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 TemperatureWaste Heat for High Energy Consumption IndustryZHU 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）2.2有机朗肯循环发电系统的优势ORC发电系统与传统的水蒸汽发电系统相比主要优势如下：(1)与水蒸汽发电系统相比，由于ORC发电系统的有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在50 Hz时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。
由于转速低，因此噪声也小。
(2)可采用螺杆膨胀机[2]替代汽轮机，其结构相对传统汽轮机简单得多，额定功率小，尤其适用作为低焓能源动力利用的动力机，因此对有机工质蒸汽做功更适用。
(3)鉴于目前螺杆膨胀机还未普及，也可使用有机工质汽轮机。
有机工质蒸汽比容、焓降小，故所需汽轮机的尺寸（特别是汽轮机末级叶片的高度减小）、排气管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直径均较小。
(4)如使用直接混合换热，可选取与有机工质氟利昂不相溶，且不会发生化学反应的导热油，采用油与有机工质氟利昂直接接触热交换的方法，可进一步提高换热效率。
(5)在缺水地区，优先使用空气冷却的冷凝器。
ORC电厂使用的空冷冷凝器要比水蒸汽电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多，价格也低得多。
3 研究结果与分析3.1 中低温余热有机朗肯循环发电系统工质选择研究有机朗肯循环发电系统所使用的工质对系统的安全性、环保性、经济性、高效性具有很大的影响，合适的工质必须具有良好的热力学、物理、化学、环保、安全和经济特性，比如具有较低的液态比热容、粘度、毒性、可燃性、臭氧消耗潜能值（ODP）、全球变暖潜能值（GWP）及价格，具有较高的气化潜热、密度、稳定性，与材料能够相互兼容，同时使系统具有较高的热效率和适中的蒸发压力[3]。
国内外都对有机物工质对于ORC系统的影响有研究，相比而言国内仅仅是起步阶段[4]。
我们借鉴了国内外工质的选择标准，采用层层筛选的方法从61种工质中选出适合低品位热能有机物朗肯循环且具有潜力的工质，并分析了它们的适用条件。
首先研究工质的热力学、物理、化学、环保、安全和经济特性，选出符合上述特性的候选工质，它们是异戊烷（Isopentane）、正庚烷（n-Heptane）、正己烷（n-Hexane）、正戊烷（n-Pentan）、丙烷（R290）、R600、R600a、R134a、R423A、R404A、R507A。
接下来将研究这些候选工质的干湿性以及循环热效率。
3.1.1候选工质的干湿性候选工质饱和蒸汽线的斜率随着饱和温度的变化而变化，甚至可能会从大于0变为小于0，因此，需要关心的是这些工质在膨胀区域内的干湿性。
由工质的温-熵图可知，异戊烷（Isopentane）、正庚烷（n-Heptane）、正己烷（n-Hexane）、正戊烷（n-Pentane）、R600、R600a、R423A较适合用于ORC，它们是干性或绝热工质；而丙烷（R290）、R134a、R404A、R507A则是湿性工质，它们需要在膨胀机入口有一定的过热度，以确保它们在膨胀机中的膨胀过程不会进入湿蒸汽区域。
3.1.2候选工质的循环热效率根据上述建立的ORC系统模型，使用EES（Engineering Equation Solver）软件编程求解不同工质在相同工况下（热源温度为90℃）的ORC系统热效率。
计算结果表明：热效率大于8%的工质为丙烷（R290）、R600、R600a、R507A、R134a、异戊烷（Isopentane）、正戊烷（n-Pentane）、R404A。
3.2 中低温余热有机朗肯循环发电系统结构优化研究该部分将对于中低温余热有机朗肯循环发电系统的结构优化进行探讨和研究，分别对于基本型、回热型、抽气回热型、再热型的有机朗肯循环中低温余热发电系统进行了研究。
3.2.1基本型ORC 发电系统数据结果分析使用纯质作为有机朗肯循环工质特点是不需要考虑工质混合后的兼容性，稳定性好，无需分离装置等复杂昂贵的设备。
所选用的三种有机纯质作为工质的计算结果如下所示：图3 蒸发温度-□效率图4 蒸发温度-系统有效输出功 由图3可知，□效率随着蒸发温度T 3增大，R141b 仍然最大，R123次之，R245ca 最小。
但值得注意的是，R141b 与R123、R245ca 的间距比原来的□效率大的多，这表明从□的利用角度，R141b 作为工质性能更为优越。
由图4可知，三种工质的输出功率W s 有一个最大值，分析了产生的原因，并指出输出功率的最大值正对应了系统的最佳蒸发温度。