低温余热发电ORC有机朗肯循环技术及其产业化

有机朗肯循环余热发电技术 (ORC)
中 低 温 烟 气
有机透 平 凝汽器 有机工质 余热锅炉
～
发电机
冷却塔
加压泵
储液 罐
冷却泵
烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图
ORC发电技术的优点
1.效率高,系统构成简单，不需要设置除氧、除盐、排污 及疏放水设施；凝结器里一般处于略高于环境大气压力的正压， 不需设置真空维持系统。 2.透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小。 3.使用干流体时，余热锅炉中不必设置过热段，工质蒸汽 直接以饱和气体进透平膨胀做功。 4.可实现远程控制，无人值守，需要极少的运行、维修人 员，运行成本很低。 5.单机容量可从几kW到数千kW。 6.系统部件、设备可实现标准模块化生产，能缩短安装周 期，降低制造成本。 7.适用于温度高于70 ℃以上的低温余热源。
• 年度化净利润最大优化法
• 单位成本净利润最大优化法
昆工ORC技术研究成果
1.已申请多项国家专利 专利名称： No.1 超临界朗肯循环回收低温余热动力的方法, 申请号200810058497.9 No.2 混合工质分散式低温太阳能热力发电系统及工艺, 申请号200810058626.2 No.3 一种用于低沸点工质低温热能热力发电和工业余压动 力回收透平装置, 申请号200820081418.X No.4 分散式低温太阳能热力发电系统及工艺, 申请号200810058714.
1.工业余热资源
我国钢铁工业余热 按品质分类 高品位余热( >900℃) 47% 中品位余热 (400℃～900℃) 30% 低品位余热( <400℃) 23%
120 100 80 60 40 20 0
114.7
回收潜力 回收潜力
74.5
回收潜力
56.2
47%
50.51
30%
44％
22.5
23%
0
低品位
30％
高品位 中品位
我国钢铁冶金余热总量达15000万tce/a，目前平均余热回 收水平仅为30%。主要原因在于我国现有技术难以回收数量庞大 的中低温余热。因此，我国钢铁工业中有大量的中低温余热资 源可供开发。
我国有色冶金工业余热
我国有色冶金行业存在大量 的容易收集的温度在60℃以上的 液态余热（如冷却水）及低压蒸
我国建材工业余热
2.陶瓷工业：日用陶瓷烧制窑炉排烟温度一般在200-300℃， 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。 3.玻璃生产工业：我国投入使用的浮法玻璃生产线有130条 左右，平均每条日熔化500t玻璃；平拉法平板玻璃生产线30条， 平均每条日熔化200t玻璃；两项合计年能耗总量约为520×105 t重油。余热发电潜力约300亿kWh/a。
2.地热能
地热是一种可持续发展的能源，我国的地热资源分布很广， 资源储量约为4.4×1027kJ，蕴含发电能力可达6.74GW。
西藏羊八井地热发电
3.太阳能
我 国 2/3 的 面 积 年 日 照 时 间 在 2300小时以上，每平方米太阳能年 辐射总量3340-8400MJ，陆地表面每 年接收的太阳辐射能相当于17000亿 吨标准煤，而且分布极为广泛 ，蕴 含的发电能力约1400万亿kWh/a，是 我国一年总发电量的近300倍。 非聚焦太阳能集热发电示意
2.已完成ORC低温余热发电工质的热物性及传热特性的研究

ORC循环工质物性及传热特性试验装置
3.已完成对昆钢高线三段式加热炉排烟余热发电100kW ORC 样机系统的仿真与方案设计。
样机拟从这根 管道下部取烟
4.已初步完成对采用空调离心式冷水机组构建ORC系统可行 性的理论分析，建立了该ORC系统的性能模拟数学模型，同时制 定了下一步的试验方案及产业化技术措施。 5.在研究经费保证的情况下，预计在3~6年内便可初步实现 低温烟气余热发电ORC技术的产业化（完成1000kWe的示范工 程），5~8年内便可初步实现液体余热及低温太阳能发电ORC技 术的产业化（完成2000kWe的示范工程) 。
汽，据不完全统计蕴含可用的热
能约1800 万tce/a，潜在发电能 力相当于3/4个三峡工程发电量。
我国建材工业余热
