低溫余熱利用技術在工業中的應用

胡希栓

1 前言

近些年，隨著技術及裝備的進步，高溫（≥450℃）、中溫（≥250℃）余熱利用已在鋼鐵、水泥和石油化工等工業領域取得較大的成績。但在工業生產中還存在著大量的低溫余熱，由于技術裝備等原因未能被廣泛利用，因此需要開發新的針對250℃以下的低溫余熱利用技術，進一步提高能源利用效率。

有統計指出，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，能夠緩解我國的能源緊缺問題，同時保護環境。

常見的低溫熱能發電主要應用于太陽能熱力發電、工業余熱發電、地熱發電、生物質能發電等。目前利用低溫熱能的發電技術主要是基于朗肯循環（Rankine）的熱力發電系統，如有機工質朗肯循環（ORC）、Kalina循環等，另外還有應用適應性比較強的螺桿膨脹機帶動發電機發電。本文將著重對這三種技術進行分析介紹。

2 有機工質朗肯循環（ORC）技術

2.1 有機工質朗肯循環系統介紹

有機工質朗肯循環（簡稱有機朗肯循環），即在傳統朗肯循環中采用有機工質代替水推動渦輪機做功。圖1為有機工質朗肯循環發電系統示意圖。低壓液態有機工質經過工質泵增壓后進入預熱器、蒸發器吸收熱量轉變為高溫高壓蒸汽之后，高溫高壓有機工質蒸汽推動渦輪機做功，產生能量輸出，渦輪機出口的低壓蒸汽進入冷凝器，向低溫熱源放熱并冷凝為液態，如此往復循環。

由于該循環系統采用低沸點有機工質作為熱力循環工質與低溫余熱換熱，有機工質吸熱后產生高溫高壓蒸汽，推動汽輪機或其他膨脹動力機帶動發電機發電。因此，系統能夠實現70～250℃溫度余熱資源的熱回收，這是常規發電技術不能做到的（常規發電技術要求熱源溫度＞300℃）。余熱形態可以是熱煙氣、熱水、蒸汽等。

2.2 有機朗肯循環設計要點

有機工質朗肯循環系統中熱力參數的確定、工質的選擇、換熱器的設計等會直接影響系統的運行效率。因此在得到熱源溫度和流量等基礎條件后，需要首先確定有機工質的蒸發溫度和冷凝溫度以及換熱溫差等循環熱力參數。

2.3 有機朗肯循環工質的選擇

在有機朗肯循環中，循環工質的選擇注意以下幾點要求：

（1）發電性能好。在相同條件下，實際發電量較大。

（2）傳熱性能好。在相同條件下，換熱系數較大。

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

（4）來源豐富，價格低廉。

（5）化學穩定性好，不分解，對金屬的腐蝕性小，毒性小，不燃，不爆。

根據上述要求，對于有機工質循環，經常選用的工質有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發電系統中，對于不同類型、不同溫度的熱源應當選擇不同的工質，工質的優選也會影響到系統的效率。

3 卡琳娜（Kalina）循環技術

3.1 卡林娜循環系統介紹

卡林娜循環是以氨水混合物作為工質的新型動力循環。由于氨的沸點遠比水的沸點低，在較低的溫度下就處于氣化狀態，因此，在中低溫余熱利用方面具有明顯的優勢。

最簡單的卡林娜循環是一級蒸餾卡林娜循環，如圖2所示。濃度為70%的氨水溶液經過給水泵加壓、預熱器升溫之后，進入余熱鍋爐，由余熱熱源加熱、蒸發并過熱后，產生70%的過熱氨水蒸汽，進入透平機做功，透平機排氣經過蒸餾器冷卻，被34.59%的貧氨溶液（B股）稀釋為44.81%的基本溶液（C股），進入吸收器中凝結；離開吸收器的飽和液體經凝結泵加壓，一部分（D股）經過再熱器和蒸餾器加熱升溫后，進入分離器，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%的貧氨溶液經再熱器冷卻和節流閥降壓，將濃度為70%的工作溶液稀釋為44.81%的基本溶液；96.85%的富氨蒸汽經預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，被冷卻水凝結為飽和液體，最后到給水泵，完成一個循環過程。

