有机工质循环螺杆膨胀机低温余热发电系统.
低温余热发电技术的特点、应用和发展趋势探讨
节能环保270 2015年12期低温余热发电技术的特点、应用和发展趋势探讨李金龙中材节能股份有限公司,天津 300400摘要：随着我国社会经济的高速发展，能源紧缺的矛盾日益突出。
但我国在能源使用上又客观存在着一些不合理的现象，导致能源的大量浪费。
能源的利用效率偏低，与此同时，又存在着大量工业低温余热、废气丢弃不用的普遍现象。
为了开发国家新能源，解决能源紧张的问题,国家应有效回收利用原本排放到大气中的工业废气低温余热。
而低温余热发电系统结构简单、设备稳定，利用压差做功回收动力，可以有效提高能源利用率。
本文则阐述了低温余热发电技术的概念、特点、应用以及发展趋势，以供参考关键词：低温余热发电技术；特点；发展趋势中图分类号：TM617 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)12-0270-021 引言能源是国家经济发展的基础，它与国家发展以及人们的生活水平息息相关。
然而，伴随着国家经济的高速发展，能源消耗不断增多，能源储备越来越少，能源需求不断增加。
这就要求我们提高能源的利用效率。
而在我国经济发展中，低温余热的数量巨大，在水泥、钢铁、玻璃、化工等行业生产中，这些余热资源数量大，品味低，有些不能再利用的废旧烟气被大量的排放，造成环境污染的同时，也造成了能源及资源的极大浪费。
低温余热发电系统的建设，可以综合利用企业生产排放的废热、废气资源，回收烟气的热量变废为宝，提高我国能源利用效率。
2 低温余热发电技术概述2.1 低温余热发电技术概念目前我国的工业生产企业，对150℃以上的中、高温余热利用技术已非常成熟，可用于发电或直接再利用。
而对150℃以下的中温余热/废热（水、气、汽）以及90℃以下的低温余热/废热，基本采用冷却后直接排放到大气中的方法。
温度在90℃以下的低温余热普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业过程中以及人们的普遍生活中，对其实现高效回收利用具有重要意义。
把低温余热所具有的热能转换为电能，是提高能源利用效率和降低环境污染的有效途径。
低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术
低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术引言我国水泥厂的余热发电，先后经历高温余热发电、带补燃炉的中低温余热发电和纯低温余热发电3个阶段。
纯低温余热发电与带补燃的中低温余热发电相比，具有投资省、生产过程中不增加粉尘、废渣、N 0。
和S0。
等废弃物排放的优点。
本文介绍以色列奥玛特(0RMAT)公司利用低温热源的有机朗肯循环(0 rganic RankineCyck，简称()RC)纯低温余热发电技术。
该技术有别于常规技术，其特点是：不是用水作为工质，而是使用低沸点的有机物作为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功。
1.低沸点的有机物在一个大气压下，水的沸点足100℃，而一些有机物的沸点却低于水的沸点，见表l。
有机物的沸点与压力之间存在着对应关系，以氯乙烷为例，见表2。
水的沸点与压力之间对应关系见表3。
由表2和表3町见，氯乙烷的沸点比水低，蒸气压力很高。
根据低沸点有机工质的这种特点，就可以利用低温热源来加热低沸点工质，使它产生具有较高压力的蒸气来推动汽轮机做功。
2 ORC纯低温余热发电在地热发电方面的应用0RC纯低温余热发电技术在我国地热发电方面已得到初步应用，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。
热水型资源发电采用的热力系统主要有两种，即扩容(闪蒸)系统和双工质循环系统。
西藏羊八井地热电站，热水温度145℃，采用二次扩容热力系统，汽轮机(青岛汽轮机厂设计制造D3一1．’7／0．5型地热汽轮机发电机组)单机容量3000W，3 000W／min，一次进汽压力182kPa，温度115℃，二次进汽压力54kPa，温度81℃，额定排汽压力为10kPa。
双工质循环系统中，地热水流经热交换器，把地热能传递给另一种低沸点丁质，使之蒸发产生蒸气，组成低沸点工质朗肯循环发电。
双工质循环机组，其热效率高，结构紧凑。
我国的小型双工质循环系统地热电站——辽宁营口熊岳试验电站的装机容量2×J00KW，利用地热水(水温75℃)发电，于1977年1 1月投入运行。
低温余热有机工质朗肯循环概要
工质选择
工质选择的原则：(1)化学稳定性好；(2)具有较低的 臭氧破坏性和温室效应；(3)传热性能好；(4)价格低廉； (5)无毒、不可燃、不可爆 国内研究根据各自情况采用比较多的工质是R245fa、 R123和R134a。
工质选择
