“雙碳”進行時！沈氏節(jié)能PFHE高度適配有機朗肯循環(huán)，助力余熱回收發(fā)電更高質高效

2022/11/19

許多工業(yè)生產(chǎn)過程均以能源密集型為特點，會釋放大量廢氣和廢蒸氣，存在大量余熱。我國工業(yè)余熱資源豐富，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%-67%，其中可回收率達60%。特別是在鋼鐵、有色、化工、水泥、建材、石油與石化、輕工、煤炭等行業(yè)，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%-67%，其中可回收利用的余熱資源約占余熱總資源的60%。

根據(jù)余熱資源溫度的高低可分為高溫余熱（高于500℃），中溫余熱（200-500℃）和低溫余熱（低于200℃）。高中溫余熱可以直接利用，但低溫余熱一直是利用難點。在高耗能企業(yè)發(fā)展中，通過合理利用低溫余熱，可以大幅度節(jié)約能源，降低企業(yè)運行成本。

低溫余熱發(fā)電是一項變廢為寶的高效節(jié)能技術，通過回收鋼鐵、水泥、石化等行業(yè)生產(chǎn)過程中排放的中低溫廢煙氣、蒸汽、熱水等所含的低品位熱量來發(fā)電。該技術利用余熱而不直接消耗能源，不會對環(huán)境產(chǎn)生任何破壞和污染，并且有助于降低和減少余熱氣體直接排向空中所引起的對環(huán)境的污染。

但由于整個過程效率低下，加上現(xiàn)有技術無法回收廢熱，導致現(xiàn)代工業(yè)損失大量能量，該部分能量直接進入空氣或冷卻系統(tǒng)。為有效避免這樣的能源浪費，有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電技術應運而生。

有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）降低了對溫度的要求，可高效回收中低溫余熱資源（350℃以下，低壓或常壓），使回收廢熱進行發(fā)電具有了經(jīng)濟可行性，對于提高我國能源利用率、節(jié)能減排、環(huán)境保護具有重要意義。

ORC發(fā)電原理及流程

有機朗肯循環(huán)是以低沸點有機物為工質的朗肯循環(huán)，主要由換熱器、透平、冷凝器和工質泵四大部分組成。

有機工質在換熱器中從余熱流中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸汽，蒸汽進入透平機械膨脹做功，從而帶動發(fā)電機或拖動其它動力機械。從透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷卻水放熱，凝結成液態(tài)，最后借助工質泵重新回到換熱器，如此不斷地循環(huán)下去。

整個ORC發(fā)電系統(tǒng)包括四部分：熱源回路（紅色管路）、有機工質回路（綠色管路）、冷卻水回路（藍色管路）、電網(wǎng)（黃色部分）。

ORC發(fā)電系統(tǒng)組成

1、熱源（余熱資源）在圖示紅色管道內(nèi)流動，進入機組的蒸發(fā)器，將熱量傳遞給機組內(nèi)的工質，熱源水溫度降低并離開蒸發(fā)器，送入后續(xù)工藝；

2、工質在圖示綠色管道內(nèi)往復循環(huán)流動。液態(tài)工質進入蒸發(fā)器，吸收熱源的熱量，成為飽和或過熱蒸汽，進入渦輪透平機，熱能轉化為機械能，同時帶動發(fā)電機向外輸出電力。過熱蒸汽工質隨后進入冷凝器，被冷卻水冷卻成為液體，進入工質泵。工質泵驅動工質周而復始流動。

3、冷卻水在圖示藍色管道內(nèi)流動。冷卻水在水泵驅動下，進入機組的冷凝器，對工質流體進行冷卻。冷卻水溫度升高并離開冷凝器，送入冷卻塔將熱量散至大氣環(huán)境。

4、發(fā)電機發(fā)出電能，并入電網(wǎng)使用。

ORC發(fā)電技術應用方向

有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術可廣泛用于鋼鐵、水泥、石化、電力、冶金、玻璃等行業(yè)，主要有以下幾種形式。

1、工業(yè)余熱：回收工業(yè)余熱可減少工業(yè)能耗和溫室氣體的排放?？衫么蠖鄶?shù)工業(yè)過程或電廠排放的煙氣，溫度一般不高于400℃。

2、地熱：地熱發(fā)電利用地熱蒸汽或者熱水作為熱源，我國目前已經(jīng)勘測發(fā)現(xiàn)的地熱田均屬熱水型熱儲。所利用的地熱水大多在飽和狀態(tài)附近，溫度一般不超過200℃。

3、太陽能：太陽能能量密度低，熱源溫度不高，需采用基于集熱技術的有機朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)，經(jīng)過集熱裝置后，溫度可以達到300℃。例如用平板集熱器收集低于100℃的太陽熱水作驅動熱源，用ORC透平等構成低溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)，可作為分布式能源。

4、生物質能：生物質能發(fā)電采用有機朗肯循環(huán)主要是由于在機組規(guī)模較小時，有機工質具有更高的渦輪機效率。此外，有機朗肯循環(huán)還被用于液化天然氣（LNG）的冷能回收等場合。

沈氏節(jié)能高效緊湊換熱器

為提高有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率，需要進行系統(tǒng)的優(yōu)化設計，包括循環(huán)熱力參數(shù)確定、工質的選擇、換熱器設計等。

換熱器直接跟熱源和冷源接觸，是整個有機朗肯循環(huán)的關鍵設備之一，其換熱效率對有機朗肯循環(huán)效率起到重要影響。換熱器的設計需要根據(jù)余熱的類型和特點來進行，包括蒸發(fā)器、冷凝器、預熱器等，同時需要考慮防腐、防磨、除灰除垢、降低阻力等問題。

擴散焊接板翅式換熱器（PFHE）適用于氣-液以及氣-氣之間換熱，與釬焊板翅式換熱器比較，具有焊接無焊料、耐腐蝕性強（氯、酸、堿、氨、汞等）、耐高低溫（-200~900℃）、耐高壓（4-15MPa）、低漏率（1*10^-9Pa·m³/s）、材料適用范圍廣（鈦、不銹鋼、鎳白銅等）。同時，二次焊接對擴散焊芯體焊縫無任何影響等優(yōu)點。

沈氏節(jié)能研發(fā)生產(chǎn)的PFHE適用于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其體積小、大功率、焊接無焊料等特點，兼具安全、高性能和高可靠性。

沈氏節(jié)能PFHE擁有高緊湊性，體積和重量僅為傳統(tǒng)管殼式換熱器的1/6左右。芯體內(nèi)部采用真空擴散焊接制成，焊接強度等同于母材，無焊堵風險，耐腐蝕性能進一步加強。它能夠防止工質混合，超低漏率，并且具有很高的熱回收效率，比起傳統(tǒng)殼管式換熱器更加契合有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)。