低溫余熱發(fā)電ORC有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化

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1、低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化2011年3月報(bào)告大綱低溫余熱資源低溫余熱發(fā)電技術(shù)昆工-昆鋼合作開發(fā)的可行性探討一、低溫余熱資源1.工業(yè)余熱資源目前我國能源形勢(shì)嚴(yán)峻的根本原因在于用能效率低下。我國每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)出效率僅相當(dāng)于日本的10.3％、美國的28.6％。我國工業(yè)用能中近60-65%的能源轉(zhuǎn)化為余熱資源，其中溫度低于350℃以下的低溫余熱，約占余熱總量的60%，目前技術(shù)尚無法實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效的回收利用。我國鋼鐵工業(yè)余熱按品質(zhì)分類高品位余熱(>900℃)47%中品位余熱(400℃～900℃)30%低品位余熱(<40

2、0℃)23%47%44％30%30％23%回收潛力回收潛力回收潛力我國有色冶金工業(yè)余熱我國鋼鐵冶金余熱總量達(dá)15000萬tce/a，目前平均余熱回收水平僅為30%。主要原因在于我國現(xiàn)有技術(shù)難以回收數(shù)量龐大的中低溫余熱。因此，我國鋼鐵工業(yè)中有大量的中低溫余熱資源可供開發(fā)。我國有色冶金行業(yè)存在大量的容易收集的溫度在60℃以上的液態(tài)余熱（如冷卻水）及低壓蒸汽，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)蘊(yùn)含可用的熱能約1800萬tce/a，潛在發(fā)電能力相當(dāng)于3/4個(gè)三峽工程發(fā)電量。我國建材工業(yè)余熱1.水泥工業(yè)：隨著新型干法水泥熟料技術(shù)在全國范圍內(nèi)的推廣、普及

3、，水泥生產(chǎn)過程中存在大量350-400℃以下的余熱不能充分利用，這部分熱量占到水泥熟料燒成總耗熱量35％以上造成的能源浪費(fèi)高得驚人。我國水泥低溫余熱潛在的發(fā)電容量約在800億kWh/a，相當(dāng)于1個(gè)三峽工程的年發(fā)電量。水泥窯爐陶瓷窯爐玻璃窯爐我國建材工業(yè)余熱2.陶瓷工業(yè)：日用陶瓷燒制窯爐排煙溫度一般在200-300℃，排煙帶走的熱量損失約占總熱量的20%-40%。我國現(xiàn)有陶瓷生產(chǎn)企業(yè)約3000家，余熱發(fā)電能力約1200億kWh/a,相當(dāng)于2個(gè)三峽工程的年發(fā)電量。3.玻璃生產(chǎn)工業(yè)：我國投入使用的浮法玻璃生產(chǎn)線有130條左右，

4、平均每條日熔化500t玻璃；平拉法平板玻璃生產(chǎn)線30條，平均每條日熔化200t玻璃；兩項(xiàng)合計(jì)年能耗總量約為520×105t重油。余熱發(fā)電潛力約300億kWh/a。2.地?zé)崮艿責(zé)崾且环N可持續(xù)發(fā)展的能源，我國的地?zé)豳Y源分布很廣，資源儲(chǔ)量約為4.4×1027kJ，蘊(yùn)含發(fā)電能力可達(dá)6.74GW。3.太陽能我國2/3的面積年日照時(shí)間在2300小時(shí)以上，每平方米太陽能年輻射總量3340-8400MJ，陸地表面每年接收的太陽輻射能相當(dāng)于17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而且分布極為廣泛，蘊(yùn)含的發(fā)電能力約1400萬億kWh/a，是我國一年總發(fā)電量的

5、近300倍。西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電非聚焦太陽能集熱發(fā)電示意二、低溫余熱發(fā)電技術(shù)1.技術(shù)現(xiàn)狀常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)用于煙氣余熱回收發(fā)電流程圖常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)1.系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，鍋爐給水需要除氧、除鹽，在鍋爐部件及管路上需要設(shè)置排污及疏放水管路；凝結(jié)器里需保持較高的真空度，要設(shè)置真空維持系統(tǒng)。2.透平進(jìn)排氣壓力低，蒸汽比體積較大，導(dǎo)致透平通流面積較大。3.通常透平進(jìn)口蒸汽需具有一定的過熱度，在余熱鍋爐中必然要設(shè)置過熱蒸汽加熱段，導(dǎo)致余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。4.管道內(nèi)容易結(jié)垢及生銹，維修成本較高，壽命較短。5.需要較多的運(yùn)行、

6、維修人員，運(yùn)行成本較高。6.單機(jī)容量不能太小,系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行率不高。7.一般只適用于煙氣溫度高于350℃以上的余熱。常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的缺點(diǎn)有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)(ORC)～冷卻塔有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐加壓泵儲(chǔ)液罐有機(jī)透平發(fā)電機(jī)凝汽器冷卻泵中低溫?zé)煔鉄煔庥酂嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)示意圖1.效率高,系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要設(shè)置除氧、除鹽、排污及疏放水設(shè)施；凝結(jié)器里一般處于略高于環(huán)境大氣壓力的正壓，不需設(shè)置真空維持系統(tǒng)。2.透平進(jìn)排氣壓力高，所需通流面積較小，透平尺寸小。3.使用干流體時(shí)，余熱鍋爐中不必設(shè)置過熱段，工

7、質(zhì)蒸汽直接以飽和氣體進(jìn)透平膨脹做功。4.可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，無人值守，需要極少的運(yùn)行、維修人員，運(yùn)行成本很低。5.單機(jī)容量可從幾kW到數(shù)千kW。6.系統(tǒng)部件、設(shè)備可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模塊化生產(chǎn)，能縮短安裝周期，降低制造成本。7.適用于溫度高于70℃以上的低溫余熱源。ORC發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)昆工ORC技術(shù)研究進(jìn)展1.提出了超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)及多元混合工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)，可減少有機(jī)鍋爐中由于傳熱溫差不均衡導(dǎo)致的額外熵增，提高系統(tǒng)的（火用）效率。膨脹末級(jí)處于濕蒸汽區(qū)膨脹末級(jí)處于過熱蒸汽區(qū)2.提出了多級(jí)蒸發(fā)有機(jī)朗肯循環(huán)、復(fù)疊式有機(jī)朗肯循環(huán)及多級(jí)-復(fù)

8、疊式有機(jī)朗肯循環(huán)，最大限度實(shí)現(xiàn)傳熱過程的溫度微匹配。多級(jí)蒸發(fā)有機(jī)朗肯循環(huán)水蒸汽-有機(jī)朗肯復(fù)疊循環(huán)冷卻塔3.建立了低溫?zé)崮馨l(fā)電ORC系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。單目標(biāo)優(yōu)化法單位換熱面積輸出功率余熱鍋爐緊湊性指標(biāo)余熱鍋爐單位容積輸出功率多目標(biāo)優(yōu)化法單位換熱面積輸出功率余熱鍋爐單位容積輸出功率+年度化總成本最小優(yōu)化法年度化凈利潤最