CN104791030A - 一种天然工质的朗肯循环余热发电***及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然工质余热发电***和发电方法，该***包括余热利用回路、CO₂动力循环回路、CO₂冷凝回路。采用该***发电时，首先根据工业余热的量、品位和发电容量配备相应的换热器、工质泵、循环管路、阀门及其他通用设备；然后安装并连接好透平、蒸发器、冷凝器、储液器、工质泵、发电机、气液分离器、管路、阀门、安全阀、仪表等设备、配件；再根据管路容积计算工质充注量，将纯度在80%~99%的CO₂充入循环***管路中。该***和方法采用天然工质CO₂，不会破坏臭氧层，化学稳定性好，价格低廉、容易获得、不需回收，该***和工艺可利用低密度的工业余热发电，不仅能减少工业废热对环境带来的热污染，还能变废为宝，提高企业的经济效益。

Description

一种天然工质的朗肯循环余热发电***及发电方法

技术领域

本发明涉及一种余热发电***及发电工艺，具体地说，本发明涉及一种以CO₂为工质的朗肯循环余热发电***及发电工艺。

背景技术

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后未能被利用的热量。我国能源利用率低，回收余热具有巨大潜能，有关统计指出我国单位产值能耗比世界水平高2.4倍，能源效率比国际先进水平低10个百分点，回收工业余热具有巨大的节能潜力。根据调查，各行各业的余热资源占其燃料总消耗量的17％-67％，可回收利用余热资源约为余热总资源的60％。工业余热被称为继煤、石油、天然气、水力之后的第五大常规能源。

余热的种类按照余热载体的不同，可将余热资源划分为三种：固体载体余热资源、液体载体余热资源及气体载体余热资源；一般按余热载体的温度水平不同，也可将余热资源划分为三种：高温余热(500摄氏度以上)、中温余热(200-500摄氏度之间)和低温余热(200摄氏度以下)；按照余热来源的不同，可将余热资源划分六类：高温烟气余热、高温产品和炉渣的余热、冷却介质的余热、可燃废气废液和废料的余热、废汽和废水的余热以及化学反应余热。

传统的余热发电***只能利用350℃以上的余热。因为当温度处于350℃以下时，水蒸汽饱和压力太低，而蒸汽比容大，用此***回收起来效率很低，甚至无法利用。同时***投资成本过大造成回收期过长，故不适用于350℃以下的中低温余热回收。目前对于利用350℃以下甚至更低的中低温余热，国际上一般采用的方法是有机朗肯循环。有机朗肯循环是以有机流体替代水作为工质，回收中低品位热能的朗肯动力循环。

目前，有机朗肯循环往往是直接把传统水蒸气朗肯循环工艺借鉴过来，CN203925627U公开了一种低温有机朗肯循环余热发电***。该***包括加热装置、冷却装置和发电装置三部分，低温有机朗肯循环介质为用于低温余热发电的工质，加热装置为热交换器，热源通过管道进入热交换器内的换热管，换热管与热交换器内的液体工质进行热交换，热交换器内的液体工质加热成高压的气体工质，高压气体工质通过多级轴向透平机进行膨胀做功，从而使透平机推动发电机发电，进过热交换的热源通过阀门排出；经过膨胀之后的气体工质经过冷却装置降温冷却，之后分别进入换热器内进行再次加热，完成一个循环。

传统上，有机朗肯循环采用氯氟烃(CFC)作为工质，例如，CN102168589A以二氯甲烷作为工质，CN202145099U以氯乙烷作为工质，CN102401589A、CN102401590A、CN102401591A、CN102401592A、CN202420250U、CN202420251U、CN202420252U、CN202420253U均采用甲苯、二氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷作为工质。

发明内容

本发明要克服的现有技术存在的问题是：由于传统水蒸汽朗肯循环的工质温度和压力参数较高，工质水与有机工质的热物理性质有较大差别，有机朗肯循环通常存在循环热效率低，设备投资时间长等一系列问题。由于环境问题日益突出，传统CFC工质由于其对臭氧层的破坏作用而被限制使用，在1997年京都议定书推出之后，发展环保新工质的呼声越来越高。同时一些有机工质存在有毒、可燃的问题，万一发生泄露将造成严重的后果。鉴于此，目前亟需开发安全、环保、高效的余热发电***及发电工艺。

本发明的发明人经过大量研究和试验，发现将CO₂作为工质用于朗肯循环发电***，能够取得用传统CFC等有机物质作为工质所无法达到的效果。本发明的发明人还发现，用回热器代替普通的热交换器可以明显提高工质的循环效率。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种天然工质余热发电***，其特征是该***包括余热利用回路、CO₂动力循环回路、CO₂冷凝回路，其中，余热利用回路是将余热工质引出口与蒸发器余热进口相连，并在管路上装有泵或风机；CO₂动力循环回路是CO₂管路依次将蒸发器、气液分离器、进气调节装置、透平、回热器、储液器、工质泵相连接，气液分离器的中上端接口与蒸发器CO₂的出口相接，气液分离器的上端接口与进气调节装置相接，气液分离器的下端接口与电磁阀、气液分离工质泵、蒸发器CO₂进口依次相连，回热器的低压侧进口与透平的出口相连接，回热器低压侧的出口与冷凝器CO₂进口相连接，回热器高压侧的进口与工质泵出口相接，回热器高压侧出口与蒸发器CO₂进口相接，透平与发电机相连；CO₂冷凝回路是冷源工质管路，将冷凝器的冷源工质出口、冷源工质泵、冷凝器的冷源工质进口相连。