—— 冷凝温度 冷凝温度（℃） R245fa 40 冷凝压力（Mpa） 0.25
接触式机械密封
缺点 1. 结构较复杂，对制造加工要求高； 2. 安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的安装技术水 平； 3. 发生偶然事故时，处理比较困难；
非接触式机械密封
干气密封
非接触式机械密封
干气密封旋转环旋转时，密封气体 被吸入动压槽内，由外径朝向中心， 径向分量朝着密封堰流动。由于密 封堰的节流作用，进入密封面的气 体被压缩，气体压力升高。在该压 力作用下，密封面被推开，流动的 气体在两个密封面间形成一层很薄 的气膜，此气膜厚度一般在3微米 左右。气体动力学研究表明，当干 气密封两端面间的间隙在2—3微米 时，通过间隙的气体流动层最为稳 定。当气体静压力、弹簧力形成的 闭合力与气膜反力相等时，该气膜 厚度十分稳定。
排烟温度，℃ 100～300 400～550 350～550
设备名称 干法水泥窑 氧吹平炉 炼锌烟化炉 炼铜反射炉 镍精炼炉 氧气顶吹转炉
排烟温度，℃ 600～800 700～1100 1000～1100 1100 ～1300 1400～1600 1650～1900
＞400
650～900 260～600 排烟余热
国内行情
工程应用： （1）目前国内ORC仅应用于西藏地热发电，采用以色列 ORMAT的ORC透平 （2）包钢烟气ORC发电，正处于试运行阶段，由西安交 大程代京教授带领的团队开发
有机工质低温余热发电系统理论分析
的 废 气余 热 ， 用有 机 工 质 并 结 合 螺 杆 膨 胀机 进 行 余 热 发 电 系统ｊ 采 计 算 ， 过 分析 比较 可知 ： 于 水 泥 工 业 生 产过 程 中产 生 的 ３０ 通 对 ５ ℃ 废 气 余 热 ， 宜 采 用 目前 常 规 的 以 水 为 工 质 的 汽 轮 机 余 热 发 电 系 缎 适 于 有 机 工 质 ， 前 适 宜 采 用 低 过 热 度 汽 轮 机 余 热 发 电 系统 ； 于 ］ 目 对 ２ ０ 左 右 废 气 余 热 ， 机 工 质 余 热 发 电 系 统 更 具 优 势 ， 中 针 对 不 ５℃ 有 其
新 型 Ａ Ｃ 热 锅 炉 减 少 了 占地 Ｑ 余 面 积 ， 省 了投资 ， 少 了设备 、 节 减 烟 风 管 道 的 散 热 ， 高 了余 热 利 用 效 率 提
ｌ ～２ ％ ％左 右 。 由于 窑 头 阻 力 减 少 ，
对 于 窑 头 风 机 的 运 行 、 用 电 耗 有 厂
风 ， 漏 密 闭 工 作 表 面 上 零 碎 和 繁 堵 琐 ， 效果是显著的， 且投入不多。 但 而
定 温度 压力 的有 机质 蒸气 ， ： 推 胀 机 ， 动 发 电机 发 电 或 输 出 带 乏 气 在 冷 凝 器 中 冷 凝 ， 工 质 由 送 至蒸 发 器 ， 成 一个 循 环 。 完 ２１ 有 机 工 质 Ｔ Ｓ 线特 点 ． —曲 如 图 ２ 示 ， 质 饱 和蒸 气 所 工 通常 为三种 形式 ， 图 ２ 如 ａ曲线 ； 为 正 ， 如 Ｒｌ ３ 丁 烷 、 烷 等 ： 例 １、 戊
１ 前 言
余 热 发 电 。本 文针 对 余 热 资源 ． 温 度 范 围更 广 的 有 机 工 质 纯 低 ： 热 发 电系统 进 行理论 分 析 ， ： 并
【】有机工质低温余热发电系统理论分析
少了烟气管道，烟气从下往上走。
减少了系统阻力，系统阻力比以前降低了４００Ｐａ左右。
从烟气熟料磨损机理来说，烟气从下往上走，对余热锅炉的防磨有极大好处，锅炉受热面磨损程度远远低于烟气从上往下行走。
ＡＱＣ过热器受热面采用光管形式，可减少高温段的积灰。
新型ＡＱＣ余热锅炉减少了占地面积，节省了投资，减少了设备、烟风管道的散热，提高了余热利用效率ｌ％～２％左右。
由于窑头阻力减少，对于窑头风机的运行、厂用电耗有益。
（３）窑头采用新型大推力燃烧器，Ｅ公司２５００ｔ／ｄ熟料牛产线原窑头为ＮＣ型四通道煤粉燃烧器，由于余热发电投入后二次风最有些波动，已不能适用窑的煅烧，表现为有时火力不集中，热力强度不高，窑大齿轮位置经常长圈，原一次风压为１９ｋＰａ，后改为法国ＰＩＩ。
ＡＲＤ公司的Ｒｏｔａｆｉａｍ高推力燃烧器，一次风压２５～３５ｋＰａ以上，保证了煤燃烧所需的推力要求。
（４）余热锅炉的运行应不影响水泥生产，所以锅炉启动和维护必须坚持“副业服从主业，主业兼顾副业”，既要保证产业安全又要保证产业经济。
统筹兼顾，安全第一，保证窑及余热锅炉稳定。
（５）高度重视窑尾炯室、增湿塔和锅炉等ｉ个系统的漏风影响，从根本上加强堵漏密闭Ｔ作，尽量减少漏风，堵漏密闭工作表面上零碎和繁琐，但效果是显著的，而且投入不多。
