有机工质循环螺杆膨胀机低温余热发电系统.

节能环保270 2015年12期低温余热发电技术的特点、应用和发展趋势探讨李金龙中材节能股份有限公司,天津 300400摘要：随着我国社会经济的高速发展，能源紧缺的矛盾日益突出。

但我国在能源使用上又客观存在着一些不合理的现象，导致能源的大量浪费。

能源的利用效率偏低，与此同时，又存在着大量工业低温余热、废气丢弃不用的普遍现象。

为了开发国家新能源，解决能源紧张的问题,国家应有效回收利用原本排放到大气中的工业废气低温余热。

而低温余热发电系统结构简单、设备稳定，利用压差做功回收动力，可以有效提高能源利用率。

本文则阐述了低温余热发电技术的概念、特点、应用以及发展趋势，以供参考关键词：低温余热发电技术；特点；发展趋势中图分类号：TM617 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)12-0270-021 引言能源是国家经济发展的基础，它与国家发展以及人们的生活水平息息相关。

然而，伴随着国家经济的高速发展，能源消耗不断增多，能源储备越来越少，能源需求不断增加。

这就要求我们提高能源的利用效率。

而在我国经济发展中，低温余热的数量巨大，在水泥、钢铁、玻璃、化工等行业生产中，这些余热资源数量大，品味低，有些不能再利用的废旧烟气被大量的排放，造成环境污染的同时，也造成了能源及资源的极大浪费。

低温余热发电系统的建设，可以综合利用企业生产排放的废热、废气资源，回收烟气的热量变废为宝，提高我国能源利用效率。

2 低温余热发电技术概述2.1 低温余热发电技术概念目前我国的工业生产企业，对150℃以上的中、高温余热利用技术已非常成熟，可用于发电或直接再利用。

而对150℃以下的中温余热/废热（水、气、汽）以及90℃以下的低温余热/废热，基本采用冷却后直接排放到大气中的方法。

温度在90℃以下的低温余热普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业过程中以及人们的普遍生活中，对其实现高效回收利用具有重要意义。

把低温余热所具有的热能转换为电能，是提高能源利用效率和降低环境污染的有效途径。

低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术引言我国水泥厂的余热发电，先后经历高温余热发电、带补燃炉的中低温余热发电和纯低温余热发电3个阶段。

纯低温余热发电与带补燃的中低温余热发电相比，具有投资省、生产过程中不增加粉尘、废渣、N 0。

和S0。

等废弃物排放的优点。

本文介绍以色列奥玛特(0RMAT)公司利用低温热源的有机朗肯循环(0 rganic RankineCyck，简称()RC)纯低温余热发电技术。

该技术有别于常规技术，其特点是：不是用水作为工质，而是使用低沸点的有机物作为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功。

1.低沸点的有机物在一个大气压下，水的沸点足100℃，而一些有机物的沸点却低于水的沸点，见表l。

有机物的沸点与压力之间存在着对应关系，以氯乙烷为例，见表2。

水的沸点与压力之间对应关系见表3。

由表2和表3町见，氯乙烷的沸点比水低，蒸气压力很高。

根据低沸点有机工质的这种特点，就可以利用低温热源来加热低沸点工质，使它产生具有较高压力的蒸气来推动汽轮机做功。

2 ORC纯低温余热发电在地热发电方面的应用0RC纯低温余热发电技术在我国地热发电方面已得到初步应用，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。

热水型资源发电采用的热力系统主要有两种，即扩容(闪蒸)系统和双工质循环系统。

西藏羊八井地热电站，热水温度145℃，采用二次扩容热力系统，汽轮机(青岛汽轮机厂设计制造D3一1．’7／0．5型地热汽轮机发电机组)单机容量3000W，3 000W／min，一次进汽压力182kPa，温度115℃，二次进汽压力54kPa，温度81℃，额定排汽压力为10kPa。

双工质循环系统中，地热水流经热交换器，把地热能传递给另一种低沸点丁质，使之蒸发产生蒸气，组成低沸点工质朗肯循环发电。

双工质循环机组，其热效率高，结构紧凑。

我国的小型双工质循环系统地热电站——辽宁营口熊岳试验电站的装机容量2×J00KW，利用地热水(水温75℃)发电，于1977年1 1月投入运行。

少了烟气管道，烟气从下往上走。

减少了系统阻力，系统阻力比以前降低了４００Ｐａ左右。

从烟气熟料磨损机理来说，烟气从下往上走，对余热锅炉的防磨有极大好处，锅炉受热面磨损程度远远低于烟气从上往下行走。

ＡＱＣ过热器受热面采用光管形式，可减少高温段的积灰。

新型ＡＱＣ余热锅炉减少了占地面积，节省了投资，减少了设备、烟风管道的散热，提高了余热利用效率ｌ％～２％左右。

由于窑头阻力减少，对于窑头风机的运行、厂用电耗有益。

（３）窑头采用新型大推力燃烧器，Ｅ公司２５００ｔ／ｄ熟料牛产线原窑头为ＮＣ型四通道煤粉燃烧器，由于余热发电投入后二次风最有些波动，已不能适用窑的煅烧，表现为有时火力不集中，热力强度不高，窑大齿轮位置经常长圈，原一次风压为１９ｋＰａ，后改为法国ＰＩＩ。

