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“双碳”进行时！沈氏节能PFHE高度适配有机朗肯循环，助力余热回收发电更高质高效

2022/11/19

许多工业生产过程均以能源密集型为特点，会释放大量废气和废蒸气，存在大量余热。我国工业余热资源丰富，余热资源约占其燃料消耗总量的17%-67%，其中可回收率达60%。特别是在钢铁、有色、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等行业，余热资源约占其燃料消耗总量的17%-67%，其中可回收利用的余热资源约占余热总资源的60%。

根据余热资源温度的高低可分为高温余热（高于500℃），中温余热（200-500℃）和低温余热（低于200℃）。高中温余热可以直接利用，但低温余热一直是利用难点。在高耗能企业发展中，通过合理利用低温余热，可以大幅度节约能源，降低企业运行成本。

低温余热发电是一项变废为宝的高效节能技术，通过回收钢铁、水泥、石化等行业生产过程中排放的中低温废烟气、蒸汽、热水等所含的低品位热量来发电。该技术利用余热而不直接消耗能源，不会对环境产生任何破坏和污染，并且有助于降低和减少余热气体直接排向空中所引起的对环境的污染。

但由于整个过程效率低下，加上现有技术无法回收废热，导致现代工业损失大量能量，该部分能量直接进入空气或冷却系统。为有效避免这样的能源浪费，有机朗肯循环低温余热发电技术应运而生。

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）降低了对温度的要求，可高效回收中低温余热资源（350℃以下，低压或常压），使回收废热进行发电具有了经济可行性，对于提高我国能源利用率、节能减排、环境保护具有重要意义。

ORC发电原理及流程

有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由换热器、透平、冷凝器和工质泵四大部分组成。

有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。

整个ORC发电系统包括四部分：热源回路（红色管路）、有机工质回路（绿色管路）、冷却水回路（蓝色管路）、电网（黄色部分）。

ORC发电系统组成

1、热源（余热资源）在图示红色管道内流动，进入机组的蒸发器，将热量传递给机组内的工质，热源水温度降低并离开蒸发器，送入后续工艺；

2、工质在图示绿色管道内往复循环流动。液态工质进入蒸发器，吸收热源的热量，成为饱和或过热蒸汽，进入涡轮透平机，热能转化为机械能，同时带动发电机向外输出电力。过热蒸汽工质随后进入冷凝器，被冷却水冷却成为液体，进入工质泵。工质泵驱动工质周而复始流动。

3、冷却水在图示蓝色管道内流动。冷却水在水泵驱动下，进入机组的冷凝器，对工质流体进行冷却。冷却水温度升高并离开冷凝器，送入冷却塔将热量散至大气环境。

4、发电机发出电能，并入电网使用。

ORC发电技术应用方向

有机朗肯循环发电技术可广泛用于钢铁、水泥、石化、电力、冶金、玻璃等行业，主要有以下几种形式。

1、工业余热：回收工业余热可减少工业能耗和温室气体的排放。可利用大多数工业过程或电厂排放的烟气，温度一般不高于400℃。

2、地热：地热发电利用地热蒸汽或者热水作为热源，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。所利用的地热水大多在饱和状态附近，温度一般不超过200℃。

3、太阳能：太阳能能量密度低，热源温度不高，需采用基于集热技术的有机朗肯循环热电系统，经过集热装置后，温度可以达到300℃。例如用平板集热器收集低于100℃的太阳热水作驱动热源，用ORC透平等构成低温太阳能热力发电系统，可作为分布式能源。

4、生物质能：生物质能发电采用有机朗肯循环主要是由于在机组规模较小时，有机工质具有更高的涡轮机效率。此外，有机朗肯循环还被用于液化天然气（LNG）的冷能回收等场合。

沈氏节能高效紧凑换热器

为提高有机朗肯循环系统效率，需要进行系统的优化设计，包括循环热力参数确定、工质的选择、换热器设计等。

换热器直接跟热源和冷源接触，是整个有机朗肯循环的关键设备之一，其换热效率对有机朗肯循环效率起到重要影响。换热器的设计需要根据余热的类型和特点来进行，包括蒸发器、冷凝器、预热器等，同时需要考虑防腐、防磨、除灰除垢、降低阻力等问题。

扩散焊接板翅式换热器（PFHE）适用于气-液以及气-气之间换热，与钎焊板翅式换热器比较，具有焊接无焊料、耐腐蚀性强（氯、酸、碱、氨、汞等）、耐高低温（-200~900℃）、耐高压（4-15MPa）、低漏率（1*10^-9Pa·m³/s）、材料适用范围广（钛、不锈钢、镍白铜等）。同时，二次焊接对扩散焊芯体焊缝无任何影响等优点。