近日華能公司投產(chǎn)的二氧化碳發(fā)電項目的新聞引起了熱議，雖然裝機只有5MW，但是在目前的低溫介質(zhì)發(fā)電中絕對屬于大機組了。很多人不太理解，二氧化碳是怎么發(fā)電的？其實，這就是朗肯循環(huán)發(fā)電的一種形式，我們?nèi)粘＝獬睦士涎h(huán)使用的介質(zhì)是水，之前筆者在工作中還接觸過用一些有機工質(zhì)，而新聞中使用的是二氧化碳。
為何選擇二氧化碳？首先二氧化碳是一種不活潑介質(zhì)，而且沸點在零下五十幾度的樣子，這樣就可以保證在極低的溫度下將二氧化碳氣化，推動汽輪機做功，也就是說可以比水更容易變成推動力，從而提高經(jīng)濟效益。
關(guān)于這個原理，在很早的時候，筆者寫過一篇文章，再次拿出來，與大家分享。
1819年8月25日，英國著明的發(fā)明家詹姆斯.瓦特帶著無數(shù)的榮譽離開了我們這個世界，瓦特是蒸汽機的發(fā)明人，而第一次工業(yè)革命則就是從蒸汽機開始的。瓦特的貢獻被寫進了各國的史書，人類步入工業(yè)時代，蒸汽機的發(fā)明是重要的標志。
歷史總是有他的片面性，瓦特的貢獻自然巨大，不過如果離開了另外一位與瓦特同樣偉大的科學(xué)家，那么人類的文明進程恐怕還要被推后很多年。這個人在瓦特離世后的第二年出生，與瓦特一樣也是蘇格蘭人，他就是W.J.M. Rankine(朗肯)。
詹姆斯.瓦特 JAMES WATT和朗肯 W.J.M.Rankine
如果說瓦特給蒸汽時代帶來了動力，那么朗肯則是將蒸汽時代推向可行性利用的人，他提出了以水蒸汽作為制冷劑的一種實際的循環(huán)過程，主要包括等熵壓縮、等壓冷凝、等熵膨脹、以及一個等壓吸熱過程。可以用來制熱，也可以用來制冷。沒錯，這就是著名的“朗肯循環(huán)”。
而熟悉火力發(fā)電廠的朋友也會很熟悉這句話，我們將這段話翻譯過來就是，加熱水使成蒸汽，蒸汽壓力推動汽輪機旋轉(zhuǎn)。在這個過程中，就是朗肯循環(huán)的原理。
可以說火電廠使用的最基本的物理原理就是“朗肯循環(huán)”！
如今兩百年過去了，我們的火電廠雖然較之以前有了很大的進步，但是仍然沒有擺脫“朗肯循環(huán)”這個基礎(chǔ)物理原理。這讓我想起了《三體》中丁儀的一句話，“你們知道我這些年都在干什么嗎？我在大學(xué)里教物理，還帶博士生。……孩子們啊，我這兩個世紀以前的人了，現(xiàn)在居然還能在大學(xué)里教物理。”
恰好兩百年了，我們的基礎(chǔ)物理幾乎沒有進步！如果朗肯還活著，那么他一定還可以在當今最好的大學(xué)帶博士生。
如果瓦特和朗肯活在同一時代，那么可能會誕生蒸汽機，但是未必會發(fā)現(xiàn)朗肯循環(huán)原理。上帝在創(chuàng)造世界的時候順便給每個人安排了任務(wù)，所以你盡管努力，老天自有安排。
如今兩百年過去了，那么我們對“朗肯循環(huán)”的使用到了什么地步！
很遺憾的告訴大家，從目前的情況看，我們對于這個原理的使用只是處在一個極為表面的時代。我們只是將這個原理用在了大型火力發(fā)電廠，但是我們沒有對這個原理進行進一步的優(yōu)化。很多人對筆者的這個觀點不敢茍同，但是事實不會撒謊。
我們目前的火力發(fā)電廠，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量只有不到50%被做功，其余的熱量可以說被完全浪費掉了。雖然我們在汽輪機和鍋爐的設(shè)計上增加了省煤器、預(yù)熱器、再熱、二次再熱這些系統(tǒng)，但是很遺憾對于整個熱量的利用提升有限。我看到一些新上大型活力發(fā)電機組的宣傳資料說機組的熱效率提高了多少個百分比，但是那是相對于原來的機組熱效率，并不是針對整個化石燃料的燃燒來說的。
不過，朗肯循環(huán)還是為解決這個問題保留了方法。這個方法就是有機朗肯循環(huán)，我們簡稱ORC。所謂ORC就是使用有機工質(zhì)(O)作為朗肯(R)循環(huán)(C)的介質(zhì)，而之前我們用水作為介質(zhì)，就可以簡稱WRC。
