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1、有机朗肯循环技术及其有机朗肯循环技术及其产业化产业化低温余热发电低温余热发电昆昆 明明 理理 工工 大大 学学 汇报人：王华汇报人：王华 教授教授20112011年年3 3月月报告大纲报告大纲低温余热资源低温余热资源低温余热发电技术低温余热发电技术昆工昆工- -昆钢合作开发的可行性探讨昆钢合作开发的可行性探讨 一、低温余热资源一、低温余热资源1.1.工业余热资源工业余热资源 目目前前我我国国能能源源形形势势严严峻峻的的根根本本原原因因在在于于用用能能效效率率低低下下。我我国国每每吨吨标标准准煤煤的的产产出出效效率率仅仅相相当当于于日日本本的的10.310.3、美美国国的的28.628.6。我我
2、国国工工业业用用能能中中近近60-65%60-65%的的能能源源转转化化为为余余热热资资源源，其其中中温温度度低低于于350350以以下下的的低低温温余余热热，约约占占余余热热总总量量的的60%60%，目目前前技技术术尚无法实现对其有效的回收利用。尚无法实现对其有效的回收利用。l l我国钢铁工业余热我国钢铁工业余热按品质分类按品质分类 高品位高品位余热余热( 900) 47%中品位中品位余热余热 (400900) 30%低品位低品位余热余热( 400) 23%47%47%444430%30%303023%23%回收潜力回收潜力回收潜力回收潜力回收潜力回收潜力l l我国有色冶金工业余热我国有色冶
3、金工业余热 我我国国钢钢铁铁冶冶金金余余热热总总量量达达1500015000万万tce/atce/a，目目前前平平均均余余热热回回收收水水平平仅仅为为30%30%。主主要要原原因因在在于于我我国国现现有有技技术术难难以以回回收收数数量量庞庞大大的的中中低低温温余余热热。因因此此，我我国国钢钢铁铁工工业业中中有有大大量量的的中中低低温温余余热热资资源可供开发。源可供开发。 我我国国有有色色冶冶金金行行业业存存在在大大量量的的容容易易收收集集的的温温度度在在6060以以上上的的液液态态余余热热（如如冷冷却却水水）及及低低压压蒸蒸汽汽，据据不不完完全全统统计计蕴蕴含含可可用用的的热热能能约约1800
4、 1800 万万tce/atce/a，潜潜在在发发电电能能力相当于力相当于3/43/4个三峡工程发电量。个三峡工程发电量。 l l我国建材工业余热我国建材工业余热 1.1.水水泥泥工工业业：随随着着新新型型干干法法水水泥泥熟熟料料技技术术在在全全国国范范围围内内的的推推广广、普普及及，水水泥泥生生产产过过程程中中存存在在大大量量350-400350-400以以下下的的余余热热不不能能充充分分利利用用，这这部部分分热热量量占占到到水水泥泥熟熟料料烧烧成成总总耗耗热热量量3535以以上上造造成成的的能能源源浪浪费费高高得得惊惊人人。我我国国水水泥泥低低温温余余热热潜潜在在的的发发电电容容量量约在约
5、在800800亿亿kWh/akWh/a，相当于，相当于1 1个三峡工程的年发电量个三峡工程的年发电量 。水泥窑炉水泥窑炉陶瓷窑炉陶瓷窑炉玻璃窑炉玻璃窑炉l l我国建材工业余热我国建材工业余热 2.2.陶陶瓷瓷工工业业：日日用用陶陶瓷瓷烧烧制制窑窑炉炉排排烟烟温温度度一一般般在在200-300200-300，排排烟烟带带走走的的热热量量损损失失约约占占总总热热量量的的20%-40%20%-40%。我我国国现现有有陶陶瓷瓷生生产产企企业业约约30003000家家，余余热热发发电电能能力力约约12001200亿亿kWh/akWh/a, ,相相当当于于2 2个个三三峡峡工程的年发电量。工程的年发电量。
