向心涡轮中低品位余能
有机朗肯循环发电技术

一、企业介绍

北京华航盛世能源技术有限公司是国内领先的低温余热发电龙头企业，是一家由世界500强行业专家与北京航空航天大学共同发起设立的国家高科技企业。公司突破性的将飞机空调涡轮技术转化为ORC向心涡轮发电技术，实现了军用技术民用化，研发出我国首台套向心涡轮ORC余热发电机组并达到国际先进水平，公司拥有完整的自主知识产权，已获得5项发明专利和23项实用新型专利。产品广泛应用于工业余热余压回收利用和系统优化等节能减排领域，开发并推出了自主创新的产品、技术及先进解决方案，完成多套国内首台套示范工艺项目，对工业余热利用起到了很好的引领作用。产品同样适用于干热岩等地热发电领域。

ORC是有机朗肯循环的英文首字母缩写，该技术循环与火力发电的热力循环完全相同，只是做功物质从水变成了低沸点有机工质，选用常压下15°C沸腾的有机工质R245fa，通过与低温余热换热后加热为工质蒸汽，工质蒸汽驱动专门设计的向心涡轮做功，并通过发电机向外输出高品质电能，变废为宝。全部过程使用工业废热或地热，零燃料成本、零排放（无燃烧仅通过换热实现运行），是一种真正的清洁能源。该技术在国外广泛应用于地热、太阳能光热、生物质发电；而在国内开始大范围应用于高耗能工业行业的余热利用，1MW机组年节标煤2610吨，减碳6418吨，是我们国家碳中和领域技术创新的重要技术方向之一。2035年预计可实现7GW装机，可实现4500万吨二氧化碳/年的减碳能力，减少10-15%的工业余热排放。

该技术采用航空向心涡轮技术路线，替代传统的螺杆膨胀机技术，实现与国际先进水平同步，涡轮发电效率高达85-90%，维护成本低，机组寿命长，系统安全可靠。

该技术可回收80-400°C中低品位余能，单位发电小时装机成本仅为光伏发电的1/4-1/3。该技术已完成石化、炼油、化肥、化工、焦炭等多个高耗能行业的首台套应用，装机超过30MW，年发电能力超过20万MWH。该产品还可以广泛应用于地热、太阳能光热、生物质发电等诸多可再生能源领域，具有数千亿市场规模，市场前景广阔。我司产品已列入国家工信部及国家节能中心最新节能产品及装备推荐目录，并于2021年5月获得世界自然基金会（WWF)气候引领者大奖。

华航盛世于2020年入选北京市第一批“专精特新”中小企业，立足技术创新和研发，成功完成多项科技部及北京市科委的相关重要课题。公司近年承接了国内首台套纺织余热发电、首台套窑炉烟气余热发电，并在聚酯行业酯化蒸汽、汽化炉黑水闪蒸气行业余热发电领域处于国内领先地位，是国内向心涡轮ORC余热发电企业的龙头企业，技术可靠性及性能处于行业领先地位，覆盖石化、炼油、化肥、化工、钢铁、焦炭等高耗能行业。以下简单介绍几个运行的项目案例：

一、工艺物流直接换热项目

公司承接的全球首台套工艺物流（柴油）直接换热---茂名石化4号柴油加氢工艺物流余热发电项目，年节能5000吨标煤，减排12500吨二氧化碳，具有极佳的节能效果和较高的经济性，在炼油行业具备十分广泛的推广价值。该技术还可以应用在地热及生物质发电等众多领域，打破国外在地热及生物质发电领域的垄断，可以实现完全可替代。

茂名项目装置图（图一）

二、热水热液余热发电---乙二醇装置余热发电系统工艺（中盐红四方）

在ORC发电系统中，热源先后进入ORC机组的蒸发器和预热器换热。工质在预热器和蒸发器内，被循环热水加热成为工质蒸汽，推动涡轮机做功，向外输出电力。工质蒸汽通过蒸发式冷凝器，冷凝成液态工质，经工质泵驱动，压力升高，送入预热器，完成热力循环。

