低溫余熱有機工質(zhì)朗肯循環(huán)概要課件

低沸點有機工質(zhì)透平——低溫余熱發(fā)電技術李春國低沸點有機工質(zhì)透平李春國資源背景在我國的工業(yè)過程中，存在大量80-300℃范圍內(nèi)的低溫熱源，這些低溫熱源主要是熱水、煙氣和固態(tài)渣。比如：（1）水泥生產(chǎn)過程中存在大量350~400℃以下的余熱，占總耗熱量的35%以上。產(chǎn)能5000t/d水泥生產(chǎn)線，尚未利用的150℃左右余熱煙氣（如窯尾電收塵器入口），新增發(fā)電量1000kW，提高發(fā)電量10%-12%，全國有690余條這樣的生產(chǎn)線（2010）；（2）在冶金和鋼鐵企業(yè)，可回收鋼鐵企業(yè)的沖渣廢熱水（80-90℃），可以為每個企業(yè)帶來MW級的電能；（3）日用陶瓷燒制窯爐排煙溫度一般在200-300℃，排煙帶走的熱量損失約占總熱量的20%-40%。我國現(xiàn)有陶瓷生產(chǎn)企業(yè)約3000家，余熱發(fā)電能力約1200億kWh/a,相當于2個三峽工程的年發(fā)電量。

資源背景在我國的工業(yè)過程中，存在大量80-300資源背景（4）煉鋼廠煙氣余熱溫度在300~400℃；（5）在電力行業(yè)，存在許多需要減溫減壓的蒸汽，如鍋爐連排水余熱回收潛力巨大

（6）有色金屬冶金，電解鋁低溫煙氣。（7）使得100-220℃的中低溫地熱資源；（8）太陽能熱發(fā)電

資源背景（4）煉鋼廠煙氣余熱溫度在300~400℃；資源背景設備名稱排煙溫度，℃

設備名稱排煙溫度，℃鍋爐100～300干法水泥窯600～800燃機400～550氧吹平爐700～1100原油加熱爐350～550煉鋅煙化爐1000～1100柴油機＞400煉銅反射爐1100～1300玻璃爐窯650～900鎳精煉爐1400～1600干躁、烘干爐260～600氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐1650～1900排煙余熱

資源背景設備名稱排煙溫度，℃設備名稱排煙溫度，℃鍋爐10國內(nèi)行情工程應用：（1）目前國內(nèi)ORC僅應用于西藏地熱發(fā)電，采用以色列ORMAT的ORC透平（2）包鋼煙氣ORC發(fā)電，正處于試運行階段，由西安交大程代京教授帶領的團隊開發(fā)高校和企業(yè)研究：目前大量企業(yè)與高校聯(lián)合開發(fā)ORC透平，國家也為研究投入了大量科研經(jīng)費。國內(nèi)行情工程應用：政策環(huán)境符合國家節(jié)能減排政策，幾乎每個省都有相關支持項目比如黑龍江：題目：低溫熱源發(fā)電裝置的研制合作單位：中國船舶重工集團公司第七〇三研究所經(jīng)費分配：國撥專項資金400萬，中材150萬，七〇三所250萬，中材自籌配套850萬目標：針對150℃左右水泥窯余熱煙氣及水泥窯筒體輻射余熱，采用200kW徑流式汽輪機有機工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電量150~180kW，系統(tǒng)效率達到6%~8%政策環(huán)境符合國家節(jié)能減排政策，幾乎每個省都有相關支持項目解決方案根據(jù)有機工質(zhì)低沸點的特點，采用有機工質(zhì)朗肯循環(huán)（簡稱ORC）透平，可以利用工業(yè)過程的低溫熱源進行發(fā)電或者拖動設備，也可應用于地熱、太陽能等作為熱源。

ORC透平類型:(1)軸流透平：功率范圍大，應用廣泛(2)向心透平：轉(zhuǎn)速高，效率高，功率小(3)螺桿膨脹機:效率低，擅長工作在氣液兩相區(qū)解決方案根據(jù)有機工質(zhì)低沸點的特點，采用有機工質(zhì)朗肯循ORC循環(huán)以熱水作為熱源的ORC循環(huán)圖