那么ORC如何能做到提高循環(huán)的效率，如何做到提高化石燃料的使用率的呢？我們可以從下圖進行分析。
有機工質(zhì)通過蒸發(fā)器，與余熱進行熱交換，有機工質(zhì)的沸點較低，迅速膨脹為蒸氣，進入膨脹機做功，完成發(fā)電的過程。這里的關(guān)鍵在于有機工質(zhì)，選擇合適的有機工質(zhì)可以大大提高整個機組的熱效率。而我們的余熱源可以是煙氣、抽汽、低熱、光熱甚至是汽車尾氣等。有關(guān)資料顯示，只要余熱源溫度在70℃以上，就可以實現(xiàn)將有機工質(zhì)變?yōu)閯恿φ魵膺M行做功。
如此完美的解決方案，是什么時候被發(fā)現(xiàn)的呢？
筆者查到的最早的資料是上世紀50年代，沒錯是70年前，跟你老家房子的產(chǎn)權(quán)是一樣的。
所以很多人就有了疑問，既然技術(shù)這么早就有了，為什么沒見到被大規(guī)模使用？
關(guān)于這個問題筆者在初涉這個行業(yè)的時候也有疑問，后來隨著研究的深入，筆者得出了兩個原因。
第一個是技術(shù)原因，雖然我們發(fā)現(xiàn)了ORC這項技術(shù)，同時付諸了實踐，但是代價是很昂貴的。首先是膨脹機技術(shù)，無論是螺桿機還是透平機，都不能再使用ORC技術(shù)時做到功率很大，一般1MW的機組就算是ORC的大機組，換算作RMB，每度電的發(fā)電成本都在10000RMB以上。這就導(dǎo)致了很多有余熱資源的企業(yè)打了退堂鼓，這樣的成本投入，收回成本估計至少六年以上。而且你還要考慮設(shè)備維護、機組的正常運轉(zhuǎn)周期等。
第二個原因是政策原因，我查了一下，自從2008年開始，各大論文網(wǎng)站關(guān)于ORC的文章激增，主要原因是國家在環(huán)保力度加大之后，廢熱資源的綜合利用被提上了日程。但是，國家對于ORC發(fā)電的上網(wǎng)電價等政策不明朗，造成審批難、上網(wǎng)難，所以對于一些有實力的大企業(yè)開始另辟蹊徑，放棄了ORC發(fā)電。
如果是這樣的話，ORC發(fā)電還有沒有希望呢？
涉足這個行業(yè)已經(jīng)半年多了，我從來沒有懷疑過ORC(有機朗肯循環(huán))的未來！首先，到目前為止ORC仍然是解決化石燃料燃燒利用率的有效途徑，這在全世界得到了公認。這個市場一旦開啟，將是萬億規(guī)模之巨大，因此前途是不用懷疑的。
其次，國內(nèi)國際的科研院所、大學(xué)機構(gòu)、企業(yè)都沒有放棄ORC(有機朗肯循環(huán))這項技術(shù)的研發(fā)。大家都在努力把ORC產(chǎn)品的價格打下來，因此一旦有了更加成熟的產(chǎn)品，那么市場就會被開啟，ORC(有機朗肯循環(huán))的春天將不期而至。
目前可以了解到的ORC成功的案例，包括美國普惠動力公司2009年在加州建立的ORC"集群式"地?zé)犭娬荆约皩汃R在自己的車動力系統(tǒng)中設(shè)計的ORC設(shè)備。
國內(nèi)的ORC(有機朗肯循環(huán))行業(yè)其實也算差，年前的時候筆者曾經(jīng)去武漢一家垃圾發(fā)電企業(yè)，長江動力集團就在那里成功并網(wǎng)了一臺ORC機組，而且運行不錯。我看到的數(shù)據(jù)是，歐美發(fā)達國家對于低溫余熱的利用能達到60%的水平，而我們只有30%，如果這個數(shù)字屬實，那么我們未來的進步空間還是很大的。當然，這其中就會牽扯到成本問題，一般的企業(yè)可能也是無力投入。
不過如果有一些政策導(dǎo)向，依托目前國內(nèi)的技術(shù)，ORC(有機朗肯循環(huán))還是很有希望釋放產(chǎn)能，最終走向批量生產(chǎn)的。朗肯循環(huán)這項技術(shù)我們已經(jīng)掌握了近兩百年，但是我們還需要很長的路將它付諸實踐。
作者：貓 不捉老鼠