ＡＲＤ公司的Ｒｏｔａｆｉａｍ高推力燃烧器，一次风压２５～３５ｋＰａ以上，保证了煤燃烧所需的推力要求。

（４）余热锅炉的运行应不影响水泥生产，所以锅炉启动和维护必须坚持“副业服从主业，主业兼顾副业”，既要保证产业安全又要保证产业经济。

统筹兼顾，安全第一，保证窑及余热锅炉稳定。

（５）高度重视窑尾炯室、增湿塔和锅炉等ｉ个系统的漏风影响，从根本上加强堵漏密闭Ｔ作，尽量减少漏风，堵漏密闭工作表面上零碎和繁琐，但效果是显著的，而且投入不多。

参考文献：ｆｌ】曾学敏－余热发电为水泥工业再刨辉煌ｆＪ】．中国水泥网，２００９，（３），２４—２７．ｆ２ｌ杨光志，李中蜂，等．由４．６×（１０＋３．５）生料磨烘干仓的改造【Ｊ１．水泥，２００９，（４），５３—５７．【３】张云成．余热锅炉随窑启动及窑相互影响的探讨【Ｊ】．水泥，２００８，（１２），３３—３５．【４ｌ郭量，万清蓉．新型‘｛：法水泥厂纯低温余热发电站的建设和调试【Ｊ１２００３，（４），７一ｌｏ．９２０１０／５水泥技术摘要：针对水泥、钢铁及冶金等工业生产过程中产生的１５０—３５０℃左右的废气余热。

采用有机工质并结合螺杆膨胀机进行余热发电系统理论计算，通过分析比较可知：对于水泥工业生产过程中产生的３５０ｃＣ左右废气余热，适宜采用目前常规的以水为工质的汽轮机余热发电系统；对于有机工质。

1引言余热在工业生产和日常生活中普遍存在，化工、冶金、建材和电力等行业产生的余热种类繁多，含热资源量大面广，但同时大量余热却被浪费。

余热回收利用是工业节能迫在眉睫的关键技术之一，尤其是低温余热发电技术更具有挑战性，并得到人们普遍关注。

它不但提高了能源利用效率有助于缓解能源问题，而且还减少了生产过程中的环境污染问题，对节能减排具有重要作用。

螺杆膨胀动力机技术就是适合于低温余热发电的新技术，该技术特点鲜明，具有同类型汽轮发电机不可比拟的优点，同时产生较好的经济效益，提高企业的能源利用率。

2螺杆膨胀动力机系统螺杆膨胀动力机属于回转容积式膨胀机，兼有活塞膨胀机和透平膨胀机二者之特点，螺杆膨胀动力机能将低品位热能转化为高品位机械能或电能。

螺杆膨胀动力机是一种全流式动力机，适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物，并且对工质清洁度要求不高。

它结构简单，零部件数量少，几乎没有易损件，设备维护方便，因此设备可靠，寿命长。

2.1螺杆膨胀动力机工作原理双螺杆膨胀动力机由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及连轴节等组成，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螺旋形阴、阳转子平行置于气缸中。

螺杆膨胀机运转过程从吸气过程开始，气体在封闭的齿间容积中膨胀做功，最后移至排气过程。

阴、阳螺杆和气缸之间形成呈“V”字形的齿间容积，其大小随转子转动而变化。

图1为螺杆膨胀动力机发电系统示意图。

螺杆膨胀动力机工作过程是由吸气过程、膨胀过程和排气过程三个过程组成。

吸气过程：高压气体由吸气孔口进入由阴、阳螺杆和气缸之间形成的“V”字形齿间容积，推动阴、阳螺杆反向旋转；而齿间容积不断扩大，当后面一齿切断进气孔口时，吸气过程结束。

膨胀过程：在吸气过程结束后，齿间容积充满高压气体，在压力差作用下形成一定转矩，阴、阳螺杆转子反向旋转，于是齿间容积不断扩大，气体膨胀，螺杆转子旋转对外做功；当齿间容积达最大值时，膨胀过程结束。