ORC循環(huán)以熱水作為熱源的ORC循環(huán)圖

ORC透平特點1.可利用熱源溫度80-300℃2.透平機構(gòu)簡單，級數(shù)1-3級，安裝調(diào)試簡單3.排氣壓力相對于環(huán)境處于正壓。4.干流體，不存在對葉片和流道的水蝕5.工質(zhì)采用低沸點有機工質(zhì)6.對密封要求非常嚴格ORC透平特點1.可利用熱源溫度80-300℃工質(zhì)選擇工質(zhì)選擇的原則：(1)化學穩(wěn)定性好；(2)具有較低的臭氧破壞性和溫室效應；(3)傳熱性能好；(4)價格低廉；(5)無毒、不可燃、不可爆國內(nèi)研究根據(jù)各自情況采用比較多的工質(zhì)是R245fa、R123和R134a。工質(zhì)選擇工質(zhì)選擇的原則：(1)化學穩(wěn)定性好；(2)工質(zhì)選擇——冷凝溫度冷凝溫度（℃）冷凝壓力（Mpa）R245fa400.25R123400.15正丁烷400.38正戊烷400.12水400.007在冷凝溫度40℃時，有機工質(zhì)（表前4種工質(zhì)）均背壓運行，相對于水蒸汽工質(zhì)，設備部需要真空設備工質(zhì)選擇——冷凝溫度冷凝溫度（℃）冷凝壓力（Mpa）R24國外ORC產(chǎn)品國外ORC產(chǎn)品以奧馬特為代表國外ORC產(chǎn)品國外ORC產(chǎn)品以奧馬特為代表關鍵問題共同的關鍵技術問題：對泄漏的要求幾乎是完全無泄漏，這是最重要的問題。解決方案：采用機械密封，或者采用磁力軸承的發(fā)電機和透平一體結(jié)構(gòu)。跟具體工質(zhì)有關的問題：易燃易爆、有毒、溫室氣體、破壞臭氧層氣體1.烷烴：具有易燃易爆2.R134a：毒性非常低、在空氣中不可燃，環(huán)境壓力下沸點-26℃3.R123：的綜合性能很好（臭氧消耗潛值ODP值很小、全球變暖潛值GWP值亦較小等），環(huán)境壓力下沸點27℃

4.R245FA：安全，環(huán)境壓力下沸點14℃關鍵問題共同的關鍵技術問題：對泄漏的要求幾乎是完全無泄漏，這接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封優(yōu)點1.密封可靠，在一個較長的使用期中，不會泄漏或很少泄漏；2.使用壽命長，正確選擇摩擦副材料和比壓的機械密封可用2—5年，最長的達9年；3.維修周期長，在正常工作的情況下，不需要維修；摩擦功率消耗少；3.軸或軸套不受磨損；4.對旋轉(zhuǎn)軸的振擺和軸對殼體孔的偏斜不敏感；5.適用范圍廣，能用于低溫、高溫、高真空、高壓、各種轉(zhuǎn)速以及各種腐蝕、易燃、易爆、有毒介質(zhì)的密封接觸式機械密封優(yōu)點接觸式機械密封缺點1.結(jié)構(gòu)較復雜，對制造加工要求高；2.安裝與更換比較麻煩，要求工人有一定的安裝技術水平；3.發(fā)生偶然事故時，處理比較困難；接觸式機械密封缺點非接觸式機械密封干氣密封非接觸式機械密封干氣密封非接觸式機械密封干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)時，密封氣體被吸入動壓槽內(nèi)，由外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節(jié)流作用，進入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜，此氣膜厚度一般在3微米左右。氣體動力學研究表明，當干氣密封兩端面間的間隙在2—3微米時，通過間隙的氣體流動層最為穩(wěn)定。當氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時，該氣膜厚度十分穩(wěn)定。干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖非接觸式機械密封干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖非接觸式機械密封非接觸式機械密封非接觸式機械密封與接觸式機械密封比較1.密封使用壽命長、運行穩(wěn)定可靠；2.密封功率消耗小，僅為接觸式機械密封的5%左右；3.與其他非接觸式密封相比，干氣密封氣體泄漏量??；4.可實現(xiàn)介質(zhì)的零逸出，是一種環(huán)保型密封；5.密封輔助系統(tǒng)簡單、可靠，使用中不需要維護；非接觸式機械密封與接觸式機械密封比較特殊軸承通過特殊軸承，透平和發(fā)電機在同一轉(zhuǎn)子上，公用軸承，透平轉(zhuǎn)子密封在汽缸內(nèi)，徹底解決了泄漏問題（1）磁力軸承：性能好，價格高（2）工質(zhì)軸承：技術不成熟，需要試驗研究探測可能存在的問題特殊軸承通過特殊軸承，透平和發(fā)電機在同一轉(zhuǎn)子上，公用軸承，

