浅析余热发电的类型及其应用

杨舒鸿

摘 要：随着经济社会的快速发展及能源消耗的增加，能源资源供需矛盾和生态环境恶化问题日益突出。从2016年的《巴黎协定》到2017年的《世界环境公约》，发达国家和新兴国家纷纷制定了能源发展新战略，世界能源发展己进入了新一轮的战略调整期。我国作为最大的发展中国家，经济发展更是面临着能源供应和环境保护的双重压力，能源问题己成为中国可持续发展的关键。目前，对余热发电系统的研究多采用单一热源，如烟气、低压蒸汽、热水等，忽略了生产过程余热的多样性。特别是对不同行业、不同种类的余热资源，开发与之相匹配的、多品位余热发电方案的研究较少。另外，在研究和分析余热发电系统的综合性能、影响因素等方面还存在一定的局限性，往往忽略了余热梯级利用，造成回收利用效率偏低，甚至没有效益的情况。

关键词：余热发电;类型及应用

引言

近年来，我国在引进、消化和吸收了国际先进技术的基础上不断完善和创新，研究开发了针对不同余热资源的发电系统。利用和回收中低温余热来发电的技术主要有闪蒸发电技术、有机朗肯循环及卡琳娜循环等。

1.有机朗肯循环余热发电

我国自20世纪80年代开始对有机朗肯循环（OrganicRankineCycle，简称ORC）进行研究，ORC采用低沸点有机物代替水作为循环工质的朗肯循环，有机工质可以通过升压装置在较低温的热源加热条件下产生较高压力的蒸汽，并进入膨胀机做功，将余热能转化为电能，回收和利用能源品位较低、回收难度较大的中低品位余热，以提高能源利用效率和降低环境污染。

ORC主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵四个主要设备构成，ORC发电技术广泛适用于工厂余热、太阳能、生物质能、地热能等能源的回收利用，其所具有的独特优势以及广阔的市场应用前景，ORC发电技术己经成为节能研究领域的热点课题之一。同时，ORC发电技术由于其工艺流程简单，除了简单的孤网系统研究，研究者将其与其余工艺过程进行藕合，通过与ORC进行联合发电，不仅能够回收和利用低品位余热，还能充分利用原工艺流程中的中间高温流体，减少工艺流程中的冷换设备，实现不错的能源回收效率，从而降低处理成本，达到节能的目的。

2.闪蒸发电

闪蒸发电技术是一种适用于多种中低温余热发电的技术，其主要设备均为较成熟产品，一般由余热锅炉、闪蒸器、汽轮机和冷凝器构成，多采用水作为工质。从水箱出来的工质在余热锅炉中与余热热源进行换热，在一定压力条件下，工质水在换热器中被加热成为具有一定过冷度的热流体。将热水通入闪蒸器进行降压闪蒸，进入闪蒸器的热水在闪蒸后以两种形式存在：闪蒸压力下的饱和蒸汽和饱和水。饱和水从闪蒸器底部采出进入水箱进行回流利用;闪蒸出的蒸汽直接利用汽轮机膨胀做功，产生电能。从汽轮机排出的乏气进入冷凝器与冷却介质进行换热，变成液态水，在水泵的作用下进入水箱，如此形成一个循环。

有时，为充分利用热水的能量，减少闪蒸不可逆性造成的拥损失，提高循环效率，可以采用多级闪蒸系统，实践证明，多级闪蒸确实可以提高系统拥回收率，并且将热水与乏气之间的温度差平均分配，按照平均分配的温差来确定每级闪蒸器间的温差，可以获得最好的热水利用效果。闪蒸发电技术在余热温度和流量都发生比较大波动时，发电系统能够稳定地回收余热资源，同时保证发电系统的稳定运行，闪蒸发电系统对余热资源的稳定性要求并不高，這一特性也是闪蒸发电技术相对其他余热利用技术的优势。

3.余热驱动卡琳娜循环

卡琳娜循环是一种以朗肯循环为基础，利用氨一水混合物作为工质的动力循环，与传统的水蒸气朗肯循环相比，卡琳娜循环可以利用温度更低的余热资源，并且保持不错的循环效率。在给定的压力条件下，氨一水混合物的沸腾或凝结过程都是在“变温，，条件下完成的，这一特点使得其在吸热过程中能与热源有更佳的温度匹配性，提高工质的平均吸热温度，又能从热源处萃取尽可能多的热量，实现能量的深度回收，而在朗肯循环中的低温水蒸气却做不到。

4.余热驱动斯特林循环

斯特林循环就是指斯特林发动机所采用的理想热力循环，该发动机是由伦敦的牧师罗巴。特斯特林在1816年发明的，其采用的循环因此被称为“斯特林循环”。斯特林发动机主要包括配气活塞式和双活塞式两类，由定容吸热、定温膨胀、定容放热和定温压缩4个过程组成。

斯特林发动机是一种典型的外燃式发动机，燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，因此对燃料要求不高，可以使用如天然气、沼气、石油气、煤气等气体燃烧。此外，外燃式发动机与内燃机相比，在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间气化，升到很高的温度和压力，然后以爆震的方式推动活塞;而是依靠外部的热源对热膨胀气缸中的工质持续传热，使其不断升温升压，然后推动活塞做功，工质并不向外排放，因此具有高效率、低污染、低噪音、运行平稳的优点。另外，斯特林循环对冷热源间的温差要求较低，可以低温差运行，因此非常适合用来回收中低温余热。斯特林发动机的循环效率非常高，其理论热效率与卡诺循环相等，虽然这是理论结果，实际情况与假设存在许多差异，但是与其他热力循环相比，斯特林循环的效率还是相对较高的，目前投产的斯特林发动机有效效率为33%-40%，设计更精良的可达42%-47%。

5.热电材料温差发电

热电材料在温差发电方面应用的原始设想始于20世纪初，但真正投入实际应用是在半导体热电材料被开发以后，金属导体热电转化效率的逐渐提高为半导体温差发电在热功转换领域开辟了应用前景。近年来，随着对能源和环境问题的日益重视，人们更希望能够将热电材料用于工业余热等低品位热源的温差发电。与传统方式相比，运用温差发电技术实现低品位余热回收具有明显的优越性：该技术具有无需转动部件、结构简单可靠、无有害气体产生、无噪音、启动快、体积小等优点，这些特点决定了热电材料在余热回收温差发电领域的先进地位。

温差发电器件的性价比较低，温差发电技术并没有得到广泛的应用，其中最根本的原因即是温差发电器件的输出功率不高，热能转换成电能的效率还比较低，因此提高温差发电器件的输出功率和能量转换效率是解决温差发电技术的关键，这取决于温差发电材料性能的提高和温差发电系统的结构优化。

结语

目前，我国的石化天然气化工、煤化工等生产企业的低温余热利用主要以同级利用为主，这是最简单、投资省、效率高的回收方式，如用于动力系统除盐水、新鲜水的加热，油品储运及油罐的加热等，但由于利用规模有限以及系统难以独立使用，其产生的效益与其他利用技术相比优势不是很明显。低温余热发电技术将低温余热转换为输运方便、使用灵活的高品位电能，余热利用过程中不受工艺装置规模、地理因素的限制，能够充分合理利用生产过程产生的余热，且余热发电系统工艺流程简单，运行较为独立的特点更是受到如炼化、天然气脱硫净化等这类余热产量高、建址处于郊区的企业的青睐。

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