CN103953403A - 回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环*** - Google Patents

回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环*** Download PDF

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王晓琼
谢凌洁
李晓平
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Abstract

本发明提出了回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，属于工业节能领域。该***通过一个中间换热器将跨临界与亚临界有机朗肯循环进行耦合，采用跨临界有机朗肯循环膨胀机排汽对亚临界有机朗肯循环的工质进行加热，通过选用适用于不同温区的有机工质，提高耦合循环***热效率。该***采用单螺杆膨胀机，可有效地降低单螺杆膨胀机膨胀压力比，提高膨胀机膨胀效率。同时，通过采用超临界压力使蒸发器内有机工质的升温过程与烟气的放热曲线良好匹配，降低蒸发器内的不可逆损失，进一步提高***热效率。

Description

回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***
技术领域
本发明的名称是回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，属工业节能技术领域。 
背景技术
我国工业能源消耗占全国能源消耗的70％以上，特别是在钢铁、化工、水泥、有色、建材、石油石化、轻工、煤炭等行业，其不仅能源消耗量大，而且工业余热排放量也大，在工业生产过程中排放的余热量占燃料消耗的(17～67)％，其中，可回收利用的余热资源约占燃料消耗的(10～40)％。然而，目前我国余热资源的回收利用率仅为33％左右，大部分的余热资源尚未得到利用，从而导致能源的极大浪费，因此，工业余热的回收利用是实现节能减排目标、缓解能源问题的关键环节。常用的余热动力回收利用技术是以低沸点有机物作为循环工质的有机朗肯循环(ORC)技术，它能将低品位余热资源转化为高品位的电能输出。基本的有机朗肯循环***主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质循环泵组成，其具有结构简单、灵活性高、运行费用低和余热回收率高等优点，很多学者对基本有机朗肯循环进行了多方面的研究，主要包括工质的选择、性能评价及参数优化等，以及对基本***结构进行改进，或提出跨临界***和新型复合***等。与传统的亚临界有机朗肯循环相比，跨临界有机朗肯循环具有与热源较好的温度匹配，使得***热效率较高。跨临界有机朗肯循环存在的问题是，高效率与低压力不能同时兼得，这就使得余热回收利用受到设备材料的限制。而且由于不同工质的临界压力、临界温度及干湿性的不同，使得工质的热力性能在不同的温区存在很大的差异。通常情况下，用于有机朗肯循环技术的 膨胀机为小型膨胀机，而大多数小型膨胀机对膨胀压力比有一定的限制，其中单螺杆膨胀机的最佳压力比范围为2～8。显然，在最佳膨胀压力比范围内，烟气余热资源不能充分被利用，***热效率低。因此，为了提高膨胀机膨胀效率、最大限度地回收烟气余热、充分利用工质的热力性能，采用两级有机朗肯循环耦合***是一种理想的方法。 
基于以上现状和思想，提出把适用于中、高温区的跨临界有机朗肯循环和低温区的亚临界有机朗肯循环进行有效耦合的复合余热回收***，在两个子***中分别采用不同的循环工质。本耦合***一方面可以有效地降低单螺杆膨胀机膨胀压力比，提高膨胀效率；另一方面在不同温区采用不同的有机工质，能充分利用工质的热力性能，增加***净输出功，同时降低***最高压力。 
发明内容
本发明旨在提出回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***。本耦合***包括跨临界有机朗肯循环子***和亚临界有机朗肯循环子***。该耦合***一方面可以深度回收利用低温烟气余热，另一方面可以减小单螺杆膨胀机膨胀压力比，同时，通过在不同温区采用不同的有机工质，充分利用工质的热力性能，提高***热效率，降低***最高压力，减小对设备材料的限制。 
本发明通过以下技术方案实现： 
主要由蒸发器1、中间换热器2、单螺杆膨胀机3和4、发电机5和6、冷凝器7、工质循环泵8和9、预热器10、连接管道以及监测设备等组成的回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，其特征在于：所述耦合***以不同的低沸点有机物作为循环工质，中温烟气(200～300℃)在跨临界有机朗肯循环子***的蒸发器1内加热经工质循环泵8升压后的液态有机工质，使工 质汽化成为处于超临界状态的蒸汽，然后进入膨胀机3对外作功，实现电能输出。排汽进入中间换热器2被冷凝至饱和液体状态后进入下一个循环。在亚临界有机朗肯循环子***中，在中间换热器2被加热至饱和蒸汽状态的工质推动膨胀机4对外作功，实现电能输出，排汽进入冷凝器7被冷凝至饱和液体状态后由工质循环泵9升压、经预热器10加热后进入下一个循环过程。 