参考文献：ｆｌ】曾学敏－余热发电为水泥工业再刨辉煌ｆＪ】．中国水泥网，２００９，（３），２４—２７．ｆ２ｌ杨光志，李中蜂，等．由４．６×（１０＋３．５）生料磨烘干仓的改造【Ｊ１．水泥，２００９，（４），５３—５７．【３】张云成．余热锅炉随窑启动及窑相互影响的探讨【Ｊ】．水泥，２００８，（１２），３３—３５．【４ｌ郭量，万清蓉．新型‘｛：法水泥厂纯低温余热发电站的建设和调试【Ｊ１２００３，（４），７一ｌｏ．９２０１０／５水泥技术摘要：针对水泥、钢铁及冶金等工业生产过程中产生的１５０—３５０℃左右的废气余热。
采用有机工质并结合螺杆膨胀机进行余热发电系统理论计算，通过分析比较可知：对于水泥工业生产过程中产生的３５０ｃＣ左右废气余热，适宜采用目前常规的以水为工质的汽轮机余热发电系统；对于有机工质。
螺杆膨胀动力机技术及在低温余热发电中的应用
1引言余热在工业生产和日常生活中普遍存在，化工、冶金、建材和电力等行业产生的余热种类繁多，含热资源量大面广，但同时大量余热却被浪费。
余热回收利用是工业节能迫在眉睫的关键技术之一，尤其是低温余热发电技术更具有挑战性，并得到人们普遍关注。
它不但提高了能源利用效率有助于缓解能源问题，而且还减少了生产过程中的环境污染问题，对节能减排具有重要作用。
螺杆膨胀动力机技术就是适合于低温余热发电的新技术，该技术特点鲜明，具有同类型汽轮发电机不可比拟的优点，同时产生较好的经济效益，提高企业的能源利用率。
2螺杆膨胀动力机系统螺杆膨胀动力机属于回转容积式膨胀机，兼有活塞膨胀机和透平膨胀机二者之特点，螺杆膨胀动力机能将低品位热能转化为高品位机械能或电能。
螺杆膨胀动力机是一种全流式动力机，适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物，并且对工质清洁度要求不高。
它结构简单，零部件数量少，几乎没有易损件，设备维护方便，因此设备可靠，寿命长。
2.1螺杆膨胀动力机工作原理双螺杆膨胀动力机由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及连轴节等组成，气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合螺旋形阴、阳转子平行置于气缸中。
螺杆膨胀机运转过程从吸气过程开始，气体在封闭的齿间容积中膨胀做功，最后移至排气过程。
阴、阳螺杆和气缸之间形成呈“V”字形的齿间容积，其大小随转子转动而变化。
图1为螺杆膨胀动力机发电系统示意图。
螺杆膨胀动力机工作过程是由吸气过程、膨胀过程和排气过程三个过程组成。
吸气过程：高压气体由吸气孔口进入由阴、阳螺杆和气缸之间形成的“V”字形齿间容积，推动阴、阳螺杆反向旋转；而齿间容积不断扩大，当后面一齿切断进气孔口时，吸气过程结束。
膨胀过程：在吸气过程结束后，齿间容积充满高压气体，在压力差作用下形成一定转矩，阴、阳螺杆转子反向旋转，于是齿间容积不断扩大，气体膨胀，螺杆转子旋转对外做功；当齿间容积达最大值时，膨胀过程结束。
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机朗肯循环低温余热发电系统综述作者：赵俊林秦虹来源：《现代商贸工业》2020年第09期摘要：当下我国能源形势日趋严峻。
我国有大量低温余热资源没有得到有效利用，包括太阳能、地热能、工业余热等低温余热资源。
以工业余热为例，我国工业能耗的50%左右没有得到利用，而是通过各种形式的余热直接排放。
导致严重的能源和环境问题。
在低温余热的研究中，学者发现，余热发电不仅可以实现余热资源的循环利用，而且有利于环境保护。
现有的回收技术对低温余热资源回收率较低。
因此，提出了有机朗肯循环低温余热发电（ORC）技术，以实现低温余热的有效利用，并提高能源利用率，改善环境问题，具有显著的社会效益和经济效益。
介绍了有机朗肯循环发电的原理，有机工质、膨胀机、工质泵和换热器的优选，以及ORC余热发电技术的发展前景。
关键词：有机朗肯循环;低温余热回收;利用率;膨胀机的优选中图分类号：TB ; ; 文献标识码：A ; ; ;doi：10.19311/ki.1672-3198.2020.09.0950 引言我国低温余热资源丰富，其中工业余热资源可回收率高达60%，尤其是在钢铁、化工、石油与石化等行业。
目前，我国余热资源回收利用率较低，大型钢铁企业余热利用率最高仅为50%，提高余热利用率的潜力较大。
1 有机朗肯循环发电系统简介有机朗肯循环发电系统（Organic Rankine Cycle，简称ORC）主要由换热器、膨胀机、发电机和工质泵四部分组成。
有机工质从蒸发器的余热中吸收热量，产生具有一定压力和溫度的蒸气。
推动膨胀机运转，推动发电机发电。
膨胀机排出的废气将热量释放到冷凝器的冷却水中，冷凝成液态，最后在工质泵的帮助下返回换热器，完成一个热力循环，从而实现对低温余热的回收利用。
图1所示为ORC低温余热发电系统示意图。
1.1 低温余热资源简介低温余热资源是指企业在生产过程中产生的热量没有得到有效利用。
它具有分散性强、形式多样、产业分布不均、资源质量差异大等特点。
螺杆膨胀发电机原理
