能源与环境是人类可持续发展所面临的重要问题。提高能源利用效率已经成为解决能源危机和全球气候变化的重要手段。在炼化企业中,大量的低温余热通过冷却公用工程直接排放到环境中,从而导致大量的余热浪费。如果将这部分余热加以回收利用,则将会显著提高整个系统的效率,并且减少温室气体排放。有机朗肯循环以其相对较高的热效率,维护操作简单,设备投资低等特点成为了一种发展前景广阔的低温余热回收技术。基于此背景,本文以有机朗肯循环为研究对象,主要研究内容包括(1)基于夹点法的有机朗肯循环有机工质筛选研究,(2)基于数学规划法的有机朗肯循环与背景过程系统的集成与优化研究,(3)基于夹点法的以热水为中间介质的有机朗肯循环的系统设置方法研究,以及(4)基于数学规划法的以热水为中间介质的有机朗肯循环的热经济优化研究。对于有机朗肯循环,工质的选择至关重要。工质直接决定整个系统的热力学性能,环境影响,以及系统的经济性。随着环境污染和气候变化问题的日益突出,有机朗肯循环工质筛选不仅要考虑热力学因素(热效率和余热回收能力),还要考虑工质对环境的影响。在炼厂中,余热的种类很多,温焓曲线特性各不相同。因此余热与工质之间的夹点位置对于不同类型的热源各不相同,需要从余热温焓曲线特性的角度,来对工质进行筛选。本论文在考虑了夹点限制和不同余热类型特点的基础上,做了进一步的工质筛选研究工作。对于不同类型的余热资源,得到了最优工质的特点,为工业实际中工质的选择提供了指导,并且对于最常见的显热资源,提出了一种工质和操作条件同时确定的新方法。有机朗肯循环的设置,必将对背景过程的热集成产生影响。如果将有机朗肯循环蒸发过程和冷凝过程分别看做冷工艺物流和热工艺物流,则在原背景过程的基础上增加了新的冷热物流,更多物流会导致更多的集成可能性,使能量的利用更加合理。通过改变有机朗肯循环的操作条件,可以得到最佳的集成方案,达到最高效的能量利用。为了提高有机朗肯循环的热效率,回热器和透平抽汽是最为常见的方式。对于同时考虑回热器和透平抽汽的有机朗肯循环,如何确定有机朗肯循环设置和操作条件,以及回收哪部分余热是十分关键的问题。夹点法能够将有机朗肯循环集成到背景过程中,但是不能处理过大的自由度,而且只能在确定操作条件的情况下,通过改变工质的流量来得到相应操作条件下的最大发电量。基于夹点法的集成研究无法考虑过多的自由度,从而结果不是很理想。本文中采用数学规划法,考虑了有机朗肯循环严格的热力学模型,在Duran-Grossmann热集成模型的基础上,确定出最佳的有机朗肯循环设置及其操作条件。有机朗肯循环操作条件确定后,通过扩展的转运模型(Expanded Transshipment Model)可以得到物流之间的匹配信息,基于此模型的结果,可以得到最终的换热网络。在炼厂中,处于安全性和可操作性的角度,有机工质直接与过程物流换热回收余热可能存在一定的安全隐患,而且操作更加复杂。因此本文提出了用热水作为中间介质统一回收余热,然后以热水作为有机朗肯循环热源的方案。如何确定最优的热水流量和余热回收网络的设计十分关键。对于一个具体换热网络,本文提出了余热复合曲线(waste heat composite curve-WHCC)的概念,换热网络和余热复合曲线(WHCC)是一一对应的。总复合曲线(grand composite curve-GCC)与换热网络匹配无关。通过总复合曲线(GCC)和余热复合曲线(WHCC)的相对关系,可以诊断出换热网络的问题,从而采取相应的措施改进当前的换热网络。本文提出了考虑余热回收利用的换热网络的改进方法,该方法能够减少公用工程用量或者提升余热品质,进而提高系统的能量效率。在通过改造后的换热网络的WHCC来确定最佳的热水流量,热水流量确定后可以合成余热回收网络。对于以热水为中间介质的有机朗肯循环余热回收系统,利用夹点法可以将有机朗肯循环集成到已经存在的换热网络中。但是该方法只能从能量有效利用的角度集成有机朗肯循环,不能考虑设备成本对系统的影响。有机朗肯循环系统的设备成本与其操作条件密切相关,因此本文提出了同时考虑背景系统热集成和有机朗肯循环热经济优化的数学模型,该数学模型可以确定最佳的热水流量和有机朗肯循环的操作条件。本文中还考虑了夹点温差对整个系统设计的影响。本文提出的数学模型能够确定最佳的热回收温差,热水流量,和有机朗肯循环操作条件等。而且考察了关键参数(电价,公用工程价格)对整个系统的影响。