化工企业低品位余热能源的发电应用

1、化工企业低品位余热能源的发电应用通化化工股份有限公司尹继平江苏凯茂石化科技有限公司李洪伟天津圣智达机电设备有限公司李光寅化工生产存在大量的低品位余热，许多企业无法利用只能放空处置。随着石油能源危 机的出现，人类不断寻找新型能源，同时也在关注低品位能源的利用研究。时代的发展与能源格局的骤变，不被人们关注的垃圾级低品位能源还是有幸让研究人 员发现与研究利用。垃圾处理焚烧发电、新农村秸杆沼气发电、生物能发电、风力发电、太 阳能发电、半导体温差发电，震动发电，甚至连微小的能源也被科学家关爱了，掀起了 新一轮的工业化发电热潮。笔者长期研究低品位余热发电技术和跟踪发电设备研发进展，目前已进入工业化应用 阶

2、段，本文是近年来的研究应用情况。一、低品位余热利用发电的价值按照发电一千瓦小时电消费327克标准煤计算，折合碳排放870g/kwh。如果能把化工 企业的低压余热蒸汽利用发电，无论是当前还是未来，将功不可没。1MPa以下的低品位蒸汽无法满足1.5MPa (340C )传统低压汽轮机所需参数工作条件。 近年由江西华电电力有限责任公司开发成功的“螺杆膨胀蒸汽发电机”工作压力为 0.2-3MPa，能适应汽液两相混合工质热源，很好地解决了甲醛生产过程副产0.4MPa饱和蒸 汽的用途。二、低压低温蒸汽发电原理利用0.2-3MPa压力，温度不高于300C的饱和蒸汽，直接通入蒸汽产生动力，利用较 低的压力差、

3、温度差拖动发电机，实现“蒸汽能-机械能-电能”的转换机理。这类发电机组有传统汽轮机的改良型，也有独具特色的气液混合式机型。其发电消耗 蒸汽流量2.5-4t/h时，能发电200kwh。下面就笔者跟踪的蒸汽发电设备调查如下：1、美国ECT饱和蒸汽汽轮发电机是利用纯低温饱和蒸汽即可接入发电的高科技设备， 在余热利用发电工程上很为适用。在现在已有蒸汽锅炉供车间设备使用蒸汽的工厂最为有 利，即把此饱和蒸汽涡轮发电机串接在蒸汽管道上，即可产生40-2500KW电能，(条件：蒸 汽压力在2公斤以上，蒸汽流量在3吨/小时以上)，不增加蒸汽锅炉的燃料，不影响车间 设备蒸汽的使用，只利用车间设备不利用的蒸汽动能。

4、该饱和蒸汽涡轮发电机为联合国环保 组织投资，美国研制生产的高科技设备，具有环保，节能，高效的优势。2、背压式过热蒸汽机组需配备带有过热器的锅炉使用，原饱和汽的锅炉需要加装过热 器才能与之配套。6-10t/h以上的锅炉都有加装过热器位置，10t/h锅炉有饱和汽1.27 Mpa、 194C改为1.27 Mpa、350C，需加装过热面积为43.67m2.。过热器是有多根$322.5的钢 管弯曲几圈而成。进排气参数对背压式汽轮机做功能力和效率有一定影响，在一定范围内进 汽参数越高，排气参数越低；汽轮机做功越多，汽轮发电机发电越多、汽耗越低。例如：B0.3-1.27/0.49进汽280C、汽耗32公斤/

5、度电。B0.3-1.27/0.294 进汽 320C、排气 2160C、汽耗 21.5 公斤/度电。B0.3-2.45/0.49 进汽 390C、排气 2730C、汽耗 19.5 公斤/度电。该背压式汽轮机组节能的宏观认识，能量的可用性必须从能的数量和质量两个方面来加以分析，能的品质主要由它的做功能力来衡量。电能机械能的品质高于热能，而温度高的热 能转变为功的能力强，是高品位热能。工业企业生产中使用的蒸汽大部分是降低了锅炉的压 力、温度后使用的。一般1.27Mpa、1940C的锅炉降低至0.588Mpa、1640C使用，其卡诺循 环热效率降低了 4.35%，如果该锅炉提高至3200C，则卡诺循

