低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)

前言

　　溫度在350％以下的低溫余熱普遍存在于建材、冶金、化工和輕工等工業(yè)過程中，對其實(shí)現(xiàn)高效回收利用具有重要意義。利用數(shù)量龐大的低溫余熱每發(fā)lkW.h電量，約可節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤及4kg水的消耗，減少約1.1kg的C02、S02及氮氧化物等物質(zhì)的排放，同時(shí)可減輕電廠大量用煤造成的沿線交通、運(yùn)輸及環(huán)境壓力，緩解電廠鍋爐灰渣的儲(chǔ)運(yùn)壓力。將低溫余熱所具有的熱能轉(zhuǎn)換為電能，是提高能源利用效率和降低環(huán)境污染的有效途徑。低溫余熱的熱一功（電）轉(zhuǎn)化技術(shù)主要有有機(jī)朗肯循環(huán)（organic. Rankinecycle，ORC）、斯特林循環(huán)、半導(dǎo)體熱電thermoelectric）材料溫差發(fā)電、氨一水混合工質(zhì)Kalina循環(huán)及熱聲（thermoacoustic）發(fā)電等。其中，半導(dǎo)體熱電材料溫差發(fā)電效率較低、造價(jià)高昂，且受材料性能的制約；理論上Kalina循環(huán)具有較高效率，但其構(gòu)成復(fù)雜，對系統(tǒng)密封性要求極高，尚需經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用結(jié)果的檢驗(yàn)。相比之下，由于空分等工藝的需要，目前，國際上對有機(jī)朗肯循環(huán)的心臟口口透平（或膨脹機(jī)）研究較為成熟，可采用向心透平、螺桿式、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式及渦旋式膨脹機(jī)等多種形式，輸出軸功率可小到1千瓦，大至數(shù)千千瓦。與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)相比，有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)不僅可簡化系統(tǒng)，而且能顯著提高發(fā)電效率。因此，采用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收低溫余熱是目前研究的熱點(diǎn)，也是未來低溫余熱回收利用的發(fā)展趨勢。　　據(jù)保守估計(jì)，每年我國國內(nèi)的ORC低溫余熱發(fā)電設(shè)備市場需求量至少在5×10~kWe左右，即意味著ORC技術(shù)每年有數(shù)千億元的國內(nèi)市場空間。鑒于低溫?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場空間，西方發(fā)達(dá)國家對ORC技術(shù)保密。目前，國際上一些較大的低溫余熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)商，如OMAT、WOW能源、GE油氣集團(tuán)及FREEPOWER等公司，已完成對我國大型冶金企業(yè)及石油化工企業(yè)低溫余熱資源的初步調(diào)查，準(zhǔn)備進(jìn)入我國廣闊的低溫余熱發(fā)電市場。因此，加快我國ORC技術(shù)的研究，提高我國低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)我國ORC設(shè)備制造及配套能力已刻不容緩。　　本書在全面介紹低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)原理及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，基于對余熱介質(zhì)及有機(jī)工質(zhì)物性計(jì)算方法的理論分析和工質(zhì)傳熱特性的研究，建立了低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的模擬和優(yōu)化模型，提出了較為完整的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對低溫余熱的高效回收利用和有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與設(shè)備制造具有一定意義。

內(nèi)容概要

　　低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)的原理、系統(tǒng)構(gòu)成、性能模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，內(nèi)容包括：低溫余熱發(fā)電技術(shù)的概述、有機(jī)朗肯循環(huán)的原理及熱力學(xué)特性、有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性計(jì)算方法、循環(huán)工質(zhì)的換熱計(jì)算方法、低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)的模擬方法、有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。此外，《低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)》還介紹了有機(jī)朗肯循環(huán)在生物質(zhì)發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)、太陽能發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)、海水淡化、海洋溫差發(fā)電方面的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)概述了用于低溫余熱發(fā)電的半導(dǎo)體溫差發(fā)電、斯特林循環(huán)、氨-水混合工質(zhì)Kalina循環(huán)技術(shù)。　　《低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)》可供電力、暖通、空調(diào)和熱工等專業(yè)的高等院校師生及研究人員、工程技術(shù)人員、管理人員等參考。

