淺析余熱發電的類型及其應用

楊舒鴻

摘?要：隨著經濟社會的快速發展及能源消耗的增加，能源資源供需矛盾和生態環境惡化問題日益突出。從2016年的《巴黎協定》到2017年的《世界環境公約》，發達國家和新興國家紛紛制定了能源發展新戰略，世界能源發展己進入了新一輪的戰略調整期。我國作為最大的發展中國家，經濟發展更是面臨著能源供應和環境保護的雙重壓力，能源問題己成為中國可持續發展的關鍵。目前，對余熱發電系統的研究多采用單一熱源，如煙氣、低壓蒸汽、熱水等，忽略了生產過程余熱的多樣性。特別是對不同行業、不同種類的余熱資源，開發與之相匹配的、多品位余熱發電方案的研究較少。另外，在研究和分析余熱發電系統的綜合性能、影響因素等方面還存在一定的局限性，往往忽略了余熱梯級利用，造成回收利用效率偏低，甚至沒有效益的情況。

關鍵詞：余熱發電;類型及應用

引言

近年來，我國在引進、消化和吸收了國際先進技術的基礎上不斷完善和創新，研究開發了針對不同余熱資源的發電系統。利用和回收中低溫余熱來發電的技術主要有閃蒸發電技術、有機朗肯循環及卡琳娜循環等。

1.有機朗肯循環余熱發電

我國自20世紀80年代開始對有機朗肯循環（OrganicRankineCycle，簡稱ORC）進行研究，ORC采用低沸點有機物代替水作為循環工質的朗肯循環，有機工質可以通過升壓裝置在較低溫的熱源加熱條件下產生較高壓力的蒸汽，并進入膨脹機做功，將余熱能轉化為電能，回收和利用能源品位較低、回收難度較大的中低品位余熱，以提高能源利用效率和降低環境污染。

ORC主要由蒸發器、膨脹機、冷凝器和工質泵四個主要設備構成，ORC發電技術廣泛適用于工廠余熱、太陽能、生物質能、地熱能等能源的回收利用，其所具有的獨特優勢以及廣闊的市場應用前景，ORC發電技術己經成為節能研究領域的熱點課題之一。同時，ORC發電技術由于其工藝流程簡單，除了簡單的孤網系統研究，研究者將其與其余工藝過程進行藕合，通過與ORC進行聯合發電，不僅能夠回收和利用低品位余熱，還能充分利用原工藝流程中的中間高溫流體，減少工藝流程中的冷換設備，實現不錯的能源回收效率，從而降低處理成本，達到節能的目的。

2.閃蒸發電

閃蒸發電技術是一種適用于多種中低溫余熱發電的技術，其主要設備均為較成熟產品，一般由余熱鍋爐、閃蒸器、汽輪機和冷凝器構成，多采用水作為工質。從水箱出來的工質在余熱鍋爐中與余熱熱源進行換熱，在一定壓力條件下，工質水在換熱器中被加熱成為具有一定過冷度的熱流體。將熱水通入閃蒸器進行降壓閃蒸，進入閃蒸器的熱水在閃蒸后以兩種形式存在：閃蒸壓力下的飽和蒸汽和飽和水。飽和水從閃蒸器底部采出進入水箱進行回流利用;閃蒸出的蒸汽直接利用汽輪機膨脹做功，產生電能。從汽輪機排出的乏氣進入冷凝器與冷卻介質進行換熱，變成液態水，在水泵的作用下進入水箱，如此形成一個循環。

有時，為充分利用熱水的能量，減少閃蒸不可逆性造成的擁損失，提高循環效率，可以采用多級閃蒸系統，實踐證明，多級閃蒸確實可以提高系統擁回收率，并且將熱水與乏氣之間的溫度差平均分配，按照平均分配的溫差來確定每級閃蒸器間的溫差，可以獲得最好的熱水利用效果。閃蒸發電技術在余熱溫度和流量都發生比較大波動時，發電系統能夠穩定地回收余熱資源，同時保證發電系統的穩定運行，閃蒸發電系統對余熱資源的穩定性要求并不高，這一特性也是閃蒸發電技術相對其他余熱利用技術的優勢。