通过中间换热器2将跨临界有机朗肯循环和亚临界有机朗肯循环有效地耦合起来，跨临界有机朗肯循环子***的膨胀机排汽具有较高的温度，用来对亚临界有机朗肯循环子***的有机工质进行加热。在跨临界有机朗肯循环和亚临界有机朗肯循环***中，采用了不同的有机工质，因此，能充分利用工质的热力性能，提高***热效率，降低***最高压力，减小对设备材料的限制。 
跨临界有机朗肯循环子***内的工质循环泵8将液态有机工质加压至超临界压力状态，然后在蒸发器1内被烟气加热至超临界蒸汽状态，其换热过程存在温度滑移，使得有机工质的吸热升温过程与烟气放热降温过程良好匹配。 
在亚临界有机朗肯循环子***内工质循环泵9出口处安装了预热器10，对被升压的有机工质进行预热，其热源为流经蒸发器1后的烟气，这样既充分利用了烟气余热，又可以有效地增加***的净输出功。 
本发明与现有回收烟气余热的有机朗肯循环***相比具有以下特点：(1)相对于基本有机朗肯循环***，通过中间换热器将跨临界有机朗肯循环与亚临界有机朗肯循环耦合在一起，可以有效地降低单螺杆膨胀机的膨胀压力比，提高膨胀效率；(2)在跨临界有机朗肯循环与亚临界有机朗肯循环中，通过优选适用于不同温区的有机工质，充分利用工质的热力性能，提高***热效率，降低***最高压力，减小对设备材料的限制；(3)通过增设预热器，利用来自于蒸发器的低温烟气对亚临界有机朗肯循环的工质进行预热，使烟气余热充分被 利用，同时，可减少中间换热器内的不可逆损失；(4)通过工质泵控制跨临界有机朗肯循环中液态有机工质进入蒸发器内的压力和流量，使处于超临界压力状态的有机工质在不断吸收烟气热量由液态转变为汽态的过程中，其升温曲线与烟气的放热曲线良好匹配，最大限度地减少蒸发器内的不可逆损失、提高***热效率。 
附图说明
图1是本发明的***原理图。 
其中：1－蒸发器；2－中间换热器；3、4－膨胀机；5、6－发电机；7－冷凝器；8、9－工质循环泵；10－预热器；11－排烟引风机；12－冷却水泵；13－调节阀；F－烟气；W－冷却水。 
具体实施方式
以下结合说明书附图中的图1对本发明具体实施进行详细说明。 
本发明主要由蒸发器1、中间换热器2、单螺杆膨胀机3和4、发电机5和6、冷凝器7、工质循环泵8和9、预热器10、排烟引风机11、冷却水泵12、连接管道以及监测设备等组成。 
本发明的工作过程如下： 
来自于工业锅炉的烟气依次进入蒸发器1和预热器2分别对跨临界有机朗肯循环和亚临界有机朗肯循环***中的有机工质进行加热，然后由排烟引风机11排除。在跨临界有机朗肯循环子***中，工质循环泵8将饱和液态有机工质进行加压并泵送至蒸发器1中吸收烟气热量，有机工质由液态转变为汽态。在工质循环泵8出口处安装有压力传感器a，直观地对出口液态有机工质压力进行监测。 处于超临界汽体状态的有机工质则进入膨胀机3中作功，驱动发电机5对外输出电能。由膨胀机3排出的有机工质乏汽进入中间换热器2冷凝，释放的热量用来加热亚临界有机朗肯循环子***中的有机工质。在膨胀机3出口处安装有压力传感器b，直观地对其出口排汽压力进行监测。冷凝至饱和液态的有机工质被送到工质循环泵8，进入下一个循环。 
在亚临界有机朗肯循环子***中，有机工质经工质循环泵9升压后，进入预热器10进行预热，预热热源是经蒸发器1放热后的烟气。预热器10的安装可以使烟气温度进一步降低，增加***的输出净功。预热后的有机工质进入中间换热器2，与膨胀机3出口的排汽进行换热，吸热汽化至饱和汽体状态的有机工质进入膨胀机4做功，驱动发电机6对外输出电能。膨胀机4出口处的排汽则进入冷凝器7进行冷凝。在膨胀机4出口处安装压力传感器d，直观地对其出口处的有机工质压力进行监测。冷却水泵12将冷却水输送至冷凝器7，流量调节阀13对输入的冷却水流量进行调节。冷凝后的液态有机工质输被送至工质循环泵9，对其进行升压后进入下一个循环。在工质循环泵8出口处安装有压力传感器c，可直观地对其出口液态有机工质的压力进行监测。 
相对于基本有机朗肯循环***，该耦合***在考虑膨胀机最佳压力比的基础上，在不同的温区采用不同的有机工质，能充分利用工质的热力性能，提高***效率，降低***最高压力，减小对设备材料的限制。本发明主要是以烟气余热发电为主，两级***的有效耦合使得***的净输出电能增加。 
本发明采用温度在(200～300)℃范围内的工业烟气作为热源，采用常温下的水作为冷源。当烟气进口温度为270℃、质量流量为10kg/s、冷却水进口温度为20℃时，对三种有机工质R245fa、R123和R141b在不同组合时的性能进行了优化计算。以净输出功为目标函数，分别对这三种有机工质的任意组合进行 了优化对比，由于约束条件的限制，在此计算工况下R141b不适合作为跨临界有机朗肯循环子***的循环工质，结果如表1所示，有机工质组合R123/R141b是最适合该耦合***的有机工质对。 
表1烟气进口温度为270℃、质量流量为10kg/s、冷却水进口温度为20℃时优化结果 

