工业余热回收

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余热发电新技术

典型的余热发电是将锅炉余热产生的机械能驱动发电机,虽然余热发电循环已经很成熟,但是从热能直接产生电能的新技术还在不断的开发中,例如热电和压电技术,谈到余热产生电能,必须考虑的一个重要的因素是不同温度对余热发电的限制,余热发电效率很大程度上依赖于余热源的温度。一般情况下,余热发电局限于中温至高温的余热源中,然而,新的循环的发明使得低温余热发电变为可行,虽然其能效比不高,但是由于大量的低温余热源的存在,使得该技术也得到了很大程度的发展。表1总结了不同的发电技术。


热转化技术

温度范围

典型余热源

资本投入

传统蒸汽循环

中、高温

燃气涡轮机、往复式发电机、焚烧炉、燃烧炉等废气。

1100~1400/kW

卡林那循环

低、中温

燃气轮机、锅炉及水泥窑的废气

1100~1500/kW

有机朗肯循环

低、中温

燃气轮机、锅炉、水泥窑废气,加热水

1500~3500/kW

热电发电

-高温

在工业中尚未有应用

20000~300000/kW

压电发电

低温

在工业中尚未有应用

10000000/kW

热光伏

-高温

在工业中尚未有应用

不适合


1.机械能发电

1.1蒸汽朗肯循环

这是最为常用的蒸汽驱动汽轮机产生电能的方式,其工作原理如图1所示,这种传统的朗肯循环在340~370℃温度以上的工况运行效率很高,在这温度以下,其效率低下,因为低温蒸汽需要非常笨重的设备,另外低温无法提供足够的能量以产生过热蒸汽,过热蒸汽能有效的防止蒸汽冷凝和对汽轮机叶片的腐蚀。

因此,低温余热回收对于有机朗肯循环和卡林那循环来说非常适用,这些循环利用低沸点温度的流体作为工作介质。


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朗肯循环示意图

1.2有机朗肯循环

有机朗肯循环其运行与蒸汽朗肯循环非常相似,但是利用有机介质作为循环介质,其有机介质包括硅油、丙烷、卤代烷、异戊烷、异丁烷和甲苯,这些介质其沸点比水低而蒸汽压比水高,这使得朗肯循环可以应用于低温余热回收的场合,甚至应用于66℃低温场合。

有机朗肯循环的应用非常依赖于循环介质的种类,其介质的热力学性质会影响循环的回收效率。相对于水蒸气,有机朗肯循环其分子质量流量大,这使得其结构紧凑,更高的涡轮机效率(80~85%)。然而由于其循环应用于低温工况,其整体效率约为10~20%,这取决于冷凝器和蒸发器温度, 虽然其效率远比高温蒸汽发电厂的效率(30~40%)低,其运行的可行性可以通过卡诺效率来衡量,一个卡诺热机在热源温度150℃,冷却温度25℃的工况下效率才30%,所以从这点说10~20%的效率是理论效率,相对于其他低温余热发电,如压力发电才1%,其效率已经相对可观了。

有机朗肯循环发电技术是相对较新的技术,到1984年全球仅30家工厂应用这种技术,其应用包括太阳能、地热能及余热发电。根据《分布式能源》杂志一篇文章介绍,该技术对于余热回收是非常有优势的,这可以充分的应用在低温至中温的热源流体中。最近一个安装实例是在德国巴伐利亚的一个水泥厂中,应用水泥熟料冷却机的500℃烟气进行余热发电,其满足该工厂12%的电力需求,降低了约为7000吨的二氧化碳排量。虽然根据具体应用情况,有机朗肯循环余热回收的经济型需要通过仔细的研究分析,但是它必将成为当热量没法本地消化时的工厂余热回收的可选方案之一。

1.3 卡林那循环

卡林那循环相对于朗肯循环的一个变化是采用氨和水的混合物作为工作介质。单流体循环与应用二元流体的区别是冷凝和蒸发的温度曲线,对于单流体循环(例如蒸汽或有机循环),在沸腾时其温度是常数,作为能量传递介质(如水),水温的缓慢的上升到沸腾温度,然后温度恒定在某一点直至水全部蒸发。而相反的是,二元混合工质水和氨的混合物(各自具有不同的沸点)在蒸发过程中,其温度会不断的升高,这允许更好地热匹配余热源与凝汽器的冷却介质。因此,这些系统实现显著提高能源使用效率。

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卡林那循环安装实例

2.直接电力转换设备

传统的发电循环是将热转化成机械能,然后由机械能再转换成电能,而一种新的技术是直接将热能转换成电能,这技术包括热电、热离子发电和压电发电。现在虽然还没有实际的工业发电实例采用该发电技术,但是经过一些车辆余热回收的实验已经证明该方式的可行性。


2.1热电发电

热电材料是一种在温度变化时即可产生电能的半导体固体材料,这种系统基于一种叫塞贝克效应的现象:当两种不同的半导体固体材料接触到热源和冷却源时,在两个半导体材料间便会产生电压,相反这类半导体材料也可以通过电能进行加热或是冷却。热电材料早在1821年就被人们所发现,但是其受到效率和高昂的成本所限制,大部分热电材料的效率仅2~5%,这种材料仅应用于宇宙飞船等一些特殊的情况下,然而纳米技术的发展使得热电材料的效率达到了15%甚至更高。

最近由PNNL和BCS联合对热电发电在工业余热回收中的应用进行了考察和研究,该研究表明先进的热电材料适合于大流量中高温烟气余热回收中,其中玻璃和金属的熔化炉就可以应用该技术。但是要应用该技术,必须将热电发电的电价从现在的$30/瓦降至$5/瓦,为了达到这一目标,必须开发低成本、高容量的热电材料。同时,维持热电机组高温差是一个巨大的挑战,为获取高传热效率,必须要有高效紧凑的换热器

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图3 热电发电单元

2.2 压电发电

压电发电是另一种可应用于100~150℃低温余热回收的方式,压电装置将能量转化为振动机械能从而产生电能,压电薄膜可以通过气体的膨胀产生电能,最近研究表明对于压电发电技术的应用还存在着以下挑战:

l  低效率:压电发电目前的效率只能达到约1%,其主要难度在于难以获取足够的振荡频率,目前的设备运行频率约100Hz,而理想的频率是1000Hz

l  高内阻

l  液体/蒸汽室内复杂的震荡流体形态

l  需要更长期的稳定性和耐久性

l  高成本($10,000/瓦)

虽然目前压电发电的效率非常低,但是通过压电级联其效率可以达到10%,另外非常关键的问题是压电发电设备的制造成本以及换热器的设计,其换热器的设计必须满足高传热效率以及相对较小温差。

2.3热离子发电

热离子发电装置与热电发电装置类似,然而热电发电是根据塞贝克现象,而热离子发电是通过热离子放射。在这些系统中温差驱使电子通过真空从金属表面流动到金属氧化物表面,这种系统的缺点是其应用于高于1000℃的场合,然而近年的研究使得其可以应用于100~300℃工况。

2.4 热光伏发电

热光伏发电可以将放射能转化能电能,这个系统包括热源、发射器、辐射筛选器和太阳能电池,当发射器被加热时,它会发出电磁波辐射,而太阳能电池板将此辐射转化成电能,辐射筛选器用于过滤那些不适合于太阳能电池板的辐射波,并将这些波能量反射回发射器。这种系统为余热回收提供了新的选择,在直升机的燃气涡轮机上已经试验过该系统的小型原型机。





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