淺析余熱發(fā)電的類型及其應用

楊舒鴻

摘?要：隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展及能源消耗的增加，能源資源供需矛盾和生態(tài)環(huán)境惡化問題日益突出。從2016年的《巴黎協(xié)定》到2017年的《世界環(huán)境公約》，發(fā)達國家和新興國家紛紛制定了能源發(fā)展新戰(zhàn)略，世界能源發(fā)展己進入了新一輪的戰(zhàn)略調(diào)整期。我國作為最大的發(fā)展中國家，經(jīng)濟發(fā)展更是面臨著能源供應和環(huán)境保護的雙重壓力，能源問題己成為中國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，對余熱發(fā)電系統(tǒng)的研究多采用單一熱源，如煙氣、低壓蒸汽、熱水等，忽略了生產(chǎn)過程余熱的多樣性。特別是對不同行業(yè)、不同種類的余熱資源，開發(fā)與之相匹配的、多品位余熱發(fā)電方案的研究較少。另外，在研究和分析余熱發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能、影響因素等方面還存在一定的局限性，往往忽略了余熱梯級利用，造成回收利用效率偏低，甚至沒有效益的情況。

關(guān)鍵詞：余熱發(fā)電;類型及應用

引言

近年來，我國在引進、消化和吸收了國際先進技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷完善和創(chuàng)新，研究開發(fā)了針對不同余熱資源的發(fā)電系統(tǒng)。利用和回收中低溫余熱來發(fā)電的技術(shù)主要有閃蒸發(fā)電技術(shù)、有機朗肯循環(huán)及卡琳娜循環(huán)等。

1.有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電

我國自20世紀80年代開始對有機朗肯循環(huán)（OrganicRankineCycle，簡稱ORC）進行研究，ORC采用低沸點有機物代替水作為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)，有機工質(zhì)可以通過升壓裝置在較低溫的熱源加熱條件下產(chǎn)生較高壓力的蒸汽，并進入膨脹機做功，將余熱能轉(zhuǎn)化為電能，回收和利用能源品位較低、回收難度較大的中低品位余熱，以提高能源利用效率和降低環(huán)境污染。

ORC主要由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和工質(zhì)泵四個主要設(shè)備構(gòu)成，ORC發(fā)電技術(shù)廣泛適用于工廠余熱、太陽能、生物質(zhì)能、地熱能等能源的回收利用，其所具有的獨特優(yōu)勢以及廣闊的市場應用前景，ORC發(fā)電技術(shù)己經(jīng)成為節(jié)能研究領(lǐng)域的熱點課題之一。同時，ORC發(fā)電技術(shù)由于其工藝流程簡單，除了簡單的孤網(wǎng)系統(tǒng)研究，研究者將其與其余工藝過程進行藕合，通過與ORC進行聯(lián)合發(fā)電，不僅能夠回收和利用低品位余熱，還能充分利用原工藝流程中的中間高溫流體，減少工藝流程中的冷換設(shè)備，實現(xiàn)不錯的能源回收效率，從而降低處理成本，達到節(jié)能的目的。

2.閃蒸發(fā)電

閃蒸發(fā)電技術(shù)是一種適用于多種中低溫余熱發(fā)電的技術(shù)，其主要設(shè)備均為較成熟產(chǎn)品，一般由余熱鍋爐、閃蒸器、汽輪機和冷凝器構(gòu)成，多采用水作為工質(zhì)。從水箱出來的工質(zhì)在余熱鍋爐中與余熱熱源進行換熱，在一定壓力條件下，工質(zhì)水在換熱器中被加熱成為具有一定過冷度的熱流體。將熱水通入閃蒸器進行降壓閃蒸，進入閃蒸器的熱水在閃蒸后以兩種形式存在：閃蒸壓力下的飽和蒸汽和飽和水。飽和水從閃蒸器底部采出進入水箱進行回流利用;閃蒸出的蒸汽直接利用汽輪機膨脹做功，產(chǎn)生電能。從汽輪機排出的乏氣進入冷凝器與冷卻介質(zhì)進行換熱，變成液態(tài)水，在水泵的作用下進入水箱，如此形成一個循環(huán)。

有時，為充分利用熱水的能量，減少閃蒸不可逆性造成的擁損失，提高循環(huán)效率，可以采用多級閃蒸系統(tǒng)，實踐證明，多級閃蒸確實可以提高系統(tǒng)擁回收率，并且將熱水與乏氣之間的溫度差平均分配，按照平均分配的溫差來確定每級閃蒸器間的溫差，可以獲得最好的熱水利用效果。閃蒸發(fā)電技術(shù)在余熱溫度和流量都發(fā)生比較大波動時，發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地回收余熱資源，同時保證發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，閃蒸發(fā)電系統(tǒng)對余熱資源的穩(wěn)定性要求并不高，這一特性也是閃蒸發(fā)電技術(shù)相對其他余熱利用技術(shù)的優(yōu)勢。