作者簡介

　　王華，1965年生。工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師。1996年獲昆明理工大學(xué)有色冶金專業(yè)博士學(xué)位，1998-2000年在日本京都大學(xué)能源學(xué)院從事博士后研究，現(xiàn)任昆明理工大學(xué)副校長，兼任中國有色金屬學(xué)會(huì)理事、中國金屬學(xué)會(huì)能源與熱工學(xué)會(huì)理事、中國能源學(xué)會(huì)理事、云南省自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事長、云南省金屬學(xué)會(huì)理事、云南省熱工熱能學(xué)術(shù)委員會(huì)主任委員等，是云南省有突出貢獻(xiàn)的中青年專家，云南省技術(shù)與學(xué)術(shù)帶頭人，并入選“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級(jí)人選?！　∠群髽s獲部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)10項(xiàng)，獲國家專利授權(quán)38項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，出版專著13部。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 低溫余熱發(fā)電的現(xiàn)狀1.1.1 水泥窯爐低溫余熱發(fā)電1.1.2 干熄焦余熱發(fā)電1.1.3 燒結(jié)低溫余熱發(fā)電1.2 低溫余熱熱力發(fā)電的主要技術(shù)1.2.1 低溫余熱發(fā)電的兩種主要熱力循環(huán)1.2.2 利用LNG冷能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電1.3 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀1.4 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)研究的意義第2章 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)原理及一般特性2.1 低溫余熱的特性2.1.1 余熱介質(zhì)物性參數(shù)的計(jì)算方法2.1.2 余熱所具有的能量2.1.3 低溫余熱煙氣的腐蝕性2.2 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)的原理與組成2.2.1 有機(jī)朗肯循環(huán)的原理與組成2.2.2 純工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)的類型2.2.3 低沸點(diǎn)混合工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)2.3 有機(jī)朗肯循環(huán)中余熱鍋爐的類型與特點(diǎn)2.3.1 有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐的類型2.3.2 有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐的主要特點(diǎn)2.4 有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐的一般熱力特性2.5 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的冷端形式2.6 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)炯分析2.6.1 損失分布2.6.2 效率第3章 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性3.1 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇原則3.2 純工質(zhì)熱力性質(zhì)計(jì)算方法.3.2.1 PR狀態(tài)方程3.2.2 純工質(zhì)導(dǎo)出參數(shù)的熱力學(xué)關(guān)系式3.2.3 PR狀態(tài)方程求解及氣液相平衡計(jì)算3.3 混合工質(zhì)熱力性質(zhì)計(jì)算方法..3.3.1 混合工質(zhì)PR狀態(tài)方程及混合規(guī)則3.3.2 混合工質(zhì)比摩爾焓、比摩爾熵及組元逸度系數(shù)計(jì)算3.3.3 混合工質(zhì)氣液相平衡的計(jì)算3.4 工質(zhì)遷移性質(zhì)的計(jì)算方法3.4.1 動(dòng)力黏度的計(jì)算3.4.2 導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算3.5 表面張力的計(jì)算第4章 有機(jī)工質(zhì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱.4.1 管內(nèi)流動(dòng)加熱的換熱過程4.2 有機(jī)工質(zhì)管內(nèi)對流換熱4.2.1 單相流體管內(nèi)強(qiáng)制對流換熱關(guān)聯(lián)式4.2.2 管內(nèi)過冷沸騰換熱關(guān)聯(lián)式4.2.3 管內(nèi)飽和氣泡狀沸騰換熱和兩相強(qiáng)制對流換熱關(guān)聯(lián)式4.2.4 管內(nèi)濕蒸氣強(qiáng)制對流換熱關(guān)聯(lián)式4.3 有機(jī)工質(zhì)管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)研究4.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置4.3.3 實(shí)驗(yàn)原理4.