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)無法利用只能放空處置。隨著石油能源危 機的出現(xiàn)，人類不斷尋找新型能源，同時也在關(guān)注低品位能源的利用研究。時代的發(fā)展與能源格局的驟變，不被人們關(guān)注的垃圾級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 陽能發(fā)電、半導(dǎo)體溫差發(fā)電，震動發(fā)電，甚至連微小的能源也被科學(xué)家關(guān)愛了，掀起了 新一輪的工業(yè)化發(fā)電熱潮。筆者長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，本文是近年來的研究應(yīng)用情況。一、低品位余熱利用發(fā)電的價值按照發(fā)電一千瓦小時電消費327克標(biāo)準(zhǔn)煤計算，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，無論是當(dāng)前還是未來，將功不可沒。1MPa以下的低品位蒸汽無法滿足1.5MPa (340C )傳統(tǒng)低壓汽輪機所需參數(shù)工作條件。 近年由江西華電電力有限責(zé)任公司開發(fā)成功的“螺桿膨脹蒸汽發(fā)電機”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)生動力，利用較 低的壓力差、

3、溫度差拖動發(fā)電機，實現(xiàn)“蒸汽能-機械能-電能”的轉(zhuǎn)換機理。這類發(fā)電機組有傳統(tǒng)汽輪機的改良型，也有獨具特色的氣液混合式機型。其發(fā)電消耗 蒸汽流量2.5-4t/h時，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ECT飽和蒸汽汽輪發(fā)電機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/小時以上)，不增加蒸汽鍋爐的燃料，不影響車間 設(shè)備蒸汽的使用，只利用車間設(shè)備不利用的蒸汽動能。

4、該飽和蒸汽渦輪發(fā)電機為聯(lián)合國環(huán)保 組織投資，美國研制生產(chǎn)的高科技設(shè)備，具有環(huán)保，節(jié)能，高效的優(yōu)勢。2、背壓式過熱蒸汽機組需配備帶有過熱器的鍋爐使用，原飽和汽的鍋爐需要加裝過熱 器才能與之配套。6-10t/h以上的鍋爐都有加裝過熱器位置，10t/h鍋爐有飽和汽1.27 Mpa、 194C改為1.27 Mpa、350C，需加裝過熱面積為43.67m2.。過熱器是有多根$322.5的鋼 管彎曲幾圈而成。進(jìn)排氣參數(shù)對背壓式汽輪機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；汽輪機做功越多，汽輪發(fā)電機發(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。該背壓式汽輪機組節(jié)能的宏觀認(rèn)識，能量的可用性必須從能的數(shù)量和質(zhì)量兩個方面來加以分析，能的品質(zhì)主要由它的做功能力來衡量。電能機械能的品質(zhì)高于熱能，而溫度高的熱 能轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰?，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 的是加裝過熱器提高溫度之后，發(fā)送了熱能的品質(zhì)，實現(xiàn)了熱能的梯級利用，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1500KW 低壓冷凝機組改為背壓式機組后，每度電從576克煤耗下降到189克，節(jié)能67%。3、同濟(jì)大學(xué)有機朗肯循環(huán)機組（低溫余熱發(fā)電試驗臺），試驗系統(tǒng)主要用于進(jìn)行低溫余 熱發(fā)電的相關(guān)試驗，其中包括：有機工質(zhì)研究、膨脹機研究、傳熱研究及系統(tǒng)性能研究。通 過試驗，為有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電設(shè)備的設(shè)計及研發(fā)提供理論基礎(chǔ)及試驗參數(shù)。系統(tǒng)主要用 于回收150C250C的余熱，包括地?zé)?、煙氣余熱、廢液余熱等各種形式余熱。膨脹

7、機的 軸功率設(shè)計范圍為110kw。系統(tǒng)設(shè)計壓力為2MPa。系統(tǒng)工質(zhì)采用R123或R134a等環(huán)保 冷媒。4、“螺桿膨脹動力機ZL03123341.4”專利持有單位,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)能項目，2008年成功投入應(yīng)用！產(chǎn)品介紹：SEPG-400B-500-2700-1.65-C（動力輸出 420kw，發(fā)電 400kw）機型-功率-轉(zhuǎn)速-長徑比-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)電機原理1、內(nèi)燃式發(fā)電經(jīng)過改造的汽油、柴油機，可以使用天然氣、液化氣、沼氣發(fā)電，商品化的發(fā)電機組 價格很便宜，約600-1000元/kw。甲醛尾氣通入內(nèi)燃式發(fā)電機也可以發(fā)電，但易形成積炭效率逐漸降低，維護(hù)麻煩，不 保證長期運行。早年重慶大方化工就試驗過該方法，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置了 1臺多燃?xì)獍l(fā)電機，但存在爆劈聲，該發(fā)電

