1、低沸点有机工质透平低沸点有机工质透平低温余热发电技术低温余热发电技术李春国李春国 资源背景资源背景 在我国的工业过程中，存在大量80-300范围内的低温热源，这些低温热源主要是热水、烟气和固态渣。比如：（1）水泥生产过程中存在大量350400以下的余热，占总耗热量的35%以上。产能5000t/d水泥生产线，尚未利用的150左右余热烟气（如窑尾电收尘器入口），新增发电量1000kW，提高发电量10%-12%，全国有690余条这样的生产线（2010）；（2）在冶金和钢铁企业，可回收钢铁企业的冲渣废热水（80-90），可以为每个企业带来MW级的电能；（3）日用陶瓷烧制窑炉排烟温度一般在200-300
2、，排烟带走的热量损失约占总热量的20%-40%。我国现有陶瓷生产企业约3000家，余热发电能力约1200亿kWh/a,相当于2个三峡工程的年发电量。资源背景资源背景（4）炼钢厂烟气余热温度在300400；（5）在电力行业，存在许多需要减温减压的蒸汽，如锅炉连排水余热回收潜力巨大 （6）有色金属冶金，电解铝低温烟气。（7）使得100-220的中低温地热资源；（8）太阳能热发电太阳能热发电 资源背景资源背景设备名称设备名称排烟温度，排烟温度，设备名称设备名称排烟温度，排烟温度，锅炉100300干法水泥窑600800燃机400550氧吹平炉7001100原油加热炉350550炼锌烟化炉1000110
3、0柴油机400炼铜反射炉1100 1300玻璃炉窑650900镍精炼炉14001600干躁、烘干炉260600氧气顶吹转炉16501900排烟余热 国内行情国内行情工程应用：（1）目前国内ORC仅应用于西藏地热发电，采用以色列ORMAT的ORC透平（2）包钢烟气ORC发电，正处于试运行阶段，由西安交大程代京教授带领的团队开发高校和企业研究：目前大量企业与高校联合开发ORC透平，国家也为研究投入了大量科研经费。政策环境政策环境符合国家节能减排政策，几乎每个省都有相关支持项目符合国家节能减排政策，几乎每个省都有相关支持项目比如黑龙江：比如黑龙江：题目题目：低温热源发电装置的研制合作单位合作单位：中
4、国船舶重工集团公司第七三研究所经费分配经费分配：国拨专项资金400万，中材150万，七三所250万，中材自筹配套850万目标目标：针对150左右水泥窑余热烟气及水泥窑筒体辐射余热，采用200kW径流式汽轮机有机工质朗肯循环系统，系统发电量150180kW，系统效率达到6%8%解决方案解决方案 根据有机工质低沸点的特点，采用有机工质朗肯循环（简称ORC）透平，可以利用工业过程的低温热源进行发电或者拖动设备，也可应用于地热、太阳能等作为热源。ORC透平类型:(1)轴流透平：功率范围大，应用广泛 (2)向心透平：转速高，效率高，功率小 (3)螺杆膨胀机:效率低，擅长工作在气液两相区ORC循环循环以热
5、水作为热源的ORC循环图 热水冷水发生器工质泵凝汽器冷却水冷却水ORC透平发电机 ORC透平特点透平特点1.可利用热源温度80-3002.透平机构简单，级数1-3级，安装调试简单3.排气压力相对于环境处于正压。4.干流体，不存在对叶片和流道的水蚀5.工质采用低沸点有机工质6.对密封要求非常严格 工质选择工质选择 工质选择的原则：(1)化学稳定性好；(2)具有较低的臭氧破坏性和温室效应；(3)传热性能好；(4)价格低廉；(5)无毒、不可燃、不可爆 国内研究根据各自情况采用比较多的工质是R245fa、R123和R134a。工质选择工质选择 冷凝温度冷凝温度（冷凝温度（）冷凝压力（冷凝压力（Mpa）
6、R245fa400.25R123400.15正丁烷400.38正戊烷400.12水400.007在冷凝温度40时，有机工质（表前4种工质）均背压运行，相对于水蒸汽工质，设备部需要真空设备 国外国外ORC产品产品国外ORC产品以奥马特为代表关键问题关键问题共同的关键技术问题：对泄漏的要求几乎是完全无泄漏，这是最重要的问题。解决方案：采用机械密封，或者采用磁力轴承的发电机和透平一体结构。跟具体工质有关的问题：易燃易爆、有毒、温室气体、破坏臭氧层气体 1.烷烃：具有易燃易爆 2.R134a：毒性非常低、在空气中不可燃，环境压力下沸点-26 3.R123：的综合性能很好（臭氧消耗潜值ODP值很小、全球
7、变暖潜值GWP值亦较小等），环境压力下沸点27 4.R245FA：安全，环境压力下沸点14接触式机械密封接触式机械密封接触式机械密封1234567891-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座9-紧定螺钉 接触式机械密封接触式机械密封接触式机械密封1234567891-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈4-防转销 5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座9-紧定螺钉 接触式机械密封接触式机械密封优点1.密封可靠，在一个较长的使用期中，不会泄漏或很少泄漏；2.使用寿命长，正确选择摩擦副材料和比压的机械密封可用25年，最长的达
8、9年；3.维修周期长，在正常工作的情况下，不需要维修；摩擦功率消耗少；3.轴或轴套不受磨损；4.对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感；5.适用范围广，能用于低温、高温、高真空、高压、各种转速以及各种腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封 接触式机械密封接触式机械密封缺点1.结构较复杂，对制造加工要求高；2.安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水平；3.发生偶然事故时，处理比较困难；非接触式机械密封非接触式机械密封干气密封 非接触式机械密封非接触式机械密封干气密封旋转环旋转时，密封气体被吸入动压槽内，由外径朝向中心，径向分量朝着密封堰流动。由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，气体压
9、力升高。在该压力作用下，密封面被推开，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，此气膜厚度一般在3微米左右。气体动力学研究表明，当干气密封两端面间的间隙在23微米时，通过间隙的气体流动层最为稳定。当气体静压力、弹簧力形成的闭合力与气膜反力相等时，该气膜厚度十分稳定。干气密封旋转环示意图 非接触式机械密封非接触式机械密封 非接触式机械密封非接触式机械密封与接触式机械密封比较1.密封使用寿命长、运行稳定可靠；2.密封功率消耗小，仅为接触式机械密封的5%左右；3.与其他非接触式密封相比，干气密封气体泄漏量小；4.可实现介质的零逸出，是一种环保型密封；5.密封辅助系统简单、可靠，使用中不需要维护；特殊轴承特殊轴承通过特殊轴承，透平和发电机在同一转子上，公用轴承，透平转子密封在汽缸内，彻底解决了泄漏问题 （1）磁力轴承：性能好，价格高 （2）工质轴承：技术不成熟，需要试验研究探测可能存在的问题 谢谢！
