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余热回收技术的海事应用综述

Dig Vijay Singh *, Eilif Pedersen

挪威科技大学海洋技术系

摘要

余热回收系统通过利用热加工过程中周围损失的热能产生电能，不需要额外的燃料输入。对于海运船舶来说，船上提供给柴油发电厂的总燃料能量的50%左右流逝在周围环境。虽然余热的总量十分可观，但由于其温度低，而且电力生产的电压收到限制，这种能源的质量是相当低的。有效的余热回收系统利用可用的低温余热来产生高效率的机电效率。在这次研究中得到了不同的余热回收系统的综述，以阐明潜在的回收效率和海洋应用的适用性。这项工作有助于海上应用确定最适合的热回收技术，取决于船上废热的特性和可实现的回收效率，同时探讨每种类型系统的特点。

文章信息

文章历史：

2015年7月9日收到

2015年12月20日接受

2015年1月11日在线提供

关键词：

余热回收；船用柴油机；涡轮增压器；热力循环；热力电子

目录

1.介绍 3

2.船舶余热 6

3.主要的余热回收（WHR）技术 7

3.1． 朗肯循环 7

3.1.1．蒸汽/常规朗肯循环（SRC） 8

3.1.2．有机朗肯循环（ORC） 8

3.1.3．超临界朗肯循环（SCRC） 9

3.2． Kalina循环（KC） 10

3.3．排气涡轮机系统 11

3.3.1．混合动力涡轮增压器 12

3.3.2．机械涡轮复合系统 12

3.3.3．液压涡轮复合系统 12

3.3.4．电涡轮复合系统 13

3.4．热电发电系统 13

4.独立或技术组合 19

5．结论 21

1.介绍

随着对环境日益增长的担忧，已经出台的排放法规和以及未来即将出台的法规，导致了降低海船的排放的需求。根据2014年第三次国际海事组织温室气体研究报告，2007 - 2012年，国内和国际均约占全球温室气体（GHG）排放量的2.8％，年产量约为10亿吨，其中从人为因素来讲，NO X和SO X全球年度排放量分别是15%吨13%吨。大部分航运排放是船上化石燃料消耗以产生动力和辅助服务的结果[1]。航运船舶主要由三类船舶主导，即散货船，油轮和集装箱运输船舶组成，约占总吨位的84％[2]。这些船舶在燃料消耗总量中所占的比例也是最大，对于所有类型的船舶来说，发动机是主要的燃料消费者[1]。表1给出了每一种不同类型的燃料消耗和分配情况。

为了满足运行的功率需求，并且由于它们的机动性和位置，大部分船舶都有专门的使用柴油发动机的船上动力装置，通常使用柴油发电机、气缸和燃气轮机。这些系统燃烧化石燃料，将燃烧的热能转化为机械能，机械能进一步转换为消费者要求的其他形式能量。燃料燃烧的副产品是挥发物的主要来源，因此大多数船舶排放量增加与燃油消耗量并行。因此，为了减少海上排放，油耗需要从目前的水平上降低。这是其中的一项选择是可以通过改进整体电厂效率来实现。

柴油发动机是目前使用最广泛的选择，用于各种类型船舶的动力生产。根据所有超过100吨的民用船舶的最大装机容量（GT），96%的能源是由柴油厂生产的。因为缺少相似功率密度，成本和燃油效率的可利用的替代推进系统，预计柴油发动机在可预见的时间内不会被替换[4]。现代大型柴油发动机在可利用的燃油热能方面，效率约为50％，剩下的热能作为余热流失到环境中[5]。有效利用浪费的热能可以提高装置效率，减少排放，要么采用专业的余热回收系统（WHRS）进行动力生产要么将其用于加热设备。对于传统的船舶，加热负载与可用余热相比是微不足道的，留下大量未被使用的热能。余热回收系统可以利用剩下的余热来产生机械能/电能，可以满足推进设备和辅助设备的需求，无需额外的燃料消耗和二氧化碳排放量。 MAN 的主机 [6]中船用柴油推动船舶使用的燃料能量的总效率可达60％。而Baldi和Gabrielli [7] 基于能量分析预测，通过使用WHRS的中速系列油轮可节省4-16％的燃料。

