廢熱回收發(fā)電的低溫朗肯循環(huán)模擬與優(yōu)化

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:隨著能源的短缺以及環(huán)境的壓力，提高工廠等地方的能量的利用效率具有重要的意義。一直以來為提高能源的利用效率，經(jīng)常采用蒸汽朗肯循環(huán)對(duì)高溫流體進(jìn)行熱量回收并且進(jìn)行發(fā)電。特別是在燃燒等大量放熱過程中，其燃燒后尾氣具有大量的熱值，為對(duì)其進(jìn)行利用則經(jīng)常結(jié)合蒸汽朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。

一般在工業(yè)生產(chǎn)中，將熱源分為三種：

大于600℃的為高溫?zé)嵩?

大于300℃小于600℃的為一般熱源;

小于300℃的為低溫?zé)嵩?

在蒸汽朗肯循環(huán)中，當(dāng)其熱源溫度一般大于350℃才能保證其發(fā)電過程具有較高的熱效率，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，在生活生產(chǎn)中存在大量的低溫廢熱無法被利用，而如何對(duì)其進(jìn)行廢熱回收提高能量的利用效率具有重大的研究前景。

有機(jī)朗肯循環(huán)其朗肯循環(huán)的模型與蒸汽朗肯循環(huán)一致，但其主要的特點(diǎn)為采用有機(jī)溶劑作為工作介質(zhì)來進(jìn)行工作。由于有機(jī)物具有低沸點(diǎn)的性質(zhì)，使得其更容易在蒸發(fā)器中蒸發(fā)汽化，對(duì)此可以將這些物質(zhì)對(duì)低溫余熱進(jìn)行回收發(fā)電。對(duì)于一般的有機(jī)溶劑的物性數(shù)據(jù)在化工專業(yè)軟件Aspen Plus中具有詳細(xì)的數(shù)值，因而采用Aspen Plus軟件對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行模擬和優(yōu)化不僅具有較高的準(zhǔn)確性，而且通過模擬計(jì)算后對(duì)于進(jìn)一步提高其過程的能量利用效率，具有重大的意義。

Fig.1有機(jī)朗肯循環(huán)工藝流程圖

其廢熱發(fā)電的工藝流程圖如圖1所示，其主要設(shè)備包括蒸發(fā)器、透平、冷凝器以及泵設(shè)備。整個(gè)流程中以有機(jī)物質(zhì)作為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)首先通過泵加壓到一定的壓力，然后在蒸發(fā)器中進(jìn)行蒸發(fā)利用廢熱，加熱后的飽和蒸汽或者過熱蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行做功并傳至發(fā)熱裝置進(jìn)行發(fā)電。被減壓膨脹后的疲氣則進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝并變成飽和液體，然后再用泵加壓至蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)。

在整個(gè)過程中，原理為利用低溫廢熱進(jìn)行廢熱發(fā)電，因此在評(píng)判整個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)的能量利用效率時(shí)通常以

為指標(biāo)進(jìn)行衡算。

本文以恒溫230℃為廢熱源溫度，對(duì)以熱源能量為1MW下的朗肯循環(huán)的模擬與優(yōu)化如下：

1工作介質(zhì)的選擇

對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)的工作介質(zhì)的選擇主要從環(huán)保，安全等各個(gè)角度進(jìn)行考慮。另外，為了提高整個(gè)過程的能效，通過選取與熱源溫度相近或者稍微偏小的臨界溫度的物質(zhì)作為介質(zhì)。并且對(duì)于工作介質(zhì)，其可以分為濕物質(zhì)，干物質(zhì)以及等熵物質(zhì)。

濕物質(zhì)即該物質(zhì)在透平減壓過程中溶液出現(xiàn)液化現(xiàn)象，這對(duì)汽輪機(jī)具有很大的損傷。比如水即為濕物質(zhì)，其液化現(xiàn)象也較為嚴(yán)重。因此一般的工作介質(zhì)最好選擇干物質(zhì)，其不易在減壓過程中進(jìn)行液化，對(duì)汽輪機(jī)有保護(hù)作用。

其判斷方式主要通過觀察物質(zhì)的T-S圖，如圖1所示。通過判斷T-S圖曲線右側(cè)的斜率即可以進(jìn)行判斷。對(duì)此，本文以正己烷為介質(zhì)，其臨界溫度為234.45℃，臨界壓力為30.25bar(該值來自于Aspen PlusV8.4)，因此本文的熱力學(xué)方程采用P-R方程。

圖2 流體性質(zhì)判斷