陶瓷窑炉 玻璃窑炉 水泥窑炉 1.水泥工业：随着新型干法水泥熟料技术在全国范围内的 推广、普及，水泥生产过程中存在大量350-400℃以下的余热不 能充分利用，这部分热量占到水泥熟料烧成总耗热量35％以上 造成的能源浪费高得惊人。我国水泥低温余热潜在的发电容量 约在800亿kWh/a，相当于1个三峡工程的年发电量 。
三、昆工-昆钢合作开发的可行性探讨
合作开发内容
1.研发有机朗肯循环中低温烟气余热发电核心技术（防腐 低温烟气高效换热设备、循环工质的研发、ORC系统的优化设计、 低温高效换热器、有机工质膨胀机研制、设备运行控制系统的 开发）、实现技术产业化，完成中低温烟气余热发电ORC系统定 型产品模块的标准化设计及加工制造。 2.在冶金、水泥、陶瓷、玻璃、化工、轻纺等大中型工业 窑炉废气余热回收项目上推广中低温烟气余热发电ORC技术。 3.研究工业液体余热驱动的有机朗肯循环发电和非聚焦型 低温太阳能有机朗肯循环发电技术（S-ORC），开发相关定型设 备，并进行工程化推广应用。 4.对我国主要高耗能企业的能源情况进行调研，针对具体 企业、具体生产工艺，在完成对其总能系统的诊断基础上，构 建其余热梯级回收利用技术体系，并争取对其实施技术改造。
二、低温余热发电技术
1.技术现状
常规水蒸汽朗肯循环发电技术
常规水蒸汽朗肯循环用于烟气余热回收发电流程图
常规水蒸汽朗肯循环发电技术的缺点
1.系统构成复杂，锅炉给水需要除氧、除盐，在锅炉部件 及管路上需要设置排污及疏放水管路；凝结器里需保持较高的 真空度，要设置真空维持系统。 2.透平进排气压力低，蒸汽比体积较大，导致透平通流面 积较大。 3.通常透平进口蒸汽需具有一定的过热度，在余热锅炉中 必然要设置过热蒸汽加热段，导致余热锅炉的结构比较复杂。 4.管道内容易结垢及生锈，维修成本较高，寿命较短。 5.需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。 6.单机容量不能太小,系统满负荷运行率不高。 7.一般只适用于烟气温度高于350℃以上的余热。
多级蒸发有机朗肯循环
冷却塔
水蒸汽-有机朗肯复叠循环
3.建立了低温热能发电ORC系统的优化设计方法。
单目标优化法
• 单位换热面积输出功率 • 余热锅炉紧凑性指标 • 余热锅炉单位容积输出功率 • 单位换热面积输出功率
多目标优化法
• 余热锅炉单位容积输出功率 • 年度化总成本最小优化法
+
㶲经济优化法
昆工ORC技术研究进展
1.提出了超临界有机朗肯循环及多元混合工质有机朗肯循 环，可减少有机锅炉中由于传热温差不均衡导致的额外熵增， 提高系统的（火用）效率。
3 T 2 1 T 2 1 3
4
4 S
5 6 S
膨胀末级处于湿蒸汽区
膨胀末级处于过热蒸汽区2.提 Nhomakorabea了多级蒸发有机朗肯循环、复叠式有机朗肯循环及 多级-复叠式有机朗肯循环，最大限度实现传热过程的温度微匹 配。
低温余热发电 有机朗肯循环技术及其产业化
2011年3月
报告大纲
低温余热资源 低温余热发电技术
昆工-昆钢合作开发的可行性探讨
一、低温余热资源
目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我 国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3％、美国的28.6 ％。我国工业用能中近60-65%的能源转化为余热资源，其中温 度低于350℃以下的低温余热，约占余热总量的60%，目前技术 尚无法实现对其有效的回收利用。
4.通过对我国低温热能发电市场需求的初步调查，只需将 单位装机容量成本控制在2万元/kWe以内，每年国内的ORC低温 热能发电设备市场需求量至少在500万kWe。在ORC技术的市场推 广期，保守估算，工程中心每年能完成2万kWe装机容量的ORC低 温余热发电的工程技术设计及设备配套和研发，市场订单可逾3 亿人民币，实现利税约1亿人民币。
合作机制 1.双方合作成立一个能源新技术开发公司。
2.由昆钢牵头、昆工参与，双方联合申报省里的能源新技 术工程(技术)中心，为低温热能高效利用相关核心技术的开发 与推广做进一步的支持。
预计研究经费投入及资金回收情况
1.烟气余热发电ORC技术投入3000万元。
2. 液体余热发电ORC技术投入1500万元。 3.通过核心技术的专利转让及技术的工程化市场推广应用， 预计在第一个6年内便可收回全部投资。