工业余热回收系统优化策略原理.pdf
《工业余热回收系统优化策略原理.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《工业余热回收系统优化策略原理.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY工业余热回收系统优化策略原理Principle of Optimization Strategy for Industrial Waste Heat Recovery System殷永亮(Yin Yongliang),应琪(Ying Qi),劳咏昶(LaoYongchang),苏鹏斌(Su Pengbin)*,田书欣(Tian Shuxin),杨喜军(Yang Xijun)41国网浙江省电力有限公司经济技术研究院31150 0 杭州2上海电力大学电气工程学院2 0 0 0 9 0 上海3上海电力大学海上风电研究院2 0 0 0 9 0
2、 上海4上海交通大学电气工程系2 0 0 2 40 上海摘要:介绍有机朗肯循环发电系统在工业余热回收上的应用,选取某燃煤电厂为例,介绍其回收装置及节能分析,并在此基础上进行余热回收的优化策略分析。首先通过引入湿硫酸工艺,将烟气中的二氧化硫催化氧化为三氧化硫并在特殊换热器中冷凝并回收为硫酸副产品,以此打破烟气低品位余热深度利用的酸露点限制。然后通过有机朗肯循环和吸收式制冷集成的余热回收系统对烟气余热进行深度利用。通过数值模拟的方法对余热回收系统进行研究,通过模型验证确保数值模拟的可信度和准确性。关键词:工业余热;回收系统;优化策略;有机朗肯循环;吸收式制冷集成Abstract:This pape
3、r introduces the application of organic Rankine cycle power generation system in industrial wasteheat recovery,takes a coal-fired power plant as an example,introduces its recovery device and energy saving analysis,and analyzes the optimization strategy of waste heat recovery on this basis.Firstly,th
4、e wet sulfuric acid process isintroduced to catalyze the sulfur dioxide in the flue gas to sulfur trioxide,which is condensed in a special heat exchangerand recovered as sulfuric acid byproduct,so as to break the acid dew point limit of the deep utilization of low-grade wasteheat in the flue gas.The
5、n,the flue gas waste heat is further utilized through the waste heat recovery system integrated withorganic Rankine cycle and absorption refrigeration.The waste heat recovery system is studied by numerical simulation,and the reliability and accuracy of numerical simulation are ensured by model verif
6、ication.Key words:Industrial waste heat;Recovery system;Optimization strategyOrganic Rankine cycle;Absorption refrigerationintegration中图分类号】TM13【文献标识码】A【文章编号】156 1-0 330(2 0 2 4)0 1-0 0 98-0 91引言余热资源属于二次能源,是一次能源或可燃物料转换后的产物,或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。按照温度品位,工业余热一般分为6 0 0 以上的高温余热,30 0 6 0 0 的中温余热