6、 3.3.玻玻璃璃生生产产工工业业：我我国国投投入入使使用用的的浮浮法法玻玻璃璃生生产产线线有有130130条条左左右右，平平均均每每条条日日熔熔化化500t500t玻玻璃璃；平平拉拉法法平平板板玻玻璃璃生生产产线线3030条条，平平均均每每条条日日熔熔化化200t200t玻玻璃璃；两两项项合合计计年年能能耗耗总总量量约约为为52052010105 5 t t重油重油。余热发电潜力约。余热发电潜力约300300亿亿kWh/akWh/a。2.2.地热能地热能 地地热热是是一一种种可可持持续续发发展展的的能能源源，我我国国的的地地热热资资源源分分布布很很广广，资源储量约为资源储量约为4.44.41
7、0102727kJkJ，蕴含发电能力可达，蕴含发电能力可达6.74GW6.74GW。3.3.太阳能太阳能 我我国国2/32/3的的面面积积年年日日照照时时间间在在23002300小小时时以以上上，每每平平方方米米太太阳阳能能年年辐辐射射总总量量3340-8400MJ3340-8400MJ，陆陆地地表表面面每每年年接接收收的的太太阳阳辐辐射射能能相相当当于于1700017000亿亿吨吨标标准准煤煤，而而且且分分布布极极为为广广泛泛 ，蕴蕴含含的的发发电电能能力力约约14001400万万亿亿kWh/akWh/a，是是我国一年总发电量的近我国一年总发电量的近300300倍倍。 西藏羊八井地热发电西藏
8、羊八井地热发电 非聚焦太阳能集热发电示意非聚焦太阳能集热发电示意 二、低温余热发电技术二、低温余热发电技术1.1.技术现状技术现状常规水蒸汽朗肯循环用于烟气余热回收发电流程图常规水蒸汽朗肯循环用于烟气余热回收发电流程图l l常规水蒸汽朗肯循环发电技术常规水蒸汽朗肯循环发电技术 1.1.系系统统构构成成复复杂杂，锅锅炉炉给给水水需需要要除除氧氧、除除盐盐，在在锅锅炉炉部部件件及及管管路路上上需需要要设设置置排排污污及及疏疏放放水水管管路路；凝凝结结器器里里需需保保持持较较高高的的真空度，要设置真空维持系统。真空度，要设置真空维持系统。 2.2.透透平平进进排排气气压压力力低低，蒸蒸汽汽比比体体积
9、积较较大大，导导致致透透平平通通流流面面积较大。积较大。 3.3.通通常常透透平平进进口口蒸蒸汽汽需需具具有有一一定定的的过过热热度度，在在余余热热锅锅炉炉中中必然要设置过热蒸汽加热段，导致余热锅炉的结构比较复杂。必然要设置过热蒸汽加热段，导致余热锅炉的结构比较复杂。 4.4.管道内容易结垢及生锈，维修成本较高，寿命较短。管道内容易结垢及生锈，维修成本较高，寿命较短。 5.5.需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。 6.6.单机容量不能太小单机容量不能太小, ,系统满负荷运行率不高。系统满负荷运行率不高。 7.7.一般只适用于烟气温度高于一般只适用于烟
10、气温度高于350350以上的余热。以上的余热。常规水蒸汽朗肯循环发电技术的缺点常规水蒸汽朗肯循环发电技术的缺点l l有机朗肯循环余热发电技术有机朗肯循环余热发电技术 (ORC)(ORC)有机工质有机工质余热锅炉余热锅炉加压泵加压泵储液储液罐罐有机透有机透平平发电机发电机凝汽器凝汽器冷却泵冷却泵中中低低温温烟烟气气烟气余热有机朗肯循环（烟气余热有机朗肯循环（ORCORC）发电系统示意图）发电系统示意图 1.1.效效率率高高, ,系系统统构构成成简简单单，不不需需要要设设置置除除氧氧、除除盐盐、排排污污及及疏疏放放水水设设施施；凝凝结结器器里里一一般般处处于于略略高高于于环环境境大大气气压压力力的
11、的正正压压，不需设置真空维持系统。不需设置真空维持系统。 2.2.透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小。透平进排气压力高，所需通流面积较小，透平尺寸小。 3.3.使使用用干干流流体体时时，余余热热锅锅炉炉中中不不必必设设置置过过热热段段，工工质质蒸蒸汽汽直接以饱和气体进透平膨胀做功。直接以饱和气体进透平膨胀做功。 4.4.可可实实现现远远程程控控制制，无无人人值值守守，需需要要极极少少的的运运行行、维维修修人人员，运行成本很低。员，运行成本很低。 5.5.单机容量可从几单机容量可从几kWkW到数千到数千kWkW。 6.6.系系统统部部件件、设设备备可可实实现现标标准准模模块块化化生生
