有機(jī)朗肯循環(huán)在余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用探索

穆永超　趙保明　楊嘎　焦江濤

【摘 要】我國(guó)是一個(gè)能耗大國(guó)，隨著我國(guó)工業(yè)化領(lǐng)域的快速發(fā)展，越來(lái)越多研究者開(kāi)始注重技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，有機(jī)朗肯循環(huán)低溫發(fā)電技術(shù)作為余熱回收的有效措施，在我國(guó)各高耗能領(lǐng)域逐漸應(yīng)用，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

【Abstract】China is a large energy consumption country， with the rapid development of the industrialization in China， more and more researchers begin to pay attention to the development and application of technology， Organic Rankine Cycle low-temperature power generation technology is an effective measure for waste heat recovery， which has been gradually applied in various fields of high energy consumption in China， and has obtained good economic and environmental benefits.

【關(guān)鍵詞】有機(jī)朗肯循環(huán);余熱回收;經(jīng)濟(jì)效益

【Keywords】Organic Rankine Cycle（ORC）; recovery of waste heat; economic benefit

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM617 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2019）03-0168-02

1 引言

隨著全球能源消耗的增長(zhǎng)，能源供應(yīng)的可持續(xù)性成為當(dāng)前人類(lèi)面臨的一個(gè)重大問(wèn)題，目前我國(guó)在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中由各種換熱能設(shè)備、用能設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生的熱量，除高中品位熱源回收利用較好，其余低品位余熱提質(zhì)利用則成了當(dāng)前節(jié)能減排的重中之重。人類(lèi)所利用的熱能中有50%最終以低品位廢熱的形式直接排放[1]，余熱的排放既是能源的極大浪費(fèi)，也是造成溫室效應(yīng)的主要因素。

目前溫度低于150 ℃的熱能無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)電利用，基本排放到大氣中，這種工業(yè)余熱的總量是非常巨大的。面對(duì)節(jié)能減排的巨大壓力，有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研發(fā)逐漸受到研究者的關(guān)注 [2，3]，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也逐漸開(kāi)展，以實(shí)現(xiàn)低品位能源綜合利用、變廢為寶。

2 有機(jī)朗肯循環(huán)原理

利用有機(jī)朗肯循環(huán)原理實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電機(jī)組研制與開(kāi)發(fā)，其本質(zhì)是將熱流體與低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)換熱，再將低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)引入螺桿膨脹機(jī)（或者汽輪機(jī)）進(jìn)行能量回收的循環(huán)系統(tǒng)方式。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要包括四個(gè)組成部分：蒸發(fā)器、膨脹動(dòng)力機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

低溫的有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中與余熱流體介質(zhì)換熱，有機(jī)工質(zhì)吸收余熱流體所攜帶熱量產(chǎn)生高溫高壓的有機(jī)蒸氣，高溫高壓氣態(tài)（或汽液兩相）有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)膨脹做功，螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。高溫高壓有機(jī)工質(zhì)氣體通過(guò)膨脹做功之后變成低溫低壓氣體，并進(jìn)入冷凝器，冷凝為液態(tài)有機(jī)工質(zhì)，最后再經(jīng)工質(zhì)泵打入蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)有機(jī)工質(zhì)的密閉循環(huán)。

3 有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種形態(tài)的工業(yè)余熱的回收，適應(yīng)煙氣、熱水、乏汽等余熱資源。針對(duì)低溫有機(jī)工質(zhì)特性，螺桿膨脹機(jī)的多適應(yīng)性和自清潔性可適應(yīng)不同的余熱條件。同時(shí)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作方便，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)及下網(wǎng)，利用低品質(zhì)余熱產(chǎn)生高品位電力，并入企業(yè)電網(wǎng)節(jié)省等量的生產(chǎn)用電，變廢熱為資源。

與高壓水蒸汽直接作為工質(zhì)參與發(fā)電過(guò)程的常規(guī)單循環(huán)過(guò)程相比，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。有機(jī)工質(zhì)在閉合回路中工作，只起到傳遞熱量的作用，工質(zhì)的物性不會(huì)變化。

4 有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用領(lǐng)域

我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富，但工業(yè)余熱資源利用比例較低。余熱資源大致可以分為三類(lèi)：高品位、中品位和低品位余熱資源，且形式有多樣性特點(diǎn)，例如，工業(yè)冷卻水、高溫?zé)煔?、乏汽等，其中大部分低品位余熱資源基本上沒(méi)有得到很好的利用，最終主要以低品位余熱的方式排放到環(huán)境中，帶來(lái)的結(jié)果是嚴(yán)重地污染了環(huán)境。因此，將有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于低品位余熱的回收領(lǐng)域?qū)槲覈?guó)企業(yè)節(jié)能減排事業(yè)做出積極貢獻(xiàn)。