7、和30 0 以下的低温余热三种;按照来源,工业余热又可被分为:烟气余热,冷却介质余热,废汽废水余热,化学反应热,高温产品和炉渣余热,以及可燃废气、废料余热。具体来说,烟气余热量大,温度分布范围宽,占工业余热资源总量的50%以上,分布广泛,如治金、化工、建材、机械、电力等行业,各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟,而且有些工业窑炉的烟气余98THEWORLDOF INVERTERS热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30%6 0%,节能潜力大,是余热利用的主要对象。冷却介质余热占工业余热资源总量的2 0%,废水废汽余热约占余热资源总量的10%16%,化学反应余热占余热资源总量的10%以下。20
8、20年9月,我国提出“碳达峰、碳中和”的“双碳”目标,预示着中国即将迎来一场深刻的能源变革,化石能源的主导地位将逐步被新能源的发展所撼动。然而当今中国社会依旧深度依赖化石能源,燃煤电厂仍旧占有大部分中国供电市场,燃煤电厂对化石能源的巨大消耗以及由此带来的环境污染问题刺痛着公众的神经。但此种能源格局很难在短期内做出大的改变,因此,为实现第2 7 卷第0 1期变频器世界2 0 2 4年0 1月国家的2 0 30 年碳达峰目标,对轻重工业各行业进行节能减排的改造势在必行。2 0 2 1年余热回收系统市场数据统计显示,全球余热回收系统市场规模达199.0 9亿元(人民币),国内余热回收系统市场规模为5
9、7.0 2 亿元,根据贝哲斯咨询对2 0 2 1 2 0 2 7 年市场发展预测,全球余热回收系统市场规模预计在2 0 2 7 年达到30 6.0 1亿元,在预测期内,余热回收系统市场年均复合增长率将会达到7.31%。燃煤电厂余热主要存在于烟气、排汽、锅炉排污和锅炉底渣中。现有燃煤电厂对于锅炉烟道下游烟气余热利用的常用技术包括低压省煤器和空气预热器等,除此之外,通过如有机朗肯循环(ORC)、布雷顿循环、卡琳娜循环、斯特林循环等动力循环用烟气余热发电是另一种可行的方案。除此之外,用余热制冷是另一种高效的利用方案,与发电相比,余热制冷的能效比要高得多,这是由于用烟气余热制冷或制热时,其中没有能量形
10、式的转换,所以能量损失要小很多。此外,根据数据,各种制冷和空调设备的电能消耗占全球发电量的15%,显然,这是一笔巨大的数目。因此,利用余热制冷技术在节能方面的意义重大。常用的以余热作为热源的制冷方法包括吸收式制冷、吸附式制冷、喷射式制冷等。当今,燃煤电厂余热利用的研究已不局限于单级或单用途,余热梯级利用和多产品联产是使燃煤电厂余热利用效益最大化的有效手段,此类技术可以实现余热的更有效和更科学利用。通常,余热制冷系统对热源品位的要求低于动力循环,因此将这两种应用结合用于余热级梯级利用是余热回收的一种更好的方法。2余热利用技术2.1燃煤电厂余热回收燃煤电厂中的余热存在形式多样,以烟气余热的形式流失
11、的能量约占燃煤电厂能量输入的5%-8%,占燃煤电厂可利用余热资源的很大一部分。研究人员致力于探索合适的方案对各种余热进行回收利用。同时,运用更加科学的方法和更先进的技术手段对这些方案进行分析评价和改进。最传统的烟气余热利用方案是通过低压省煤器和空气预热器用烟气余热对入炉煤和入炉空气进行预热。在本节中,提出了一种基于硫酸回收的燃煤电厂低品位烟气余热梯级利用系统(Wasteheatrecoverysystem,WHRS)。本项目以一典型10 0 0 MW超临界燃煤电厂余热回收作为研究案例。该电厂的整体性能如表1所示,所用燃煤的元素分析如表2 所示。由表3可以看出,空预器出口的烟气温度保持在160。
12、在原电厂设计中,该温度的烟气未经利用而直接由静电除尘器(Electrostatic precipitator,ESP)和烟气脱硫装置(Fluegasdesulfurization,FG D)作除尘脱硫的排放处理。显然,这种处理方式造成了烟气低品位余热的浪费。因此,本项目提出一种新的基于硫酸回收的燃煤电厂低品位余热梯级利用方案。表1参考电厂总体参数相关参数值总烟气质量流量1138.1(kg/s)总蒸汽质量流量859.2(kg/s)总蒸汽质量流量859.2(kg/s)耗煤率113.3(kg/s)燃煤低位热值21.13(MJ/kg,ar)总燃煤热值消耗速率2394.0(MW)粗电能输出1093.2(