在卡林娜循環中，由于氨水混合物不能在通常的環境溫度下凝結，所以卡林娜循環采用了蒸餾冷卻子系統來解決氨水混合物的冷凝問題。該系統由蒸餾器、吸收器、再熱器、分離器、冷凝器和預熱器組成，其基本原理是：把透平機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，而是經凝結泵升壓后把一部分基本溶液送到分離器中；經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到工作濃度，這時壓力已經升高，工作溶液可以在冷凝器中以環境溫度完全凝結。

圖1 有機工質朗肯循環發電系統示意圖

圖2 卡琳娜循環系統示意圖

3.2 卡琳娜循環設計要點

（1）傳熱溫差Δt減小，傳熱面積A增加。

從熱力學角度分析，鍋爐傳熱溫差ΔtKalina＜ΔtRankine，從傳熱學角度分析，根據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，設備投資顯著增加。

（2）傳熱系數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，在純質里面加入另一種工質從而形成混合物是對純質沸騰傳熱的一種削弱，這種削弱程度與混合物泡露點溫差有關。從傳熱學角度分析：根據 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，設備投資增加。

3.3 卡琳娜循環對工質的要求

由于Kalina循環采用氨-水混合物作為系統循環工質，因此需要考慮氨-水混合物在高溫高壓下的穩定性、腐蝕性以及工質外泄時對人和環境的影響。

3.4 經濟評價

（1）在目前水泥煙氣溫度下，Kalina循環只有在汽機進口壓力較高時，其余熱發電量才大于目前實際工程中技術較成熟的汽水工質的發電量，但是其高壓參數會帶來如下問題：

a Kalina循環采用高壓力參數，將加大系統設備、管道、管件、閥門等承壓能力，設備與管道等壁厚將加大，用鋼量增加，投資增大。

b Kalina循環采用高壓力參數，對電站工作人員的安全性要求較高。

c Kalina循環采用氨-水混合工質，對于工質泄漏控制嚴格。

（2）Kalina循環提出了蒸餾－冷凝子系統，該子系統代替普通凝汽器將汽機排汽在稍高于大氣壓力下冷凝至飽和液態，避免了Kalina循環采用普通凝汽器時可用能損失過大的問題。但該系統設備較多，系統復雜，投資較大，運行維護費用較高，大大提高單位發電量投資。

（3）由以上傳熱學技術評價可知，Kalina的循環特點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循環采用氨-水混合物作為循環工質，因此現有Rankine循環設備都需要更換為適用于Kalina循環的設備，設備需要重新設計計算制作，并且由于國內余熱鍋爐、汽機等關鍵設備生產廠家少，因此需要外購，設備投資增大。

4 螺桿膨脹機應用于低溫熱源發電的現狀

4.1 概述

膨脹機是一種靠氣體膨脹消耗內能對外作功的機械，如汽輪機（透平）、燃氣輪機、螺桿機、活塞機等。膨脹機按能量轉換方式不同，分為速度式和容積式兩大類。速度式膨脹機適用于熱源品質高、負荷穩定、大流量的場合，如汽輪機（透平）、燃氣輪機等。而容積式膨脹機適用于熱源品位低，流量小、負荷變化大的場合，如螺桿膨脹機。與汽輪機相比較，膨脹機造價低，適應性強，能適應各種工質，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。

4.2 工作原理

螺桿膨脹機是螺桿壓縮機的逆運轉機器，工作的熱物理過程與螺桿壓縮機恰恰相反，從膨脹始點到終點。隨著多方膨脹過程的進行，其壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，氣體內能轉換為機械能對外作功。

螺桿膨脹機的基本結構與螺桿壓縮機相同，主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯軸節等零件組成。基本結構如圖3所示，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙臺的螺旋形陰、陽轉子平行地置于氣缸中。在節圓外具有凸齒的轉子叫陽轉子，在節圓內具有凹齒的轉子叫陰轉子。螺桿膨脹機工作過程如圖4所示。

螺桿膨脹機系容積式膨脹機械，其運轉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。在膨脹機機體兩端，分別開設一定形狀和大小的孔口，一個是吸氣孔口，一個是排氣孔口。陰、陽螺桿和氣缸之間形成的呈“V”字形的一對齒間容積值隨著轉子的回轉而變化，同時，其位置在空間也不斷移動。