3.余熱驅(qū)動卡琳娜循環(huán)

卡琳娜循環(huán)是一種以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)，利用氨一水混合物作為工質(zhì)的動力循環(huán)，與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)相比，卡琳娜循環(huán)可以利用溫度更低的余熱資源，并且保持不錯的循環(huán)效率。在給定的壓力條件下，氨一水混合物的沸騰或凝結(jié)過程都是在“變溫，，條件下完成的，這一特點使得其在吸熱過程中能與熱源有更佳的溫度匹配性，提高工質(zhì)的平均吸熱溫度，又能從熱源處萃取盡可能多的熱量，實現(xiàn)能量的深度回收，而在朗肯循環(huán)中的低溫水蒸氣卻做不到。

4.余熱驅(qū)動斯特林循環(huán)

斯特林循環(huán)就是指斯特林發(fā)動機所采用的理想熱力循環(huán)，該發(fā)動機是由倫敦的牧師羅巴。特斯特林在1816年發(fā)明的，其采用的循環(huán)因此被稱為“斯特林循環(huán)”。斯特林發(fā)動機主要包括配氣活塞式和雙活塞式兩類，由定容吸熱、定溫膨脹、定容放熱和定溫壓縮4個過程組成。

斯特林發(fā)動機是一種典型的外燃式發(fā)動機，燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，因此對燃料要求不高，可以使用如天然氣、沼氣、石油氣、煤氣等氣體燃燒。此外，外燃式發(fā)動機與內(nèi)燃機相比，在做功時，不是通過燃料在氣缸內(nèi)部瞬間氣化，升到很高的溫度和壓力，然后以爆震的方式推動活塞;而是依靠外部的熱源對熱膨脹氣缸中的工質(zhì)持續(xù)傳熱，使其不斷升溫升壓，然后推動活塞做功，工質(zhì)并不向外排放，因此具有高效率、低污染、低噪音、運行平穩(wěn)的優(yōu)點。另外，斯特林循環(huán)對冷熱源間的溫差要求較低，可以低溫差運行，因此非常適合用來回收中低溫余熱。斯特林發(fā)動機的循環(huán)效率非常高，其理論熱效率與卡諾循環(huán)相等，雖然這是理論結(jié)果，實際情況與假設(shè)存在許多差異，但是與其他熱力循環(huán)相比，斯特林循環(huán)的效率還是相對較高的，目前投產(chǎn)的斯特林發(fā)動機有效效率為33%-40%，設(shè)計更精良的可達42%-47%。

5.熱電材料溫差發(fā)電

熱電材料在溫差發(fā)電方面應用的原始設(shè)想始于20世紀初，但真正投入實際應用是在半導體熱電材料被開發(fā)以后，金屬導體熱電轉(zhuǎn)化效率的逐漸提高為半導體溫差發(fā)電在熱功轉(zhuǎn)換領(lǐng)域開辟了應用前景。近年來，隨著對能源和環(huán)境問題的日益重視，人們更希望能夠?qū)犭姴牧嫌糜诠I(yè)余熱等低品位熱源的溫差發(fā)電。與傳統(tǒng)方式相比，運用溫差發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)低品位余熱回收具有明顯的優(yōu)越性：該技術(shù)具有無需轉(zhuǎn)動部件、結(jié)構(gòu)簡單可靠、無有害氣體產(chǎn)生、無噪音、啟動快、體積小等優(yōu)點，這些特點決定了熱電材料在余熱回收溫差發(fā)電領(lǐng)域的先進地位。

溫差發(fā)電器件的性價比較低，溫差發(fā)電技術(shù)并沒有得到廣泛的應用，其中最根本的原因即是溫差發(fā)電器件的輸出功率不高，熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率還比較低，因此提高溫差發(fā)電器件的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率是解決溫差發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵，這取決于溫差發(fā)電材料性能的提高和溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

結(jié)語

目前，我國的石化天然氣化工、煤化工等生產(chǎn)企業(yè)的低溫余熱利用主要以同級利用為主，這是最簡單、投資省、效率高的回收方式，如用于動力系統(tǒng)除鹽水、新鮮水的加熱，油品儲運及油罐的加熱等，但由于利用規(guī)模有限以及系統(tǒng)難以獨立使用，其產(chǎn)生的效益與其他利用技術(shù)相比優(yōu)勢不是很明顯。低溫余熱發(fā)電技術(shù)將低溫余熱轉(zhuǎn)換為輸運方便、使用靈活的高品位電能，余熱利用過程中不受工藝裝置規(guī)模、地理因素的限制，能夠充分合理利用生產(chǎn)過程產(chǎn)生的余熱，且余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝流程簡單，運行較為獨立的特點更是受到如煉化、天然氣脫硫凈化等這類余熱產(chǎn)量高、建址處于郊區(qū)的企業(yè)的青睞。

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