余热余压利用技术包括哪些（山东理工大学王有镗副教授）

圣人 2023-08-06 20:59:38 457

余热余压利用技术包括哪些（山东理工大学王有镗副教授）图1 复叠跨临界CO2动力循环系统示意1 近年来，CO2作为热力循环工质受到广泛关注。尤其在中高温领域，以超临界CO2为工质的循环受到重视。应用于中高温烟气余热回收，超临界状态CO2的吸热过程可良好匹配于烟气的大温降放热过程，但目前尚存以下问题：简单的跨(超)临界循环透平出口乏汽温度高、显热量大，不加以利用则造成大量热量浪费、循环效率低；回热、再压缩等循环形式虽然有效回收了乏汽携带的显热量，但会抬高吸热过程中工质在主气体加热器的入口温度，降低烟气的热利用率，总体上对净输出功率的收益不明显。本文针对于跨临界CO2动力循环在中高温烟气余热动力回收存在的问题，构建了一种相对简单的复叠跨临界循环形式，在400～500 ℃烟气热源下，以单位质量烟气的系统净输出功率为目标函数，分析该循环的热力学性能，考察关键参数对循环性能的影响。并与简单循环和回热循环进行了优化对比分析，以考察复叠循环的热力学性能改善

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工业能耗占我国总能耗的70%以上，工业生产在消耗大量化石能源的同时产生了大量余热资源。其中，电力、钢铁、石化等行业中，高达20%～50%的余热以不同载体携带排向或耗散至环境，以烟气为介质的余热占总余热资源的比例高达50%。品位较高的中高温工业窑炉烟气余热具有很高的动力回收价值，合理、高效地回收利用该部分余热资源是工业节能减排的重要组成。

近年来，CO₂作为热力循环工质受到广泛关注。尤其在中高温领域，以超临界CO₂为工质的循环受到重视。应用于中高温烟气余热回收，超临界状态CO₂的吸热过程可良好匹配于烟气的大温降放热过程，但目前尚存以下问题：简单的跨(超)临界循环透平出口乏汽温度高、显热量大，不加以利用则造成大量热量浪费、循环效率低；回热、再压缩等循环形式虽然有效回收了乏汽携带的显热量，但会抬高吸热过程中工质在主气体加热器的入口温度，降低烟气的热利用率，总体上对净输出功率的收益不明显。

本文针对于跨临界CO₂动力循环在中高温烟气余热动力回收存在的问题，构建了一种相对简单的复叠跨临界循环形式，在400～500 ℃烟气热源下，以单位质量烟气的系统净输出功率为目标函数，分析该循环的热力学性能，考察关键参数对循环性能的影响。并与简单循环和回热循环进行了优化对比分析，以考察复叠循环的热力学性能改善程度。

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摘要：工业窑炉存在大量的中高温烟气余热，现有的动力循环或工质存在难以有效回收大温降烟气余热的问题。提出以CO₂为工质的复叠跨临界动力循环，以单位质量烟气的循环净功率最大为优化目标，在400和500 ℃的烟气热源条件下，研究循环参数对循环性能的影响规律。重点分析了工质分流质量比、吸热压力对回热过程换热匹配特性以及循环性能的影响，并对简单循环、回热循环和复叠循环进行了优化对比。结果表明，复叠循环中，上下级循环的回热匹配是影响循环性能的重要因素，通过调节工质泵出口的工质分流比x以改善回热匹配性，烟气初温400和500 ℃下，最优的工质分流比0.6和0.7。吸热压力的增加有利于循环净输出功率的增加，烟气初温500 ℃下，吸热压力由20 MPa增至35 MPa时，净功率由117.4 kW增至143.8 kW，增幅为22.49%；对各部件而言，提高吸热压力可增加高、低温透平输出功率，但对回热功率的作用相反；20～35 MPa内随吸热压力的升高，低温透平输出功率占比由31.4%降至27.3%，吸热压力对高温透平的性能影响更明显。对比3种跨临界CO₂循环，简单循环的热效率和净功率均最低，回热循环具有最高的热效率，复叠循环输出最高的净功率。烟气初温400 ℃下，复叠循环的净功率比简单循环和回热循环分别高22.2%和6.1%；烟气初温500 ℃下，分别高35.7%和12.5%。

循环介绍

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图1 复叠跨临界CO₂动力循环系统示意

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图2 复叠跨临界CO₂动力循环T-s图

结果与讨论

2.1 高温透平入口工况对乏汽参数的影响

乏汽温度与膨胀初压呈现负相关关系，在透平入口温度485和385 ℃下，随着压力由20 MPa升至35 MPa，乏汽温度变化区间分别为346.6～287.8 ℃和259.9～202.0 ℃。对于简单跨临界循环，相当于200 ℃以上的余热排向环境，造成浪费，导致循环平均放热温度高、效率低。对于回热循环，过高的乏汽温度势必会引起回热器被加热侧流体温升较大，进而导致烟气排温较高。研究表明，烟气初温400和500 ℃时，烟气排温分别为159.7和186.3 ℃，循环对烟气余热源的利用率受限。对于复叠跨临界循环，高温透平乏汽温度影响底级循环的温度上限，同时也影响底级循环的吸热量及热量品质，进而影响底级循环的循环性能。