有机朗肯循环低温余热发电系统综述作者：赵俊林秦虹来源：《现代商贸工业》2020年第09期摘要：当下我国能源形势日趋严峻。

我国有大量低温余热资源没有得到有效利用，包括太阳能、地热能、工业余热等低温余热资源。

以工业余热为例，我国工业能耗的50%左右没有得到利用，而是通过各种形式的余热直接排放。

导致严重的能源和环境问题。

在低温余热的研究中，学者发现，余热发电不仅可以实现余热资源的循环利用，而且有利于环境保护。

现有的回收技术对低温余热资源回收率较低。

因此，提出了有机朗肯循环低温余热发电（ORC）技术，以实现低温余热的有效利用，并提高能源利用率，改善环境问题，具有显著的社会效益和经济效益。

介绍了有机朗肯循环发电的原理，有机工质、膨胀机、工质泵和换热器的优选，以及ORC余热发电技术的发展前景。

关键词：有机朗肯循环;低温余热回收;利用率;膨胀机的优选中图分类号：TB ; ; 文献标识码：A ; ; ;doi：10.19311/ki.1672-3198.2020.09.0950 引言我国低温余热资源丰富，其中工业余热资源可回收率高达60%，尤其是在钢铁、化工、石油与石化等行业。

目前，我国余热资源回收利用率较低，大型钢铁企业余热利用率最高仅为50%，提高余热利用率的潜力较大。

1 有机朗肯循环发电系统简介有机朗肯循环发电系统（Organic Rankine Cycle，简称ORC）主要由换热器、膨胀机、发电机和工质泵四部分组成。

有机工质从蒸发器的余热中吸收热量，产生具有一定压力和溫度的蒸气。

推动膨胀机运转，推动发电机发电。

膨胀机排出的废气将热量释放到冷凝器的冷却水中，冷凝成液态，最后在工质泵的帮助下返回换热器，完成一个热力循环，从而实现对低温余热的回收利用。

图1所示为ORC低温余热发电系统示意图。

1.1 低温余热资源简介低温余热资源是指企业在生产过程中产生的热量没有得到有效利用。

它具有分散性强、形式多样、产业分布不均、资源质量差异大等特点。

螺杆膨胀发电机原理螺杆膨胀发电机是一种新型的低温热能转换设备，通过利用液态工质在物质相变（蒸发和凝结）时所释放的能量来产生电力。

它具有高效能、低噪音、环保等优点，被广泛应用于能源转换领域。

本文将介绍螺杆膨胀发电机的原理以及其工作过程。

螺杆膨胀发电机基本原理可以用以下步骤来描述：压缩、膨胀、再压缩和再膨胀。

首先，输送泵将液态工质（例如液态丁烷）从蓄热器中抽取并进行压缩。

在压缩过程中，液态工质的温度会显著升高，达到高压状态。

接下来，高温、高压的液态工质进入膨胀机，与与之密封接触的螺杆进行热交换。

螺杆表面采用散热片设计，与冷却剂接触后立即进行蒸发。

当液态工质与散热器的壁面接触时，它会发生相变，从液态转变成气态。

在这个过程中，液态工质会释放大量的热量，从而驱动螺杆旋转。

然后，螺杆将气态工质输送到再压缩器中，再次进行压缩。

在这个过程中，气态工质的温度继续上升。

最后，再膨胀器负责将再压缩的气态工质释放到低压状态，从而再次膨胀。

与之前的膨胀过程类似，工质再次发生相变，从气态转变为液态。

这一过程中释放的热量会继续驱动螺杆旋转。

螺杆膨胀发电机原理的核心是螺杆旋转运动的热力机制。

在螺杆运动的过程中，高温、高压的气态工质的相变释放的热量将螺杆带动旋转。

通过与发电机的连接，螺杆的旋转运动可以转化为电能输出。

螺杆膨胀发电机具有多种优点。

首先，它可以利用低温热能进行发电转换，比如工业废热、地热能等。

这种可再生能源的利用不仅有助于降低能源消耗，还能减少对环境的负面影响。

其次，螺杆膨胀发电机的工作过程相对安静，没有明显的噪音污染。

此外，螺杆膨胀发电机的结构简单、可靠性高，且具有较长的使用寿命。

尽管螺杆膨胀发电机具有许多潜在的优势，但也存在一些挑战需要克服。

首先，螺杆膨胀发电机的效率受到液态工质的选择和热损失的影响。

因此，工程师需要在设计和优化过程中考虑这些因素，以提高发电效率。

同时，螺杆膨胀发电机的大规模应用还需要进一步的技术支持和经济可行性的评估。

分析有机朗肯循环低温余热发电系统综述摘要：余热发电是我国节能发展中的重点节能工程之一，目前在我国工业领域中存在着大量的低温余热资源，但因缺乏一定的利用从而导致能源被分散。