螺杆膨胀发电机原理螺杆膨胀发电机是一种新型的低温热能转换设备，通过利用液态工质在物质相变（蒸发和凝结）时所释放的能量来产生电力。
它具有高效能、低噪音、环保等优点，被广泛应用于能源转换领域。
本文将介绍螺杆膨胀发电机的原理以及其工作过程。
螺杆膨胀发电机基本原理可以用以下步骤来描述：压缩、膨胀、再压缩和再膨胀。
首先，输送泵将液态工质（例如液态丁烷）从蓄热器中抽取并进行压缩。
在压缩过程中，液态工质的温度会显著升高，达到高压状态。
接下来，高温、高压的液态工质进入膨胀机，与与之密封接触的螺杆进行热交换。
螺杆表面采用散热片设计，与冷却剂接触后立即进行蒸发。
当液态工质与散热器的壁面接触时，它会发生相变，从液态转变成气态。
在这个过程中，液态工质会释放大量的热量，从而驱动螺杆旋转。
然后，螺杆将气态工质输送到再压缩器中，再次进行压缩。
在这个过程中，气态工质的温度继续上升。
最后，再膨胀器负责将再压缩的气态工质释放到低压状态，从而再次膨胀。
与之前的膨胀过程类似，工质再次发生相变，从气态转变为液态。
这一过程中释放的热量会继续驱动螺杆旋转。
螺杆膨胀发电机原理的核心是螺杆旋转运动的热力机制。
在螺杆运动的过程中，高温、高压的气态工质的相变释放的热量将螺杆带动旋转。
通过与发电机的连接，螺杆的旋转运动可以转化为电能输出。
螺杆膨胀发电机具有多种优点。
首先，它可以利用低温热能进行发电转换，比如工业废热、地热能等。
这种可再生能源的利用不仅有助于降低能源消耗，还能减少对环境的负面影响。
其次，螺杆膨胀发电机的工作过程相对安静，没有明显的噪音污染。
此外，螺杆膨胀发电机的结构简单、可靠性高，且具有较长的使用寿命。
尽管螺杆膨胀发电机具有许多潜在的优势，但也存在一些挑战需要克服。
首先，螺杆膨胀发电机的效率受到液态工质的选择和热损失的影响。
因此，工程师需要在设计和优化过程中考虑这些因素，以提高发电效率。
同时，螺杆膨胀发电机的大规模应用还需要进一步的技术支持和经济可行性的评估。
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成了有机工质循环螺杆膨胀机的热力循环研究、
有机工质应用研究、装置结构研究和系统优化配 置研究等项工作，并取得了一定的技术成果。
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有机工质循环螺杆膨胀机系统
对于低于250℃的低温低压（或常压）余热 热源，不能直接利用螺杆膨胀机作功，要先 用低温余热与有机工质进行热交换，再将有 机工质引入螺杆膨胀机作功。整个系统主要
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结构简图
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螺杆膨胀机的工作原理
作功介质先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆 转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐 渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪 蒸）做功，最后从齿槽E排出，功率从主轴阳螺 杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱 动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。
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（4）螺杆膨胀机运行不用盘车、不暖机、不会飞车，可 以直接冲转启动，操作简单，可实现无人职守，维修 容易，不需要专门的专业技术人员，很适合工矿企业 使用； （5）螺杆膨胀机的零部件少。螺杆转子坚固，大修周期 长，小修简单，运行维护费用很低； （6）可调速，作为动力机使用，如拖动给水泵或灰浆水 泵，拖动风机，压缩机可以根据要求灵活变速，使用 方便。
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螺杆膨胀机的研究状况
七十年代末，美国研制出利用地热水发电的汽 水两相螺杆膨胀机，功率60KW。八十年代后期美 国完成一台1000KW地热水发电螺杆膨胀机，随后 ，日本北海道大学进行了氟利昂汽液两相螺杆膨 胀机的试验，80年代后期，日本进行了工业锅炉 饱和蒸汽螺杆膨胀机压差发电研究，功率102KW。 近年来，美国，以色列，瑞典都有相关研究报导 。
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螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点