在工业余热回收领域已经做了很多工作。Bonilla等人[8]讨论了在坐落西班牙的巴斯克工业方面不同的余热回收技术在利用余热方面的潜力。Nguyen等人[9]讨论了能量生成，使用蒸汽朗肯循环（SRC），有机Rank-ine循环（ORC）和Kalina循环（KC）对225℃以下低温余热源。 Al-Rabghi等人[10]点评了工业WHRS，在电力生产和加热目的方面。在石油和天然气行业，Khatita等人，[11]为了余热回收分析了ORC从燃气轮机排放方面为了上游天然气处理设施。 Jung等人[12]分析了ORC用于石油再生装置中需要冷却的液体煤油流余热的使用情况。 Kalinowski等人[13]讨论使用余热回收进行吸收式制冷的LNG（液化天然气）回收过程的改进。 Bai和Zhang [14]提出使用LNG冷能源为了更好的WHR。对于水泥行业，Karellas等人 [15]分析和比较了SRC和ORC在WHR中的应用。对于金属制造业来说，Barati等人[16]讨论了从高温熔渣中回收能源的方法。 张某等人[17]回顾了关于钢铁制造业从熔渣中回收热量的WHR技术。 Kaska[18]提出了ORC，为钢铁行业高炉用WHR。

地热发电是另一个利用低/中温余热回收技术。 Zare [19]在他的工作中，比较了ORC的不同配置地热发电厂。Walraven等人[20]在他们的工作中，分解并比较了在100-150℃下亚临界和跨临界ORC和KC。yang和ye[21]分析使用制冷剂和CO 2作为工作流体分析跨临界ORC。Coskun等人[22]分析和比较闪存周期，二进制周期（闪光周期与RC / ORC结合）和KC在地热应用中的应用。

研究适用于内燃机和柴油机的WHRS，特别是在柴油发电厂中，与MARINE WHR有着特别的关系，对内燃机的WHR有重要意义。Bombarda等人[23]分析和比较ORC和KC对柴油的WHR的影响。 Song等人[24]分析了船用柴油机引擎的ORC WHRS。 Zhang等人[25]研究了热电发电机（TEG）和ORC用于柴油机WHR的联合使用。杨等人 [26]在不同的操作条件下分析了柴油机WHR的双回路ORC。MAN Diesel和Turbo[5,27]已经讨论了SRC和动力涡轮机在船用WHR中的应用。在WHR领域大多数的研究都在讨论和分析几个特定的WHR技术，并对个别的技术进行详细的研究。例如，Lecompte等人[28]，审查用于WHR应用的先进的ORC技术。Sprouseet等人[29]从柴油机废气中对ORR的WHR进行了审查，并将重点放在了车辆的安装上。 Hung等人[30]审查并分析了低等级WHR的简单ORC系统。 Wang等人[31]利用不同的RC配置对柴油机废气的WHR进行了评估。在张等人的工作中，对KC的研究进行了综述。 Riffat和Ma [33]回顾了热电学在WHRS中的应用。

就海上应用而言，Larsen和Haglind [34]进行了比较SRC，ORC和KC用于海上余热回收WHR。同样，Theotokatos和Livanos [35,36]的工作是分析了一个单一压力的SRC海上WHR。 Altosole等人[37]比较了SRC-WHRS的新功能设计对改装船舶的影响。Benvenuto等人[38]分析了双压SRC作为船用柴油机余热的WHRS。尽管大量关于船用柴油机的单个WHR技术的研究，但几乎没有包含最相关的WHR技术的全面综述研究。 Siadur等人的工作。 [39]评论了四种类型的WHRS，即ORC，TEG，六冲程循环和涡轮增压器技术的发展，但未包括其他可用的高潜力技术。 据作者所知，Shu等人仅做了一项研究，[40]可以查阅海洋WHRS。相比之下，这项工作更详细地审查了海洋WHRSs用于发电的情况，并讨论了它们的恢复潜力和预期收益。

Table 1

Individual fleet contribution and fuel consumption of main ship types (ships above 100 GT) [2].

Table 2

Classification of the quality of heat energy depending on the temperature range [41]

Table 3

Temperature

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