工业余热回收系统优化策略原理.pdf

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 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 paper 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,the 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.Then,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 verification.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。2020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57.0 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。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（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，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。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，本项目中假设燃煤中所有的硫分都被催化氧化成SO，。为保证烟气被冷却到酸露点以下以深度回收烟气余热并从烟气中回收硫酸，需要重新预测烟气的酸露点。烟气中酸露点温度计算公式如式（2）所示。Tag=10.8809+27.61g Pu,o+(2)WWW.CA168.COM101节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY式（2）中，Ta为酸露点温度，。随SO,分压Pso：的增大而升高，亦即SO,到SO,的催化氧化实际是提高了烟气的酸露点温度。烟气在WSAHE中被工质取热量并冷却到酸露点以下，烟气中的硫酸被冷凝回收。所以，WSAHE本质是一个可以收集硫酸的特殊蒸发器，其换热面的材料不仅要具有良好的换热性能，而且要耐腐蚀。有学者用两级氟塑料换热器从温度低于酸露点的烟气中回收水蒸气潜热，氟塑料换热器的总体传热系数达到2 7 5W/(m.）。借鉴于此，在本项目中，WSAHE的传热面材料采用氟塑料。2.3.2有机朗肯循环工质选择对于ORC工质的选择，不仅要考虑其热力学性能，还要考虑其稳定性、安全性和环保问题。表4中列出了8种典型ORC纯工质。2.4有机朗肯循环热力学模型2.4.1有机朗肯循环状态概述由于温位低的特点，相比传统高温热源发电系统，投资成本较高和发电效率较低，成为其当前大规模应用的主要障碍。蒸发器、冷凝器、泵、膨胀机是有机朗肯循环系统的核心设备，在这些核心设备中，换热器损和投资成本占绝大部分。造成这样问题的原因是由于传统纯工质有机朗肯循环相变过程的等温特性，工质相变热力过程线与冷热源热力过程线匹配较差，造成有机朗肯循环系统换热环节损失大，系统效率低。另一方面，热源的温度容易产生波动，纯工质有机朗肯循环虽然可以通过调整流量以适应热源参数变化，但是其受限于换热设备的设计参数，变工况调节柔性差。理想的饱和亚临界有机朗肯循环的纯工质温图如图2 所示。g.influegasg.PpATppl3g,out2s一a图2 纯工质温-炳图ORC有两个换热过程，一个换热过程是烟气和工质之间在WSAHE中换热，另一个换热过程发生在冷凝器中的工质和冷凝水之间。在理想的ORC中，工质会进行如图2 所示的四个过程：(a)在蒸发器中恒压吸热（2 s-4-4）；(b)在透平中绝热膨胀（5-5s）；（c)在冷凝器中定压放热（5s-1）；(d)在泵中绝热压缩（1-2 s）。然而，在实际情况下，其中的两个绝热过程很难实现，因此，引入这两个过程的等熵效率后，实际的循环是2-4-5-1-2。