低溫余熱利用技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

胡希栓

1 前言

近些年，隨著技術(shù)及裝備的進(jìn)步，高溫（≥450℃）、中溫（≥250℃）余熱利用已在鋼鐵、水泥和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域取得較大的成績(jī)。但在工業(yè)生產(chǎn)中還存在著大量的低溫余熱，由于技術(shù)裝備等原因未能被廣泛利用，因此需要開發(fā)新的針對(duì)250℃以下的低溫余熱利用技術(shù)，進(jìn)一步提高能源利用效率。

有統(tǒng)計(jì)指出，人類所利用的熱能中有50%最終以低品位廢熱的形式直接排放。因此，合理回收利用這一部分熱量，能夠緩解我國(guó)的能源緊缺問題，同時(shí)保護(hù)環(huán)境。

常見的低溫?zé)崮馨l(fā)電主要應(yīng)用于太陽能熱力發(fā)電、工業(yè)余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等。目前利用低溫?zé)崮艿陌l(fā)電技術(shù)主要是基于朗肯循環(huán)（Rankine）的熱力發(fā)電系統(tǒng)，如有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（ORC）、Kalina循環(huán)等，另外還有應(yīng)用適應(yīng)性比較強(qiáng)的螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。本文將著重對(duì)這三種技術(shù)進(jìn)行分析介紹。

2 有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（ORC）技術(shù)

2.1 有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)介紹

有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（簡(jiǎn)稱有機(jī)朗肯循環(huán)），即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機(jī)工質(zhì)代替水推動(dòng)渦輪機(jī)做功。圖1為有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。低壓液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入預(yù)熱器、蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫羝螅邷馗邏河袡C(jī)工質(zhì)蒸汽推動(dòng)渦輪機(jī)做功，產(chǎn)生能量輸出，渦輪機(jī)出口的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，向低溫?zé)嵩捶艧岵⒗淠秊橐簯B(tài)，如此往復(fù)循環(huán)。

由于該循環(huán)系統(tǒng)采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)作為熱力循環(huán)工質(zhì)與低溫余熱換熱，有機(jī)工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)或其他膨脹動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)70～250℃溫度余熱資源的熱回收，這是常規(guī)發(fā)電技術(shù)不能做到的（常規(guī)發(fā)電技術(shù)要求熱源溫度＞300℃）。余熱形態(tài)可以是熱煙氣、熱水、蒸汽等。

2.2 有機(jī)朗肯循環(huán)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中熱力參數(shù)的確定、工質(zhì)的選擇、換熱器的設(shè)計(jì)等會(huì)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此在得到熱源溫度和流量等基礎(chǔ)條件后，需要首先確定有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度以及換熱溫差等循環(huán)熱力參數(shù)。

2.3 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇

在有機(jī)朗肯循環(huán)中，循環(huán)工質(zhì)的選擇注意以下幾點(diǎn)要求：

（1）發(fā)電性能好。在相同條件下，實(shí)際發(fā)電量較大。

（2）傳熱性能好。在相同條件下，換熱系數(shù)較大。

（3）工質(zhì)的壓力水平適宜。在相應(yīng)的熱源溫度下，工質(zhì)的飽和壓力不很高；在冷源溫度下，不會(huì)出現(xiàn)高度真空。

（4）來源豐富，價(jià)格低廉。

（5）化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解，對(duì)金屬的腐蝕性小，毒性小，不燃，不爆。

根據(jù)上述要求，對(duì)于有機(jī)工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工質(zhì)有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)于不同類型、不同溫度的熱源應(yīng)當(dāng)選擇不同的工質(zhì)，工質(zhì)的優(yōu)選也會(huì)影響到系統(tǒng)的效率。

3 卡琳娜（Kalina）循環(huán)技術(shù)

3.1 卡林娜循環(huán)系統(tǒng)介紹

卡林娜循環(huán)是以氨水混合物作為工質(zhì)的新型動(dòng)力循環(huán)。由于氨的沸點(diǎn)遠(yuǎn)比水的沸點(diǎn)低，在較低的溫度下就處于氣化狀態(tài)，因此，在中低溫余熱利用方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

