一个年产500万吨钢的钢铁厂，利用有机朗肯循环余热发电技术，能为钢厂额外带来多大经济效益?
——以每小时50万方的钢厂排烟口烟气为例，采用有机朗肯循环，一方面可以实现烟气余热回收发电，每年可为钢厂节约购电成本近2亿元。另一方面可以利用有机朗肯循环冷端的冷却工质，为烟气中的二氧化碳捕集工艺提供液化冷源，可实现年产二氧化碳135万吨，用于油田驱油或作为合成甲醇原料，每年销售二氧化碳收益约3.6亿，烟气综合治理收益和技术创新性极高。
2023年，中国核动力研究设计院与北京中网新源科技股份有限公司、中国技术进出口集团有限公司签订了有机朗肯循环合作框架协议。本次合作是有机朗肯循环在碳捕集领域的首次工程应用，既是响应和落实国家“双碳”战略要求，也是“产业+资本+技术”融合的典型项目，对于余热发电和碳捕集行业的创新发展和产业化探索具有重要意义。
随着有机朗肯循环余热发电技术的不断成熟，在石化、冶金、建材、太阳能等领域都能经常看到“它”的身影。
有机朗肯循环是什么?
常见的动力转换技术有布雷顿循环、朗肯循环、斯特林循环等多种。有机朗肯循环是一种采用中低温有机工质，通过压缩、吸热、膨胀、冷凝循环过程实现热能到机械能转换的较新的动力转换技术。
“通俗的讲，就是把工业生产过程中产生的中低温区的热量利用起来，把废的热量深度挖掘，发挥更大的潜力，‘变废为宝’。”核动力院有机朗肯循环发电技术主要技术负责人袁德文介绍说，上世纪七八十年代，有机朗肯循环发电技术就开始被利用，最早用于运行温度低于150℃的低品位余热回收领域。
2017年，核动力院结合新型核能系统及多用途应用场景总体要求，在国家科技部重点研发计划等项目支持下，创新提出核热驱动的有机朗肯循环技术概念，突破了新型工质、高效换热器、一体化透平机组、系统综合集成等一系列关键技术，在国际上首次实现有机朗肯循环在中高温区发电演示。
“相比汽水朗肯循环、高温布雷顿循环等技术，在发电功率10MWe以下，有机朗肯循环发电技术具有系统简单、无辅助系统、热效率高、运行温度压力低、安全可靠、环境适应性好、启停速度快、便于撬装或高度一体化集成等诸多优势。”袁德文介绍说，有机朗肯循环可采用的有机工质种类极多，有上百种，选择广泛，可根据不同热源和冷源温度选择工质，所以这项技术可广泛用于石化、冶金、建材、太阳能等领域，替代系统复杂的汽水朗肯循环等余热回收技术，大幅提高余热利用率和经济效益，也可结合碳捕集、液化天然气冷能回收发电或工业余热利用，实现冷-热-电联供和碳捕集。
路要怎么走?
