[水泥周]非水工質(zhì)循環(huán)在水泥余熱發(fā)電中的應(yīng)用分析

　　煙氣溫度：300℃
　　結(jié)論：
　　1）Rankine循環(huán)AQC余熱鍋爐排煙溫度較高，未能充分回收煙氣余熱。
　　2）當煙氣溫度由350 ℃降至300℃的過程中，隨著煙氣溫度的降低，Kalina循環(huán)逐漸在低壓區(qū)體現(xiàn)其發(fā)電量高于Rankine循環(huán)的優(yōu)越性。
　　3）煙氣溫度降至300 ℃，Kalina循環(huán)汽機進口壓力宜選擇在4~5MPa，壓力過高，則過熱度較小，工質(zhì)進入汽機后很快進入兩相區(qū)，容易析液，沖擊汽機葉片，造成汽機破壞，同時大大降低汽機效率。

　　煙氣溫度：200℃

煙氣溫度：200℃
　　結(jié)論：
 　　1）煙氣溫度降至200℃，Kalina循環(huán)計算發(fā)電量高于Rankine循環(huán)。
 　　2）若Kalina循環(huán)壓力繼續(xù)降低，由下表可知，冷卻水將很難將其冷卻至飽和液態(tài)。
 　　3）由于Kalina循環(huán)與Rankine循環(huán)此時壓力下過熱度都較低，進入汽機后很快進入兩相區(qū)，容易析液，沖擊汽機，同時汽機效率大大降低，而且此時Rankine循環(huán)進口壓力過低，因此，煙氣溫度降至200℃，宜采用低沸點有機工質(zhì)循環(huán)（ORC循環(huán)）進行余熱回收發(fā)電。

　　三、Kalina大紀事

　　Kalina循環(huán)由Dr.Alex Kalina 博士發(fā)明并以其命名，1983年，Kalina循環(huán)首次公開，隨后世界上許多學者圍繞著Kalina循環(huán)進行了許多研究，到目前為止發(fā)表的論文不計其數(shù)。

　　薄涵亮—卡林那循環(huán)的勢力學分析                     （1989年發(fā)表）                                               
　　陳亞平—改進型卡林那循環(huán)熱力分析                   （1989年發(fā)表）                                       
　　呂燦仁、馬一太－Kalina循環(huán)放熱過程的熱力學分析     （1989年發(fā)表）
　　呂燦仁、馬一太－Kalina循環(huán)研究和開發(fā)及其提高效率的分析       （1991年發(fā)表）
　　D. Yogi Goswami－Thermodynamic propertise of ammonia-water mixture for power-cycle applications.                          （1997年發(fā)表）
　　P.K.Nag－Exergy analysis of the Kalina cycle.      （1998年發(fā)表）

　　“kalina循環(huán)前期工作探討”研討會：
　　1990年5月9~10召開了“Kalina循環(huán)前期工作探討”研討會，出席大會的有天津大學、西安交通大學、上海機械學院、華東化工學院等單位16名代表。與會代表一致認為：Kalina循環(huán)是一項有前途，但又有相當難度的技術(shù)，將其應(yīng)用于實際工程，應(yīng)綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟性分析。

　　1991年，在美國能源部（D.O.E）的支持下，在加州Canoga Park建造了3MW的試驗Kalina電站，并進行了技術(shù)測試。

　　1997年，GE公司設(shè)計了125MW聯(lián)合循環(huán)示范電站，Kalina循環(huán)作為聯(lián)合循環(huán)的底部循環(huán)。示范電站由一臺75MW的7E型燃氣輪機和一臺50MW的GE氨水發(fā)電機組構(gòu)成，與常規(guī)聯(lián)合電站相比，電站效率僅提高2%。

　　2000年交付使用的Húsavík電站，是目前采用Kalina循環(huán)技術(shù)建成的唯一地熱電站。該電站位于冰島，現(xiàn)發(fā)電容量為1700kW，總投資370萬歐元。

　　在經(jīng)濟性上，目前該電站還不具備優(yōu)勢，對比同期歐洲市場條件，同類項目建設(shè)成本通?？刂圃?000美元/kW，該電站在預(yù)算設(shè)計時，成本約為1440美元/kW，成本提高44%。 

　　四、ORC及Kalina工程實例

　　Lengfurt ORC循環(huán)余熱電站：1999年海德堡水泥集團在德國環(huán)境部支持下利用世界銀行貸款，由以色ORMAT公司設(shè)計，在德國Lengfurt水泥廠3000t/d的生產(chǎn)線上，建成了世界首座水泥廠ORC純低溫余熱發(fā)電站，也是至今唯一一座水泥廠ORC循環(huán)余熱電站。

