低温余热发电ORC有机朗肯循环技术及其产业化

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。

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

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 。

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

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。

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。

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.提出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。

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

+

经济优化法

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.

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) 。

三、昆工-昆钢合作开发的可行性探讨 合作开发内容