最簡(jiǎn)單的卡林娜循環(huán)是一級(jí)蒸餾卡林娜循環(huán)，如圖2所示。濃度為70%的氨水溶液經(jīng)過給水泵加壓、預(yù)熱器升溫之后，進(jìn)入余熱鍋爐，由余熱熱源加熱、蒸發(fā)并過熱后，產(chǎn)生70%的過熱氨水蒸汽，進(jìn)入透平機(jī)做功，透平機(jī)排氣經(jīng)過蒸餾器冷卻，被34.59%的貧氨溶液（B股）稀釋為44.81%的基本溶液（C股），進(jìn)入吸收器中凝結(jié)；離開吸收器的飽和液體經(jīng)凝結(jié)泵加壓，一部分（D股）經(jīng)過再熱器和蒸餾器加熱升溫后，進(jìn)入分離器，在分離器中分離出96.85%富氨蒸汽（F股）和34.59%的貧氨溶液；34.59%的貧氨溶液經(jīng)再熱器冷卻和節(jié)流閥降壓，將濃度為70%的工作溶液稀釋為44.81%的基本溶液；96.85%的富氨蒸汽經(jīng)預(yù)熱器冷卻后與另一部分基本溶液（E股）混合為70%的工作溶液，被冷卻水凝結(jié)為飽和液體，最后到給水泵，完成一個(gè)循環(huán)過程。

在卡林娜循環(huán)中，由于氨水混合物不能在通常的環(huán)境溫度下凝結(jié)，所以卡林娜循環(huán)采用了蒸餾冷卻子系統(tǒng)來解決氨水混合物的冷凝問題。該系統(tǒng)由蒸餾器、吸收器、再熱器、分離器、冷凝器和預(yù)熱器組成，其基本原理是：把透平機(jī)排出的氨水混合物工作溶液和分離器分離出來的貧氨溶液混合，形成濃度較低的基本溶液；該溶液可以在吸收器中以排氣壓力和環(huán)境溫度完全冷凝，冷凝后的溶液由于濃度較低，不能直接送入鍋爐加熱，而是經(jīng)凝結(jié)泵升壓后把一部分基本溶液送到分離器中；經(jīng)分離器出來的富氨溶液和另一部分基本溶液混合，形成工作溶液，從而使氨水混合物的濃度恢復(fù)到工作濃度，這時(shí)壓力已經(jīng)升高，工作溶液可以在冷凝器中以環(huán)境溫度完全凝結(jié)。

圖1 有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖2 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)示意圖

3.2 卡琳娜循環(huán)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）傳熱溫差Δt減小，傳熱面積A增加。

從熱力學(xué)角度分析，鍋爐傳熱溫差ΔtKalina＜ΔtRankine，從傳熱學(xué)角度分析，根據(jù)Q=KAΔt，ΔtKalina＜ΔtRankine，煙氣散熱量Q=Const，則傳熱面積AKali-na＞ARankine，余熱鍋爐面積增大，余熱鍋爐鋼材耗用量增大，鍋爐體積增大，設(shè)備投資顯著增加。

（2）傳熱系數(shù)K減小，傳熱面積A增加。

由非共沸混合物熱物性的研究可知，在純質(zhì)里面加入另一種工質(zhì)從而形成混合物是對(duì)純質(zhì)沸騰傳熱的一種削弱，這種削弱程度與混合物泡露點(diǎn)溫差有關(guān)。從傳熱學(xué)角度分析：根據(jù) Q=KAΔt，KKalina＜KRankine，煙氣散熱量Q=Const，從而傳熱面積AKalina＞ARankine，余熱鍋爐換熱面積增大，設(shè)備投資增加。

3.3 卡琳娜循環(huán)對(duì)工質(zhì)的要求

由于Kalina循環(huán)采用氨-水混合物作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，因此需要考慮氨-水混合物在高溫高壓下的穩(wěn)定性、腐蝕性以及工質(zhì)外泄時(shí)對(duì)人和環(huán)境的影響。

3.4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

（1）在目前水泥煙氣溫度下，Kalina循環(huán)只有在汽機(jī)進(jìn)口壓力較高時(shí)，其余熱發(fā)電量才大于目前實(shí)際工程中技術(shù)較成熟的汽水工質(zhì)的發(fā)電量，但是其高壓參數(shù)會(huì)帶來如下問題：

a Kalina循環(huán)采用高壓力參數(shù)，將加大系統(tǒng)設(shè)備、管道、管件、閥門等承壓能力，設(shè)備與管道等壁厚將加大，用鋼量增加，投資增大。

b Kalina循環(huán)采用高壓力參數(shù)，對(duì)電站工作人員的安全性要求較高。

c Kalina循環(huán)采用氨-水混合工質(zhì)，對(duì)于工質(zhì)泄漏控制嚴(yán)格。

（2）Kalina循環(huán)提出了蒸餾－冷凝子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)代替普通凝汽器將汽機(jī)排汽在稍高于大氣壓力下冷凝至飽和液態(tài)，避免了Kalina循環(huán)采用普通凝汽器時(shí)可用能損失過大的問題。但該系統(tǒng)設(shè)備較多，系統(tǒng)復(fù)雜，投資較大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，大大提高單位發(fā)電量投資。