6、环热效率将提高53%，更重要 的是加装过热器提高温度之后，发送了热能的品质，实现了热能的梯级利用，使之提高了其 能量的综合利用水平，降低了企业总的能源消耗成本，提高了企业的经济效益。一台1500KW 低压冷凝机组改为背压式机组后，每度电从576克煤耗下降到189克，节能67%。3、同济大学有机朗肯循环机组（低温余热发电试验台），试验系统主要用于进行低温余 热发电的相关试验，其中包括：有机工质研究、膨胀机研究、传热研究及系统性能研究。通 过试验，为有机朗肯循环余热发电设备的设计及研发提供理论基础及试验参数。系统主要用 于回收150C250C的余热，包括地热、烟气余热、废液余热等各种形式余热。膨胀

7、机的 轴功率设计范围为110kw。系统设计压力为2MPa。系统工质采用R123或R134a等环保 冷媒。4、“螺杆膨胀动力机ZL03123341.4”专利持有单位,2009年科技部批复产业化基地总 投资50亿元，发改委推荐节能项目，2008年成功投入应用！产品介绍：SEPG-400B-500-2700-1.65-C（动力输出 420kw，发电 400kw）机型-功率-转速-长径比-标准C产品规格：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使用条件：蒸汽 0.15s3.0MPa 170C。三、燃式发电机原理1、内燃式发电经过改造的汽油、柴油机，可以使用天然气、液化气、沼气发电，商品化的发电机组 价格很便宜，约600-1000元/kw。甲醛尾气通入内燃式发电机也可以发电，但易形成积炭效率逐渐降低，维护麻烦，不 保证长期运行。早年重庆大方化工就试验过该方法，取得了 40kw/t 37%甲醛尾气的可贵数 据。2012年河北省石家庄一家甲醛厂购置了 1台多燃气发电机，但存在爆劈声，该发电

9、机 由南通宝驹气体发动机有限公司提供。2、外燃式发电机1816年由苏格兰牧师雷伯尔特斯特林发明，又称“热空气发动机”当时已生产出数 千台。后由于蒸汽机和内燃机的出现而被冷落，到二十世纪初已基本消失，主要由于封入的 工质为空气，加热温度仅几百度，致使机构庞大使用不便。1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它 的外燃式静止发动机的特点，做为无线电用发电机的动力而重新开发，但不久由于电子器件 的晶体管化而停顿。以后又做为汽车用发动机重新开发，采取700C以上的温度加热5 20MPa的氢气和氮气为工质，试制了换置式和斜板回转式双向型发动机，并做了装车试验。 由于高温，高压产生的高效率和高转矩，在以氢气为工质时达

10、到了高速度，初步显示有可能 成为比内燃机效率高的外燃式汽车发动机。该公司将液氨用发动机商品化，将其余的发动机 制造技术于19571967年陆续转让给西德和瑞典的有关公司。1973年世界性石油危机后，节油和油的替代提上重要议事日程。菲利蒲公司重新和美 国福特公司合作共同开发了 127kw的回转斜板式双向型4-2150A发动机。进入八十年代以来，第二次石油危机又引起各国对斯特林发动机的关心，后来石油供应 虽有缓和，但从环保和能源角度出发各国又竞相进行斯特林发动机开发工作。斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。我国是一个农业大国，农业 是国民经济的基础。我国农村有丰富的生物质能资源，但

