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

（山西易通環(huán)能科技集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治047100）

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。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)流程圖

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?，尤其是?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?，溫度?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魵猓跓崃繜o(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。