13、M W)辅助设施耗电63.0(MW)净电能输出1030.2(MW)净发电效率43.0(%)表2 燃煤元素分析表元素质量占比(wt.%)碳56.26氢3.79氧12.11硫0.17氮0.82水分(湿基)18.10表3参考电厂锅炉冷端烟气温度分布相关参数值省煤器入口温度490省煤器出口(空气预热器烟气进口)温度378空气预热器烟气出口温度160如图1所示,在参考电厂原设计中,将低压省煤器(Ec o n o mi z e r)和空气预热器(Airpre-heater,A P)布置WWW.CA168.COM99节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY在电厂烟气道下游分别对锅炉给水和
14、燃烧炉进风进行加热,以回收锅炉冷端烟气的部分余热。由空气预热器排出的烟气通过静电除尘器(ESP),然后由风机鼓入烟气脱硫装置(FGD),最后从烟岗排放到大气中。硫酸储罐催化床WSAHE烟气省煤器图1余热回收系统布置本项目在电厂原设计的基础上,提出的基于硫酸回收的燃煤电厂低品位烟气余热梯级利用系统(WHRS)布置如图1所示,在该设计中,将催化床布置于空预器的前端以催化烟气中的SO,氧化为SO,。在空预器后端布置了一个以烟气余热为热源进行发电的有机朗肯循环(ORC)。在该ORC中,传统蒸发器被一个湿硫酸换热器(Wet sulphuric acid heat exchanger,WSAHE)取代,并
15、在其旁边配置了一个硫酸储罐以储存由WSAHE冷凝收集的粗硫酸。2.2硫酸的形成与回收在进行废酸回收的过程中,回收装置的工序主要有废酸分解工序、气体净化工序、转化干吸工序、金属脱除废水预处理工序、废热回收工序和分散控制系统(DCS)系统,其中废酸分解工序和金属脱除废水预处理工序为主要工序,在整个回收过程中也比较具有特点。在这些化学反应中,主要就在于硫酸铵、硫酸和氧气进行反应后生成氮气、二氧化硫和水。有机聚合物和氧气产生化学作用后将生成一定的二氧化碳,可以为硫酸的热分解提供一定热量。而热分解主要的热能来源于空气燃烧、燃料燃烧和燃料油燃烧。再生烧炉配置了一个三原料混合的烧嘴,在进行废弃物分解的过程中
16、,可以根据废热产气率、有机聚合物含量、燃料气和燃料油成本等进行调节与控制,这样才能有效的保证废弃物在再生焚烧炉中被彻底的处理干净。在这个过程中,一定要注意硫酸的含量,这样才能保证进入转化器后二氧100THEWORLDOFINVERTERS化硫的浓度,如果硫酸含量不足时,则添加一定的硫酸即可。废热回收工序。再生焚烧炉生成的高热量气体需要经过废热锅炉,将温度降低到适宜的温度后才能进行净化工序。在这个过程中,气体经过废热锅炉后将生成一定的蒸汽,从而对省煤器进行预热,使得后续转化器出口的气体温度得到有效的降低,这样将能保证整个设备中换热设备中的循环水的负荷。转化干吸工序。净化系统工序后的气体流入干燥塔
17、后,需要用浓硫酸进行干燥,同时也可以去除气体中残留的酸雾。气体中的酸雾在进入后续加工设备中将对设ORC备产生腐蚀作用,所以必须把酸雾除尽。在进行干燥前,冷凝器需要加入一定的氧气,这样才能保证后续转化过程中氧冷凝水和硫的比例。在转化干吸工序中,转化工程一般采用三加一的两次转化工艺进行。干燥塔内流出的气体在经过加热至40 0 摄氏度的换热器后就进入转化器内,首先经过一到三段的催化剂反应,生成三氧化硫:三氧化硫进入一吸塔内,通过浓硫酸吸收;当一吸塔内未吸收完的三氧化硫、二氧化硫气体再次经过换热器加热进行第四段的催化剂反应后流入二吸塔内,再15次通过浓硫酸吸收;最后二吸塔内剩余的气体经过排污烟排放于空
18、气中。通过这种方式,将能有效的保证排除空气中的有害气体最小化。对于废酸回收效益分析也被很多企业重视,近年来,随着国家环保标准的逐年严格和酸价的提升,废酸回收和再利用可给企业带来较大的经济效益和环保效益。废酸的排放或采用石灰中和,或采用酸碱中和,不仅造成资源浪费,使产品成本增加,而且还导致严重的环境污染,影响和制约了企业的生存和发展。本项目中,硫酸生成的系列反应如式(1)所示。SO,+0.50,SO,+99kJ/molSO,+H,OH,SO4(g)+101kJ/molH,SO(g)+0.17H,0 H,SO.(1)+69kJ/mol式(1)中,H,SO(g)为气态硫酸;H,SO4(1)为硫酸液滴
