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1Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.第九届全国余热回收再利用技术与产业发展研讨会天津市钢铁企业余热利用介绍及有机朗肯循环低温发电技术天津市钢铁工业协会天津大学机械工程学院李惟毅liwy@tju.edu.cn136021354022014.4.26天津2Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.天津市钢铁企业余热利用介绍3Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.天津市钢铁行业的节能工作钢铁行业是天津市第一大耗能行业，单位产品能耗相对较高，一直是我市节能工作的重点和难点。在市政府，市经信委的领导下和天津市钢铁工业协会的推动下，在2012年占天津市钢铁行业能源消耗量95%以上的钢铁企业的预热余压回收率达70%以上，其中，高品质的余能资源回收较充分，中低温余能还没有得到充分利用，具有较大的节能潜力。4Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.为加快中低温余热利用技术的推广和应用，按照市领导的要求，在广泛调研，充分论证的基础上，市经信委制定了《天津市钢铁行业螺杆膨胀机中低温余热利用十点实施方案》，提出了目标，任务和要求并给予相应的奖励政策。这项工作由市钢铁工业协会负责组织实施。5Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.天津市主要钢铁企业余热余压资源及回收利用概况（一）主要钢铁企业的主要耗能设备：焦炉7座烧结机21座高炉34座转炉26座电炉7座加热炉38座热处理炉67座6Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.天津市主要钢铁企业余热余压资源及回收利用概况（二）从各工序：高炉工序余热资源回收转炉工序余热回收烧结工序余热回收炼焦工序余热回收电炉工序余热回收加热炉工序余热回收热处理炉预热回收7Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.天津市主要钢铁企业余热余压资源及回收利用概况（三）从余热资源：可燃气（高炉、转炉煤气、焦炉煤气）废蒸汽冲渣水渣余热8Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.天津市主要钢铁企业余热余压资源及回收利用概况（四）可利用低温余热资源：冲渣水（34台）85℃降至50℃可回收热能相当34万吨标煤高炉热风炉（34台）150℃降至90℃可回收热能相当5万吨标煤9Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.关于钢铁企业余热余压资源回收利用的几点建议1.首先要对企业的余热资源及用能情况进行调研评估2.建议首先考虑余热直接利用的方式3.遵循“温度对口，梯次利用”的原则4.对余热利用方案从热利用效率和经济性两个方面评价10Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.有机朗肯循环低温发电技术11Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.技术应用背景余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专项规划》中的十大重点节能工程之一。目前在我国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源（250℃以下，低压或常压），由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但总量巨大的能源。而利用有机工质朗肯循环，开发新型、高效的低温余热发电系统，对于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具有重要的意义。12Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.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%，目前技术实现对其有效的回收利用较低。13Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.能源危机！中低品位热能的回收利用受到重视！如何有效地回收利用中低品位热能？14Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.常规水蒸汽朗肯循环发电技术15Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.常规水蒸汽朗肯循环发电技术的特点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，蒸汽体积较大，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，余热锅炉的结构比较复杂。4.需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。5.单机容量不能太小,系统满负荷运行率不高。6.一般只适用于烟气温度高于350℃以上的余热。16Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.有机工质朗肯循环余热发电原理采用低沸点有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动螺杆膨胀机、汽轮机或其他膨胀动力机带动发电机发电。因此，系统能够实现余热回收和发电的最低余热资源温度可到80℃，（这一温度还可降低，但发电效率会降低，影响经济性）这是常规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在350℃以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热资源回收提供了技术手段和设备。同时，这项技术还可以推广到可再生能源发电系统中，（如地热、太阳能和生物质能）为可再生能源发电提供关键技术和设备。17Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.中低温余热发电解决方案有机工质朗肯循环余热发电技术(ORC)(OrganicRankineCycle)18Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.