有機朗肯循環在余熱回收領域的應用探索

穆永超　趙保明　楊嘎　焦江濤

【摘 要】我國是一個能耗大國，隨著我國工業化領域的快速發展，越來越多研究者開始注重技術的開發和應用，有機朗肯循環低溫發電技術作為余熱回收的有效措施，在我國各高耗能領域逐漸應用，并取得良好的經濟效益和環境效益。

【Abstract】China is a large energy consumption country， with the rapid development of the industrialization in China， more and more researchers begin to pay attention to the development and application of technology， Organic Rankine Cycle low-temperature power generation technology is an effective measure for waste heat recovery， which has been gradually applied in various fields of high energy consumption in China， and has obtained good economic and environmental benefits.

【關鍵詞】有機朗肯循環;余熱回收;經濟效益

【Keywords】Organic Rankine Cycle（ORC）; recovery of waste heat; economic benefit

【中圖分類號】TM617 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2019）03-0168-02

1 引言

隨著全球能源消耗的增長，能源供應的可持續性成為當前人類面臨的一個重大問題，目前我國在工業化生產過程中由各種換熱能設備、用能設備和化學反應設備產生的熱量，除高中品位熱源回收利用較好，其余低品位余熱提質利用則成了當前節能減排的重中之重。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[1]，余熱的排放既是能源的極大浪費，也是造成溫室效應的主要因素。

目前溫度低于150 ℃的熱能無法實現發電利用，基本排放到大氣中，這種工業余熱的總量是非常巨大的。面對節能減排的巨大壓力，有機朗肯循環發電技術的研發逐漸受到研究者的關注 [2，3]，在工業領域的應用研究也逐漸開展，以實現低品位能源綜合利用、變廢為寶。

2 有機朗肯循環原理

利用有機朗肯循環原理實現低溫余熱發電機組研制與開發，其本質是將熱流體與低沸點有機工質換熱，再將低沸點有機工質引入螺桿膨脹機（或者汽輪機）進行能量回收的循環系統方式。有機朗肯循環發電系統主要包括四個組成部分：蒸發器、膨脹動力機、冷凝器和工質泵，有機朗肯循環系統流程圖如圖1所示。

低溫的有機工質在蒸發器中與余熱流體介質換熱，有機工質吸收余熱流體所攜帶熱量產生高溫高壓的有機蒸氣，高溫高壓氣態（或汽液兩相）有機工質進入螺桿膨脹機膨脹做功，螺桿膨脹機帶動發電機轉動，實現機械能向電能的轉化。高溫高壓有機工質氣體通過膨脹做功之后變成低溫低壓氣體，并進入冷凝器，冷凝為液態有機工質，最后再經工質泵打入蒸發器，實現有機工質的密閉循環。

3 有機朗肯循環技術優勢

有機朗肯循環發電技術可實現對各種形態的工業余熱的回收，適應煙氣、熱水、乏汽等余熱資源。針對低溫有機工質特性，螺桿膨脹機的多適應性和自清潔性可適應不同的余熱條件。同時有機朗肯循環系統構造簡單，制作方便，可實現自動并網及下網，利用低品質余熱產生高品位電力，并入企業電網節省等量的生產用電，變廢熱為資源。

與高壓水蒸汽直接作為工質參與發電過程的常規單循環過程相比，有機朗肯循環系統具有其獨特的優越性。有機工質在閉合回路中工作，只起到傳遞熱量的作用，工質的物性不會變化。

4 有機朗肯循環應用領域

我國工業余熱資源豐富，但工業余熱資源利用比例較低。余熱資源大致可以分為三類：高品位、中品位和低品位余熱資源，且形式有多樣性特點，例如，工業冷卻水、高溫煙氣、乏汽等，其中大部分低品位余熱資源基本上沒有得到很好的利用，最終主要以低品位余熱的方式排放到環境中，帶來的結果是嚴重地污染了環境。因此，將有機朗肯循環發電技術應用于低品位余熱的回收領域將為我國企業節能減排事業做出積極貢獻。