2.4.2有机朗肯循环数学建模在MATLAB/Simulink2022a编程环境中进行ORC数学建模，工质物性将由REFPROP9.5物性软件中调取，在建模之前，做如下几个假设：64Tp2bcondensewaterEntropy5SC表4候选纯工质的物性参数工质水乙醇五氟丙烷（R245fa)三氟二氯乙烷（R123）已烷正庚烧正丁烷(Butane)102THEWORLDOFINVERTERS化学分子式H,0C,H,0C.H6C.H,F,C,HCl,F,C.H4C,H16C,Hio质量分数(g/mol)18.0246.0778.11152.95183.6886.15100.256.12大气压下的沸点（C）99.60678.08779.64214.81227.46169.27898.333-0.5临界温度()373.95243.05288.91152.95183.68234.81266.95153.2临界压力(MPa)22.066.384.893.613.663.092.733.79第2 7 卷第0 1期变频器世界2 0 2 4年0 1月（1）O R C在稳态下工作。将过热设定点输入和计算过热数值输入比较，并且提供过热错误信号；过热控制器会响应过热错误信号，提供过热控制信号；加法器，将过热控制信号和压力信号相加，并提供相加信号；范围限制器，接收作为输入的相加信号并且形成位于极限范围内的范围限制信号；减法器，从范围限制信号中减去压力信号的复本（duplicate），该减法器提供作为输出的相减信号；以及压力控制器，接收相减信号并且相应地产生压力控制信号。闭环控制系统在范围限制信号低于极限范围的最大数值时控制ORC的过热，并且闭环控制系统在范围限制信号在极限范围的最大数值时控制ORC的压力。（2）热损失、压力损失和摩擦损失忽略不计。锅炉热损失有排烟损失、气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、散热损失以及灰渣物理热损失。燃料在锅炉中完全燃烧所放出的总热量与被锅炉所利用部分的热量差。包括锅炉排出的烟气所带走的热量、炉身散失于四周空气的热量、燃料未曾燃烧或燃烧不完全而未放出的热量以及灰渣带走的物理热量等。（3）只考虑工质的热能变化，忽略工质的动能和势能。能量的转换必须通过工质来实现。它是实现能量转换必不可少的内部条件，如在内燃机中，凭借燃气的膨胀把热转化为功，燃气就是工质，在蒸汽动力装置中的工质是水蒸气。原则上，气、液、固三态物质都可作为工质，但是，热能和机械能的相互转换是通过物质体积变化来实现的，对体积变化敏感、有效而迅速的是气态物质。(4)涡轮机（ntq）和泵（np)的等熵效率分别设置为0.8和0.8 5。与透平机同轴的发电机的效率(ng)设置为1。（5)汽轮机进口和冷凝器出口的工质处于饱和状态。饱和状态是指液体和蒸气处于动态平衡的状态，冷凝温度为310.15K。处于饱和状态的液体和蒸气分别称为饱和液体和饱和蒸气。此时气液的温度相同，饱和温度一定时，饱和压力也一定；反之，饱和压力一定时，饱和温度也一定。温度升高，则气化速度加快，空间蒸气密度亦将增加，并将重新建立动态平衡。物质的某一饱和温度必对应于某一饱和压力。对于ORC数学建模，根据涉及的能量平衡、能量的转化或传递，建立了ORC中各部件的一系列方程和公式，如表5所示。表5公式中的部分下标代表图2 中所示的状态点。为了计算WSAHE和冷凝器的传热面积AE和AC，引入了对数平均温差（LMTD）法计算两个部件中的传热。WSAHE和冷凝器的平均传热系数K分别设置为2 7 5W/（m.）和1140 W/（m.）。表5ORC中各部件的能量平衡方程部件公式或方程Qg=m,(ha-h.)=mgCp.g(Tgm-Tgom)Ce.pre=m;(hg-h.)蒸发器Qr.ca=m,(hg-h)Ce,eu=(KA)ean(Tg.n-T.)-ATm/n(Tgn-T.)/ATml Ag=Ag,pre+Ar,ona透平W=m,(h4-hs.)n,ng=m,(hy-hs)ngC=mi,(h,-h)=ma.Cpca(T,-T.)Qe=Qs6+Q61O=mi(hs-h)=ma Cpea(T,-T,)冷凝器Col=m,(hg-h)=mawCpcd(T,-T.)Qs=(KA)c,pre(T,-T.)-(T,-T,)/n(T,-T.)-(T-T,)2l=(KA)c.pre(T-T.)-(T,-T,)/In(T-T.)-(T。-T,)Ac=Ac.pre+Ac.con泵1为了更好的匹配热源与工质的传热温度，经常采用夹点温差分析法。本项目将WSAHE中工作流体与烟气之间的夹紧点温差（即最小传热温差，ATpl）设置为30。