而有机朗肯循环在面对低温余热发电系统时，可有效达到能源再利用、节能减排、美化环境的效果。

在低温余热发电领域中，目前可利用有机朗肯循环模式进行余热发电系统的运行。

其中有机朗肯循环包括膨胀机、冷凝器、低压储液器、工质泵、预热器、蒸发器，以及润滑系统等部分组成。

有机朗肯循环原理为：以低沸点有机物作为工作介质，经预热器、蒸发器加热，吸收了热源的能量，由液体变为高温气体。

进入膨胀机，在转子基元容积内，气体膨胀对外做功，驱动发电机旋转发电。

工质变为低压、低温的气体，再经冷凝器冷凝为液体，通过储液器进入工质泵，经过工质泵加压后，重新回到预热器和蒸发器吸热，如此往复循环。

因为是热力系统的原因，所以膨胀机的轴功率输出、冷凝器负荷、预热器蒸发器负荷会因冷热源条件的变化而变化。

关键词：有机朗肯；循环；低温余热；发电；系统引言：目前随着节能减排工作的不断深入，低温余热资源的利用成为目前节能工作的首选。

根据调查显示，我国低温余热资源非常丰富，特别是在化工、工业领域中存在大量的低温余热，可回收率达到80%以上。

因此，利用有机朗肯循环发电系统对低温余热进行回收，进而充分回收用能设备与化学反应设备中产生的未被回收的低温余热。

有机朗肯循环系统是利用低沸点工质为循环介质，其主要是利用余热、换热器、冷凝器等进行的。

在有机工质进换热器时可吸收热量，进而形成一定的压力与温度的饱和液体状态，在蒸发器再次吸收热量变成饱和气态工质推动膨胀机运行，做工后的有机乏气（工质）返回储液器循环利用，可实现回收低温余热的效果。

由此可见，有机朗肯循环低温余热发电系统在我国有着较强的应用价值。

本文主要分析有机朗肯循环低温余热发电系统的特点，并提出目前利用现状，以供参考。

1.有机朗肯循环低温余热发电系统阐述1.1有机朗肯循环低温余热发电系统的原理有机工质朗肯循环低温余热的发电原理是采用有机工质作为热力循环的工质进行的，通过有机工质对低温余热进行吸收从而产生高压蒸汽，在高压蒸汽下可推动膨胀机带动发电机进行发电[1]。

低温余热发电系统的实验研究【摘要】将低品位热能转化为电能的有机朗肯循环余热发电系统，操作温度低、安全性高、有优良的负荷适应能力及热经济性。

本文对自主设计的R123为工质的温度120℃左右的有机朗肯循环进行实验研究及分析，计算得到了各设备及管路段的不可逆损失，结果表明：蒸发器、冷凝器、膨胀机、泵的不可逆损失依次降低，且膨胀机出口到冷凝器入口段管路的不可逆损失占总不可逆损失的7.47%，不可忽略。

【关键词】余热发电；有机朗肯循环；实验研究；不可逆损失0.引言据有关统计，有50%以上的工业耗能，它们以不同形式的低品位废热或余热排放到大气中，其中包含CO2、NOX、SO2、粉尘等污染物，既浪费了能源，又污染了环境，在中国，能源利用率仅为33% 左右。

低温余热发电有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC），能将低品位的余热转换为高品位的电能，有助于解决能源问题，还能减少能源利用过程中污染物的排放，同时又提高了能源的综合利用率，并且具有操作温度低、机动性好、安全性高、维修保养简单等特点，被认为是一种切实可行的热电转换技术[1-5]。

近些年，有机朗肯循环系统性能的研究引起了国内外学者的关注。

Chandramohan Somayaji[6]用火用轮法和拓扑法对热源温度为300℃，蒸发压力为2.5MPa的基本有机朗肯循环进行了火用分析，研究表明：蒸发器是具有最大火用损失（40kW）的部件，其次是膨胀机，火用损失为11.1kW；李晶[7]等分别对以R123为工质，热源温度为100℃、90℃、80℃、70℃的基本有机朗肯循环进行了实验研究，并计算了系统和各设备的火用效率和火用损失，结果表明：ORC 系统在热源温度为80℃，膨胀机的转速40000rpm左右时，膨胀机的等熵效率为0.68，系统热效率为7.4%，且当热源温度为100 ℃时，系统的总不可逆损失为4.7kW，火用效率为40%，蒸发器的火用损失最大占41%，冷凝器占33%，主要是换热过程中较大的不可逆传热温差引起的。