余热发电在工业余热回收中应用的浅谈

谭芳 范雯婧 樊波

摘 要：随着我国经济的日益增长，能源消耗量在不断增加，但同时国家也在积极研究如何更加充分和高效地进行能源利用，以提高能源利用率，减少资源浪费和降低环境污染。工业余热发电便是工业领域当中拓宽能源利用途径，降低污染物排放的重要方式，擁有者广阔的前景。因此，文章就低温余热发电展开相关探讨，以供参考。

关键词：工业余热；余热发电；应用分析

改革开放后，我国的经济逐渐复苏并得到快速崛起，这也提升了能源的社会需求量，在经济发展中，由于能源的相对短缺，燃料价格起伏波动，加之在能源利用率方面还不高，造成能源极大浪费。我国的工业窑炉及锅炉多属于经济发展早期建设产物，在设计方面存在一些不足，运行过程中大量高温烟气被浪费掉，而这部分烟气热能大约占到锅炉热损的80%以上，不仅极大的浪费了热能，也给环境造成了极大的污染。因此，考虑如何将这部分烟气余热回收利用成为当前工业领域节能减排的重要方向，而在无法避免产生工业余热的情况下，利用余热进行发电便是一种烟气热能利用极佳的方式。

1 余热发电现状

工业余热是工业生产过程中所产生的剩余热量，我国工业能耗在能源总量当中占到七成左右，而工业能耗的六成左右都将转化为载体和温度不同的工业余热。其中包含低品位烟气、蒸汽以及热水等，回收和利用工业余热既能够减轻我国当前经济发展所遇到的能源问题，同时对于环境污染情况也起到了一定的抑制作用，可以说，余热回收利用意义显著。

余热发电包含水蒸气朗肯循环发电与有机朗肯循环发电，而这两中发电方式的最主要区别就在于前者的工质为水，当水在余热锅炉内吸热后变为水蒸气，再进入到汽轮机进行发电；而后者则是利用低沸点的有机工质吸收余热进入到透平膨胀机或者螺杆膨胀机进行做功，从而完成发电。从功能转换的情况来看，高温热源能够产生高温高压水蒸汽，水蒸气朗肯循环适合中高温余热发电，而中低温余热则适合采用有机朗肯循环进行余热发电。

2 有机朗肯循环原理

有机朗肯循环发电常被有效利用于地热能、太阳能、工业余热等温度低于300℃的低品位热源。有机朗肯循环，即在传统水蒸气朗肯循环中采用有机工质（如R245fa、R134a等）代替水蒸气推动透平膨胀机或螺杆膨胀机做功，由于有机工质的沸点低，易形成高压蒸汽，而冷凝压力接近或稍大于大气压力，系统运行压力小，且其冷凝温度较低，可最大限度地将低品位热源的热量转化为电能，提高了能量利用率。有机工质经过泵增压后进入蒸发器吸收低品位热源热量转变为高温高压蒸汽；之后进入膨胀机做功发电，做功后的低温过热蒸汽进入冷凝器凝结为液态，随后进入泵，如此往复循环。有机朗肯循环系统具有效率高、适应性强、小型便等特点，在回收低温余热方面具有较大的优势，因为有机朗肯循环发电系统的最大特点就是利用了余热蒸汽的汽化潜热，而在低温余热蒸汽中，汽化潜热甚至占到可利用热量的比例达80%～90%以上，因此它能充分挖掘、利用以往废弃的低温余热资源领域。这种发电方式的设备通常可以制作为撬装一体化设备，配带触摸屏操作控制系统，设备操作简单、方便；但是设备一次性投入相对较高，投资回收期略长，一般在3～8年不等，适用于用电成本比较高的区域；特别是已经有工业低温、低压蒸汽放散时，采用这种方式进行回收，效果较好。可适用于工业设备冷却汽化器回收的废热蒸汽、烟道废热锅炉回收的低温、低压蒸汽、煤气发生炉的夹套蒸汽、锅炉连排水、部分透平机、螺杆机排出的废热蒸汽等工况。

3 应用案例

浙江绍兴某集团将煤气发生炉余热用于发电，炉膛出口的煤气分为上下两段，下段煤气先经过急冷器，在急冷器进行一次冷却，冷却后的下段煤气与上段煤气混合，进入间冷器进行二次冷却。下段煤气为高温热源，其温度约为570℃，流量约为2500m3/h。该煤气发生炉每天24小时连续运行，每年正常运行7200小时以上。下段煤气在急冷器内将热量传给冷却水，造成热量浪费。该项目通过余热锅炉将下段煤气在急冷器内释放的热量回收，产生高温高压水蒸气，通过传统的水蒸气朗肯循环进行余热发电；另外，煤气发生炉的低温夹套蒸气为低温热源，其温度约为130℃，流量约为2.5t/h，通过有机朗肯循环可将此热量进行回收。通过将以上两种发电技术联合应用，可将热源热量全部回收，使余热利用最大化。经分析，总净发电量约为每小时540kWh，年发电量为3.9×106kWh；电价按0.63元/kWh计算，发电收益为245.7万元/a。而通过以上改造可将急冷器取消，由此可减少冷却水泵电耗收益约81.65万元/a，总经济效益为327.35万元/a。该项目利用煤气发生炉余热进行发电，发电量可供该集团生产工艺使用，提高能源利用效率的同时，减少环境污染，经济效益及社会效益显著。

我国有着丰富的热能资源，有着大量的中低温热源，余热发电尤其是在低温余热发电方面将成为我国工业领域节能减排的重要途径，应用前景十分广阔。工业低温余热发电由于余热的不确定性，在勘察设计阶段，对于生产工艺以及能源状况的研究和测试非常关键，因而须认真开展此阶段工作以便于准确获悉热源参数，提高余热发电效率。

参考文献

[1]董胜明.工业余热ORC发电系统应用研究[D].天津大学，2014.

[2]陈林根，孟凡凯，孙丰瑞，等.钢铁工业余热回收新技术——热电发电[A].中国高等教育学会工程热物理专业委员会.高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C].2013：10

（作者单位：1.杭州杭锅工业锅炉有限公司；2.中国新型建材设计研究院）