初始夹点设置在工作流体的饱和状态点（图2 中的状态点3），对应的烟气温度为Tp如图2 所示。所以夹点处的烟气温度Tp的计算方式如式（3）所示：T.m=T+TmPp1工质的流量可以通过式（4)计算得到：m,C.m=(h4-h.)式（4）中，m，和m。分别是工质和烟气的流量，kg/s;Tg.in为烟气入口温度，K;Cp.为烟气的平均比热容，kJ/(kg)。由式(5)计算:WWW.CA168.COM103(h,-h)Wn=m,(h-h)=m,(3)(4)节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY6.99703TP,g(5)mexWnnet(13)g=0.991615+2.7129T.2g十107式（5)中,T，为烟气平均温度,K。可由式（6)计算：T-TT.=g,ingT.ng,inT。g,out式（6)中，Tg.out为烟气出口温度，K。WSAHE出口烟气温度通过式（7)计算得到：m.(h-h)T=Tg,outg,pp而后，比较Tg.-T，T p p I和Tg.ou-T,三个温差的大.in小，如果Tp不是其中最小的，将重新设置温差最小点作为夹点并重新计算以上各式所涉及的参数。而对于发生在冷凝器上的换热，夹点温度（ATp2）设置为10。初始加点设在图2 工质饱和（液体）点6。夹点对应的冷却水的温度T，的温度通过式（8)计算：T,=T-ATmp2(8)冷凝器中，式（9)成立。其中的下标代表图4中的状态点。(T,-T.)QL(T.-T,)Qs6ORC的净输出功率的计算公式为：Wnet=W-W,netPlORC热效率由式（11)计算：WeLnthQ为了更深层地分析ORC的热力学性能，给出了基于热力学第二定律的分析如下。其中，T。是环境温度(298.15K），T 是烟气温度，K。烟气在一定状态下的比可通过式（12)计算：-CpeT-Te.=CORC的效率计算式为：105(1.22442T.31010g,outm.Cp.gPpIEg,sup2.5余热回收系统模拟及结果分析2.5.1使用纯工质的朗肯循环系统仿真(6)本节给出了基于硫酸回收的燃煤电厂低温烟气余热回收的纯工质朗肯循环系统仿真模块图，如图3所示。通过本次仿真，能够反映使用纯工质的朗肯循环系统在电厂烟气热源条件下的能量转换和热效率等物理量。通过改变输入的蒸发压力，实现取得最大净输出功率的最优策略的验证分析。(7)g,out(9)(10)(11)TT。-T.l n图3纯工质朗肯循环系统仿真模块在图3中，各点参数分别对应图2 中各状态点的物性参数，输入量为蒸发压力P4，输出量为有机朗肯循环系统的三个热力性能参数，分别是热效率、效率和净输出功率。通过改变输入的蒸发压力P，可以得到使用目标纯工质的朗肯循环在相应条件下的输出。本项目的目标是取得最大的净输出功率，通过比较不同条件下输出量的大小，可以得到取得最大净输出功率时对应的纯工质以及对应的输入蒸发压力。对图3所示的使用纯工质的朗肯循环系统仿真模块进行模拟，通过输入不同的蒸发压力，得到了使用8 种纯工质的朗肯循环系统在不同蒸发压力下的热力学性能参数变化，如图4所示。(12)104THEWORLDOFINVERTERS第2 7 卷第0 1期变频器世界2 0 2 4年0 1月渐平缓。图表区161412（%）率鲜108642000.2水乙醇一苯R245fa图4(a)热效率60垂直（值）轴5040（%）302010000.2水乙醇苯R245fa图4(b)拥效率86(MW)4321000.2水+乙醇苯+R245fa图4(c)净输出功率如图4（a)，体现了8 种纯工质在朗肯循环系统中，蒸发压力对热效率的影响。由图可知，在给定的热源条件下，各种工质的热效率均随蒸发压力的增大而增大。水、乙醇、苯、已烷、正庚烷五种工质操作压力有限，R245fa、R 12 3、Bu t a n e 三种工质可操作压力范围相对更广一些，且其热效率均随蒸发压力的增大趋势逐如图4（b），体现了8 种纯工质在朗肯循环系统中，蒸发压力对效率的影响。由图可知，随着蒸发压力的变化，效率的变化规律类似于热效率，在给定的热源条件下，各种工质的效率均随蒸发压力的增大而增大。且R245fa、R 12 3、Bu t a n e 三种工质可操作压力范围相对更广一些，其效率均随蒸发压力的增大趋势逐渐平缓。