（3）由以上傳熱學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)可知，Kalina的循環(huán)特點(diǎn)是吸放熱傳熱溫差減小，從而余熱鍋爐可用能損失減小，但余熱鍋爐傳熱面積顯著增大，其鋼材耗用量增大，投資增加。

（4）由于Kalina循環(huán)采用氨-水混合物作為循環(huán)工質(zhì)，因此現(xiàn)有Rankine循環(huán)設(shè)備都需要更換為適用于Kalina循環(huán)的設(shè)備，設(shè)備需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算制作，并且由于國(guó)內(nèi)余熱鍋爐、汽機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備生產(chǎn)廠家少，因此需要外購(gòu)，設(shè)備投資增大。

4 螺桿膨脹機(jī)應(yīng)用于低溫?zé)嵩窗l(fā)電的現(xiàn)狀

4.1 概述

膨脹機(jī)是一種靠氣體膨脹消耗內(nèi)能對(duì)外作功的機(jī)械，如汽輪機(jī)（透平）、燃?xì)廨啓C(jī)、螺桿機(jī)、活塞機(jī)等。膨脹機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式不同，分為速度式和容積式兩大類。速度式膨脹機(jī)適用于熱源品質(zhì)高、負(fù)荷穩(wěn)定、大流量的場(chǎng)合，如汽輪機(jī)（透平）、燃?xì)廨啓C(jī)等。而容積式膨脹機(jī)適用于熱源品位低，流量小、負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，如螺桿膨脹機(jī)。與汽輪機(jī)相比較，膨脹機(jī)造價(jià)低，適應(yīng)性強(qiáng)，能適應(yīng)各種工質(zhì)，如過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水（包括高鹽分熱水）工質(zhì)。

4.2 工作原理

螺桿膨脹機(jī)是螺桿壓縮機(jī)的逆運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器，工作的熱物理過程與螺桿壓縮機(jī)恰恰相反，從膨脹始點(diǎn)到終點(diǎn)。隨著多方膨脹過程的進(jìn)行，其壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對(duì)外作功。

螺桿膨脹機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī)相同，主要由一對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙臺(tái)的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。在節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子叫陽轉(zhuǎn)子，在節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子叫陰轉(zhuǎn)子。螺桿膨脹機(jī)工作過程如圖4所示。

螺桿膨脹機(jī)系容積式膨脹機(jī)械，其運(yùn)轉(zhuǎn)過程從吸氣過程開始，然后氣體在封閉的齒間容積中膨脹，最后移至排氣過程。在膨脹機(jī)機(jī)體兩端，分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口，一個(gè)是吸氣孔口，一個(gè)是排氣孔口。陰、陽螺桿和氣缸之間形成的呈“V”字形的一對(duì)齒間容積值隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化，同時(shí)，其位置在空間也不斷移動(dòng)。

（1）吸氣過程（圖4a）：高壓氣體由吸氣孔口分別進(jìn)入陰、陽螺桿“V”字形的齒間容積，推動(dòng)陰、陽螺桿向彼此背離的方向旋轉(zhuǎn)，這兩個(gè)齒間容積不斷擴(kuò)大，致使不斷進(jìn)氣。當(dāng)這對(duì)齒間容積后面一齒一旦切斷吸氣孔口時(shí)，這對(duì)齒間容積的吸氣過程也就結(jié)束，膨脹過程開始（圖4b）。

圖3 螺桿膨脹機(jī)

圖4 螺桿膨脹機(jī)工作過程

（2）膨脹過程（圖4c）：在吸氣過程結(jié)束后的齒間容積對(duì)里充滿著高壓氣體，其壓力高于順轉(zhuǎn)向前面一對(duì)齒間容積對(duì)里的氣體壓力。在壓力差的作用下，形成一定的轉(zhuǎn)矩，陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子便朝相互背離的方向轉(zhuǎn)去。于是齒間容積變大，氣體膨脹，螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對(duì)外作功。轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn)，經(jīng)某轉(zhuǎn)角后，陰、陽螺桿齒間容積脫離，再轉(zhuǎn)一個(gè)角度，當(dāng)陰螺桿齒間容積的后齒從陽螺桿齒間容積中離開時(shí)，陰、陽齒間容積值為最大值，膨脹結(jié)束，排氣開始。