4.1 化工領(lǐng)域

目前化工行業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝中有多處工藝介質(zhì)氣（溫度約90～160℃）通過(guò)水冷方式進(jìn)行冷卻，不但造成低品位熱能資源的浪費(fèi)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)自身還要消耗大量的電能和水資源。雖然有些工藝流程實(shí)現(xiàn)了高溫介質(zhì)對(duì)低溫介質(zhì)的加熱來(lái)優(yōu)化化工生產(chǎn)過(guò)程中的管網(wǎng)匹配工藝，但高溫介質(zhì)和低溫介質(zhì)間往往存在較大的溫度差，造成熱能的損失和浪費(fèi)。

有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)化工過(guò)程中工藝流體余熱的回收利用，回收過(guò)程中有機(jī)朗肯循環(huán)介質(zhì)與冷熱流體實(shí)現(xiàn)熱量交換，有效回收利用工藝介質(zhì)氣冷卻過(guò)程中排放的低溫?zé)崮堋?/p>

4.2 冶金領(lǐng)域

鋼鐵行業(yè)的余熱利用處于起步期，具有較為廣闊的發(fā)展空間，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率約為30%～50%，中小鋼鐵企業(yè)的利用率則更低。鋼鐵行業(yè)余熱主要有高爐煤氣、高爐沖渣水、球團(tuán)加熱爐蒸汽、軋鋼加熱爐蒸汽、高溫固體余熱等多種形式。目前采用的利用方式多以供暖為主，但對(duì)于北方地區(qū)供暖不僅是季節(jié)性的，而且往往由于熱量的過(guò)剩，僅采用供暖方式并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)全部熱量的消耗。

有機(jī)朗肯循環(huán)作為余熱回收的先進(jìn)技術(shù)可回收鋼鐵行業(yè)高溫?zé)煔夂退魵獾臒崮埽绕涫菍?duì)于飽和水蒸氣、乏汽的回收，避免了常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)對(duì)熱源品質(zhì)的過(guò)高要求，有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)適用范圍更廣。

4.3 建材領(lǐng)域

石灰窯、玻璃窯、隧道窯等建材窯爐在生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝需求不僅需要連續(xù)運(yùn)行，而且窯爐溫度往往較高需要冷卻降溫，且產(chǎn)生大量高溫?zé)煔馔苯优欧牛瑴囟仍?00～500℃左右。利用余熱鍋爐可回收高溫?zé)煔鉄崃慨a(chǎn)生高溫?zé)崴蛘唢柡退魵?，在熱量無(wú)法完全消耗的情況下，利用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)對(duì)高溫?zé)崴蛩魵鈱?shí)現(xiàn)回收利用，發(fā)出的電能直接并入企業(yè)用戶(hù)電網(wǎng)，在回收余熱的同時(shí)，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

4.4 內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域

內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力輸出設(shè)備，廣泛用于垃圾填埋場(chǎng)發(fā)電、低瓦斯發(fā)電、船舶發(fā)電、企業(yè)臨時(shí)用電等多種場(chǎng)所。內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量余熱資源，主要有高溫缸套水、高溫?zé)煔獾确绞酵ㄟ^(guò)空冷器排放，同時(shí)消耗一定的電能。且由于單機(jī)熱量核算相對(duì)較小，不能滿(mǎn)足傳統(tǒng)發(fā)電工藝技術(shù)要求而被人們忽略。但內(nèi)燃機(jī)高溫?zé)煔獾臏囟榷鄶?shù)在500～550℃，高溫缸套水在65～85℃，且運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)來(lái)說(shuō)是很優(yōu)越的利用場(chǎng)所，不僅能夠利用余熱產(chǎn)生電能，而且節(jié)約了空冷器電能的消耗，實(shí)現(xiàn)了雙重效益。

5 結(jié)論

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)作為余熱回收技術(shù)的典型方法，在化工、冶金、建材、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)較高的利用價(jià)值，不僅為企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也減少能源的浪費(fèi)，取得良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。隨著有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)的不斷進(jìn)步和系統(tǒng)的優(yōu)化，將會(huì)在我國(guó)余熱回收市場(chǎng)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

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