高耗能行业中低温余热发电技术

高耗能行业中低温余热发电技术

朱亚东，徐 建，吕 进，于立军∗

（上海交通大学，上海 200240）

摘要：诸如钢铁、石油、化工、机械等高能耗行业存在着巨大的中低温余热资源，目前这部分余热资源的利用相当少，因此充分利用这部分余热资源是高耗能行业节能减排的重要内容和主要手段之一。基于有机朗肯循环的发电系统以热为输入，输出为电能，将低品位热能逆向转化成高品位电能。针对中低温有机朗肯循环的特点，对若干工质的干湿性、热效率及适用条件进行了研究，对于中低温余热有机朗肯循环发电系统的四种结构（基本型、回热型、抽气回热型、再热型）进行了优化研究。

关键词：有机朗肯循环；高耗能行业；余热

Power Generation Technology Using Mid-Low Temperature

Waste Heat for High Energy Consumption Industry

ZHU YaDong，XU Jian，Lv Jin，YU LiJun

（Shanghai JiaoTong University，Shanghai 200240，China）

Abstract: There is a great deal of mid-low temperature waste heat in high energy consumption industry such as steel, petroleum, chemical, mechanical and so on. Currently, this part of waste heat is hardly used, so taking full use of this part of waste heat is an important part and one of the primary means of energy saving for high energy consumption industry. Generation system based on ORC(Organic Rankine Cycle) with heat input and power output, reverses low-grade heat into high-grade electricity. For the characteristics of mid-low temperature ORC, a number of working fluids' wet and dry performance are researched. Four structures of the mid-low temperature waste heat ORC power generation system (basic ORC, regenerative ORC, exhaust regenerative ORC and reheat ORC)are researched.

Keywords：organic rankine cycle(ORC)；high energy consumption industry；waste heat

作者简介：于立军：男，1969年8月生，教授，博士生导师。主要从事多相流流动和余热利用方向研究工作。作为项目负责人，已经完成2项国家自然科学基金项目；作为项目负责人完成上海拜耳、上海庄臣、海螺水泥、上海安靠等30多个工业企业的节能评估工作，积累了丰富的现场经验；作为主要科研人员，顺利完成上海市科委、日本中央电力研究以及松下公司所等多项科研任务，主要负责余热发电系统开发、发电系统数学建模、仿真等工作。近年来，在余热利用及两相流动等研究领域发表学术论文30篇。其中，有15篇论文被SCI收录，SCI 论文他引超过85次，有14篇论文被EI收录，获中国国家发明专利16项。E-mail：ljyu@

1 技术应用背景

1.1余热资源定义

所谓余热资源[1]是指在生产过程中，目前技术条件下，有可能回收或重复利用而尚未被有效利用的那部分能量。余热资源不仅取决于能量本身的品位，还取决于生产发展情况和科学技术水平。因此，余热资源的数量是随着生产和科学技术水平的发展不断变化的。

余热资源非常丰富，在工业节能中占有很大比例，且广泛存在于各生产环节中，特别是钢铁、石油、化工、机械等高能耗行业。因此，充分利用余热资源是工业企业节能减排的重要内容和主要手段之一。

1.2余热资源分类

余热资源一般存在于具有一定温度的气态或液态载体中，通常按余热载体的温度高低不同，将余热资源划分为三种类型：高温余热（500℃以上）、中温余热（200-500℃之间）和低温余热（200℃以下）。对介于两者之间温度范围的分别称为中高温和中低温余热。

1.3高耗能行业中低温余热资源量及回收潜力

从资源总量看，中低温余热资源量十分巨大。据测算，仅建材水泥、钢铁、冶金、化工、电力250℃以下的余热资源折合标准煤就有1亿吨，按照15%的节能率回收，技术推广后可实现装机2300万kW，至少可拉动1200亿元的固定资产投资，每年可以产生发电量1100亿kWh，每年减少CO2排放量3690万吨。如果考虑今后的中低温地热和太阳能热发电，其潜在的资源量和技术需求相当巨大，具有明显的经济、社会和环境效益。

1.4余热回收技术

余热回收利用的方式也各种各样，总体分为热回收和动力回收。热回收就是直接利用余热，比如：直接燃烧产生更多的热量，或者用来干燥或预热，或者使用热泵来直接供热，当然还有逆循环的吸收式制冷，我们把这类直接利用余热产生热能或冷能的回收方式统一归为热回收。动力回收则为利用余热产生机械能或电能，一般情况下是用来产生电能这种易于传输且适用性更广的高品质能源。

目前，对于石油、化工、钢铁、机械、冶金、水泥等高能耗行业都存在中低温余热利用的难题。国际上对于250℃以下甚至更低的中低温余热，一般采用的方法是有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）发电系统。

2 有机物朗肯循环

2.1有机朗肯循环发电系统结构

如图1所示，ORC系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和泵组成。该系统的循环流程如图2所示，它包括绝热膨胀（1-2）、定压冷却（2-3）、绝热加压（3-4）以及定压加热（4-1）四个过程。

图1有机物朗肯循环系统原理图 图2 有机物朗肯循环温-熵图（T-S图）