（3）排氣過程（圖4d）：當(dāng)膨脹結(jié)束時(shí)，齒間容積與排氣孔口接通，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)，兩個(gè)齒間容積因齒的侵入不斷縮小，將膨脹后的氣體往排氣端推趕，然后經(jīng)排氣孔口排出，此過程直到齒間容積達(dá)最小值為止。螺桿嚙合所形成的每對(duì)齒間容積里的氣體進(jìn)行的上述三個(gè)過程是周而復(fù)始的，所以機(jī)器便不停地旋轉(zhuǎn)。

4.3 技術(shù)特點(diǎn)

螺桿膨脹機(jī)是利用流體在陰陽螺桿間膨脹作功，故對(duì)陰陽螺桿加工精度要求極高（其嚙合間隙不得＞0.05mm），雖然如此，該機(jī)的主要機(jī)械部件卻僅為一對(duì)螺桿和鑄鋼外殼，其結(jié)構(gòu)形式非常簡(jiǎn)單。

（1）它是一種容積式的全流動(dòng)力設(shè)備，能適應(yīng)過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水（包括高鹽分熱水）工質(zhì)。

（2）無級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)為1500～3000r/min，相比同功率汽輪機(jī)，除機(jī)械泄漏外，無其他能量損失，機(jī)組內(nèi)效率高，一般在65%以上。

（3）在熱源參數(shù)、功率及熱負(fù)荷50%變化范圍內(nèi)，能保持平穩(wěn)工作，運(yùn)行效率較高。

（4）單機(jī)功率在50～1500kW。

（5）設(shè)備緊湊，占地少，工程施工量小。

（6）操作方便，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，而且具有除垢自潔能力，對(duì)蒸汽的品質(zhì)要求不高，特別適用于蒸汽壓力≥0.3MPa、溫度≤300℃、0.2MPa≤進(jìn)出壓差≤1.0MPa的利用飽和蒸汽差壓發(fā)電的系統(tǒng)，大修周期長(zhǎng)。

（7）起動(dòng)不需要盤車、暖機(jī)。噪音低、平穩(wěn)、安全、可靠，全自動(dòng)無人值守運(yùn)行。

與其他膨脹機(jī)比較，螺桿膨脹機(jī)有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）螺桿膨脹機(jī)間隙密封，從而具有透平膨脹機(jī)和活塞膨脹機(jī)均不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)進(jìn)氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應(yīng)性。當(dāng)進(jìn)氣為濕蒸汽時(shí)，液滴有助于密封。

（2）螺桿膨脹機(jī)可作為全流膨脹機(jī)使用，即工作介質(zhì)的進(jìn)氣口狀態(tài)不僅可為干蒸汽，也可為二相流體或全液體。在螺桿膨脹機(jī)中，高壓介質(zhì)直接作用在轉(zhuǎn)子齒面上，因而有近似于直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，即能進(jìn)行重負(fù)荷啟動(dòng)。

（3）螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速較低，一般約為同容量透平膨脹機(jī)的1/10左右，因而可不通過減速裝置直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他低速耗能機(jī)械，且軸封效果好，使用壽命長(zhǎng)。

5 結(jié)論和建議

Kalina或ORC與Rankine相比在低溫廢氣熱源上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在250℃以下廢氣熱源的條件下ORC具有一定的優(yōu)勢(shì)。在目前的技術(shù)條件下投資較高，運(yùn)行的安全性以及維護(hù)成本過高。對(duì)于ORC循環(huán)來說，進(jìn)一步降低投資是推廣的關(guān)鍵，對(duì)于Kalina循環(huán)來說還需在系統(tǒng)和裝備上進(jìn)行深入研究，當(dāng)能源愈加緊張時(shí)必定會(huì)促進(jìn)ORC和Kalina的發(fā)展。螺桿膨脹機(jī)發(fā)電有兩方面應(yīng)用值得考慮，一方面是大流量的低溫水和汽水兩相流體，另一方面是小流量的蒸汽或汽液兩相流體。

對(duì)于水泥或其他工業(yè)低溫余熱利用項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)低溫?zé)嵩闆r，包括規(guī)模、溫度、壓力、流量等多方面綜合考慮采用哪一種或幾種技術(shù)相結(jié)合的解決辦法。另外還要從系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備的采購(gòu)安裝等經(jīng)濟(jì)因素綜合考慮?！?/p>