工业余热一般利用途径有三种，包括余热的直接利用、余热的动力回收和余热的综合利用。余热的直接利用是最常见的回收利用方式，可以通过预热空气、干燥、生产热水和蒸汽、制冷或供热等方法来对工业余热进行利用；余热的动力回收是指对于中高温余热，使其产生动力，直接作用于水泵、风机、压缩机，或带动发电机发电，例如各种工业窑炉和动力机械的排烟温度大都在500℃以上，甚至达1000℃左右，可装设余热锅炉产生蒸汽，推动汽轮机产生动力或发电；余热的综合利用方式是根据工业余热温度的高低而采取不同的方法，以做到“热尽其用”，因而它是最有效的利用余热的途径。例如，利用有一定压力的高温废气，先通过燃气轮机做功，再利用其排气通过余热锅炉产生蒸汽，进入汽轮机做功，形成燃气-蒸汽联合循环，以提高余热的利用效率，加之使用汽轮机抽气或排气供热，余热经多次利用，就更扩大了其回收利用的效果。

上面介绍了工业余热的一般利用途径。对于具体技术来说，余热温度范围广、能量载体的形式多样，又由于所处环境和工艺流程不同及场地固有条件的限制、生产生活的需求，对应设备形式多样，如有空气预热器、窑炉蓄热室、余热锅炉、低温汽轮机等。下面介绍一些具体的技术。

1.低温有机朗肯循环

对于工业中大量废弃的200℃，甚至300℃以下的低温余热，目前无法利用蒸汽/热水闪蒸系统进行有效回收，更适宜采用经济可行的有机朗肯循环余热发电技术。

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，其系统组成及原理如图7.5所示。它与常规的蒸汽发电装置的热力循环原理相同，只是循环工质不同而已，系统更简单紧凑。釆用这种发电方式对低温范围余热利用有显著优点，余热物流与工质不直接接触，有机工质蒸汽比体积小、管道尺寸小、透平通流面积小、单位体积的功率可以较大，非常适宜用于低温余热回收。若选择适宜的有机工质，如干流体和等熵流体，可不设置过热器，降低系统的复杂度，直接将饱和的有机工质蒸汽送入透平膨胀做功后，在透平出口处仍是干蒸汽，也不会对透平产生液滴侵蚀。

图7.5 有机朗肯循环系统组成及原理

ORC系统做功流程如图7.6所示。其中T为温度，S为熵。冷凝过后的流体在循环泵加压到预定压力（1-2），余热流体在蒸发器里与有机循环工质间壁式逆流换热（2-3-4-5）。工质吸热蒸发后进入透平做功（5-6），做功后的有机工质在凝汽器里凝结成液态（6-7-1），再通过工质循环泵进入预热器预热，最后又回到蒸发器里，形成一个循环。

图7.6 ORC系统做功流程

ORC发电系统与传统的水蒸气发电系统相比，主要优势如下：

1）与水蒸气发电系统相比，由于ORC发电系统的有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在50Hz时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。由于转速低，因此噪声也小。

图7.7 一级蒸馈Kalina循环原理图

2）可采用螺杆膨胀机替代汽轮机，其结构相对传统汽轮机简单得多，额定功率小，尤其适用作为低焓能源动力利用的动力机，因此对有机工质蒸汽做功更适用。

3）如使用直接混合换热，可选取与有机工质氟利昂不相溶，且不会发生化学反应的导热油，采用油与有机工质氟利昂直接接触热交换的方法，可进一步提高换热效率。

4）在缺水地区，优先使用空气冷却的冷凝器。ORC电厂使用的空冷冷凝器要比水蒸气电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多，价格也低得多。(www.daowen.com)

有机工质的选取是有机朗肯循环余热发电技术的重要环节。通常要求工质应满足：①发电性能好，即在相同蒸发温度和冷凝温度下，绝热焓降大；②工质临界参数、常压下沸点等热物理性质适宜；③传热性能好，在相同条件下，换热系数大；④化学稳定性好、不分解、腐蚀性小、毒性小、环保、不易燃易爆；⑤经济性好，即来源丰富，价格低。但是在实际应用中，工质很难同时满足上述全部条件，而且随着国际上对有机工质环保要求的日益提高，可用工质不断更新，因此需要根据热源类型及温度品位综合考虑。

作为一项可以直接使用余热能的技术，在能源互联网中可以作为热电转换之中重要的一部分，具有巨大的发展潜力。

2.Kalina循环

纯工质有机朗肯循环由于工质的等温蒸发吸热过程与实际的变温低温热源配合不紧密，换热平均温差大，不可逆损失较大。为了减小换热不可逆损失，对纯工质有机物朗肯循环提出了几种改进的方法，如混合工质循环、Kalina循环等。Kalina循环是以氨水混合物为工质的循环系统，最简单的热力循环是一级蒸馈循环，基本原理如图7.7所示，即一定浓度的氨水溶液经过水泵加压、预热器升温之后，进入余热锅炉蒸发，形成过热氨水蒸气进入透平膨胀做功，然后利用复杂的蒸馏冷却子系统解决氨水混合物冷凝问题，使透平乏汽重新形成一定浓度的工质溶液，再到达给水泵，完成一个循环。具体工作流程如下：

1）将氨水混合物置于变化的温度下使其沸腾，这样可从蒸发器中获取更多热量用于电力循环。

2）过热状态的混合物通过透平膨胀到背压。经过汽轮机的压降要高于朗肯循环的压降。

3）因为两种工质的挥发性相差较大，所以可以将汽轮机排出的废热用于把低沸点工质氨从高沸点工质水中分离出来。

Kalina循环可以作为底循环。底循环是指运行在顶循环高温排气与周围环境之间的循环，可以利用来自顶循环排气中可利用的余热。Kalina循环作为底循环，是一种创造性的方式。Kalina循环的概念是基于多组分工质的变温沸腾。多组分工质的蒸发温度随着蒸发过程的进行而升高，直到所有的工质都被汽化。因此在蒸发器中可以实现良好的热匹配。良好的热匹配使得循环具有更高的热力学效率。因为变温蒸发同样意味着变温冷凝，所以朗肯循环内如果仅有普通的冷凝装置，将会抵消掉在蒸发器中赢得的效率。

作为底循环，Kalina循环具有更高的热力学效率，原因是：

1）在蒸发器中的多组分工质具有变沸腾温度的特点，所以蒸发器中可用能的损失大大减少了。

2）工质刚进入蒸发器后便开始沸腾，提高了换热器的效率。

3）冷凝器中的放热量比朗肯循环中冷凝器的放热量要小很多。

4）因为汽轮机出口的可用热量中温度较低的部分可被蒸馈过程利用，提高了循环的整体效率。