1、有机朗肯循环有机朗肯循环(ORC)中中低温低温余热余热发电技术发电技术与工业余热利用与工业余热利用School Of Mechanical Engineering 关键设备与技术关键设备与技术研究概况研究概况技术应用背景技术应用背景工业余热回收利用工业余热回收利用有机朗肯循环有机朗肯循环(ORC)余热发电技术余热发电技术建议和总结建议和总结 余热余压利用工程是我国余热余压利用工程是我国节能中长期发展专项规节能中长期发展专项规划划中的十大重点节能工程之一。中的十大重点节能工程之一。 根据根据“十三五十三五”节能减排综合性工作方案节能减排综合性工作方案，我，我国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤
2、炭、钢铁、国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤炭、钢铁、有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减排，加快节能减排技术推广应用，排，加快节能减排技术推广应用，加大对工业余热的综加大对工业余热的综合梯级利用合梯级利用，加快推行合同能源管理，加快推行合同能源管理。 我国钢铁冶金余热总量达我国钢铁冶金余热总量达1500015000万万tce/atce/a，目前平均余，目前平均余热回收水平仅为热回收水平仅为30%30%。主要原因在于我国现有技术难以回收。主要原因在于我国现有技术难以回收数量庞大的中低温余热数量庞大的中低温余热。因此，我国钢铁工业中
3、有大量的。因此，我国钢铁工业中有大量的中低温余热资源可供开发。中低温余热资源可供开发。 我国有色冶金行业存在大量的容易收集的温度在我国有色冶金行业存在大量的容易收集的温度在6060以上的液态余热（如冷却水）及低压蒸汽，据不完全统计以上的液态余热（如冷却水）及低压蒸汽，据不完全统计蕴含可用的热能约蕴含可用的热能约1800 1800 万万tce/atce/a，潜在发电能力相当于，潜在发电能力相当于3/43/4个三峡工程发电量。个三峡工程发电量。 l我国钢铁工业余热l我国有色冶金工业余热l我国建材工业余热水泥窑炉水泥窑炉陶瓷窑炉陶瓷窑炉玻璃窑炉玻璃窑炉 我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我
4、国每吨我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的标准煤的产出效率仅相当于日本的10.310.3、美国的、美国的28.628.6。我国。我国工业用能中近工业用能中近60-65%60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于的能源转化为余热资源，其中温度低于350350以下的低温余热，约占余热总量的以下的低温余热，约占余热总量的60%60%，由于传统发电技术，由于传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但总量巨大的能源。总量巨大的能源。 常规水蒸汽朗肯循环发电系统图1.系统构成
5、复杂，锅炉给水需要除氧、除盐，在锅炉部系统构成复杂，锅炉给水需要除氧、除盐，在锅炉部件及管路上需要设置排污及疏放水管路；凝结器里需保件及管路上需要设置排污及疏放水管路；凝结器里需保持较高的真空度，要设置真空维持系统。持较高的真空度，要设置真空维持系统。2.2.透平进排气压力低，蒸汽体积较大，透平通流面积透平进排气压力低，蒸汽体积较大，透平通流面积较大。较大。3.3.通常透平进口蒸汽需具有一定的过热度，在余热锅通常透平进口蒸汽需具有一定的过热度，在余热锅炉中必然要设置过热蒸汽加热段，余热锅炉的结构比较炉中必然要设置过热蒸汽加热段，余热锅炉的结构比较复杂。复杂。4.4.需要较多的运行、维修人员，运
6、行成本较高。需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。5.5.单机容量不能太小单机容量不能太小, ,系统满负荷运行率不高。系统满负荷运行率不高。6.6.一般只适用于烟气温度高于一般只适用于烟气温度高于350350以上的余热。以上的余热。 能源危机！中低品位热能的回收利用受到重视！如何有效地回收利用中低品位热能如何有效地回收利用中低品位热能？有机工质朗肯循环发电技术技术（有机工质朗肯循环发电技术技术（ORC)ORC)可高效回收中低可高效回收中低温余热资源温余热资源(350(350以下，低压或常压）对于提高我国能以下，低压或常压）对于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具有重要的意义。源利用率、节