Claims (5)

1.回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，包括跨临界有机朗肯循环子***和亚临界有机朗肯循环子***。该耦合***主要由蒸发器（1）、中间换热器（2）、单螺杆膨胀机（3和4）、发电机（5和6）、冷凝器（7）、工质循环泵（8和9）、预热器（10）、连接管道以及监测设备等组成；其特征在于：所述耦合***以低沸点有机物作为循环工质，温度在（200～300）℃范围内的中温烟气在跨临界有机朗肯循环子***的蒸发器（1）内加热经工质循环泵（8）升压后的有机工质，处于超临界状态的汽态有机工质推动膨胀机（3）作功、驱动发电机（5）对外输出电能。排汽进入中间换热器（2）加热亚临界有机朗肯循环工质，并冷凝至饱和液体状态后进入下一个循环。在亚临界有机朗肯循环子***中，在中间换热器（2）中被加热至饱和蒸汽状态的有机工质推动膨胀机（4）作功，驱动发电机（6）对外输出电能，排汽进入冷凝器（7）冷凝至饱和液体状态后由工质循环泵（9）升压，由预热器（2）预热后进入下一个循环。
2.根据权利要求1所述的回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，其特征在于：跨临界有机朗肯循环和亚临界有机朗肯循环分别采用不同的循环工质，通过中间换热器（2）将跨临界有机朗肯循环和亚临界有机朗肯循环有效地耦合起来，跨临界有机朗肯循环子***的膨胀机排汽具有较高的温度，用来对亚临界有机朗肯循环子***的有机工质进行加热。
3.根据权利要求1所述的回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，其特征在于：所述跨临界有机朗肯循环子***内的工质循环泵（8）将液态有机工质加压至超临界压力状态，然后在蒸发器（1）内被烟气加热至超临界蒸汽状态，其换热过程存在温度滑移，使得有机工质的吸热升温过程与烟气放热降温过程良好匹配。
4.根据权利要求1所述的回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，其特征在于：在不同温区采用不同的有机工质，充分利用工质的热力性能。
5.根据权利要求1所述的回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环***，其特征在于：在所述亚临界有机朗肯循环子***内工质循环泵（9）出口处安装了预热器（10），对被升压的有机工质进行预热，其热源为流经蒸发器（1）后的烟气，这样既充分利用了烟气余热，又可以有效地增加***净输出功。
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