关键词:
余热回收
有机朗肯循环
热力性能
经济性能
环境性能
遗传算法
摘要:
随着全球钢铁需求的持续增长,环境和能源资源承受着巨大的压力。烧结工序作为钢铁企业中高耗能的生产工序之一,恰当的余热回收技术选择对于降低烧结工序能耗来说至关重要,因为目前,国内钢铁企业已经能够较为成熟地利用中高温烟气余热,但低温烟气余热的利用尚不充分,导致大量低温余热资源浪费和环境污染。为了提升钢铁企业能源利用效率并减少碳排放,低温余热资源的高效回收利用已刻不容缓。有机朗肯循环(ORC)是一种高效利用低温余热的技术,可以实现低品位余热向高品质电能的转换。故将钢铁企业烧结工序中低温烟气余热引入ORC系统用于发电,以提高低温余热回收利用率,促进钢铁产业的绿色低碳转型,进而支持“双碳”目标和能源可持续发展。
本文以环冷机四段出口流量为136kg/s、平均温度为190℃的烟气作为热源,选取R245fa、R245ca、R600a、R601a、R236ea作为系统循环有机工质,研究不同工质条件下,系统热力参数对不同循环结构热经济性能和环境性能的影响。此外,以最大系统(火用)效率、最小系统平准化电能成本(LEC)以及最大年二氧化碳减排量(MCO2)为优化目标,通过基于遗传算法(GA)的多目标优化方法确定系统最佳热力参数、最佳工质、最佳热力性能和经济性能以及环境性能。主要研究内容与结论如下:
(1)介绍了基本ORC(BORC)系统和带回热ORC(RORC)系统的基本概念、循环原理以及工作流程,根据工质筛选原则选取了R245fa、R245ca、R600a、R601a、R236ea五种工质。建立了热力模型、经济模型和环境模型,并进行模型验证。结果表明,所计算的系统性能参数与文献数据吻合度较好,相对误差值也较小,且热效率的最大相对误差小于0.34%,验证了所建立系统性能模型的可靠性。
(2)基于所建立的BORC和RORC系统性能模型,利用热力学数值计算软件和工质物性参数查询软件Refprop对系统模型进行计算,分析不同循环结构和循环工质条件下,系统热力参数对其性能的影响,并对系统四个热力参数进行敏感度分析。研究结果表明:各工质的系统净输出功(Wnet)、(火用)效率(ηex)、单位净输出功所需换热器面积(APR)、系统平准化电能成本(LEC)、每年节省的化石燃料排放量(Mff)和年二氧化碳减排量(Mco2)均随着蒸发温度降低、冷凝温度升高和蒸发器节点温差增大而减小。同时,Wnet、ηex、Mff和Mco2随过热度升高而降低,而APR和LEC则随过热度升高先减小后增大。通过对系统进行敏感度分析得出,冷凝温度对系统热力性能和环境性能指标影响最大,而蒸发器节点温差对经济性能影响较大。在特定冷凝温度范围内,五种工质均存在最佳冷凝温度30℃,使得系统同时实现最佳的热力性能、经济性能和环境性能,而对应的最佳蒸发温度、过热度和蒸发器节点温差则需要通过优化获得。
(3)选取热力学性能(最大(火用)效率)、经济性能(最小LEC)以及环境性能(最大MCO2)为优化目标,建立多目标优化模型。以工质蒸发温度、冷凝温度、过热度和蒸发器节点温差作为决策变量,采用遗传算法对系统性能进行优化。研究结果表明:优化后的RORC系统在热力性能方面优于BORC系统。除了R245fa外,其余四种工质在RORC系统中的最佳经济性能均不如BORC系统。在环境性能方面,除了R236ea外,其余四种工质在BORC系统中的表现最佳。为实现较高的余热回收率,BORC系统和RORC系统均可选择工质R236ea。
(4)通过优化系统最佳工质结果可得:烟气进口温度为190℃,BORC系统优化后最佳工质为R245fa,而RORC系统优化后的最佳工质为R600a。此时,BORC系统中最佳蒸发温度为122.37℃,最佳冷凝温度为30℃,最佳工质过热度为6.49℃,最佳蒸发器节点温差为8.09℃。在这些最优参数的组合下,烟气出口温度可降至62.46℃,系统能够实现最大净输出功2597.067k W、最大(火用)效率57.146%、最小LEC为0.99$/k Wh以及最大CO2排放量为17.413×10~6kg,烟气余热回收率为75.02%。而RORC系统最佳蒸发温度为122.29℃,最佳冷凝温度为30℃,最佳过热度为16.57℃,最佳蒸发器节点温差为9.30℃。在最优参数组合下,烟气出口温度为72.14℃,系统能够实现最大净输出功2678.949k W、最大(火用)效率61.442%、最小LEC为0.116$/k Wh以及最大CO2排放量为17.962×10~6kg,烟气余热回收率为69.33%。
图[47]表[20]参[84]