7、能减排，保护环境具有重要的意义。性能稳定，热回收效率高达性能稳定，热回收效率高达10%-20%10%-20%中低温余热发电解决方案中低温余热发电解决方案(Organic Rankine Cycle)烟气余热有机朗肯循环（烟气余热有机朗肯循环（ORCORC）发电系统示意图）发电系统示意图 有机工质朗肯循环有机工质朗肯循环 , ,即在传统朗肯循环中采用即在传统朗肯循环中采用有机工质代替水推动膨胀机做功。上图为有机工质代替水推动膨胀机做功。上图为有机工有机工质朗肯循环发电系统质朗肯循环发电系统示意图。示意图。 低压液态有机工质经过工质泵增压后进入蒸发低压液态有机工质经过工质泵增压后进入蒸发器吸收热量
8、转变为高温高压蒸气器吸收热量转变为高温高压蒸气 , ,高温高压有机高温高压有机工质蒸气推动膨胀机做功工质蒸气推动膨胀机做功, ,产生能量输出，膨胀机产生能量输出，膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器出口的低压蒸气进入冷凝器 , ,向低温热源放热并向低温热源放热并冷凝为液态冷凝为液态, ,如此往复循环。如此往复循环。 有机朗肯循环系统能够实现余热回收发电的最有机朗肯循环系统能够实现余热回收发电的最低余热资源温度低余热资源温度可到可到8080，（这一温度还可降低，（这一温度还可降低，但发电效率会降低，影响经济性），但发电效率会降低，影响经济性）这是常规发这是常规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在
9、电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在350350以上），从而拓宽了可以回收发电的余热以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为资源范围，为建材、冶金、化工建材、冶金、化工等行业的低温余等行业的低温余热资源回收提供了技术手段和设备。热资源回收提供了技术手段和设备。 同时，这项技术还可以推广到同时，这项技术还可以推广到可再生能源发可再生能源发电电系统中（如地热、太阳能和生物质能），为可系统中（如地热、太阳能和生物质能），为可再生能源发电提供关键技术和设备。再生能源发电提供关键技术和设备。余热温度范围：余热温度范围： 80350余热的形态：余热的形态： 烟气，蒸汽，热水烟气，蒸汽，热水可以
10、扩展的应用：可以扩展的应用： 地热利用、太阳能利用、生物质能。地热利用、太阳能利用、生物质能。 需要根据具体环境、条件及应用需需要根据具体环境、条件及应用需求进行系统设计求进行系统设计。关键设备与技术技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术建议和总结 八十年代美国研制出利用地热水发电的汽水两相螺八十年代美国研制出利用地热水发电的汽水两相螺杆膨胀机，功率杆膨胀机，功率60KW60KW，并完成一台，并完成一台1000KW1000KW地热水发电机地热水发电机组。随后，日本北海道大学进行了氟利昂工质的发电试组。随后，日本北海道大学进行了氟利昂工质的发电试验，且进行了工业锅炉余热发
11、电研究，功率验，且进行了工业锅炉余热发电研究，功率102KW102KW。近年。近年来，美国，德国，以色列，瑞典都有相关研究和产品应来，美国，德国，以色列，瑞典都有相关研究和产品应用报导。用报导。不同国家ORC发电机组的装机数量 国外国外ORC技术已成功商业化，涌现出许多技术已成功商业化，涌现出许多ORC设计与制造厂，如美国设计与制造厂，如美国ORMAT公司、意大利公司、意大利Turboden、德国、德国GMK公司等，普惠、公司等，普惠、GE、三菱等著名、三菱等著名叶轮机械设计制造企业也成立了专门的叶轮机械设计制造企业也成立了专门的ORC公司公司。 国内对于国内对于ORCORC发电技术的研究较多
12、，目前仍发电技术的研究较多，目前仍需要深入需要深入解决理论解决理论研究研究与与工程实际工程实际相结合问题，相结合问题，ORCORC发电发电系统的系统的工工程化应用仍需要有多项关键技术攻克。程化应用仍需要有多项关键技术攻克。 天津大学天津大学热能工程系热能工程系和和教育部教育部“中低温热能高效利中低温热能高效利用用”重点实验室重点实验室对有机工质的热物理性质及热力循环的对有机工质的热物理性质及热力循环的研究水平位居国内领先水平，在研究水平位居国内领先水平，在ORCORC技术的理论与实验研技术的理论与实验研究中均取得了具有实用价值的成果。究中均取得了具有实用价值的成果。 早在上世纪早在上世纪707
13、0年代，即建成了国内首台年代，即建成了国内首台ORCORC太阳能热太阳能热发电（发电（1kW1kW）实验系统，并取得了大量运行实验数据，近实验系统，并取得了大量运行实验数据，近年，发表多篇关于年，发表多篇关于ORCORC系统的理论实验研究论文，同时拥系统的理论实验研究论文，同时拥有多项关于有机工质及有多项关于有机工质及ORCORC系统构成的发明及实用新型专系统构成的发明及实用新型专利。利。研究概况技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术建议和总结有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一关键设备之一螺杆膨胀机简介螺杆膨胀机简介 螺杆膨胀机是一
