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烟气余热利用 文献综述


烟气余热利用的技术研究

1.前言
目前,我国的能源利用效率相比来说较低,节能的任务很艰巨,但同样潜力相当巨大。 随着化石燃料的同益枯竭和环境问题的同渐严峻, 中低温余热的回收利用将成为节能领域研 究的重要课题。 而回收和利用工业生产过程中的各种低温余热, 既有利于解决我国的能源缺 乏问题,又可以有效减少环境污染现象,具有重要的现实意义。本文主要介绍

烟气余热的回 收及技术选择。 其中尤其探讨了低温烟气余热处理方法中的有机朗肯循环模式, 阐明了其优 点。

2.正文
?概况 烟气余热主要集中于 80~1500 间,一般来说,根据温度的高低, 可将烟气分为高 温烟气(>600℃)、中温烟气(230~600℃)和低温烟气(<230)在余热资源的回收利用中,高温 烟气的余热利用情况相对较好,而中低温烟气 (尤其是低温烟气 )的余热回收利用率相对较 低。 各个企业一般只回收利用了烟气温度相对较高的那一部分, 对于高温烟气利用后排出的 中温烟气, 大部分企业没有加以合理的利用, 至于温度更低的低温烟气更是没有得到很好利 用,由于利用率低,部分企业甚至直接排入大气,不仅浪费资源,而且造成了污染。 其主要原因是由于高温烟气的热能品位比较高,利用难度相对较小,因此这部分余 热利用率较高,而中低温烟气特别是低温烟气由于温度较低,能级较小,做功能力亦较小, 根据能量匹配以及能量梯级应用的原则, 很难找到合适的热用户, 而且利用这部分能量相对 来说成本较大,资金回收周期较长,制定方案时应综合考虑投资与回收之间的关系。 中温烟气所携带的热能作为一种余热资源在许多工厂中都大量存在着。它们的余热 利用方式大致有两种:一为热利用;二为动力利用。究竟哪种利用方式更好,一方面要看用 户的需要,另一方面要看余热资源的条件。直接利用其热能供生产或生活需要,最为简单、 经济。但是,由于受地区供需平衡等种种具体条件的限制,热能往往不能得到充分利用。 如果热能的品位较高,量也足够大,将它转换成使用方便、输送灵活的电能,则可以扩大其 利用的途径。烟气的温度越低,热能的品位越低,越难加以利用。工业生产过程中有很多排 烟,它们虽然温度比较低,但往往数量很大,若直接排入大气中,不仅浪费了资源,而且容 易造成热污染。由于烟气的温度比较低,如果不采取适当的措施,热能回收设备的尺寸往往 会较大,初投资的回收期较长。中低温烟气余热资源数量非常巨大,而且分布范围极广,所 以解决好上述问题,合理回收中低温烟气余热,对于企业的节能降耗有很大意义。 目前,我国的中高温余热利用的技术已逐渐趋于成熟。然而,低温烟气余热深度利用 仍然是国际热点前沿研究领域。在系统层面上,受到卡诺循环效率的制约,提高低温余热利 用效率的关键在于尽量减小实际的能量利用效率与卡诺循环的差别, 减少不可逆损失, 但是 受到设备投资成本方面的制约。 ?烟气回收方式

烟气余热回收方式一般有两种:一是增加省煤器和空气预热器的受热面,使用烟气余 热加热锅炉循环水和空气; 另一种方式是增加低温有机朗肯循环系统, 将低温烟气余热转化 为高品位的电能或者机械功。 如果转化为电能, 则可以发展低温烟气余热驱动的分布式能量 系统,不受任何终端用户的限制,在我国社会主义新农村发展建设中也有重要意义。如果转 化为机械功,则可以直接用于驱动风机或者水泵,从而减少锅炉对于高品位能的消耗。或者 采用余热制冷、制热、供冷联 供等间接利用的方式。

对于烟气余热加热汽水系统凝结水的余热利用方式, 烟气余热加热凝结水始、 末温度 的不同, 加热凝结水所在的低压加热器的不同以及余热利用系统与凝结水系统串并联集成方 式的不同都会带来显著的差异, 因此根据实际工况、 余热利用出口温度合理选择余热利用方 式较好。例如在满足限制条件的情况下尽量加热前一级加热器,替代前一级抽汽能带来更 好的节能效果。