9、機 由南通寶駒氣體發(fā)動機有限公司提供。2、外燃式發(fā)電機1816年由蘇格蘭牧師雷伯爾特斯特林發(fā)明，又稱“熱空氣發(fā)動機”當(dāng)時已生產(chǎn)出數(shù) 千臺。后由于蒸汽機和內(nèi)燃機的出現(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)動機的特點，做為無線電用發(fā)電機的動力而重新開發(fā)，但不久由于電子器件 的晶體管化而停頓。以后又做為汽車用發(fā)動機重新開發(fā)，采取700C以上的溫度加熱5 20MPa的氫氣和氮氣為工質(zhì)，試制了換置式和斜板回轉(zhuǎn)式雙向型發(fā)動機，并做了裝車試驗。 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)時達(dá)

10、到了高速度，初步顯示有可能 成為比內(nèi)燃機效率高的外燃式汽車發(fā)動機。該公司將液氨用發(fā)動機商品化，將其余的發(fā)動機 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 國福特公司合作共同開發(fā)了 127kw的回轉(zhuǎn)斜板式雙向型4-2150A發(fā)動機。進(jìn)入八十年代以來，第二次石油危機又引起各國對斯特林發(fā)動機的關(guān)心，后來石油供應(yīng) 雖有緩和，但從環(huán)保和能源角度出發(fā)各國又競相進(jìn)行斯特林發(fā)動機開發(fā)工作。斯特林發(fā)動機的一個突出優(yōu)點是可以利用多種分散的能源。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè) 是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。我國農(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。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)動機將農(nóng)村燒掉的生物質(zhì)能（按1987年的328Mtce計算），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，而斯特林外燃機可以利用太陽能、 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)用動力斯特林發(fā)動機，已引起各國的極大興趣。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)，運轉(zhuǎn)時，噪音低，振動 小，無污染。不

12、用潤滑，即可取暖，又可發(fā)電，非熟練工人也能操作。斯特林發(fā)動機的另一優(yōu)勢是余熱回收，而且大大簡化了工藝技術(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。每個外燃 機可以回收50kW電能和90kW熱能。1臺50kW的斯特林外燃機完全可以滿足1000-3000建筑平方米采暖。這種使用斯特林 發(fā)動機的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置實際上相當(dāng)于一臺副產(chǎn)電力的供熱鍋爐，一般情況下是根據(jù)供熱需求 來確定其運行狀態(tài)的，其電力系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，多余的電力通過配電盤向外界供電。如 果配備相應(yīng)的熱水型

13、吸收式制冷機的話，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。我國目前已設(shè)計出功率150kW-1OkW該類發(fā)動機11種，是一種具有國際水準(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)動機都要小，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)部從事的外燃式動力機6年，2012年用氫氣燃燒獲 得了發(fā)電機組寶貴數(shù)據(jù)，不久甲醛尾氣就可以直接接入這種機組發(fā)電，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它 類型動力發(fā)電機。這種外燃式動

14、力機是斯特林結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，燃燒室很大，常壓燃燒，運行 壽命長，免維護(hù)。尺寸2620X1398X1647,重量2.2t，運行噪音75dB （A），單機功率50kW， 同時產(chǎn)55r熱水1.5t/h，總能效n 385%。2011年4R90GZ外燃式熱電聯(lián)供機榮獲了 “中國分布式能源創(chuàng)新獎”，該事業(yè)部對外為 上海齊耀動力技術(shù)有限公司，位于上海市張江高科牛頓路400號。四、甲醛企業(yè)發(fā)電應(yīng)用一家5萬噸甲醛裝置年工作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氮氣占了主要成分，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，見下表選擇。低品位能源利用發(fā)電設(shè)備性能價格比較表設(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15000 元/kw10 m3/kwhJ50C 30kg/kw50kwx5 臺螺桿膨脹動力發(fā)電機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采用螺桿膨脹動力發(fā)電機可發(fā)電功率的計算：3.8t/h ： 0.01368t/kwh=279kw/h適宜選配 SEPG-300B-XX100-200KW、200-300KW、300-400KW 中的 200-300kw 機組。五、應(yīng)用效果