14、种依据容积变化原理工作螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机的双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成，结同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的构简单，其气缸呈两圆相交的“”字形，两根字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中。转子平行地置于气缸中。 作功介质先进入机内螺杆齿槽作功介质先进入机内螺杆齿槽A A，推动螺杆转动，推动螺杆转
15、动，随着螺杆转动，齿槽随着螺杆转动，齿槽A A旋转到旋转到B B、C C、D D逐渐加长、容积增逐渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽排大，介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽排出，功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺出，功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，杆输出，驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。 螺杆膨胀机的输出功率可以在螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW5kW1000kW1000kW之间之间，弥，弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。 对于对于有压力有压力的余热
16、流体，可直接利用螺杆膨胀机的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机 对于对于350100kW成本：高流量大，适用于中大型系统；用于小流量系统时泄漏大，效率低轴流透平膨胀机轴流透平膨胀机径向透平膨胀机径向透平膨胀机有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一关键设备之一热交换器热交换器 需要根据余热的类型和特点设计热交换器，包括蒸需要根据余热的类型和特点设计热交换器，包括蒸发器，冷凝器，预热器等；同时需要考虑防腐，防磨和发器，冷凝器，预热器等；同时需要考虑防腐，防磨和除灰除垢和降低阻力等问题。除灰除垢和降低阻力等问题。有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发
17、电关键技术之一关键技术之一有机有机工质的优选工质的优选 对于有机工质循环，经常选用的工质有对于有机工质循环，经常选用的工质有R123R123、R245faR245fa、R134aR134a、R152aR152a、R141bR141b、氯乙烷、丙烷、正丁氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等。烷、异丁烷等。在余热发电系统中，对于不同类型，不在余热发电系统中，对于不同类型，不同温度的热源应当选择不同的工质，同温度的热源应当选择不同的工质，工质的优选也会影工质的优选也会影响到系统的效率。响到系统的效率。不同工质的T-S曲线根据热源温度不同，有机工质的优化选择参考ORC发电系统图热力学循环过程图R245fa的
18、优化目标函数随冷凝温度的变化不同工质综合评价函数随冷凝温度的变化有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键技术关键技术之一之一发电发电系统优化设计系统优化设计 有机工质朗肯循环的热力系统设计（包括有机工质朗肯循环的热力系统设计（包括系统热力参系统热力参数的确定、工质选择、热交换器设计数的确定、工质选择、热交换器设计等），会直接影响等），会直接影响系统的运行效率。系统的运行效率。在得到热源的温度和流量等条件后，在得到热源的温度和流量等条件后，需要确定有机工质的蒸发温度、冷凝温度以及换热温差需要确定有机工质的蒸发温度、冷凝温度以及换热温差等，这些参数会对循环效率有较大的影响。
19、等，这些参数会对循环效率有较大的影响。 蒸发温度和膨胀比对ORC系统（R245fa)效率的影响A 有机工质蒸汽动力循环 B 有机工质汽液两相动力循环 例如：例如：余热热源为余热热源为220220的烟气，流量为的烟气，流量为2.52.5万万m m3 3/h/h，冷却水温度，冷却水温度为为2525。 采用有机工质循环方式，以采用有机工质循环方式，以R245faR245fa作为循环工质，在扣除工质作为循环工质，在扣除工质泵耗功泵耗功、冷却水泵耗功之后，计算表明，每小时大约可以发出冷却水泵耗功之后，计算表明，每小时大约可以发出100100度的电。度的电。关键设备与技术研究概况技术应用背景有机朗肯循环(
