在國(guó)家節(jié)能減排的大背景下，低品位余熱利用成為各行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。近10年間，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清潔燃燒與余熱利用科研團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域做了大量工作，近期，在以CO2為工質(zhì)的低品位余熱發(fā)電方面取得新進(jìn)展。
在低品位余熱利用領(lǐng)域，由于余熱溫度低，采用常規(guī)水作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)效率很低，一般采用沸點(diǎn)比水低的有機(jī)工質(zhì)，如鹵代烴類(lèi)或碳?xì)浠衔镱?lèi)等，但是有機(jī)工質(zhì)成本較高，在一定程度上制約了余熱利用技術(shù)的發(fā)展。鑒于此，力學(xué)所科研團(tuán)隊(duì)提出采用CO2作為余熱發(fā)電循環(huán)的工質(zhì)。CO2是一種天然工質(zhì)，相對(duì)其它工質(zhì)，經(jīng)濟(jì)性好、安全性好、化學(xué)性能穩(wěn)定；采用跨臨界循環(huán)時(shí)，CO2在高溫側(cè)處于超臨界狀態(tài)，沒(méi)有相變，溫度密度連續(xù)變化，換熱性能良好。
已有學(xué)者建立了以鹵代烴類(lèi)有機(jī)物為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如采用R245fa為工質(zhì)獲得了1.7kW的發(fā)電功率（Sol. Energy 2010, 84, 353）和采用R123為工質(zhì)獲得了約1.0kW的發(fā)電功率（Energy 2011, 32, 15）。但目前以CO2為工質(zhì)的膨脹機(jī)發(fā)電動(dòng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)未見(jiàn)報(bào)道。
在中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目的資助下，力學(xué)所研究團(tuán)隊(duì)解決了由于系統(tǒng)運(yùn)行壓力高、工質(zhì)粘性小造成的系統(tǒng)部件密封難的問(wèn)題，研制了CO2工質(zhì)加熱器、回?zé)崞鳌⒗淠饕约皾L動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)等關(guān)鍵部件，建成了純低溫余熱CO2工質(zhì)發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)CO2側(cè)壓力達(dá)到 25 MPa、流量達(dá)到 470 kg/h，最大發(fā)電功率達(dá)到 1.6 kW。
基于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究，獲得了CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，如膨脹機(jī)發(fā)電功率和膨脹機(jī)等熵效率隨工質(zhì)加熱壓力、加熱溫度及工質(zhì)質(zhì)量流量等運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律；提出了CO2混合工質(zhì)跨臨界動(dòng)力循環(huán)和改進(jìn)型CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)，并針對(duì)兩種循環(huán)開(kāi)展了理論循環(huán)性能研究。
相關(guān)研究成果為CO2工質(zhì)余熱發(fā)電提供了技術(shù)儲(chǔ)備，有助于推動(dòng)余熱利用技術(shù)發(fā)展，為我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻(xiàn)。力學(xué)所科研團(tuán)隊(duì)將在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入研究，以盡快實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的工程化。
近日，中國(guó)科學(xué)院條件保障與財(cái)務(wù)局組織專(zhuān)家對(duì)力學(xué)所承擔(dān)的院科研裝備研制項(xiàng)目“純低溫余熱CO2工質(zhì)發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制”進(jìn)行了技術(shù)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。驗(yàn)收專(zhuān)家組認(rèn)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各項(xiàng)指標(biāo)全面達(dá)到了項(xiàng)目實(shí)施方案的要求，同意通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收。