（1）吸氣過程（圖4a）：高壓氣體由吸氣孔口分別進入陰、陽螺桿“V”字形的齒間容積，推動陰、陽螺桿向彼此背離的方向旋轉，這兩個齒間容積不斷擴大，致使不斷進氣。當這對齒間容積后面一齒一旦切斷吸氣孔口時，這對齒間容積的吸氣過程也就結束，膨脹過程開始（圖4b）。

圖3 螺桿膨脹機

圖4 螺桿膨脹機工作過程

（2）膨脹過程（圖4c）：在吸氣過程結束后的齒間容積對里充滿著高壓氣體，其壓力高于順轉向前面一對齒間容積對里的氣體壓力。在壓力差的作用下，形成一定的轉矩，陰、陽螺桿轉子便朝相互背離的方向轉去。于是齒間容積變大，氣體膨脹，螺桿轉子旋轉對外作功。轉子繼續回轉，經某轉角后，陰、陽螺桿齒間容積脫離，再轉一個角度，當陰螺桿齒間容積的后齒從陽螺桿齒間容積中離開時，陰、陽齒間容積值為最大值，膨脹結束，排氣開始。

（3）排氣過程（圖4d）：當膨脹結束時，齒間容積與排氣孔口接通，隨著轉子的回轉，兩個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，然后經排氣孔口排出，此過程直到齒間容積達最小值為止。螺桿嚙合所形成的每對齒間容積里的氣體進行的上述三個過程是周而復始的，所以機器便不停地旋轉。

4.3 技術特點

螺桿膨脹機是利用流體在陰陽螺桿間膨脹作功，故對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，該機的主要機械部件卻僅為一對螺桿和鑄鋼外殼，其結構形式非常簡單。

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

（2）無級調速，轉速一般設計為1500～3000r/min，相比同功率汽輪機，除機械泄漏外，無其他能量損失，機組內效率高，一般在65%以上。

（3）在熱源參數、功率及熱負荷50%變化范圍內，能保持平穩工作，運行效率較高。

（4）單機功率在50～1500kW。

（5）設備緊湊，占地少，工程施工量小。

（6）操作方便，運行維護簡單，而且具有除垢自潔能力，對蒸汽的品質要求不高，特別適用于蒸汽壓力≥0.3MPa、溫度≤300℃、0.2MPa≤進出壓差≤1.0MPa的利用飽和蒸汽差壓發電的系統，大修周期長。

（7）起動不需要盤車、暖機。噪音低、平穩、安全、可靠，全自動無人值守運行。

與其他膨脹機比較，螺桿膨脹機有如下技術特點：

（1）螺桿膨脹機間隙密封，從而具有透平膨脹機和活塞膨脹機均不具有的獨特優點，即對進氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應性。當進氣為濕蒸汽時，液滴有助于密封。

（2）螺桿膨脹機可作為全流膨脹機使用，即工作介質的進氣口狀態不僅可為干蒸汽，也可為二相流體或全液體。在螺桿膨脹機中，高壓介質直接作用在轉子齒面上，因而有近似于直流電機啟動時的轉矩特性，即能進行重負荷啟動。

（3）螺桿膨脹機轉速較低，一般約為同容量透平膨脹機的1/10左右，因而可不通過減速裝置直接驅動發電機或其他低速耗能機械，且軸封效果好，使用壽命長。

5 結論和建議

Kalina或ORC與Rankine相比在低溫廢氣熱源上具有一定的優勢，但是在250℃以下廢氣熱源的條件下ORC具有一定的優勢。在目前的技術條件下投資較高，運行的安全性以及維護成本過高。對于ORC循環來說，進一步降低投資是推廣的關鍵，對于Kalina循環來說還需在系統和裝備上進行深入研究，當能源愈加緊張時必定會促進ORC和Kalina的發展。螺桿膨脹機發電有兩方面應用值得考慮，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。

對于水泥或其他工業低溫余熱利用項目中，應根據低溫熱原情況，包括規模、溫度、壓力、流量等多方面綜合考慮采用哪一種或幾種技術相結合的解決辦法。另外還要從系統的運行維護、設備的采購安裝等經濟因素綜合考慮。■