4.1 化工領域

目前化工行業現有生產工藝中有多處工藝介質氣（溫度約90～160℃）通過水冷方式進行冷卻，不但造成低品位熱能資源的浪費，循環冷卻水系統自身還要消耗大量的電能和水資源。雖然有些工藝流程實現了高溫介質對低溫介質的加熱來優化化工生產過程中的管網匹配工藝，但高溫介質和低溫介質間往往存在較大的溫度差，造成熱能的損失和浪費。

有機朗肯循環技術可實現對化工過程中工藝流體余熱的回收利用，回收過程中有機朗肯循環介質與冷熱流體實現熱量交換，有效回收利用工藝介質氣冷卻過程中排放的低溫熱能。

4.2 冶金領域

鋼鐵行業的余熱利用處于起步期，具有較為廣闊的發展空間，大型鋼鐵企業余熱利用率約為30%～50%，中小鋼鐵企業的利用率則更低。鋼鐵行業余熱主要有高爐煤氣、高爐沖渣水、球團加熱爐蒸汽、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，但對于北方地區供暖不僅是季節性的，而且往往由于熱量的過剩，僅采用供暖方式并不能實現對全部熱量的消耗。

有機朗肯循環作為余熱回收的先進技術可回收鋼鐵行業高溫煙氣和水蒸氣的熱能，尤其是對于飽和水蒸氣、乏汽的回收，避免了常規汽輪機發電技術對熱源品質的過高要求，有機朗肯循環發電技術適用范圍更廣。

4.3 建材領域

石灰窯、玻璃窯、隧道窯等建材窯爐在生產過程中，由于工藝需求不僅需要連續運行，而且窯爐溫度往往較高需要冷卻降溫，且產生大量高溫煙氣往往直接排放，溫度在200～500℃左右。利用余熱鍋爐可回收高溫煙氣熱量產生高溫熱水或者飽和水蒸氣，在熱量無法完全消耗的情況下，利用有機朗肯循環發電技術對高溫熱水或水蒸氣實現回收利用，發出的電能直接并入企業用戶電網，在回收余熱的同時，降低企業生產成本。

4.4 內燃機領域

內燃機作為動力輸出設備，廣泛用于垃圾填埋場發電、低瓦斯發電、船舶發電、企業臨時用電等多種場所。內燃機在運行過程中產生大量余熱資源，主要有高溫缸套水、高溫煙氣等方式通過空冷器排放，同時消耗一定的電能。且由于單機熱量核算相對較小，不能滿足傳統發電工藝技術要求而被人們忽略。但內燃機高溫煙氣的溫度多數在500～550℃，高溫缸套水在65～85℃，且運行相對穩定，對有機朗肯循環發電技術來說是很優越的利用場所，不僅能夠利用余熱產生電能，而且節約了空冷器電能的消耗，實現了雙重效益。

5 結論

有機朗肯循環發電技術作為余熱回收技術的典型方法，在化工、冶金、建材、內燃機發電等領域可實現較高的利用價值，不僅為企業降低生產成本，提高經濟效益，同時也減少能源的浪費，取得良好的環境效益和社會效益。隨著有機朗肯循環技術的不斷進步和系統的優化，將會在我國余熱回收市場創造更大的價值。

【參考文獻】

【1】Hung T.C， Shai T. Y.， Wang S.K.A review of organic Rankine cycles （ORCs） for the recovery of low-grade waste heat[J]. Energy， 1997， 22（7）： 661-667.

【2】劉繼芬，王景甫，馬重芳，等.中低溫地熱發電循環參數的優化[J].化工學報， 2011， 62（S1）：190-196.

【3】魏莉莉，張于峰，陳信鑫，等. 低溫有機工質朗肯循環發電系統的設計研究[J].太陽能學報， 2012，33（5）：821-826.