（1）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及 （带压）热水的动力机械，可以回收不同种类的工业余 热； （2）螺杆膨胀机还适用于高盐份的强碱流体，能除垢自洁 ，而且结垢有利于提高机器效率，因而对余热流体品质 要求不高，扩大了应用范围； （3）当余热热源不稳定，参数变化时，机组效率表现稳定 。螺杆膨胀机允许热源压力、流量在大范围内波动，对 机组效率影响不大；螺杆膨胀机为容积式工作原理机， 机内流速低，除泄漏损失外，很少其他损失，机组效率 较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。
由蒸发器、螺杆膨胀机、冷凝器、工质泵等
设备组成。
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有机工质循环螺杆膨胀机发电系统简图
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பைடு நூலகம்
有机工质螺杆膨胀机系统的设计
有机工质循环螺杆膨胀机的热力系统设计 （包括系统热力参数的确定、工质选择、热 交换器设计等）。会直接影响系统的运行效 率。
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螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间， 恰好弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。另外 ，蒸汽轮机的蒸汽只能是过热蒸汽和饱和蒸汽，而对 于<250℃的余热回收，利用有机工质循环螺杆膨胀机 系统是有效的选择方案之一。同时，这一系统还可以 用到太阳能、地热能等中低温可再生能源发电项目中 去。因此，有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余 热回收利用，应当有广阔的技术发展空间。
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循环系统热力参数确定
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我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪80年代。
天津大学热能系在1987年研制成功汽液两相地热
螺杆膨胀机发电装置 (功率为5kw)。此后，对螺
杆膨胀机进行了系统的理论和试验研究。近年来
，由于节能减排的需求，在前期研究基础上，完
螺杆膨胀机的技术特点 研究状况
有机工质螺杆膨胀机系统的设计 经济效益和环境效益 总结
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技术应用背景
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中能源为 排在首位的重点领域，工业节能又是该领域的优先 主题，余热余压利用工程是中国《节能中长期发展 专项规划》中的十大重点节能工程之一。在我国化 工、冶金、纺织、建材、电力、医药等各工业领域 存在着大量的余热，但有些余热规模较小，温度较 低（<250℃），难以采用常规发电技术进行余热回 收发电。利用有机工质循环（也称为双循环）的螺 杆膨胀机来回收余热进行发电或输出动力，是解决 这个问题的一条途径。
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螺杆膨胀机的基本构造
螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的 双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机 基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承 、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成 ，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形 ，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋 形阴、阳转子平行地置于气缸中。
余热回收再利用技术与产业发展研讨会
有机工质循环螺杆膨胀机 低温余热发电系统
天津大学机械工程学院热能工程系 李惟毅 liwy@ 2010.12.12
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技术应用背景介绍
螺杆膨胀机的构造和工作原理