[水泥周]非水工质循环在水泥余热发电中的应用分析

　　烟气温度：300℃
　　结论：
　　1）Rankine循环AQC余热锅炉排烟温度较高，未能充分回收烟气余热。
　　2）当烟气温度由350 ℃降至300℃的过程中，随着烟气温度的降低，Kalina循环逐渐在低压区体现其发电量高于Rankine循环的优越性。
　　3）烟气温度降至300 ℃，Kalina循环汽机进口压力宜选择在4~5MPa，压力过高，则过热度较小，工质进入汽机后很快进入两相区，容易析液，冲击汽机叶片，造成汽机破坏，同时大大降低汽机效率。

　　烟气温度：200℃

烟气温度：200℃
　　结论：
 　　1）烟气温度降至200℃，Kalina循环计算发电量高于Rankine循环。
 　　2）若Kalina循环压力继续降低，由下表可知，冷却水将很难将其冷却至饱和液态。
 　　3）由于Kalina循环与Rankine循环此时压力下过热度都较低，进入汽机后很快进入两相区，容易析液，冲击汽机，同时汽机效率大大降低，而且此时Rankine循环进口压力过低，因此，烟气温度降至200℃，宜采用低沸点有机工质循环（ORC循环）进行余热回收发电。

　　三、Kalina大纪事

　　Kalina循环由Dr.Alex Kalina 博士发明并以其命名，1983年，Kalina循环首次公开，随后世界上许多学者围绕着Kalina循环进行了许多研究，到目前为止发表的论文不计其数。

　　薄涵亮—卡林那循环的势力学分析                     （1989年发表）                                               
　　陈亚平—改进型卡林那循环热力分析                   （1989年发表）                                       
　　吕灿仁、马一太－Kalina循环放热过程的热力学分析     （1989年发表）
　　吕灿仁、马一太－Kalina循环研究和开发及其提高效率的分析       （1991年发表）
　　D. Yogi Goswami－Thermodynamic propertise of ammonia-water mixture for power-cycle applications.                          （1997年发表）
　　P.K.Nag－Exergy analysis of the Kalina cycle.      （1998年发表）

　　“kalina循环前期工作探讨”研讨会：
　　1990年5月9~10召开了“Kalina循环前期工作探讨”研讨会，出席大会的有天津大学、西安交通大学、上海机械学院、华东化工学院等单位16名代表。与会代表一致认为：Kalina循环是一项有前途，但又有相当难度的技术，将其应用于实际工程，应综合考虑技术经济性分析。

　　1991年，在美国能源部（D.O.E）的支持下，在加州Canoga Park建造了3MW的试验Kalina电站，并进行了技术测试。

　　1997年，GE公司设计了125MW联合循环示范电站，Kalina循环作为联合循环的底部循环。示范电站由一台75MW的7E型燃气轮机和一台50MW的GE氨水发电机组构成，与常规联合电站相比，电站效率仅提高2%。

　　2000年交付使用的Húsavík电站，是目前采用Kalina循环技术建成的唯一地热电站。该电站位于冰岛，现发电容量为1700kW，总投资370万欧元。

　　在经济性上，目前该电站还不具备优势，对比同期欧洲市场条件，同类项目建设成本通常控制在1000美元/kW，该电站在预算设计时，成本约为1440美元/kW，成本提高44%。 

　　四、ORC及Kalina工程实例

　　Lengfurt ORC循环余热电站：1999年海德堡水泥集团在德国环境部支持下利用世界银行贷款，由以色ORMAT公司设计，在德国Lengfurt水泥厂3000t/d的生产线上，建成了世界首座水泥厂ORC纯低温余热发电站，也是至今唯一一座水泥厂ORC循环余热电站。

　　五、存在的问题与结论

　　Kalina循环传热学分析
　　①传热温差Δt减小，传热面积A增加。
    　　 热力学角度分析： 锅炉传热温差：Δt Kalina< Δt Rankine,
    　　 传热学角度分析： 根据Q=KAΔt， Δt Kalina< Δt Rankine，烟气散热量Q=Const，从而传热面积AKalina>ARankine，进而使得余热锅炉面积增大，余热锅炉钢材耗用量增大，锅炉体积增大，设备投资显著增加。

　　②传热系数K减小，传热面积A增加。
　　根据非共沸混合物热物性的研究可知，在纯质里面加入另一种工质从而形成混合物是对纯质沸腾传热的一种削弱，这种削弱程度与混合物泡露点温差有关。传热学角度分析：根据Q=KAΔt， KKalina<KRankine，烟气散热量Q=Const，从而传热面积AKalina>ARankine ，余热锅炉换热面积增大，设备投资增加。

　　工质热物性评价
　　由于Kalina循环采用氨-水混合物作为系统循环工质，因此需要考虑氨-水混合物的稳定性、腐蚀性以及对环境的影响。
　　①氨-水混合物在高温高压下的稳定性。
　　②氨-水混合物在高温高压下的腐蚀性。
　　③主要设备承压能力。
　　④余热锅炉的排烟温度影响。
　　⑤氨-水混合物工质外漏对人与环境的影响。

　　经济评价
　　1.Kalina循环采用高压参数的经济性评价：
　　如前计算所示，在目前水泥烟气温度下，Kalina循环只有在汽机进口压力较高时发电量才大于目前实际工程中技术较成熟，高压参数带来的问题：
　　①Kalina循环采用高压力参数，将加大系统设备、管道、管件、阀门等承压能力，设备与管道等壁厚将加大，用钢量增加，投资增大。
　　②Kalina循环采用高压力参数，对电站工作人员的安全性要求较高。
　　③Kalina循环采用氨-水混合工质，对于工质泄漏控制严格。

　　结论：按照欧洲标准Kalina循环系统投资将增加1.3倍，单位发电量投资增加45%~50%，投资回收期延长5~8年。但是对于国内投资将是Rankine循环的2倍左右。

　　2.Kalina循环提出了蒸馏－冷凝子系统，该子系统代替普通凝汽器将汽机排汽在稍高于大气压力下冷凝至饱和液态，避免了Kalina循环采用普通凝汽器时可用能损失过大的问题。但该系统设备较多，系统复杂，投资较大，运行维护费用较高，大大提高单位发电量投资。

　　3.由以上传热学技术评价可知，Kalina循环特点是吸放热传热温差减小，从而余热锅炉可用能损失减小，但余热锅炉传热面积显著增大，其钢材耗用量增大，投资增加。

　　4.由于Kalina循环采用氨-水混合物作为循环工质，因此现有Rankine循环设备都需要更换为适用于Kalina循环的设备，设备需要重新设计计算制作，并且余热锅炉、汽机等关键设备由于国内生产厂家少，因此需要外购，设备投资增大。

　　综合评价
　　Kalina或ORC循环在技术上完全可行
　　Kalina或ORC与Rankine相比在低温废气热源具有一定的优势
　　但是在200℃以下废气热源的条件下ORC具有一定的优势
　　在目前的技术条件下投资较高
　　运行的安全性以及维护成本过高
　　对于ORC循环来说，进一步降低投资是推广的关键
　　对于Kalina循环来说还需在系统和装备上进行深入研究
　　当能源愈加紧张时必定会促进ORC和Kalina的发展