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有机朗肯循环技术及其产业化低温余热发电昆明理工大学汇报人：王华教授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1.工业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。我国钢铁工业余热114.750.5174.522.556.20020406080100120高品位中品位低品位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%47%44％30%30％23%回收潜力回收潜力回收潜力我国有色冶金工业余热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。水泥窑炉陶瓷窑炉玻璃窑炉我国建材工业余热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520×105t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。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。西藏羊八井地热发电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。常规水蒸汽朗肯循环发电技术的缺点有机朗肯循环余热发电技术(ORC)～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。ORC发电技术的优点昆工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。1234561234TSTS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水蒸汽-有机朗肯复叠循环冷却塔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多目标优化法•单位换热面积输出功率•余热锅炉单位容积输出功率+•年度化总成本最小优化法•年度化净利润最大优化法•单位成本净利润最大优化法㶲经济优化法昆工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200810058497.9No.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200810058626.2No.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.XNo.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100kWORC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。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。合作机制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。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。2.液体余热发电ORC技术投入1500万元。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。