19、。现假设煤在电厂燃烧炉中燃烧时,煤中所有的硫分都被氧化为SO,。由式(1)可知,SO,必须先进一步氧化为SO,才能水合为硫酸。然而在实际情况下,只有0.6 5%的SO,继续氧化为SO,。所以为了加速SO2到SO,的氧化,需要一种高效的催化剂。相关研究剂(1)第 2 7 卷第 0 1 期变频器世界2 0 2 4年0 1月催化这个氧化反应,并且在350 40 0 的温度范围内达到最佳催化效果。而由表3可知,空预器入口烟气温度(37 8)恰好在这个最佳范围内。借鉴于此,本项目将载有V,O,催化剂的催化床布置于空预器入口以催化烟气中SO,到SO,的氧化。在后续流程中,烟气在空预器中降温时,SO,开始被
20、水合为气态硫酸(H,SO4(g))。而后烟气流入WSAHE被汲取热能并冷却到酸露点以下之后,所有气态硫酸凝结成硫酸液滴H,SO4(1)并被收集存储于硫酸储罐中。2.3有机朗肯循环的工作原理如图1所示,该ORC由一个WSAHE(作为循环的蒸发器)、透平机(turbine)、冷凝器(condenser)以及泵(pump)组成。该饱和亚临界ORC的工作原理如下:(1)从空预器中流出的烟气流入WSAHE,并和ORC的工质换热,烟气被冷却到酸露点以下,烟气中的气态硫酸冷凝于WSAHE的氟塑料换热表面并被收集储存在硫酸储罐中。(2)WSA H E中的液态工质被加热蒸发为饱和蒸汽。(3)来自WSAHE的工质
21、蒸汽在透平机中膨胀做功,热能转化为机械能驱动与透平机同轴的发电机转子转动产生电能。(4)从透平机中流出的工质乏汽在冷凝器中被冷却水冷凝为饱和液体。(5)最后,饱和液态工质被泵加压泵送到WSAHE中进行下一个循环。2.3.1湿硫酸换热器和酸露点酸露点是指当燃用含硫高的燃料时,燃烧后形成SO,有一部分会进一步被氧化成SO,且与烟气中的水蒸汽结合成硫酸蒸汽,烟气中硫酸蒸汽的凝结温度。锅炉烟气的酸露点与燃料含硫量和单位时间送入炉内的总硫量有关,而后者是随燃料发热量降低而增加的。显然,燃料中的含硫量较高,发热量较低,燃烧生成的SO,就越多,进而SO,也将增加,导致锅炉烟气酸露点升高。锅炉烟气对受热面的低
22、温腐蚀常用酸露点的高低来表示,露点愈高,腐蚀范围愈广,腐蚀也愈严重。使用酸露点分析仪可以准确知道一定工况下的酸露点,由此调整排烟温度,达到节能和保持炉子寿命的最佳条件。现阶段由于酸露点腐蚀的存在,很多金属锅炉烟气余热回收换热器无法应用,该腐蚀性问我未能解决。但是有一种新型氟塑料材质,在酸露点以下温度仍然不会发生腐蚀,可有效解决烟气余热回收问题。(一)锅炉烟气余热回收时酸露点腐蚀的具体原因:以重油或含硫瓦斯为燃料的锅炉和工业加热炉,燃烧时硫粉被氧化,在装置的烟道、空气预热器等低温部位与水凝聚成而产生的腐蚀称为烟气酸露点腐蚀或硫酸露点腐蚀。通常,作为燃料使用的重油中含有2%3%的硫化物,由于燃烧而
23、产生SOz,有1%2%的SO,受烟灰护额金属氧化物的催化作用生成SO,它们再与燃烧气体中所含的水分(5%10%)结合生成亚硫酸或硫酸,并化合成湿性的硫酸盐,那么在比平常的露点温度高得多的温度下就可以冷凝,从而发生严重腐蚀。研究表明,对于含有0.0 2 5%(体积百分比)这样少的SO,的燃烧产物,其露点为17 1。在温度低于酸露点温度2045的范围内,一般腐蚀速率最大,同时凝结在设备表面的硫酸与烟气中的灰尘作用,形成不易清除的垢物,影响传热效果,使壁管的表面温度较低,进一步加速了冷凝作用,促进腐蚀。这种亚硫酸或硫酸的“露点”腐蚀多出现在停工期间,因为烟气含有一定数量的水蒸气,停工降温到露点时,在
24、局部易于积水的地方积存下来,造成腐蚀。(二)常用的锅炉烟气余热回收酸露点腐蚀解决措施:防止锅炉烟气余热回收酸露点腐蚀的措施可以从两方面考虑。(1)从工艺角度来说,使用低硫的重油(含硫量在0.5%以下)可以不造成烟气露点腐蚀;或在重油中加入能同SO,化合生成物腐蚀性物质的添加剂(如往重油中加入0.0 6%的氢氧化镁浆)可大幅地降低SO,的浓度,从而减轻露点腐蚀;在设计和操作的过程中要注意不要盲目为节能而将排烟温度降得过低;减少烟气中的灰尘、利用停机等时间及时对设备表面的灰垢进行处理。(2)从设备表面处理及选材方面考虑,可采用聚四氟乙烯等涂层,或者是陶瓷等非金属衬里等,到目前推广较慢。如前所述,本
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 工业 余热 回收 系统 优化 策略 原理
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。