黄晓艳   王 华   王辉涛

 

 

引言

铝是仅次于钢铁的第二大金属，铝冶金工业通常包括铝矿石的开采、氧化铝的生产、电解铝的生产三个领域程[1]。同时，在此工业过程中，也存在着大量的能量消耗及广泛的余热分布[2]。以烧结法生产氧化铝为例，我国的能耗指标为1447kg标煤/t-Al2O3[3]，其中有较大部分以250℃以内低温余热的方式排放 [4]，如熟料窑窑尾烟气(温度为250℃左右[4])带走余热占热支出的10%[5]左右。

余热发电是对低温热源回收利用的一种有效途径，不但可以提高对一次能源的利用率，而且还可以降低余热对环境造成的热污染。但以目前的技术水平根本无法对该部分余热进行有效地回收利用。采用低沸点有机工质朗肯循环技术来对低温余热实现热—电转换，是当前国际上研究低温余热高效回收的热点。

1.低温余热驱动的有机朗肯循环工质的选择

由于有机工质种类众多,其物理、化学性质千差万别,在进行余热回收时，要根据余热能的温度、比热容、流量等参数来选择适合特定操作条件的工质,所选工质一般应达到以下要求: 

1.1良好的热力学性能：工质的标准沸点及临界温度要在合适的范围之内。 

1.2良好的传热和流动性能：工质应有较高的吸、放热系数，以减少换热面积；有较低的粘度，以降低管路中的流动阻力。

1.3良好的物理化学性质：化学稳定性好，保证在工作温度及压力范围内不分解；与接触到的金属或非金属材料不发生化学作用，保证长期可靠运行。

1.4环保和安全性要好：工质应无大气臭氧破坏能力，同时具有较小的温室效应；无毒、无刺激、不可燃，泄漏时易被检测，如：HC 类、HFC类有机工质。

1.5价格便宜、易购买。

表1列出了水及几种无臭氧破坏能力[6]的有机工质的标准沸点、臭氧破坏潜能值(ODP)、全球变暖潜能值(GWP)及安全等级: [7]

表1.水及几种有机工质的标准沸点、ODP值、GWP值及安全等级[7]

中文名称	工质代号	标准沸点(℃)	ODP	GWP100	安全等级
水	R718	100	0	0	A1
甲烷	R50	-161	0	23	A3
乙烷	R170	-89	0	约20	A3
三氟乙烷	R143a	-47.2	0	4300	A2
四氟乙烷	R134a	-26.1	0	1300	A1
五氟乙烷	R125	-42.2	0	3400	A1
丙烷	R290	-42.2	0	约20	A3
五氟丙烷	R245fa	15.1	0	950	A1 [8]
八氟丙烷	R218	-37	0	8600	A1
正丁烷	R600	-0.5	0	约20	A3
异丁烷	R600a	-12	0	约20	A3

对于低温余热驱动的有机朗肯循环发电系统，由于余热源温度较低(200-400℃)，故一般选用低沸点工质。从表1中可以看出,在250 ℃以内的低温余热采用工质R245fa实现动力循环是最合适的,因其标准沸点不高、无毒、不可燃；属于低中压范围[7],对管道设备的强度要求不高。本文选用R245fa作为实现动力循环的工质。

2.R245fa循环性能计算

2.1.R245fa热力参数的计算

本文采用通用性较好的（Peng-Robinson） P-R方程对R245fa的热力性能进行计算：                                             (2.1a)

该方程是二参数状态方程，是在对R-K方程修正的基础上得出的。自由能a,比焓h,比熵s均采用余函数方程计算[9]，各余函数方程如下：

                                                    (2.1b)

                                    (2.1c)

                                              (2.1d)

2.2.R245fa循环性能的计算
工质从工质泵出来以后，变成高压液体进入余热锅炉，在余热锅炉中余热流—氧化铝熟料窑窑尾烟气把热量传递给高压工质，而高压工质吸收热量以后变成高压蒸汽，进入有机透平做功，从而带动发电机发电。

取R245fa凝结温度30 ℃,余热锅炉中的工质蒸发压力为1926kPa,过热度30℃,余热入口温度250℃，余热流量300kg/s，经计算： 

表2.低温余热驱动的有机朗肯循环计算结果

位置、编号	温度/℃	压力/MPa	密度/（kg·m-3）	比焓/（kJ·kg-1)	比熵/ (kJ/(kg·K)-1)
透平出口4	89.083	0.179	8.356	478.3	1.9097
加压泵入口1	29	0.179	1353.96	237.4	1.129
余热锅炉入口2	30	1.926	1360.998	238.5	1.129
透平入口3	150	1.926	96.202	529.183	1.9097
比功/（kJ·kg-1)	50.883
热效率/%	17.13
余热排烟温度/℃	99.65216

3.动力循环火用   损失计算

变温热源在余热锅炉里从进口温度下降到排放温度,假定烟气在放热过程中未发生相变，蒸发温度120℃，冷凝温度30℃，过热度30℃，余热流量300kg/s，动力循环火    用          损失为:

表3.火用损失计算结果

（环境温度为25℃）

名称	预热器	蒸发器	过热器	冷凝器	排烟
火用损失/KW	2708.058	2232.456	910.9113	820	2370

 

表4.换热面积计算

名称	预热器	蒸发器	过热器
面积/m2	3782.767	2359.912	608.9441

 

从表3中可以看出有机朗肯循环与水蒸气朗肯循环有明显区别，有机朗肯循环中预热器中火用损失最大，占总换热量的13%左右,其主要因为在预热段有机工质的吸热量占大部分，这一点与以水为介质时是不同的。而且从表4中也可以看出预热器面积占余热锅炉总面积的50%左右，因此预热器的优化设计是必要的。

4.结论：

a.本文采用R245fa为循环工质；

b.当余热流温度为250℃、余热锅炉中的蒸发压力为1926kpa时，循环热效率可达17.13％，比水高的多（当工质为水时，循环热效率为5％左右），因此用朗肯循环方式对低温余热进行动力回收时，不宜采用水作为循环工质；

c.有机朗肯循环中，预热器的火用   损失最大，这有别于水蒸气朗肯循； 

d.预热器的优化设计是必要的。