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图3 吸热压力对乏汽温度的影响

2.2 回热过程匹配性影响分析

低温流体(吸热流体)压力较高，平均比热容较大，在加热过程中由超临界液相变化至超临界流相，比热容变化较为明显；高温流体(放热流体)为亚临界气相，平均比热容较小，在冷却过程中比热容变化平缓。当分流比x较小时，吸热流体的平均比热容明显小于放热流体的平均比热容，因此，放热流体的温降小于吸热流体的温升，此时传热窄点位于回热器高温端，低温端传热温差较大，低温端差为154.6 ℃。在较高的分流比x下，吸热流体的平均比热容明显高于放热流体的平均比热容，放热流体的温降高于吸热流体的温升，此时传热窄点位于回热器的低温端，高温端传热温差较大，高温端差为152.6 ℃。另外，窄点位于低温端时，底级循环可充分回收高温乏汽的余热，此时回热功率保持最大值209.5 kW；随着x的减少，窄点位置逐渐移动至高温端，被加热流体所需加热量逐渐减少，不断抬高回热器放热流体出口温度，如x=0.3时，回热功率为93.4 kW。

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图4 回热过程两侧流体换热匹配

2.3 分流比x对循环性能的影响

随着x的增加系统净功率呈现先增长后降低的趋势，最优值点在烟气初温400和500 ℃时，分别为0.6和0.7，最优值点受吸热压力的影响不明显。在既定烟气热源参数和高温透平入口参数下，顶级循环的工质质量流量及透平输出功率不受分流比x的影响，保持不变。

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图5 分流比x对系统净输出功率的影响

随着x的增加，回热器的换热功率先增大后保持不变。低温透平入口温度随x的增加不断降低，导致单位工质质量流量下的低温透平做功降低，但因工质质量流量的增加，低温透平总输出功率呈现先快速增加后缓慢增加的变化，总体趋势与回热功率变化曲线基本一致，表明低温透平的做功主要受回热量的影响。但因工质泵耗功随x的增加单调递增，最终导致系统净输出功率存在最优值，最优值点的位置与回热功率刚好达到最大值时的位置保持一致，即此时底级循环在保证充分吸热的前提下，尽可能保持了较高的循环温度上限及循环热效率。

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图6 分流比x对系统部件功率的影响

2.4 吸热压力对循环性能的影响

随着吸热压力的升高，净输出功率和热效率均提高，但增长幅度有所降低。以x=0.6示例，吸热压力由20 MPa增至35 MPa时，净功率由117.4 kW增至143.8 kW，增幅为22.49%，热效率由25.5%增至31.2%，净增值为5.7%。在材料强度允许范围内，提高循环吸热压力有利于改善循环的热力学性能。

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图7 吸热压力对净功率和热效率的影响

随着吸热压力的升高，超临界加热器进出口工质的比焓差值逐渐降低，导致工质的质量流量不断增加，但乏汽温度不断降低，总体来看高温乏汽在回热器内部的放热量随压力的升高而递减。高、低温透平输出功率均随吸热压力的升高而增加，提高吸热压力对高温透平性能提升效果更明显。

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图8 吸热压力对透平输出功率和回热功率的影响

2.5 循环优化结果及对比分析

复叠循环的净输出功率分别为96.3和147.1 kW，热效率分别为28%和31.9%。

各类循环的热效率和净功率均与吸热压力成正比。简单跨临界CO₂循环在相同温度和压力下，均输出最低的净输出功率和热效率，主要原因在于中高温工况下透平乏汽携带的大量显热被直接外排、未加以利用。回热循环输出最高的热效率(2种热源条件下分别为32.8%和35.6%)，但其净功率介于简单循环和复叠循环之间。主要由于其高温乏汽余热用以预热高压侧工质，但因换热量大造成回热器出口工质温度较高，过分抬高烟气出口温度，导致烟气热利用率下降、吸热量减少，从而减缓了系统净功率的增加。复叠循环中，下级循环可较充分地回收利用上级循环的乏汽显热，但下级循环透平乏汽依然损失部分废热(烟气初温500 ℃时，低温透平乏汽高达100 ℃)，因此其热效率虽较简单循环有明显提升，但仍低于全回热循环。此外，复叠循环与烟气的换热过程与简单循环保持一致，即可充分回收烟气之显热，加之低温透平额外输出功，因此复叠循环的净输出功率为三者最高。

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图9 各循环在不同吸热压力下的净功率和热效率对比

结论

1）本文针对现有跨临界CO₂循环难以有效回收中高温烟气余热的问题，构建了复叠式跨临界CO₂循环，以净输出功率为优化目标，开展了循环参数性能影响分析；并对充分优化后的简单跨临界循环、回热跨临界循环与复叠跨临界循环开展了对比分析。复叠循环中，上下级循环的回热匹配是影响循环性能的重要因素。通过调节工质泵出口的工质分流比x以改善回热匹配性，最优工况为同时保证下级循环充分吸热和足够的温度上限；烟气初温400和500 ℃下，最优的工质分流比0.6和0.7。

2）吸热压力的增加有利于循环净输出功率的增加；对各部件而言，提高吸热压力可增加高、低温透平输出功率，但对回热功率的作用相反；低温透平输出功率占比随吸热压力的升高而降低，吸热压力对高温透平的性能影响更明显。

3）对比3种跨临界CO₂循环：简单循环、回热循环和复叠循环，简单循环的热效率和净功率均最低，回热循环具有最高的热效率，复叠循环输出最高的净功率。烟气初温400 ℃下，复叠循环的净功率比简单循环和回热循环分别高22.2%和6.1%；烟气初温500 ℃下，分别高35.7%和12.5%。

引用格式

李成宇高振强高明云等.中高温烟气余热动力回收的复叠跨临界CO2动力循环热力学分析[J].洁净煤技术 2020 26(5):70-76.

LI Chengyu GAO Zhenqiang GAO Mingyun，et al.Thermodynamic analysis of cascading transcritical power cycle using CO2 for waste heat recover from medium and high temperature flue gas[J].Clean Coal Technology，2020 26(5):70-76.

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