謝謝！謝謝！低沸點有機工質(zhì)透平——低溫余熱發(fā)電技術李春國低沸點有機工質(zhì)透平李春國資源背景在我國的工業(yè)過程中，存在大量80-300℃范圍內(nèi)的低溫熱源，這些低溫熱源主要是熱水、煙氣和固態(tài)渣。比如：（1）水泥生產(chǎn)過程中存在大量350~400℃以下的余熱，占總耗熱量的35%以上。產(chǎn)能5000t/d水泥生產(chǎn)線，尚未利用的150℃左右余熱煙氣（如窯尾電收塵器入口），新增發(fā)電量1000kW，提高發(fā)電量10%-12%，全國有690余條這樣的生產(chǎn)線（2010）；（2）在冶金和鋼鐵企業(yè)，可回收鋼鐵企業(yè)的沖渣廢熱水（80-90℃），可以為每個企業(yè)帶來MW級的電能；（3）日用陶瓷燒制窯爐排煙溫度一般在200-300℃，排煙帶走的熱量損失約占總熱量的20%-40%。我國現(xiàn)有陶瓷生產(chǎn)企業(yè)約3000家，余熱發(fā)電能力約1200億kWh/a,相當于2個三峽工程的年發(fā)電量。

資源背景在我國的工業(yè)過程中，存在大量80-300資源背景（4）煉鋼廠煙氣余熱溫度在300~400℃；（5）在電力行業(yè)，存在許多需要減溫減壓的蒸汽，如鍋爐連排水余熱回收潛力巨大

（6）有色金屬冶金，電解鋁低溫煙氣。（7）使得100-220℃的中低溫地熱資源；（8）太陽能熱發(fā)電

資源背景（4）煉鋼廠煙氣余熱溫度在300~400℃；資源背景設備名稱排煙溫度，℃

設備名稱排煙溫度，℃鍋爐100～300干法水泥窯600～800燃機400～550氧吹平爐700～1100原油加熱爐350～550煉鋅煙化爐1000～1100柴油機＞400煉銅反射爐1100～1300玻璃爐窯650～900鎳精煉爐1400～1600干躁、烘干爐260～600氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐1650～1900排煙余熱

資源背景設備名稱排煙溫度，℃設備名稱排煙溫度，℃鍋爐10國內(nèi)行情工程應用：（1）目前國內(nèi)ORC僅應用于西藏地熱發(fā)電，采用以色列ORMAT的ORC透平（2）包鋼煙氣ORC發(fā)電，正處于試運行階段，由西安交大程代京教授帶領的團隊開發(fā)高校和企業(yè)研究：目前大量企業(yè)與高校聯(lián)合開發(fā)ORC透平，國家也為研究投入了大量科研經(jīng)費。國內(nèi)行情工程應用：政策環(huán)境符合國家節(jié)能減排政策，幾乎每個省都有相關支持項目比如黑龍江：題目：低溫熱源發(fā)電裝置的研制合作單位：中國船舶重工集團公司第七〇三研究所經(jīng)費分配：國撥專項資金400萬，中材150萬，七〇三所250萬，中材自籌配套850萬目標：針對150℃左右水泥窯余熱煙氣及水泥窯筒體輻射余熱，采用200kW徑流式汽輪機有機工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電量150~180kW，系統(tǒng)效率達到6%~8%政策環(huán)境符合國家節(jié)能減排政策，幾乎每個省都有相關支持項目解決方案根據(jù)有機工質(zhì)低沸點的特點，采用有機工質(zhì)朗肯循環(huán)（簡稱ORC）透平，可以利用工業(yè)過程的低溫熱源進行發(fā)電或者拖動設備，也可應用于地熱、太陽能等作為熱源。