然而传统的蒸汽朗肯循环在回收低于 370℃的低品位热时,效率非常低;而有机朗肯 循环系统采用低沸点的有机工质, 可以回收利用温度较低的余热, 回收效率相对于传统的蒸 汽朗肯循环系统更高[3] 。低沸点有机工质的选择对有机朗肯循环系统的循环性能具有重要 的影响。 针对有机工质的研究已成为当前有机朗肯循环研领域的热点之一。 有机工质的筛选 原则是优良的热力学性质、良好的换热性能、化学稳定性好、 安全性能良好、环境友好型(零 ODP 和较低的 GWP)、 与热源具有良好的匹配性等。也就是说再回收中低温烟气余热方面, 有机朗肯循环占有优势。

? 有机朗肯循环系统模型 利用有机工质代替水蒸汽朗肯循环称之为有机朗肯循环。图 1 所示的为简单有机朗 肯循环系统,循环的基本硬件设备包括膨胀机、冷凝器、泵和蒸发器。冷凝后的低沸点有机 工质(点 1)经过泵升压后(点 2)进入蒸发器,在蒸发器中被加热到饱和蒸汽态(点 3) 进入膨胀机做功,做功后的有机工质(点 4)在冷凝器中冷凝后再进入泵,完成一个封闭 的有机朗肯循环。

而有机朗肯循环系统在回收中低品位热能具有的优点有以下几个方面 (1)在回收中低品位热能时可以达到更高的效率。有研究认为,当热源温度低于 370C 时,采用以水为工质的朗肯循环是不经济的,由于有机工质的沸点较低,所以有机朗肯循环 比以水为工质的朗肯循环在回收中低品位热能时具有更高的效率。 (2)工作压力对密封要求低。由于通常选择具有较低沸点的工质,所以有机朗肯循环系统 可以工作在更为适宜的压力下, 对系统设备的要求比较低, 非水蒸气朗肯循环需在低于大气 压下冷凝,所以冷凝器的密封和设备更加简单,另外有机朗肯循环系统的蒸发压力通常在 2-3MPa 之间,可以保证较高的膨胀比,而且对蒸发器的强度要求也不高。 (3)膨胀机的膨胀过程工质为气态。因为中低品位热能通常无法为工质提供 较大的过热度,绝大部分的有机物工质是干工质或绝热工质,所以有机朗肯循 环系统可以在较低过热度的前提下很好的保证膨胀机出口的干度。 (4)采用新型工质的有机朗肯循环系统对环境友好,有机工质对臭氧层没有 任何破坏,而且具有较低的温室效应指数,而且有机朗肯循环系统可以用来回收 工业废热, 或者用于地热能和太阳能等绿色可再生能源, 所以有机朗肯循环系统对环境保护 具有很好的作用。

3.小结
烟气余热在利用的过程中做到热尽其用,就必须根据热用户的实际需要,根据热 能品位选择利用方式。 在低温烟气余热利用中采用有机朗肯循环。 则是利用余热源来加热中 间介质,获得高于大气压力的蒸汽,让它在透平机或者其它膨胀机里做功回收动力。传统的 朗肯动力循环以水为工质,利用汽轮机或膨胀机回收余热资源,系统复杂,循环效率较低, 而且经济效益十分有限。利用有机朗肯循环或双循环来利用中、低温余热发电或提供动力, 既实现能源回收利用, 又在相同输出条件下, 减少二氧化碳等污染物的排放, 利于环境保护。

4.引用
1.火力发电厂锅炉尾部尾气余热利用技术,周武,向朝晟,李键,成都 610036 2.电站锅炉低温烟气余热利用系统的研究,田瑶,工学硕士学位论文,2012 年 3 月 3.烟气余热利用过程的建模与控制,张文芳,硕士论文 2012.3 4.碳素回转窑烟气余热的利用,第 34 卷第三期,工业炉 5.热电厂锅炉烟气余热利用的技术研究,王建,能源研究与利用,2011 年第一期 6 煤矿烟气余热回收利用技术,张俊峰,武汉理工大学学位论文,2012.5 7.烟气余热利用的系统节能观点,10 卷 2 期 1991 .3,冶金能源 8 低温烟气余热利用有机朗肯循环工质选择, 郭浩,公茂琼 ,董学强 ,吴剑锋。 9.RTO 烟气余热利用综合技能技术,汽车与配件,2012-20 10.低温烟气余热利用换热除尘一体化技术研究,杨恒,硕士学位论文,2012.5


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