“在低品位余热回收领域，有机朗肯循环技术在国内外都有成熟的工程应用，但是在高温区这一块，技术还是空白，国内国外都没有，我们没有成熟的经验可以借鉴。”袁德文说，第一步该怎么走，最后能走多远，大家心里都没有绝对的把握。
“这是一次需要‘集智攻关’的挑战，从项目启动开始，大家都做好了‘撸起袖子大干一场’的准备。”有机朗肯循环发电技术研发团队核心成员刘文兴说，针对核热驱动的有机朗肯循环，首先摆在大家面前的有两大难题，一是必须在上百种工质中选型，找出合适的中高温有机工质，二是必须创新研制符合总体技术要求的小型化设备。
“解决了这两个难题，才能真正实现方案的落地。”刘文兴说。
有机工质选型并没有那么容易。“要选出无毒无害、不易燃爆、耐高温、循环效率高、生产工艺成熟的，选哪种物质作为这个体系的循环介质，需要考虑的东西很多。”刘文兴说，团队一遍遍反复调研、计算分析、论证方案，将候选工质范围缩小到数十种，提出并对比分析了十余个循环方案，然后结合工质特性和设备制造工艺反复迭代，才初步选出可用工质。
“为了解决设备小型化研制问题，我们一年跑了全国几十家设备制造厂，现在我可以说对国内设备制造厂是‘如数家珍’了。”刘文兴笑着说，从方案设计、设备设计、设备研制到系统集成测试，我们针对设备小型化研制，编写了上千页的关键设备设计和论证材料。
时间在忙碌的科研工作中总是过得很快，转眼来到了2022年，团队终于完成了有机朗肯循环样机系统的集成建设，年内实现满功率发电是目标，也是“军令状”。
由于前期在边摸索、边攻关中花了不少功夫，留给整个团队的时间并不多了，可在调试过程中，有很多问题找上了门。“刚开始冷态调试还算顺利，热态调试却遇到了各种各样的问题。印象最深刻的一次是热态调试中，突然看到测控界面参数异常，紧接着现场传来异响，超温报警器开始频繁闪动。”有机朗肯循环发电技术研发团队核心成员张诚回忆道，“当时感觉大脑在飞速运转，也就两三秒时间在脑中过了一下安全运行规程，然后当机立断，拍下了危机闸。”装置停机后，大家都很紧张，跑下去一看，加热器已经烧坏了。谈到这段时间，张诚感慨地说道：“当时的确有点沮丧，有一种‘出师未捷身先死’的心情。”
“由于国内外都没有做过这么高温度的有机朗肯循环系统，也没用过我们这种工质，没有可借鉴的技术经验，团队遇到了很多技术障碍，”张诚说。加热器烧坏，马上分析数据，一边维修，一边加工备件;透平振动异常，连夜拆卸返厂检测;系统流量波动，主泵运行异常……在解决一个又一个问题后，终于在2022年12月14日首次实现系统样机满功率发电。紧接着，团队马不停蹄，于12月22日，成功完成72小时满功率稳定运行测试，验证了有机朗肯循环样机系统及所有核心设备的稳定、可靠性，标志着这项自主创新技术初步具备了工程应用条件。
核热驱动有机朗肯循环研制成功，开辟了有机朗肯循环动力转换技术的新领域，标志着核动力院在新型核能系统和高效能量转换技术研发方向取得又一重大突破，向全域型谱发展又迈出了坚实一步。
工程应用在何方?
“有机朗肯循环系统样机成功实现满功率发电后，我们还有很长的路要走，详细设计、工程应用、产业推广、技术优化……”袁德文说，核动力院深耕有机朗肯循环发电技术多年，拥有有机朗肯循环系统和工程设计以及设备集成供货的完整体系和经验。
今年签订的舞阳钢铁余热发电耦合碳捕集示范项目，标志着核动力院自主研制的有机朗肯循环发电技术向工程应用迈进了一大步，示范项目总投资达65亿元，技术验证后，可推广到油田、钢厂、水泥厂等领域，市场潜力预估可达数百亿元。
此外，针对池式低温供热堆或核电站废热，以及沿海液化天然气接收站需要冷能回收两方面需求，采用有机朗肯循环构建核热耦合液化天然气冷能回收发电的新型能量综合利用系统，可实现核能、液化天然气能量利用率大幅提升，同时解决液化天然气气化过程中对环境造成的“冷污染”问题。根据我国沿海地区已有和在建液化天然气接收站容量(1.5732亿吨/年)，仅冷能回收一项可实现的年发电量就相当于3座华龙一号核电站机组。该技术如能实现工程化应用，市场前景将十分可观，同时具有良好的社会、环保效益。
创新不止，探索前行。在工程应用的道路上，会有辛苦的汗水，也会有激动的泪水，会有磨人的挫折，也会有动人的收获。等待久矣，万里终归一心诚。
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