　　五、存在的問題與結(jié)論

　　Kalina循環(huán)傳熱學分析
　?、賯鳠釡夭瞀減小，傳熱面積A增加。
    　　 熱力學角度分析： 鍋爐傳熱溫差：Δt Kalina< Δt Rankine,
    　　 傳熱學角度分析： 根據(jù)Q=KAΔt， Δt Kalina< Δt Rankine，煙氣散熱量Q=Const，從而傳熱面積AKalina>ARankine，進而使得余熱鍋爐面積增大，余熱鍋爐鋼材耗用量增大，鍋爐體積增大，設(shè)備投資顯著增加。

　?、趥鳠嵯禂?shù)K減小，傳熱面積A增加。
　　根據(jù)非共沸混合物熱物性的研究可知，在純質(zhì)里面加入另一種工質(zhì)從而形成混合物是對純質(zhì)沸騰傳熱的一種削弱，這種削弱程度與混合物泡露點溫差有關(guān)。傳熱學角度分析：根據(jù)Q=KAΔt， KKalina<KRankine，煙氣散熱量Q=Const，從而傳熱面積AKalina>ARankine ，余熱鍋爐換熱面積增大，設(shè)備投資增加。

　　工質(zhì)熱物性評價
　　由于Kalina循環(huán)采用氨-水混合物作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，因此需要考慮氨-水混合物的穩(wěn)定性、腐蝕性以及對環(huán)境的影響。
　?、侔?水混合物在高溫高壓下的穩(wěn)定性。
　?、诎?水混合物在高溫高壓下的腐蝕性。
　　③主要設(shè)備承壓能力。
　　④余熱鍋爐的排煙溫度影響。
　?、莅?水混合物工質(zhì)外漏對人與環(huán)境的影響。

　　經(jīng)濟評價
　　1.Kalina循環(huán)采用高壓參數(shù)的經(jīng)濟性評價：
　　如前計算所示，在目前水泥煙氣溫度下，Kalina循環(huán)只有在汽機進口壓力較高時發(fā)電量才大于目前實際工程中技術(shù)較成熟，高壓參數(shù)帶來的問題：
　?、貹alina循環(huán)采用高壓力參數(shù)，將加大系統(tǒng)設(shè)備、管道、管件、閥門等承壓能力，設(shè)備與管道等壁厚將加大，用鋼量增加，投資增大。
　?、贙alina循環(huán)采用高壓力參數(shù)，對電站工作人員的安全性要求較高。
　?、跭alina循環(huán)采用氨-水混合工質(zhì)，對于工質(zhì)泄漏控制嚴格。

　　結(jié)論：按照歐洲標準Kalina循環(huán)系統(tǒng)投資將增加1.3倍，單位發(fā)電量投資增加45%~50%，投資回收期延長5~8年。但是對于國內(nèi)投資將是Rankine循環(huán)的2倍左右。

　　2.Kalina循環(huán)提出了蒸餾－冷凝子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)代替普通凝汽器將汽機排汽在稍高于大氣壓力下冷凝至飽和液態(tài)，避免了Kalina循環(huán)采用普通凝汽器時可用能損失過大的問題。但該系統(tǒng)設(shè)備較多，系統(tǒng)復雜，投資較大，運行維護費用較高，大大提高單位發(fā)電量投資。

　　3.由以上傳熱學技術(shù)評價可知，Kalina循環(huán)特點是吸放熱傳熱溫差減小，從而余熱鍋爐可用能損失減小，但余熱鍋爐傳熱面積顯著增大，其鋼材耗用量增大，投資增加。

　　4.由于Kalina循環(huán)采用氨-水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，因此現(xiàn)有Rankine循環(huán)設(shè)備都需要更換為適用于Kalina循環(huán)的設(shè)備，設(shè)備需要重新設(shè)計計算制作，并且余熱鍋爐、汽機等關(guān)鍵設(shè)備由于國內(nèi)生產(chǎn)廠家少，因此需要外購，設(shè)備投資增大。

　　綜合評價
　　Kalina或ORC循環(huán)在技術(shù)上完全可行
　　Kalina或ORC與Rankine相比在低溫廢氣熱源具有一定的優(yōu)勢
　　但是在200℃以下廢氣熱源的條件下ORC具有一定的優(yōu)勢
　　在目前的技術(shù)條件下投資較高
　　運行的安全性以及維護成本過高
　　對于ORC循環(huán)來說，進一步降低投資是推廣的關(guān)鍵
　　對于Kalina循環(huán)來說還需在系統(tǒng)和裝備上進行深入研究
　　當能源愈加緊張時必定會促進ORC和Kalina的發(fā)展