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析第5章 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)模擬5.1 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)流程5.2 低溫余熱發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)模擬5.2.1 模擬模型5.2.2 系統(tǒng)獨(dú)立變量（自由度）的確定5.2.3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析第6章 有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法6.1 單目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型6.2 單目標(biāo)優(yōu)化方法6.2.1 系統(tǒng)凈輸出功率或總炯損評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化法6.2.2 單位換熱面積輸出功率評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化法6.2.3 換熱設(shè)備緊湊性評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化法6.2.4 余熱鍋爐單位容積輸出功率評價(jià)指標(biāo)優(yōu)化法6.3 多目標(biāo)優(yōu)化方法6.3.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型6.3.2 優(yōu)化結(jié)果及分析6.4 炯經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方法6.4.1 年度化總成本最小優(yōu)化法6.4.2 年度化凈利潤最大優(yōu)化法6.4.3 單位成本凈利潤最大優(yōu)化法結(jié)束語參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1.3 燒結(jié)低溫余熱發(fā)電　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵生產(chǎn)流程中燒結(jié)工序能耗差不多占整個(gè)流程能耗的近10％。燒結(jié)過程中約50％的能量被燒結(jié)煙氣和冷卻機(jī)排放的廢氣帶走。利用燒結(jié)機(jī)尾紅礦的顯熱（溫度為700～800℃）可將冷卻機(jī)中的冷空氣加熱到300～400％：后進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電?！　∧壳埃瑖鴥?nèi)僅有部分大型燒結(jié)廠設(shè)置了燒結(jié)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，如昆鋼（昆明鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）、太鋼（太原鋼鐵集團(tuán)有限公司）、濟(jì)鋼（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司）、馬鋼、興澄特鋼（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）等先后設(shè)置了燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電容量均在9000kW以內(nèi)?！　臒Y(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)投產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行的情況看，一方面，由于燒結(jié)過程中的不穩(wěn)定因素導(dǎo)致余熱鍋爐人口處的煙氣溫度波動(dòng)幅度較大；另一方面，由于冷卻機(jī)的鼓風(fēng)量與余熱鍋爐引風(fēng)量不匹配、冷卻機(jī)和煙罩接口密封不嚴(yán)以及在余熱鍋爐入口處的煙氣溫度較低等原因，導(dǎo)致所產(chǎn)蒸汽壓力、溫度參數(shù)不能滿足汽輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，進(jìn)而導(dǎo)致余熱發(fā)電機(jī)組頻繁停機(jī)，機(jī)組按設(shè)計(jì)滿負(fù)荷運(yùn)行率偏低?！　?.2 低溫余熱熱力發(fā)電的主要技術(shù)　　一般將某工藝生產(chǎn)過程中無法回收利用而排放的熱能統(tǒng)稱為余熱或者廢熱。嚴(yán)格地按熱力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域分類，低溫余熱發(fā)電屬于低溫?zé)崮軣崃Πl(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。除工業(yè)過程中排放的大量低溫余熱外，尚有更大數(shù)量可以利用的低溫?zé)崮?，如地?zé)崮?、低溫太陽能、海洋溫差能、液化天然氣（LNG）冷能等清潔型熱能資源。通過低溫?zé)崮軣崃Πl(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換便能為人類提供數(shù)量可觀的高品位電能，同時(shí)對環(huán)境無任何污染。因此，低溫?zé)崮軣崃Πl(fā)電技術(shù)的研究和進(jìn)步對人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義?！　?.2.1 低溫余熱發(fā)電的兩種主要熱力循環(huán)　　低溫余熱發(fā)電的熱力循環(huán)主要分為水蒸氣朗肯循環(huán)及有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）兩大類，這兩大類循環(huán)的主要區(qū)別在于：　　第一，水蒸氣朗肯循環(huán)采用水為工質(zhì)，水在余熱鍋爐中吸熱產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功輸出電力；而有機(jī)朗肯循環(huán)采用低沸點(diǎn)工質(zhì)吸收余熱介質(zhì)的熱量汽化，進(jìn)人透平膨脹做功，完成熱一電轉(zhuǎn)化。

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