余热发电系统工艺方案（图二）

余热发电系统的性能参数如表一所示。

表一、余热发电系统设计技术参数

注：1、年平均净发电量=年平均发电量-ORC机组自耗电-冷却电耗；

2、机组可在 40%-110%范围内稳定运行。

表二、项目经济效益及社会效益

注：1、节约标准煤量按320g标煤/kWh；

2、计算发电收益时所依据的电价为 0.65元/度；

项目运行情况

安徽红四方低温余热发电项目主要用于回收乙二醇装置中蒸汽冷凝液的低温余热，设计冷凝液流量为436t/h，温度为114℃，蒸汽冷凝液直接进向心式ORC机组发电，设计工况冷凝液温度从114℃降到78℃。2018年11月份项目建设完成并投入生产运行。

安徽红四方蒸汽冷凝液低温余热发电项目按照乙二醇装置的设计要求，总装机功率近1.68MW，设计发电量为1369kW。由于蒸汽冷凝液液量不足，目前液量负荷只满足两台机组运行，实际发电量为971kW。据安徽红四方工作人员介绍，乙二醇项目在项目可研阶段，就将低温余热发电设备考虑了进去，之后经过设计院设计细化，将ORC余热发电设备与乙二醇装置同时开建，几乎同时开车投入运行，蒸汽冷凝液原本需要空冷器冷却降温，现在ORC设备开车运行，减少了空冷器的初投资，并且部分空冷器可以停开或少开，不仅减少了装置的耗电支出，而且增加了发电收益，很好的降低了乙二醇装置的能耗指标。到目前为止，设备运行良好，免维护，拥有成本低，是国内第一套同类装置向心式ORC低温余热发电系统，也是国内最先进的、且投入商业稳定运行的向心式ORC低温余热发电系统。

中盐红四方项目装置图（图三）



三、煤化工黑水闪蒸气余热回收工艺

航天工程和航天氢能结合现代高压煤气化黑水的特点在黑水闪蒸单元开发了旋风+洗涤的合成气洗涤方法以及多级闪蒸流程，克服了真空闪蒸蒸汽能量品位低，难于利用的问题。相比原有的两级黑水闪蒸大大提高了整体系统的能效，降低了水耗。

在煤气化的工艺过程中，气化炉产生大量的高温黑水，通过三级闪蒸系统进行分离处理。这部分高温黑水携带可观的余热，亟需开发相应的技术及设备进行有效的回收利用。

针对上述问题，北京华航盛世联合航天工程、航天氢能，共同研发，研制了“气化炉黑水闪蒸汽余热发电系统”，可将高温黑水余热转化为高品质电能，从而大大提高气化炉能效水平。

按照全部110台气化炉估算，共计将产生黑水约68250t/h，可实现540MW的余热发电机组装机，预计发电量达35.9亿度/年，节约标煤达114.8万吨/年，减排二氧化碳282.3万吨/年，创造经济效益达21.5亿元/年。

若推广至航天炉以外的所有同类装置，上述数值还将增加一倍，经济效益、节能效益、环保效益显著，对提高工艺能效、增强企业竞争力、促进国家节能减排事业的发展，均有重大意义。

该技术适用于气化炉装置中温黑水的分离处理及余热回收，变废为宝，在增加发电量的同时，减少装置冷却能耗。

粉煤气化工艺流程如下图所示，主要分为气化炉、合成气初步净化单元和黑水处理系统3个部分。气化炉由上部气化室和下部激冷室组成；合成气初步净化单元主要有旋风分离器和洗涤塔组成；黑水处理系统由蒸发热水塔、低压闪蒸罐、真空闪蒸罐三级闪蒸系统组成。黑水处理系统的主要功能是处理气化炉以及合成气初步净化过程产生的含渣黑水，回收黑水中的部分热能，同时分离出固态颗粒和溶解于黑水中的气体，并实现灰水的部分循环利用。来自气化炉激冷室、旋风分离器及水洗塔底部的高温黑水送往蒸发热水塔闪蒸并与洗涤灰水换热，同时使部分酸性气体解析，底部浓缩黑水经过低压、真空闪蒸进一步得到浓缩，经过澄清槽及灰水池分离出细渣和澄清灰水循环使用，部分灰水作为废水排放。

粉煤气化工艺流程（图四）

气化工艺产生的黑水温度一般在200—250 ℃之间，经过三级闪蒸系统处理后产生大量的闪蒸汽通过给脱盐水和循环水加热以达到回收蒸汽热量同时给脱盐水除氧和洗涤水加热的目的。通过三级闪蒸充分利用了闪蒸汽的高品位余热，减少了真闪蒸汽的低品位余热量，提高了整体的能量效率。同时，通过对闪蒸蒸汽的冷凝液的回收利用，降低了整体工艺的水耗。

