超低温余热发电技术

摘要： 余热发电是工业余热利用的重要途径之一，市场前景广阔。适用于 90℃以上余热的有机朗肯循环发电技术（ORC）已经成熟并推广应用，而90℃以下的超低温余热发电技术尚在实验室研究验证中。

工业生产存在巨大的余热排放，余热回收再利用是降低生产能耗、提高企业效益的重要途径。工业余热常见的利用技术有制蒸汽、供暖、发电等。其中，余热制蒸汽需要有对应的工艺消纳产生的蒸汽，余热供暖只能在冬季运行，这两种方式都存在一定的局限性。余热发电可以全年运行，电力消纳也有保障，局限性小，适用性强。

按照余热温度不同，余热发电技术可以分为三种：一种是 150 ℃以上的余热（烟气温度 200 ℃以上），可以换热生成压力足够大的蒸汽，再进入汽轮机发电，属于常规技术；一种是 90-150 ℃的低温余热（烟气温度 200 ℃以下），可以采用有机朗肯循环（ ORC ）发电，是比较成熟的节能新技术；一种是 90 ℃以下的超低温余热，可以采用吸收 / 吸附式发电，目前仍处于实验室研究阶段。

发电领域的超低温余热一般指 90 ℃以下，特别是 70 ℃以下热量。在这种参数下，找不到具备良好蒸发冷凝特性的有机工质，不能在膨胀机前后形成较大压差做功发电。因此，超低温余热无法进行朗肯循环发电。

超低温余热发电技术的相关研究较多，但都处于实验室阶段。其中吸收 / 吸附式发电技术的结构简单，主要技术已经在吸收 / 吸附式制冷机中验证，可行性较高。

从下图可以看出，有机朗肯循环发电流程与压缩式制冷流程非常相似，如果将膨胀机改为压缩机，加压的工质泵改为减压的节流阀，向外发电改为输入电能，有机朗肯循环就变成了制冷循环。吸收 / 吸附式发电技术也与吸收 / 吸附式制冷流程相似。

吸收 / 吸附式超低温余热发电技术采用具有吸水性的溶液作为内部工质，利用余热源和冷却水的温度差形成溶液浓度差，再利用纳米半透膜的单向渗透特性，将密闭容器的一侧加压，产生动力推动水轮机转动发电。本质上说，吸收式发电和吸附式发电均属于同一种技术，只是溶液再生阶段的方式略有不同。下面以吸收式发电循环为例进行说明。

吸收式发电循环包括发生器、冷凝器、溶液箱、冷剂箱、水轮机及发电机、溶液换热器等部件。系统内部是真空状态，填注具有吸水性的盐水溶液。

发生器与冷凝器在一个密闭腔体内，中间通过挡液装置连通，水蒸气可以通过，液滴无法通过；溶液箱和冷剂箱在一个密闭腔体内，中间通过纳米半透膜隔离，纳米半透膜具有选择性渗透功能，水分子可以通过，盐离子无法通过。

吸收式发电循环如下：发生器内稀溶液被余热加热浓缩，产生浓溶液和水蒸气；水蒸气经过挡液装置后进入冷凝器，与低温冷却水换热冷凝，凝结水进入冷剂箱；发生器产生的浓溶液经过溶液换热器，与低温稀溶液换热降温后进入溶液箱；溶液箱中的低温浓溶液具有很强的吸水性，可以通过纳米半透膜吸收冷剂箱的水形成稀溶液，溶液箱中液体体积增加，压力升高，但在纳米半透膜的阻挡下，溶液无法回到冷剂箱，维持了溶液箱的高压；稀溶液在压力下由两个通道流出，一路经过溶液换热器升温后回到发生器，另外一路经过水轮机做功发电后回到发生器；部分冷剂也会在冷剂泵加压下回到发生器，降低溶液浓度，促进低温余热下的溶液再生。

吸附式发电循环与吸收式发电循环类似，只是发生过程采用了吸附原理，利用低温吸附剂吸收水蒸气形成低压，溶液中的水蒸气蒸发，形成浓溶液；吸收了水蒸气的饱和吸附剂再被余热加热产生水蒸气，在冷凝器中形成液态水。其他过程与吸收式发电循环类似。可以看出，整体来说吸收式发电循环更简单，且相关部件已在吸收式热泵中进行广泛应用，可靠性高。

超低温余热驱动的吸收 / 吸附式发电技术还处于实验室阶段，尚无示范工程。从发电效率来说，去掉自用电，输出发电效率在 2-5% 之间，目前应用前景尚不明朗。工业余热应遵循能量梯级利用的原则，优先回收高温余热，超低温余热应尽量用于温度较低的用能领域，如供热、生活热水、工艺伴热等。用超低温余热产生高品位电能，效率较低，只有在其他余热充分利用的前提下才有用武之地。

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