一個年產500萬噸鋼的鋼鐵廠，利用有機朗肯循環余熱發電技術，能為鋼廠額外帶來多大經濟效益?

——以每小時50萬方的鋼廠排煙口煙氣為例，采用有機朗肯循環，一方面可以實現煙氣余熱回收發電，每年可為鋼廠節約購電成本近2億元。另一方面可以利用有機朗肯循環冷端的冷卻工質，為煙氣中的二氧化碳捕集工藝提供液化冷源，可實現年產二氧化碳135萬噸，用于油田驅油或作為合成甲醇原料，每年銷售二氧化碳收益約3.6億，煙氣綜合治理收益和技術創新性極高。

2023年，中國核動力研究設計院與北京中網新源科技股份有限公司、中國技術進出口集團有限公司簽訂了有機朗肯循環合作框架協議。本次合作是有機朗肯循環在碳捕集領域的首次工程應用，既是響應和落實國家“雙碳”戰略要求，也是“產業+資本+技術”融合的典型項目，對于余熱發電和碳捕集行業的創新發展和產業化探索具有重要意義。

隨著有機朗肯循環余熱發電技術的不斷成熟，在石化、冶金、建材、太陽能等領域都能經?？吹?ldquo;它”的身影。

有機朗肯循環是什么?

常見的動力轉換技術有布雷頓循環、朗肯循環、斯特林循環等多種。有機朗肯循環是一種采用中低溫有機工質，通過壓縮、吸熱、膨脹、冷凝循環過程實現熱能到機械能轉換的較新的動力轉換技術。

“通俗的講，就是把工業生產過程中產生的中低溫區的熱量利用起來，把廢的熱量深度挖掘，發揮更大的潛力，‘變廢為寶’。”核動力院有機朗肯循環發電技術主要技術負責人袁德文介紹說，上世紀七八十年代，有機朗肯循環發電技術就開始被利用，最早用于運行溫度低于150℃的低品位余熱回收領域。

2017年，核動力院結合新型核能系統及多用途應用場景總體要求，在國家科技部重點研發計劃等項目支持下，創新提出核熱驅動的有機朗肯循環技術概念，突破了新型工質、高效換熱器、一體化透平機組、系統綜合集成等一系列關鍵技術，在國際上首次實現有機朗肯循環在中高溫區發電演示。

“相比汽水朗肯循環、高溫布雷頓循環等技術，在發電功率10MWe以下，有機朗肯循環發電技術具有系統簡單、無輔助系統、熱效率高、運行溫度壓力低、安全可靠、環境適應性好、啟停速度快、便于撬裝或高度一體化集成等諸多優勢。”袁德文介紹說，有機朗肯循環可采用的有機工質種類極多，有上百種，選擇廣泛，可根據不同熱源和冷源溫度選擇工質，所以這項技術可廣泛用于石化、冶金、建材、太陽能等領域，替代系統復雜的汽水朗肯循環等余熱回收技術，大幅提高余熱利用率和經濟效益，也可結合碳捕集、液化天然氣冷能回收發電或工業余熱利用，實現冷-熱-電聯供和碳捕集。

路要怎么走?

“在低品位余熱回收領域，有機朗肯循環技術在國內外都有成熟的工程應用，但是在高溫區這一塊，技術還是空白，國內國外都沒有，我們沒有成熟的經驗可以借鑒。”袁德文說，第一步該怎么走，最后能走多遠，大家心里都沒有絕對的把握。

“這是一次需要‘集智攻關’的挑戰，從項目啟動開始，大家都做好了‘擼起袖子大干一場’的準備。”有機朗肯循環發電技術研發團隊核心成員劉文興說，針對核熱驅動的有機朗肯循環，首先擺在大家面前的有兩大難題，一是必須在上百種工質中選型，找出合適的中高溫有機工質，二是必須創新研制符合總體技術要求的小型化設備。

