中低温热能发电技术的热力学对比分析

中低温热能的发电利用是太阳能、地热能转换利用及工业余热资源回收的重要方式。首先从热源温度、循环方式及技术特点出发,对典型的几种热功转换循环方式进行了分析,并且基于热源温度和装机容量的划分归纳出了各个循环适用定位,同时指出了对于350℃温度以下中低温热能,适合采用ORC和Kalina循环。最后从热力学分析角度,分析了两种循环下不同压力范围下,膨胀机入口温度与循环热效率之间的关系,得出ORC更适合于工业余热、太阳能等中低温热能的转换利用。

热泵技术在中低温热能生产中的减碳效益

未来能源中绿电比例越来越高,末端用能向电气化转变,热泵作为电制热最有效的方式,将成为供热领域实现碳中和的可靠路径。本文通过碳排放因子法对热泵技术在建筑、工业和农业等中低温热能生产中的减碳效益进行定量分析。结果表明,在热泵高增速情景下,2060年建筑供暖和热水供应、工业中低温用热和农业环境调控减碳总量为25.06亿t,相对于当前减排65%。潜在减排量中热泵减排量达14.53亿t,相当于现阶段我国碳排放总量的14.7%,电力端和需求侧减排量分别为3.44亿t和5.67亿t,另外建筑供暖中低碳或零碳热力规模扩大减排1.42亿t。随着技术进步,热泵将成为中低温供热领域替代化石能源、实现碳中和的必然选择。此外,虽相对电直热供热节电明显,但热泵高增速发展增加电网负荷,应积极利用合适场景的热泵应用对电网进行日调峰,实行“需求侧响应”的柔性用电。

中低温热能驱动的非共沸工质有机Rankine循环

有机Rankine循环(organic Rankine cycle, ORC)是目前实现200℃以下中低温热能高效热功转换的主流技术之一。非共沸工质可有效减少换热[火用]损,实现组元性能的优势互补,扩大工质遴选范围,正在成为ORC领域研究应用的新趋势。该文总结了作者团队在非共沸ORC系统优化设计、性能分析等方面的研究进展,并在常规非共沸工质ORC的基础上引入了双压蒸发循环以改善蒸发过程的温度匹配,显著减少换热[火用]损;引入分液冷凝方法提升了非共沸工质的冷凝换热性能,大幅降低系统成本。总体而言,非共沸工质可显著提升ORC系统的热力性能,分液冷凝方法又可有效解决其所需换热面积大、热经济性能差的缺陷;因此,非共沸工质在ORC系统中具有广阔的应用前景。

中低温太阳热能的甲醇重整制氢能量转换机理研究

通过甲醇-水蒸汽化学反应,本文提出中低温太阳热能与甲醇重整反应结合的制氢新方法,探讨了中低温太阳热能与甲醇重整制氢过程的能量转换机理,分析了不同压力条件下的水碳比、反应温度对中低温太阳热能-甲醇重整制氢的影响规律。研究结果表明：集热180～240℃的低品位太阳热能（品位为0.34～0.42）将能更好地与甲醇重整反应所需的品位相匹配。在反应压力为1×1.01325×10^5 Pa,反应产物中H_2浓度可有望达到72%～75%,中低温太阳热能转化为化学能占燃料化学能的份额可达12%。该研究为低能耗制取清洁燃料氢提供了一条新途径。

基于混合工质组分调节的热力循环构建研究进展

构建先进热力循环是提高能源转换效率的有效途径,基于非共沸混合工质的组分调节,有望通过协同提高多个热力过程的性能,实现高效热力循环的构建。循环构建方法是提出先进热力循环的基础,而组分调节技术是先进循环应用的保障,该文从以上两方面对相关研究进行综述。在循环构建方法中,热力循环三维构建方法提供通过组分调节实现各过程性能提升的思路,超结构构建方法与智能构建方法则可提供解决复杂循环设计与优化问题的途径。未来研究中可将多种构建方法结合,以获得更加有效可行的循环构建方法。在组分调节技术中,T形管与分液冷凝器更易于应用到实际循环中,但是依靠重力和惯性力的被动调节模式也限制了其组分调节范围,精馏塔与水合物可实现工质组分的主动调控,其组分调节能耗与循环能效提升需要在后续研究中进行综合权衡。

基于内置换热器有机闪蒸循环的热性能研究

构建了内置换热器有机闪蒸循环(internal heat exchanger organic flash cycle,IHE-OFC)系统模型,采用100~200℃地热水作为热源,以R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123作为循环工质。研究了IHE-OFC系统的热性能,并以净输出功率为目标函数,对系统进行了优化。结果表明:当热源温度≤160℃时,R601 IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度≥190℃时,R601传统OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为170℃时,R601a IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为180℃时,R601a传统OFC系统的净输出功率最大。此外,每一工质均存在一个特征温度,为工质的0.85Pcri所对应的温度与加热器夹点温差之和。且因工质特征温度的影响,IHE-OFC系统的最优闪蒸压力、IHE冷流体温升和系统效率随热源温度的升高而均呈先增大后不变的趋势。

不同工质对内置换热器有机朗肯循环系统热性能的影响

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)可实现中低温热能的有效利用,但其热利用效率仍可进一步提高,而内置换热器的使用可有效提高循环的热利用效率。因此,文章构建了内置换热器ORC系统的热力学模型。研究了当蒸发温度变化时,R600,R601a,R236ea,R245fa,R245ca,R123,R600a,R114和R142b对内置换热器ORC系统性能的影响,并比较了内置换热器ORC系统与传统ORC系统的净输出功率和热效率。结果表明:在最优蒸发温度下,采用R236ea的内置换热器ORC系统净输出功率大于其余工质,为32.40 kW,其比第二最大净输出功率R600a系统相对增大1.16%;采用R601a的内置换热器ORC系统的热效率最大。内置换热器ORC系统的最大净输出功率及热效率均较传统ORC系统显著增大。

几套大型冶炼烟气制酸装置转化系统设计实践

结合中国恩菲工程技术有限公司近几年来设计的几套产能为70万t/a左右的冶炼烟气制酸系统,简要介绍了转化系统的规模、工艺、主要设备等。转化系统工艺选择主要取决于冶炼工艺、冶炼烟气的稳定程度及SO2浓度的高低。从设计、制作安装、生产等方面看出,我国已具备建设大型冶炼烟气制酸转化系统的实力,个别关键设备的加工制造水平、材料的质量等尚需提升。

地热资源利用经济性分析

地热属于清洁能源,开发利用清洁能源是我国能源发展战略和政策的重要内容之一,也是实现“碳达峰、碳中和”目标的途径之一。我国自上世纪70年代起已经开始地热资源开发利用的研究,经过50多年的研究发展,中低温地热能得到一定的利用。本文介绍了地热资源的概况、地热资源利用的相关政策,根据华北油田地热资源利用实际,对地热资源利用进行了一定的经济性分析。

太阳能与LNG冷能耦合发电系统研究

基于能的梯级利用和品位提升原理,本文提出一种耦合太阳能和LNG冷能应用的新型燃气-氨水联合循环发电系统。该系统将中低温太阳热能间接转化为高品质电能,以氨水作为朗肯循环工质,并最大化地利用LNG冷能。从系统性能和节能潜力出发,该系统热力学第一定律效率达65%~75%,系统（火用）效率达56%~64%,均远高于常规天然气基联合循环,而引入中低温太阳热能、高温燃气新途径利用、氨水工质朗肯循环以及LNG冷能应用是系统性能提高的关键过程。本文为化石能源和可再生能源的综合互补应用提供了新思路。