摘要

中低温余热 (100℃~500℃) 占工业余热资源总量的 60% 以上，但由于其能量密度低、回收难度大，目前利用率不足 30%。本文重点介绍了有机朗肯循环 (ORC)、卡琳娜循环和超临界 CO₂循环三种主流的中低温余热发电技术，详细分析了它们的工作原理、技术特点、性能指标和适用场景，并结合实际应用案例，探讨了不同技术的经济性和发展前景。研究表明，ORC 技术是目前最成熟、应用最广泛的中低温余热发电技术，而超临界 CO₂循环则具有更高的热效率和发展潜力。

一、引言

随着全球能源危机和气候变化问题的日益严峻，提高能源利用效率已成为世界各国的共同选择。工业生产过程中产生的大量中低温余热，由于其温度低、能量密度小，传统的蒸汽朗肯循环难以有效回收，大部分被直接排放到环境中。

据统计，我国工业领域中低温余热资源量约为 9.5 亿吨标准煤，可回收利用的约为 3.8 亿吨标准煤。如果将这些余热资源转化为电能，每年可发电约 1.05 万亿 kWh，相当于 10.5 个三峡电站的年发电量，可满足全国约 15% 的工业用电需求。因此，发展高效的中低温余热发电技术，对于我国实现节能降碳目标具有重要意义。

二、有机朗肯循环 (ORC) 技术

2.1 工作原理

有机朗肯循环与传统的蒸汽朗肯循环工作原理基本相同，只是采用低沸点的有机物作为工质。其工作过程包括四个主要阶段：

1. 等压蒸发：工质在蒸发器中吸收余热，蒸发成高压饱和蒸汽或过热蒸汽

2. 等熵膨胀：高压蒸汽推动透平膨胀做功，带动发电机发电

3. 等压冷凝：做功后的低压蒸汽进入冷凝器，被冷却水冷却成液体

4. 等熵压缩：工质泵将冷凝后的液体加压，送入蒸发器，完成循环

2.2 技术特点

• 适用温度范围广：可利用 80℃~300℃的中低温余热，特别适合于工业烟气、循环冷却水等低品位余热的回收

• 系统简单可靠：无需除氧、水处理等复杂辅助系统，设备数量少，运行维护简单

• 自动化程度高：可实现无人值守运行，启停方便，适应负荷变化能力强

• 部分负荷性能好：在 30%~100% 负荷范围内都能高效运行，当余热资源波动时，系统仍能保持较高的发电效率

2.3 工质选择

工质的选择是 ORC 系统设计的关键，直接影响系统的热效率、安全性和环境影响。理想的 ORC 工质应具有以下特性：

• 适当的沸点和临界参数，在工作温度范围内具有良好的热力学性能

• 良好的热稳定性和化学稳定性，在高温下不分解

• 低毒性、不可燃、无腐蚀性，对设备和人体安全

• 环境友好，ODP=0，GWP 值低

目前常用的 ORC 工质包括 R245fa、R134a、R1233zd (E) 等。其中，R1233zd (E) 由于其优异的热力学性能和环境特性 (GWP=1)，正逐渐成为主流工质，预计到 2030 年将占据 ORC 工质市场的 60% 以上。

2.4 技术进展

近年来，ORC 技术取得了显著进展：

• 高效透平技术：向心式透平的效率已达到 85% 以上，轴流式透平的效率已达到 90% 以上

• 回热技术：采用回热器回收透平排气的余热，可使系统热效率提高 5%~10%

• 多级膨胀技术：采用多级膨胀和中间再热，可使系统热效率提高 10%~15%

• 模块化设计：ORC 系统已实现模块化生产，安装周期缩短了 50% 以上，投资成本降低了 20% 左右

2.5 应用案例

案例 1：某钢铁厂烧结机冷却机废气温度约为 150℃~250℃，废气量约为 30 万 m³/h。采用 2MW ORC 发电系统后，年发电量约为 1400 万 kWh，年节约标准煤约 4500 吨，年减少二氧化碳排放约 12000 吨，投资回收期约为 4 年。

案例 2：某化工厂精馏塔塔顶蒸汽温度约为 120℃，蒸汽量约为 10t/h。采用 1MW ORC 发电系统后，年发电量约为 700 万 kWh，年节约标准煤约 2250 吨，年减少二氧化碳排放约 6000 吨，投资回收期约为 3.5 年。