ORC透平類型:(1)軸流透平：功率范圍大，應用廣泛(2)向心透平：轉(zhuǎn)速高，效率高，功率小(3)螺桿膨脹機:效率低，擅長工作在氣液兩相區(qū)解決方案根據(jù)有機工質(zhì)低沸點的特點，采用有機工質(zhì)朗肯循ORC循環(huán)以熱水作為熱源的ORC循環(huán)圖

ORC循環(huán)以熱水作為熱源的ORC循環(huán)圖

ORC透平特點1.可利用熱源溫度80-300℃2.透平機構(gòu)簡單，級數(shù)1-3級，安裝調(diào)試簡單3.排氣壓力相對于環(huán)境處于正壓。4.干流體，不存在對葉片和流道的水蝕5.工質(zhì)采用低沸點有機工質(zhì)6.對密封要求非常嚴格ORC透平特點1.可利用熱源溫度80-300℃工質(zhì)選擇工質(zhì)選擇的原則：(1)化學穩(wěn)定性好；(2)具有較低的臭氧破壞性和溫室效應；(3)傳熱性能好；(4)價格低廉；(5)無毒、不可燃、不可爆國內(nèi)研究根據(jù)各自情況采用比較多的工質(zhì)是R245fa、R123和R134a。工質(zhì)選擇工質(zhì)選擇的原則：(1)化學穩(wěn)定性好；(2)工質(zhì)選擇——冷凝溫度冷凝溫度（℃）冷凝壓力（Mpa）R245fa400.25R123400.15正丁烷400.38正戊烷400.12水400.007在冷凝溫度40℃時，有機工質(zhì)（表前4種工質(zhì)）均背壓運行，相對于水蒸汽工質(zhì)，設備部需要真空設備工質(zhì)選擇——冷凝溫度冷凝溫度（℃）冷凝壓力（Mpa）R24國外ORC產(chǎn)品國外ORC產(chǎn)品以奧馬特為代表國外ORC產(chǎn)品國外ORC產(chǎn)品以奧馬特為代表關鍵問題共同的關鍵技術問題：對泄漏的要求幾乎是完全無泄漏，這是最重要的問題。解決方案：采用機械密封，或者采用磁力軸承的發(fā)電機和透平一體結(jié)構(gòu)。跟具體工質(zhì)有關的問題：易燃易爆、有毒、溫室氣體、破壞臭氧層氣體1.烷烴：具有易燃易爆2.R134a：毒性非常低、在空氣中不可燃，環(huán)境壓力下沸點-26℃3.R123：的綜合性能很好（臭氧消耗潛值ODP值很小、全球變暖潛值GWP值亦較小等），環(huán)境壓力下沸點27℃

4.R245FA：安全，環(huán)境壓力下沸點14℃關鍵問題共同的關鍵技術問題：對泄漏的要求幾乎是完全無泄漏，這接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封接觸式機械密封優(yōu)點1.密封可靠，在一個較長的使用期中，不會泄漏或很少泄漏；2.使用壽命長，正確選擇摩擦副材料和比壓的機械密封可用2—5年，最長的達9年；3.維修周期長，在正常工作的情況下，不需要維修；摩擦功率消耗少；3.軸或軸套不受磨損；4.對旋轉(zhuǎn)軸的振擺和軸對殼體孔的偏斜不敏感；5.適用范圍廣，能用于低溫、高溫、高真空、高壓、各種轉(zhuǎn)速以及各種腐蝕、易燃、易爆、有毒介質(zhì)的密封接觸式機械密封優(yōu)點接觸式機械密封缺點1.結(jié)構(gòu)較復雜，對制造加工要求高；