12、产产，能能缩缩短短安安装装周周期，降低制造成本。期，降低制造成本。 7.7.适用于温度高于适用于温度高于70 70 以上的低温余热源。以上的低温余热源。ORCORC发电技术的优点发电技术的优点l l昆工昆工ORCORC技术研究进展技术研究进展 1.1.提提出出了了超超临临界界有有机机朗朗肯肯循循环环及及多多元元混混合合工工质质有有机机朗朗肯肯循循环环，可可减减少少有有机机锅锅炉炉中中由由于于传传热热温温差差不不均均衡衡导导致致的的额额外外熵熵增增，提高系统的（火用）效率。提高系统的（火用）效率。膨胀末级处于湿蒸汽区膨胀末级处于湿蒸汽区膨胀末级处于过热蒸汽区膨胀末级处于过热蒸汽区 2.2.提提出
13、出了了多多级级蒸蒸发发有有机机朗朗肯肯循循环环、复复叠叠式式有有机机朗朗肯肯循循环环及及多多级级- -复复叠叠式式有有机机朗朗肯肯循循环环，最最大大限限度度实实现现传传热热过过程程的的温温度度微微匹匹配。配。多级蒸发有机朗肯循环多级蒸发有机朗肯循环水蒸汽水蒸汽- -有机朗肯复叠循环有机朗肯复叠循环冷却塔冷却塔 3.3.建立了低温热能发电建立了低温热能发电ORCORC系统的优化设计方法。系统的优化设计方法。 单目标优化法单目标优化法 单位换热面积输出功率单位换热面积输出功率 余热锅炉紧凑性指标余热锅炉紧凑性指标 余热锅炉单位容积输出功率余热锅炉单位容积输出功率 多目标优化法多目标优化法 单位换热
14、面积输出功率单位换热面积输出功率 余热锅炉单位容积输出功率余热锅炉单位容积输出功率+ 年度化总成本最小优化法年度化总成本最小优化法 年度化净利润最大优化法年度化净利润最大优化法 单位成本净利润最大优化法单位成本净利润最大优化法经济优化法经济优化法l l昆工昆工ORCORC技术研究成果技术研究成果 1.1.已申请多项国家专利已申请多项国家专利 专利名称：专利名称： No.1 No.1 超临界朗肯循环回收低温余热动力的方法超临界朗肯循环回收低温余热动力的方法, , 申请号申请号200810058497.9200810058497.9 No.2 No.2 混合工质分散式低温太阳能热力发电系统及工艺混
15、合工质分散式低温太阳能热力发电系统及工艺, , 申请号申请号200810058626.2200810058626.2 No.3No.3 一一种种用用于于低低沸沸点点工工质质低低温温热热能能热热力力发发电电和和工工业业余余压压动动力回收透平装置力回收透平装置, , 申请号申请号200820081418.X200820081418.X No.4 No.4 分散式低温太阳能热力发电系统及工艺分散式低温太阳能热力发电系统及工艺, , 申请号申请号200810058714.200810058714. 2.2.已完成已完成ORCORC低温余热发电工质的热物性及传热特性的研究低温余热发电工质的热物性及传热特
16、性的研究l l ORCORC循环工质物性及传热特性试验装置循环工质物性及传热特性试验装置 3.3.已已完完成成对对昆昆钢钢高高线线三三段段式式加加热热炉炉排排烟烟余余热热发发电电100kW 100kW ORCORC样机系统的仿真与方案设计。样机系统的仿真与方案设计。样机拟从这根样机拟从这根管道下部取烟管道下部取烟 4.4.已已初初步步完完成成对对采采用用空空调调离离心心式式冷冷水水机机组组构构建建ORCORC系系统统可可行行性性的的理理论论分分析析，建建立立了了该该ORCORC系系统统的的性性能能模模拟拟数数学学模模型型，同同时时制制定了下一步的试验方案及产业化技术措施。定了下一步的试验方案及