0.40.60.40.60.40.60.8蒸发压力（MPa）R123一一已烷正庚烷Butane0.81.0蒸发压力（MPa）R123已烷正庚烷Butane0.81.0蒸发压力（MPa）R123+己烧正庚烷一1.01.21.21.41.61.21.41.41.61.61.81.82.01.82.0-Butane2.02.22.22.2如图4（c），体现了8 种纯工质在朗肯循环系统中，蒸发压力对净输出功率的影响。由图可知，在给定的热源条件下，水、乙醇、苯、已烷、正庚烷这五种工质的净输出功率基本上随着蒸发压力的增大而减小（已烷例外，先增大后减小）。且其可操作压力均不超过0.5MPa，非常有限。而R245fa、R 12 3、Bu t a n e 三种工质的可操作压力更广一些，尤其是R245fa和Butane，可操作压力范围最广。在以该燃煤电厂锅炉冷端烟气作为热源的条件下，随着蒸发压力的增大，后三种工质的净输出功率均呈现出先增大后减小的趋势，且使用纯工质的有机朗肯循环的最大净输出功率是7 116 kW，工质为R245fa，相应蒸发压力为0.9MPa，其次是Butane，在蒸发压力为1.2 MPa时，取得最大净输出功率为7064kW。综上所述，由于热源温度条件有限，水、乙醇、苯、已烷、正庚烷的操作压力范围都非常有限（小于0.5MPa），首先对这五种工质作讨论。在它们各自适用的蒸发压力范围内，有机朗肯循环的热效率、效率和净输出功都随着蒸发压力的微小变化而急剧变化。而在实践中，很难保证蒸发压力恒定不变，由于蒸发压力的微小变化而导致系统性能剧烈变动的风险是不可接受的。由此，这五种工质并不适合本项目。显然，R245fa、R 12 3、Bu t a n e 三种工质相比于以上五种工质更适用于热源温度较低的有机朗肯循环。在图4中，随着蒸发压力的升高，三种工质的热效率都持续升高，热效率和效率曲线均由快速上升到趋于平缓，而净输出功率则呈现先增后减的拱形变化。由于本系统是发电系统，追求最大发电量，即在本项目中追求最大净输出功率。在图4（c）中，在以该燃煤电厂锅炉冷端烟气作为热源的条件下，使用纯工质的有机朗肯循环的最大净输出功率是7 116 kW，工质为R245fa，其次为Butane。所以使用纯工质的朗肯循环系统中，优选R245fa作为工质进行余热回收。WWW.CA168.COM105节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY3结论介绍了一种新型的基于硫酸回收的燃煤电厂烟气低品位余热深度利用的多产品联产系统。该系统通过湿硫酸法将烟气中的硫氧化物转化为硫酸回收，以此破解烟气余热深度利用的酸腐蚀威胁。低温烟气的余热能源通过ORC系统，使烟气在酸露点以下的余热得以回收。介绍了所设计的系统的运行原理，进行了热力学数值建模，并给出了使用8 种纯工质的有机朗冷循环系统的热力性能参数随蒸发压力变化的变化曲线，以最大净输出功率为目标，得到结论，选取R245fa为循环工质，当蒸发压力为0.9 MPa时，得到最大净输出功率，为7116kW。参考文献：【1】张明星，利用工业余热高产量低能耗粉碎粉煤灰的动力学机制及关键控制技术D.西南科技大学,2 0 2 2.【2 雷波，基于分级冷却的工业余热高效能量回收系统D.四川省，西南交通大学，2 0 2 1-0 7-0 9.【3 李悦.建陶类工业低品位烟气余热分段利用研究D.西南交通大学，2 0 2 1.【4 郝云飞，基于供热系统建模对弃风消纳问题的研究D.东北电力大学，2 0 2 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1.24宋宇：区域供热工业锅炉低温烟气余热回收系统的开发研究D.哈尔滨工业大学，2 0 13.25文萌。中低温有机朗肯循环余热回收系统热力评价D.东北大学,2 0 12.26茹毅，吸收式热泵技术在工业余热回收利用中的应用研究D.太原理工大学，2 0 12.27张喜来，蓄热式低温余热回收及其在工业窑炉上的应用D.华中科技大学，2 0 12.28孟嘉，工业烟气余热回收利用方案优化研究D.华中科技大学,2 0 0 8.29王金山，何恒海，真空热管技术在工业窑炉烟气余热回收中的应用J.石油和化工设备，2 0 0 6(0 1):52-53.30赵斌，王子兵.热管及其换热器在钢铁工业余热回收中的应用J.冶金动力,2 0 0 5(0 3):35-36.106THEWORLDOFINVERTERS