有机朗肯循环在余热回收领域的应用探索

穆永超　赵保明　杨嘎　焦江涛

【摘 要】我国是一个能耗大国，随着我国工业化领域的快速发展，越来越多研究者开始注重技术的开发和应用，有机朗肯循环低温发电技术作为余热回收的有效措施，在我国各高耗能领域逐渐应用，并取得良好的经济效益和环境效益。

【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.

【關键词】有机朗肯循环;余热回收;经济效益

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

【中图分类号】TM617                                             【文献标志码】A                                            【文章编号】1673-1069（2019）03-0168-02

1 引言

随着全球能源消耗的增长，能源供应的可持续性成为当前人类面临的一个重大问题，目前我国在工业化生产过程中由各种换热能设备、用能设备和化学反应设备产生的热量，除高中品位热源回收利用较好，其余低品位余热提质利用则成了当前节能减排的重中之重。人类所利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放[1]，余热的排放既是能源的极大浪费，也是造成温室效应的主要因素。

目前温度低于150 ℃的热能无法实现发电利用，基本排放到大气中，这种工业余热的总量是非常巨大的。面对节能减排的巨大压力，有机朗肯循环发电技术的研发逐渐受到研究者的关注 [2，3]，在工业领域的应用研究也逐渐开展，以实现低品位能源综合利用、变废为宝。

2 有机朗肯循环原理

利用有机朗肯循环原理实现低温余热发电机组研制与开发，其本质是将热流体与低沸点有机工质换热，再将低沸点有机工质引入螺杆膨胀机（或者汽轮机）进行能量回收的循环系统方式。有机朗肯循环发电系统主要包括四个组成部分：蒸发器、膨胀动力机、冷凝器和工质泵，有机朗肯循环系统流程图如图1所示。

低温的有机工质在蒸发器中与余热流体介质换热，有机工质吸收余热流体所携带热量产生高温高压的有机蒸气，高温高压气态（或汽液两相）有机工质进入螺杆膨胀机膨胀做功，螺杆膨胀机带动发电机转动，实现机械能向电能的转化。高温高压有机工质气体通过膨胀做功之后变成低温低压气体，并进入冷凝器，冷凝为液态有机工质，最后再经工质泵打入蒸发器，实现有机工质的密闭循环。

3 有机朗肯循环技术优势

有机朗肯循环发电技术可实现对各种形态的工业余热的回收，适应烟气、热水、乏汽等余热资源。针对低温有机工质特性，螺杆膨胀机的多适应性和自清洁性可适应不同的余热条件。同时有机朗肯循环系统构造简单，制作方便，可实现自动并网及下网，利用低品质余热产生高品位电力，并入企业电网节省等量的生产用电，变废热为资源。

与高压水蒸汽直接作为工质参与发电过程的常规单循环过程相比，有机朗肯循环系统具有其独特的优越性。有机工质在闭合回路中工作，只起到传递热量的作用，工质的物性不会变化。

4 有机朗肯循环应用领域

我国工业余热资源丰富，但工业余热资源利用比例较低。余热资源大致可以分为三类：高品位、中品位和低品位余热资源，且形式有多样性特点，例如，工业冷却水、高温烟气、乏汽等，其中大部分低品位余热资源基本上没有得到很好的利用，最终主要以低品位余热的方式排放到环境中，带来的结果是严重地污染了环境。因此，将有机朗肯循环发电技术应用于低品位余热的回收领域将为我国企业节能减排事业做出积极贡献。

4.1 化工领域

目前化工行业现有生产工艺中有多处工艺介质气（温度约90～160℃）通过水冷方式进行冷却，不但造成低品位热能资源的浪费，循环冷却水系统自身还要消耗大量的电能和水资源。虽然有些工艺流程实现了高温介质对低温介质的加热来优化化工生产过程中的管网匹配工艺，但高温介质和低温介质间往往存在较大的温度差，造成热能的损失和浪费。

有机朗肯循环技术可实现对化工过程中工艺流体余热的回收利用，回收过程中有机朗肯循环介质与冷热流体实现热量交换，有效回收利用工艺介质气冷却过程中排放的低温热能。

4.2 冶金领域

钢铁行业的余热利用处于起步期，具有较为广阔的发展空间，大型钢铁企业余热利用率约为30%～50%，中小钢铁企业的利用率则更低。钢铁行业余热主要有高炉煤气、高炉冲渣水、球团加热炉蒸汽、轧钢加热炉蒸汽、高温固体余热等多种形式。目前采用的利用方式多以供暖为主，但对于北方地区供暖不仅是季节性的，而且往往由于热量的过剩，仅采用供暖方式并不能实现对全部热量的消耗。

有机朗肯循环作为余热回收的先进技术可回收钢铁行业高温烟气和水蒸气的热能，尤其是对于饱和水蒸气、乏汽的回收，避免了常规汽轮机发电技术对热源品质的过高要求，有机朗肯循环发电技术适用范围更广。

4.3 建材领域

石灰窑、玻璃窑、隧道窑等建材窑炉在生产过程中，由于工艺需求不仅需要连续运行，而且窑炉温度往往较高需要冷却降温，且产生大量高温烟气往往直接排放，温度在200～500℃左右。利用余热锅炉可回收高温烟气热量产生高温热水或者饱和水蒸气，在热量无法完全消耗的情况下，利用有机朗肯循环发电技术对高温热水或水蒸气实现回收利用，发出的电能直接并入企业用户电网，在回收余热的同时，降低企业生产成本。

4.4 内燃机领域

內燃机作为动力输出设备，广泛用于垃圾填埋场发电、低瓦斯发电、船舶发电、企业临时用电等多种场所。内燃机在运行过程中产生大量余热资源，主要有高温缸套水、高温烟气等方式通过空冷器排放，同时消耗一定的电能。且由于单机热量核算相对较小，不能满足传统发电工艺技术要求而被人们忽略。但内燃机高温烟气的温度多数在500～550℃，高温缸套水在65～85℃，且运行相对稳定，对有机朗肯循环发电技术来说是很优越的利用场所，不仅能够利用余热产生电能，而且节约了空冷器电能的消耗，实现了双重效益。

5 结论

有机朗肯循环发电技术作为余热回收技术的典型方法，在化工、冶金、建材、内燃机发电等领域可实现较高的利用价值，不仅为企业降低生产成本，提高经济效益，同时也减少能源的浪费，取得良好的环境效益和社会效益。随着有机朗肯循环技术的不断进步和系统的优化，将会在我国余热回收市场创造更大的价值。

【参考文献】

【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】刘继芬，王景甫，马重芳，等.中低温地热发电循环参数的优化[J].化工学报， 2011， 62（S1）：190-196.

【3】魏莉莉，张于峰，陈信鑫，等. 低温有机工质朗肯循环发电系统的设计研究[J].太阳能学报， 2012，33（5）：821-826.