(shè)備性能價(jià)格比較表設(shè)備成本能源條件并網(wǎng)副產(chǎn)熱水備注*尾氣外燃式發(fā)電機(jī)15000 元/kw10 m3/kwhJ50C 30kg/kw50kwx5 臺(tái)螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電機(jī)10000元/kw13.68kg/kwhV90 C 13kg/kw250kw溫差半導(dǎo)體發(fā)電20000 元/kw120C外殼壁選配50C .kg/kw最大50kw采用螺桿膨脹動(dòng)力發(fā)電機(jī)可發(fā)電功率的計(jì)算：3.8t/h ： 0.01368t/kwh=279kw/h適宜選配 SEPG-300B-XX100-200KW、200-300KW、300-400KW 中的 200-300kw 機(jī)組。五、應(yīng)用效果