～冷却塔有机工质余热锅炉加压泵储液罐有机透平发电机凝汽器冷却泵中低温烟气烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图有机工质朗肯循环余热发电技术(ORC)19Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.有机工质朗肯循环余热发电原理有机工质朗肯循环,即在传统朗肯循环中采用有机工质代替水推动膨胀机做功。上图为有机工质朗肯循环发电系统示意图。低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气之后,高温高压有机工质蒸气推动涡轮机做功,产生能量输出，涡轮机出口的低压蒸气进入冷凝器,向低温热源放热并冷凝为液态,如此往复循环。20Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.可利用的余热余热温度范围：80－250℃余热的形态：烟气，蒸汽，热水可以扩展的应用：地热利用、太阳能利用、生物质能。需要根据具体环境、条件及应用需求进行系统设计。21Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.中低温发电研究历史20世纪70年代初，世界各国普遍重视新能源的开发，中国也掀起了地热能开发的热潮，在全国建成了7个中低温地热发电厂：广东丰顺县邓屋，92℃，300kW；湖南宁乡县灰汤，98℃，300kW；河北怀来县后郝窑，87℃，200kW；山东招远县汤东泉，98℃，300kW；辽宁盖县熊岳，90℃，200kW；广西象州市热水村，79℃，200kW；江西宜春县温汤，67℃，100kW。22Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.这些中低温地热资源发电，利用的是有机工质朗肯循环法（双循环法）或扩容闪蒸法。全部发电系统设备主要是利用废旧的小发电机组改造，自行设计了地热管路系统，既没有采用进口设备，也没有聘外国专家，使地热发电首次在中国自主试验成功。虽然发电量较小，没有连接地区电网，仅供当地使用，但至少都成功运行了几年。至70年代后期，除广东丰顺县外（扩容法），其余的陆续关停。23Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.国外的研究应用状况七十年代末，美国研制出利用地热水发电的汽水两相螺杆膨胀机，功率60KW。八十年代后期美国完成一台1000KW地热水发电机组，随后，日本北海道大学进行了氟利昂工质的发电试验，80年代后期，日本进行了工业锅炉余热发电研究，功率102KW。近年来，美国，德国，以色列，瑞典都有相关研究和产品应用报导。24Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.我校在有机工质朗肯循环发电的研究天津大学热能工程系和教育部“中低温热能高效利用”重点实验室对有机工质的热物理性质及热力循环的研究水平位居国内领先水平，在ORC技术的理论与实验研究中均取得了具有实用价值的成果，早在上世纪70年代，即建成了国内首台ORC太阳能热发电（1kW）实验系统，并取得了大量运行实验数据，近年，发表多篇关于ORC系统的理论实验研究论文，同时拥有多项关于有机工质及ORC系统构成的发明及实用新型专利。25Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.有机工质朗肯循环余热发电关键设备与技术1.螺杆膨胀机2.涡轮机（透平）3.热交换器4.有机工质优选5.发电系统优化设计26Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一螺杆膨胀机简介27Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.螺杆膨胀机的基本构造螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中。28Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.结构简图29Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.3.螺杆膨胀机的研制及实验系统的建立螺杆膨胀机：由两根（阴、阳）螺杆转子、外壳、轴承和密封等组成。30Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.31Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.螺杆膨胀机的工作原理作功介质先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽E排出，功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。32Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.螺杆膨胀机的应用●螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。●对于有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机●对于250℃的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。●有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。还可以用到太阳能、地热能等中低温可再生能源发电项目中去。有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，有广阔的技术发展空间。33Depart.ThermalEnergy&RefrigerationEng.螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点（1）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，可以回收不同种类的工业余热；（2）螺杆膨胀机还适用于高盐份的碱性流体，能除垢自洁，而且结垢有利于提高机器效率，因而对余热流体品质要求不高，扩大了应用范围；（3）当余热热源不稳定，参数变化时，机组效率表现稳定。螺杆膨胀机允许热源压力、流量在大范围内波动，对机组效率影响不大；螺杆膨胀机为容积式工作原理机，机内流速低，除泄漏损失外，很少其他损失