17、产业化技术措施。 5.5.在在研研究究经经费费保保证证的的情情况况下下，预预计计在在3 3 6 6年年内内便便可可初初步步实实现现低低温温烟烟气气余余热热发发电电ORCORC技技术术的的产产业业化化（完完成成1000kWe1000kWe的的示示范范工工程程），5 5 8 8年年内内便便可可初初步步实实现现液液体体余余热热及及低低温温太太阳阳能能发发电电ORCORC技技术术的的产产业化（完成业化（完成2000kWe2000kWe的示范工程的示范工程) ) 。三、昆工三、昆工- -昆钢合作开发的可行性探讨昆钢合作开发的可行性探讨l l 合作开发内容合作开发内容 1.1.研研发发有有机机朗朗肯肯循循
18、环环中中低低温温烟烟气气余余热热发发电电核核心心技技术术（防防腐腐低低温温烟烟气气高高效效换换热热设设备备、循循环环工工质质的的研研发发、ORCORC系系统统的的优优化化设设计计、低低温温高高效效换换热热器器、有有机机工工质质膨膨胀胀机机研研制制、设设备备运运行行控控制制系系统统的的开开发发）、实实现现技技术术产产业业化化，完完成成中中低低温温烟烟气气余余热热发发电电ORCORC系系统统定定型产品模块的标准化设计及加工制造。型产品模块的标准化设计及加工制造。 2.2.在在冶冶金金、水水泥泥、陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、化化工工、轻轻纺纺等等大大中中型型工工业业窑炉废气余热回收项目上推广中低温烟气余热发
19、电窑炉废气余热回收项目上推广中低温烟气余热发电ORCORC技术。技术。 3.3.研研究究工工业业液液体体余余热热驱驱动动的的有有机机朗朗肯肯循循环环发发电电和和非非聚聚焦焦型型低低温温太太阳阳能能有有机机朗朗肯肯循循环环发发电电技技术术（S-ORCS-ORC），开开发发相相关关定定型型设设备，并进行工程化推广应用。备，并进行工程化推广应用。 4.4.对对我我国国主主要要高高耗耗能能企企业业的的能能源源情情况况进进行行调调研研，针针对对具具体体企企业业、具具体体生生产产工工艺艺，在在完完成成对对其其总总能能系系统统的的诊诊断断基基础础上上，构构建其余热梯级回收利用技术体系，并争取对其实施技术改造
20、。建其余热梯级回收利用技术体系，并争取对其实施技术改造。 1. 1.双方合作成立一个双方合作成立一个能源新技术开发公司能源新技术开发公司。 2.2.由由昆昆钢钢牵牵头头、昆昆工工参参与与，双双方方联联合合申申报报省省里里的的能能源源新新技技术术工工程程( (技技术术) )中中心心，为为低低温温热热能能高高效效利利用用相相关关核核心心技技术术的的开开发发与推广做进一步的支持。与推广做进一步的支持。l l 合作机制合作机制l l预计研究经费投入及资金回收情况预计研究经费投入及资金回收情况 1. 1.烟气余热发电烟气余热发电ORCORC技术投入技术投入30003000万元万元。 3.3.通通过过核核
21、心心技技术术的的专专利利转转让让及及技技术术的的工工程程化化市市场场推推广广应应用用，预计在第一个预计在第一个6 6年内便可收回全部投资。年内便可收回全部投资。 2. 2. 液体余热发电液体余热发电ORCORC技术投入技术投入15001500万元万元。 4.4.通通过过对对我我国国低低温温热热能能发发电电市市场场需需求求的的初初步步调调查查，只只需需将将单单位位装装机机容容量量成成本本控控制制在在2 2万万元元/kWe/kWe以以内内，每每年年国国内内的的ORCORC低低温温热热能能发发电电设设备备市市场场需需求求量量至至少少在在500500万万kWekWe。在在ORCORC技技术术的的市市场场推推广广期期，保保守守估估算算，工工程程中中心心每每年年能能完完成成2 2万万kWekWe装装机机容容量量的的ORCORC低低温温余余热热发发电电的的工工程程技技术术设设计计及及设设备备配配套套和和研研发发，市市场场订订单单可可逾逾3 3亿人民币亿人民币，实现利税约，实现利税约1 1亿人民币亿人民币。