1、 黑水低压闪蒸汽余热发电技术

由于黑水闪蒸汽含有灰分等杂质，不能并入蒸汽管网，也不能直接排放，原工艺中，黑水水蒸汽须经空冷器（或水冷器）冷却凝结后进行相关水处理。针对此情况，开发了黑水低压闪蒸汽余热发电技术，回收利用黑水闪蒸工艺中的低压闪蒸汽余热，通过ORC发电机组将其转化为高品质电能，并节约了空冷器电耗（或水冷器的水耗），提高了气化装置能效水平。

2、 ORC真空闪蒸汽预热技术

黑水多级闪蒸系统的真空闪蒸汽，压力温度较低，无法直接利用，并须经空冷器（或水冷器）冷却凝结后进行相关水处理。针对此情况，开发了ORC真空闪蒸汽预热技术：低压闪蒸汽用于ORC发电机组的工质蒸发及工质后预热，真空闪蒸汽则用于ORC发电机组的工质前预热。通过该技术，低压闪蒸汽和真空闪蒸汽余热均被转化为高品质电能，从而提高了机组发电量。

本项目已建成实施一个示范项目“安徽昊源化工气化炉黑水闪蒸汽ORC余热发电项目”。

安徽昊源化工集团有限公司气化工段目前有两套相同的粉煤加压气化装置生产线，黑水处理工艺采用了三级闪蒸系统。其中，产生的二级低压闪蒸汽参数为：温度121.8ºC，流量25t/h，压力0.21MpaA。另外，在实际工艺中有两股低温黑水，温度72℃，压力0.6MPa，145m3/h(单套)，两股黑水合计290m3/h。原有工艺中，该二级低压黑水闪蒸汽由空冷器进行冷却并凝结，并集中进行处理。

该示范项目对原有工艺进行了改造，增设了一套ORC余热发电系统。该系统配置 2台向心式ORC低温发电机组，总装机容量2800kW。该示范项目正式开工建设时间为2019年9月，于2020年12月开车调试，2021年1月项目通过验收，性能达到且优于设计指标。

下图为该示范项目的系统工艺图，两台ORC余热发电机组并联布置。来自气化炉二级闪蒸器的25t/h、121.8℃非洁净黑水低压闪蒸汽，先后进入余热发电系统的机组蒸发器和预热器，凝结成液态水之后进入凝水罐并送入后续工艺。来自气化炉的290m3/h、72℃黑水进入机组预热器，降温至60℃送入后续工艺。工质在预热器和蒸发器内，先后经低温黑水和低压闪蒸汽加热，成为工质蒸汽，推动涡轮机做功，向外输出电力。工质蒸汽随后进入冷凝器，冷凝成液态工质，经工质泵驱动，压力升高，送入预热器，完成热力循环。冷却水由水泵驱动，进入冷凝器为机组提供冷量，升温后送至冷却塔进行冷却降温，之后送回冷却水泵，完成冷却水循环。

安徽昊源示范项目系统工艺图（图五）

该示范项目回收利用气化炉的黑水低压闪蒸汽和低温黑水的余热，转化为高品质电能。年毛发电量2110万kWh，年净发电量1700万kWh，年节能5440吨标煤，年减排二氧化碳13376吨，年节能效益达到1023万元。不仅为业主解决了长期困扰生产部门的难题，同时产生了巨大的经济效益。下列为该示范项目现场图：

安徽昊源示范项目现场图（图六）

安徽昊源示范项目现场图（图七）

表三、经济效益及社会效益

注：1、发电收益计算电价为0.60元/度。

2、预期年运行收益按实际运行参数进行测算。

3、节约标准煤量按320g标煤/kWh; CO2 按0.787kg/kWh。

项目整体投资回收期在2.5年内！

华航盛世是国内现在市场占有率、项目成功率第一的向心涡轮低温余热发电企业，产品还适用于干热岩发电等地热发电，期待与有关部门深入合作，共同为国家早日实现碳中和目标做出有力的贡献，实现公司“创造更节能、舒适和可持续发展的世界”的愿景。