三、卡琳娜循环技术

3.1 工作原理

卡琳娜循环是由俄罗斯科学家卡琳娜于 1983 年提出的一种新型动力循环，它采用氨 - 水混合物作为工质。由于氨 - 水混合物的沸点是变化的，在蒸发和冷凝过程中温度可以与热源和冷源更好地匹配，从而减少传热温差损失，提高循环热效率。

卡琳娜循环的工作过程比 ORC 循环复杂，主要包括蒸发、膨胀、冷凝、精馏、回热等多个阶段。通过精馏过程，可以调节工质的浓度，使系统在不同的热源温度下都能保持较高的效率。

3.2 技术特点

• 热效率高：比同温度下的 ORC 循环高 10%~20%，在 200℃450℃的温度范围内优势明显

• 适用温度范围宽：可利用 100℃~450℃的余热资源

• 对热源温度变化适应性强：在热源温度波动较大时仍能保持较高效率，特别适合于工业生产过程中不稳定的余热资源

3.3 存在的问题

• 系统复杂：需要精馏、回热等复杂的辅助设备，设备数量比 ORC 系统多 30% 以上

• 投资成本高：比 ORC 系统高 30%~50%，主要是由于设备复杂和材料要求高

• 运行维护难度大：氨具有毒性和腐蚀性，对系统密封要求高，运行维护需要专业技术人员

3.4 应用现状

卡琳娜循环技术目前仍处于示范应用阶段。我国在 2010 年建成了第一座 1MW 卡琳娜循环余热发电示范电站，运行情况良好。2022 年，我国在山西建成了世界上最大的 10MW 卡琳娜循环余热发电示范电站，该电站利用钢铁厂的烧结余热发电，热效率达到了 22%，比同规模的 ORC 电站高 15%。

四、超临界 CO₂循环技术

4.1 工作原理

超临界 CO₂循环是以超临界状态的 CO₂作为工质的动力循环。当 CO₂的温度和压力超过其临界点 (31.1℃，7.38MPa) 时，它既具有气体的低粘度，又具有液体的高密度，具有优异的传热和流动特性。

超临界 CO₂循环的工作过程与蒸汽朗肯循环类似，包括压缩、加热、膨胀和冷却四个阶段。由于 CO₂在超临界状态下的比热大，传热系数高，因此系统的热效率高，设备体积小。

4.2 技术特点

• 热效率高：在 500℃以上的温度下，热效率比蒸汽循环高 5%~10%；在 300℃~500℃的中温范围内，热效率也比 ORC 循环高 5%~8%

• 设备体积小：透平尺寸仅为蒸汽透平的 1/10 左右，整个系统的占地面积比同规模的蒸汽电站小 60% 以上

• 系统简单：无需除氧、水处理等复杂辅助系统，设备数量少，运行维护简单

• 环境友好：CO₂无毒、不可燃、来源广泛，ODP=0，GWP=1

4.3 发展现状

超临界 CO₂循环技术是目前国际上的研究热点。美国、欧盟、日本等发达国家都在大力研发这项技术。美国能源部计划在 2030 年前建成 100MW 级的超临界 CO₂发电示范电站。我国也在 "十四五" 期间将超临界 CO₂发电技术列为重点研发方向。

五、三种技术的对比分析

六、结论与展望

中低温余热发电技术是回收工业余热资源的重要手段。目前，ORC 技术已经成熟，是中低温余热发电的首选技术，特别是在 100℃~300℃的温度范围内具有明显优势；卡琳娜循环虽然热效率更高，但系统复杂、投资成本高，仍需进一步改进和完善；超临界 CO₂循环具有广阔的发展前景，是未来中高温余热发电的重要发展方向。

未来，中低温余热发电技术将朝着以下方向发展：

1. 提高系统热效率，降低投资成本。通过优化系统设计、采用新型材料和先进制造技术，进一步提高系统的热效率，降低单位投资成本。

2. 开发新型环保工质。研发 ODP=0、GWP 值低、热力学性能优异的新型工质，满足环保要求。

3. 发展模块化、标准化的系统设计。实现中低温余热发电系统的模块化和标准化生产，缩短安装周期，降低建设成本。

4. 推进与储能技术的结合。将中低温余热发电与相变储能、热化学储能等技术相结合，解决余热资源间歇性问题，提高发电的稳定性和可靠性。

5. 实现智能化运行和管理。利用工业互联网、大数据、人工智能等技术，实现中低温余热发电系统的智能化运行和管理，提高系统的运行效率和可靠性。