20、ORC)余热发电技术建议和总结技术参数热源类型迴转窑排烟膨胀机绝热效率0.75热源温度240有机工质泵效率0.5热源流量33万方/小时发电机发电功率0.98烟气排压0.1MPa循环工质流量120有机工质R113冷凝器温度45冷却水泵效率0.5冷却水进口温度27冷却水流量475.8kg/s冷却水出口温度35系统净功率1641kW系统净效率14.87%1641KWX0.6元/度7884hX=776.3万元/年投资回收期约23年。1:1:迴转窑排烟迴转窑排烟余热余热利用利用2：卡琳娜循环发电技术卡琳娜循环发电技术卡琳娜循环发电系统是一种利用氨和水混合物作为工作介质的新卡琳娜循环发电系统是一种利用氨和
21、水混合物作为工作介质的新型型、高效、高效的动力循环系统。的动力循环系统。在一定的系统压力下，氨在一定的系统压力下，氨-水混合物的沸点和凝固点不是定值，而是随混合水混合物的沸点和凝固点不是定值，而是随混合物中氨的浓度不同而变化，混合物在循环过程中变温蒸发，降低了工质吸热物中氨的浓度不同而变化，混合物在循环过程中变温蒸发，降低了工质吸热和凝结过程的不可逆性，改善了热源与工质的匹配性能，提高了余热热源的和凝结过程的不可逆性，改善了热源与工质的匹配性能，提高了余热热源的利用率。利用率。基于卡琳娜循环的燃煤电厂烟气余热发电关键设备研制与示范基于卡琳娜循环的燃煤电厂烟气余热发电关键设备研制与示范25kW卡
22、琳娜循环实验系统图3：小温差：小温差ORC螺杆膨胀动力机组螺杆膨胀动力机组小温差小温差ORCORC膨胀螺杆膨胀螺杆动力机组稳定运行动力机组稳定运行 3050的余热：采用热泵技术为可考虑的方案之一； 5080的余热：可以直接用于吸附、吸收制冷的驱动源或者用来加热、干燥等； 80350的余热：有机朗肯循环技术、卡琳娜循环技术； 大于350 的余热 ：一般用水蒸汽朗肯循环； 大于470 的余热：超临界CO2布雷顿循环（技术尚在研究阶段）。p 回收能的用途：发电、生产工艺使用、生活使用、供暖和制冷、发电供热联合使用等；p 利用基本原则：温度对口，梯级利用。工业余热回收利用建议工业余热回收利用建议关键设
23、备与技术研究概况技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 对于企业余热余压资源回收利用的几点建议对于企业余热余压资源回收利用的几点建议1.首先要对企业的余热资源及用能情况进行调研首先要对企业的余热资源及用能情况进行调研评估评估2.2.建议首先考虑余热直接利用的建议首先考虑余热直接利用的方式方式, ,遵循遵循“温度对口，温度对口，梯级利用梯级利用”的的原则原则3 3. . 余热余热发电是余热利用的有效方式之一，不是发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一方唯一方式式4.4.对余热利用方案从热利用效率和经济性两个方面对余热利用方案从热利用效率和经济性两个方面评评价价 余热利用要
24、对企业的余热资源及用能情况调研评估，建议首先余热利用要对企业的余热资源及用能情况调研评估，建议首先考虑余热直接利用的方式，遵循考虑余热直接利用的方式，遵循“温度对口，梯级利用温度对口，梯级利用”的原则的原则，余热发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一方式，余热发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一方式 采用有机工质朗肯循环余热发电系统是一种适用于采用有机工质朗肯循环余热发电系统是一种适用于350350低低温余热回收技术温余热回收技术 可以应用于可以应用于化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等工业领化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等工业领域，还可以推广到可再生能源发电领域中去域，还可以推广到可再生能源发电领域中去 为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行系统的为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行系统的优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选择，换热器设计等优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选择，换热器设计等 有机工质朗肯循环膨胀动力机不仅可以带动发电机发电，还有机工质朗肯循环膨胀动力机不仅可以带动发电机发电，还可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作，作为动力机具有良可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作，作为动力机具有良好的调速性能好的调速性能