3.余熱驅動卡琳娜循環

卡琳娜循環是一種以朗肯循環為基礎，利用氨一水混合物作為工質的動力循環，與傳統的水蒸氣朗肯循環相比，卡琳娜循環可以利用溫度更低的余熱資源，并且保持不錯的循環效率。在給定的壓力條件下，氨一水混合物的沸騰或凝結過程都是在“變溫，，條件下完成的，這一特點使得其在吸熱過程中能與熱源有更佳的溫度匹配性，提高工質的平均吸熱溫度，又能從熱源處萃取盡可能多的熱量，實現能量的深度回收，而在朗肯循環中的低溫水蒸氣卻做不到。

4.余熱驅動斯特林循環

斯特林循環就是指斯特林發動機所采用的理想熱力循環，該發動機是由倫敦的牧師羅巴。特斯特林在1816年發明的，其采用的循環因此被稱為“斯特林循環”。斯特林發動機主要包括配氣活塞式和雙活塞式兩類，由定容吸熱、定溫膨脹、定容放熱和定溫壓縮4個過程組成。

斯特林發動機是一種典型的外燃式發動機，燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒，因此對燃料要求不高，可以使用如天然氣、沼氣、石油氣、煤氣等氣體燃燒。此外，外燃式發動機與內燃機相比，在做功時，不是通過燃料在氣缸內部瞬間氣化，升到很高的溫度和壓力，然后以爆震的方式推動活塞;而是依靠外部的熱源對熱膨脹氣缸中的工質持續傳熱，使其不斷升溫升壓，然后推動活塞做功，工質并不向外排放，因此具有高效率、低污染、低噪音、運行平穩的優點。另外，斯特林循環對冷熱源間的溫差要求較低，可以低溫差運行，因此非常適合用來回收中低溫余熱。斯特林發動機的循環效率非常高，其理論熱效率與卡諾循環相等，雖然這是理論結果，實際情況與假設存在許多差異，但是與其他熱力循環相比，斯特林循環的效率還是相對較高的，目前投產的斯特林發動機有效效率為33%-40%，設計更精良的可達42%-47%。

5.熱電材料溫差發電

熱電材料在溫差發電方面應用的原始設想始于20世紀初，但真正投入實際應用是在半導體熱電材料被開發以后，金屬導體熱電轉化效率的逐漸提高為半導體溫差發電在熱功轉換領域開辟了應用前景。近年來，隨著對能源和環境問題的日益重視，人們更希望能夠將熱電材料用于工業余熱等低品位熱源的溫差發電。與傳統方式相比，運用溫差發電技術實現低品位余熱回收具有明顯的優越性：該技術具有無需轉動部件、結構簡單可靠、無有害氣體產生、無噪音、啟動快、體積小等優點，這些特點決定了熱電材料在余熱回收溫差發電領域的先進地位。

溫差發電器件的性價比較低，溫差發電技術并沒有得到廣泛的應用，其中最根本的原因即是溫差發電器件的輸出功率不高，熱能轉換成電能的效率還比較低，因此提高溫差發電器件的輸出功率和能量轉換效率是解決溫差發電技術的關鍵，這取決于溫差發電材料性能的提高和溫差發電系統的結構優化。

結語

目前，我國的石化天然氣化工、煤化工等生產企業的低溫余熱利用主要以同級利用為主，這是最簡單、投資省、效率高的回收方式，如用于動力系統除鹽水、新鮮水的加熱，油品儲運及油罐的加熱等，但由于利用規模有限以及系統難以獨立使用，其產生的效益與其他利用技術相比優勢不是很明顯。低溫余熱發電技術將低溫余熱轉換為輸運方便、使用靈活的高品位電能，余熱利用過程中不受工藝裝置規模、地理因素的限制，能夠充分合理利用生產過程產生的余熱，且余熱發電系統工藝流程簡單，運行較為獨立的特點更是受到如煉化、天然氣脫硫凈化等這類余熱產量高、建址處于郊區的企業的青睞。

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