“解決了這兩個難題，才能真正實現方案的落地。”劉文興說。

有機工質選型并沒有那么容易。“要選出無毒無害、不易燃爆、耐高溫、循環效率高、生產工藝成熟的，選哪種物質作為這個體系的循環介質，需要考慮的東西很多。”劉文興說，團隊一遍遍反復調研、計算分析、論證方案，將候選工質范圍縮小到數十種，提出并對比分析了十余個循環方案，然后結合工質特性和設備制造工藝反復迭代，才初步選出可用工質。

“為了解決設備小型化研制問題，我們一年跑了全國幾十家設備制造廠，現在我可以說對國內設備制造廠是‘如數家珍’了。”劉文興笑著說，從方案設計、設備設計、設備研制到系統集成測試，我們針對設備小型化研制，編寫了上千頁的關鍵設備設計和論證材料。

時間在忙碌的科研工作中總是過得很快，轉眼來到了2022年，團隊終于完成了有機朗肯循環樣機系統的集成建設，年內實現滿功率發電是目標，也是“軍令狀”。

由于前期在邊摸索、邊攻關中花了不少功夫，留給整個團隊的時間并不多了，可在調試過程中，有很多問題找上了門。“剛開始冷態調試還算順利，熱態調試卻遇到了各種各樣的問題。印象最深刻的一次是熱態調試中，突然看到測控界面參數異常，緊接著現場傳來異響，超溫報警器開始頻繁閃動。”有機朗肯循環發電技術研發團隊核心成員張誠回憶道，“當時感覺大腦在飛速運轉，也就兩三秒時間在腦中過了一下安全運行規程，然后當機立斷，拍下了危機閘。”裝置停機后，大家都很緊張，跑下去一看，加熱器已經燒壞了。談到這段時間，張誠感慨地說道：“當時的確有點沮喪，有一種‘出師未捷身先死’的心情。”

“由于國內外都沒有做過這么高溫度的有機朗肯循環系統，也沒用過我們這種工質，沒有可借鑒的技術經驗，團隊遇到了很多技術障礙，”張誠說。加熱器燒壞，馬上分析數據，一邊維修，一邊加工備件;透平振動異常，連夜拆卸返廠檢測;系統流量波動，主泵運行異常……在解決一個又一個問題后，終于在2022年12月14日首次實現系統樣機滿功率發電。緊接著，團隊馬不停蹄，于12月22日，成功完成72小時滿功率穩定運行測試，驗證了有機朗肯循環樣機系統及所有核心設備的穩定、可靠性，標志著這項自主創新技術初步具備了工程應用條件。

核熱驅動有機朗肯循環研制成功，開辟了有機朗肯循環動力轉換技術的新領域，標志著核動力院在新型核能系統和高效能量轉換技術研發方向取得又一重大突破，向全域型譜發展又邁出了堅實一步。

工程應用在何方?

“有機朗肯循環系統樣機成功實現滿功率發電后，我們還有很長的路要走，詳細設計、工程應用、產業推廣、技術優化……”袁德文說，核動力院深耕有機朗肯循環發電技術多年，擁有有機朗肯循環系統和工程設計以及設備集成供貨的完整體系和經驗。

今年簽訂的舞陽鋼鐵余熱發電耦合碳捕集示范項目，標志著核動力院自主研制的有機朗肯循環發電技術向工程應用邁進了一大步，示范項目總投資達65億元，技術驗證后，可推廣到油田、鋼廠、水泥廠等領域，市場潛力預估可達數百億元。

此外，針對池式低溫供熱堆或核電站廢熱，以及沿海液化天然氣接收站需要冷能回收兩方面需求，采用有機朗肯循環構建核熱耦合液化天然氣冷能回收發電的新型能量綜合利用系統，可實現核能、液化天然氣能量利用率大幅提升，同時解決液化天然氣氣化過程中對環境造成的“冷污染”問題。根據我國沿海地區已有和在建液化天然氣接收站容量(1.5732億噸/年)，僅冷能回收一項可實現的年發電量就相當于3座華龍一號核電站機組。該技術如能實現工程化應用，市場前景將十分可觀，同時具有良好的社會、環保效益。

創新不止，探索前行。在工程應用的道路上，會有辛苦的汗水，也會有激動的淚水，會有磨人的挫折，也會有動人的收獲。等待久矣，萬里終歸一心誠。