11、品种、分布不均，具有季节性、间 歇性分散性的特点。用旧式炉灶直接燃烧，热效率很低，一般为1015%。如果用斯特林 发动机将农村烧掉的生物质能（按1987年的328Mtce计算），以同样的效率（10%15%）转 换为电能，相当于转化同年农村用电量的23倍。在边远的地区、山区和荒漠，以及海岛 等地区，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本太高，而斯特林外燃机可以利用太阳能、 沼气、植物垃圾热解气体的特性，可以较好的解决这一难题。目前，农用动力斯特林发动机，已引起各国的极大兴趣。在农村，可以燃烧各种物质如 木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等进行工作的。以空气为工质，运转时，噪音低，振动 小，无污染。不

12、用润滑，即可取暖，又可发电，非熟练工人也能操作。斯特林发动机的另一优势是余热回收，而且大大简化了工艺技术。利用热腔温度达到 700 r即可发电的特性，不需要任何介质或热能转换装置，直接将热腔伸入热源之中，将余 热转换成高价值的电能。例如：炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼厂等，均可使用。每个外燃 机可以回收50kW电能和90kW热能。1台50kW的斯特林外燃机完全可以满足1000-3000建筑平方米采暖。这种使用斯特林 发动机的热电联产装置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉，一般情况下是根据供热需求 来确定其运行状态的，其电力系统可以与电网连接，多余的电力通过配电盘向外界供电。如 果配备相应的热水型

13、吸收式制冷机的话，夏季就可以利用热能制取空调所需的冷却水，从而 部分地取代目前广泛使用的耗电量可观的蒸汽压缩式空调制冷装置。显然，不仅在冬季的供 暖期，而且在夏天的供冷期，热电联产装置都能发挥重要的作用。我国目前已设计出功率150kW-1OkW该类发动机11种，是一种具有国际水准的科研成 果，而排放的污染气体比目前市面上的其它发动机都要小，达到欧洲排放标准。适合甲醛行 业生产单位含氢尾气直接燃烧发电应用。笔者跟踪上海711研究所燃气事业部从事的外燃式动力机6年，2012年用氢气燃烧获 得了发电机组宝贵数据，不久甲醛尾气就可以直接接入这种机组发电，其效率远远高于其它 类型动力发电机。这种外燃式动

14、力机是斯特林结构的发动机，燃烧室很大，常压燃烧，运行 寿命长，免维护。尺寸2620X1398X1647,重量2.2t，运行噪音75dB （A），单机功率50kW， 同时产55r热水1.5t/h，总能效n 385%。2011年4R90GZ外燃式热电联供机荣获了 “中国分布式能源创新奖”，该事业部对外为 上海齐耀动力技术有限公司，位于上海市张江高科牛顿路400号。四、甲醛企业发电应用一家5万吨甲醛装置年工作300天，37%甲醛产量为6.94t/h，原料单耗444.65kg/t为 基础数据。每生产一吨甲醛，尾气有582m2, N2氮气占了主要成分，甲醛尾气含可燃成分H2氢气 19-21%，其它 CO

15、、CH4、CH3HO、CH2O 约 1%，属低品位能源。每生产一吨甲醛，582m2尾气经锅炉燃烧生产0.4MPa的饱和蒸汽330kg/t，车间氧化反 应器的废热锅炉最大富裕蒸汽220kg/t。企业蒸汽系统的管网为并联，蒸汽总余量：(330+220)kg/tX 6.94t/h=3.8t/h企业适用哪种发电方案，见下表选择。低品位能源利用发电设备性能价格比较表设备成本能源条件并网副产热水备注*尾气外燃式发电机15000 元/kw10 m3/kwhJ50C 30kg/kw50kwx5 台螺杆膨胀动力发电机10000元/kw13.68kg/kwhV90 C 13kg/kw250kw温差半导体发电20000 元/kw120C外壳壁选配50C .kg/kw最大50kw采用螺杆膨胀动力发电机可发电功率的计算：3.8t/h ： 0.01368t/kwh=279kw/h适宜选配 SEPG-300B-XX100-200KW、200-300KW、300-400KW 中的 200-300kw 机组。五、应用效果