根据上述的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的余热是高温烟气余热、高温产品和炉渣的余热、冷却介质的余热、可燃废气废液和废料的余热、废汽和废水的余热或化学反应余热。

根据上述的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的余热是350℃以下的中低温余热。

根据上述的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的CO₂为纯度为80％～99％的CO₂。

根据上述的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的冷源工质是空气或水。

根据上述的天然工质余热发电***，其特征是：该***的蒸发器、冷凝器、回热器的换热方式是逆流式、顺流式、错流式或混流式。

根据上述的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的透平是膨胀机或汽轮机。

一种利用上述天然工质余热发电***的余热发电工艺，其特征是，包括以下步骤：(1)根据余热的量、品位和发电容量配备相应的换热器、工质泵、循环管路、阀门及其他通用设备；(2)根据朗肯循环***所需的工质及循环量及管道压降安装动力循环所需的管路；(3)安装并连接好透平、蒸发器、冷凝器、储液器、工质泵、发电机、气液分离器、阀门、安全阀、仪表等设备、配件；和(4)根据管路容积计算各工质充注量。

该***和方法采用天然工质CO₂，不会破坏臭氧层，化学稳定性好，价格低廉、容易获得、不需回收，该***和工艺可利用低密度的工业余热发电，不仅能减少工业废热对环境带来的热污染，还能变废为宝，提高企业的经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种余热发电的工艺流程图。

图2是本发明实施例2的一种余热发电的工艺流程图。

其中的附图标记为：1—蒸发器，2－透平，3－发电机，4－冷凝器，5－回热器，6－储液器，7－工质泵，8－气液分离器，9－热源工质泵，10－冷源工质泵，11－进气调节装置，12－紧急减压装置，13－气液分离器工质泵，14－余热工质管路，15－CO₂管路，16－冷源工质管路，17－电磁阀，18－锅炉烟道。

具体实施方式

本发明提供一种以沸点较低的CO₂为工质的朗肯循环发电***及发电工艺，该***可最大限度的将低密度的工业余热转换为高品位电能。本发明采用天然工质CO₂为发电工质，利用其在跨临界压力下，具有比热大、导热性好、气体密度高等性能，可使设备紧凑、体积小，同时采用回热器回收内部热量，能明显提高循环热效率和发电效率，可以有效减少余热直接向环境排放带来的热污染。

本发明的朗肯循环发电***所用的主要设备有：蒸发器、透平、冷凝器、励磁交流发电机、回热器、储液器、气液分离器、工质泵、气液分离器工质泵、水泵(风机)、管路、阀门、安全阀、联轴器及通用器具等，所述的蒸发器、冷凝器、回热器均为高效换热器，可以为逆流式、顺流式、错流式、混流式的任一种。透平可以是膨胀机或汽轮机。上述设备及通用器具都是余热发电行业通用的、现有的，本领域人员完全可以根据需要而在市场购买。

本发明的天然工质余热发电***有三个回路。第一个回路是余热利用回路，将余热工质引出口与蒸发器余热进口相连，并在相连管路上装有泵或风机。管道内里面走的是余热工质，可以是载热液体也可以是载热气体。余热工质在蒸发器内释放热量给发电工质CO₂，将液体CO₂加热到超临界状态，释放热量后余热工质再次回到原有***或排放。此回路不仅能代替原有的冷却装置，同时可将余热回收。第二个回路是CO₂动力循环回路。用管道将蒸发器、气液分离器、进气调节装置、透平、回热器、冷凝器、储液器、工质泵、气液分离工质泵、电磁阀相连。气液分离器的中上端接口与蒸发器的CO₂出口相接，气液分离器的上端接口与进气调节装置相接，气液分离器的下端接口依次与电磁阀、气液分离工质泵、蒸发器的CO₂进口相连。回热器的低压侧进口与透平的出口相连接，回热器低压侧的出口与冷凝器的CO₂进口相连接，回热器高压侧的进口与工质泵出口相接，回热器高压侧出口与蒸发器的CO₂进口相接。第三个回路是CO₂冷凝回路，将冷凝器的冷源工质出口、冷源工质泵(风机)、冷凝器的冷源工质进口相连，将冷源工质进口与冷凝器的冷源工质出口相连。其中三个回路上配有流量、温度、压力等测量仪表及安全阀、阀门、滤网等通用配件。透平与励磁交流发电机相连。当管路内及储液器的压力超过最大设计压力时，安全阀将动作放气，以确保***安全。

该发电***采用的工质为纯度为80％～99％的CO₂。

该发电***用于回收工业载热气体、液体的余热。余热的来源可以是：冶金、化工、建材、玻璃、造纸、纺织、机械等行业的余热的一种，例如轧钢加热炉、玻璃熔窑、电厂循环冷却水等的余热。可代替工业生产过程的冷却装置或减少冷却装置的负荷，如冷却塔、空冷岛等。

该发电***所用的冷源工质可以是空气、水等常规冷却介质。

该发电***设置有回热器，可回收动力循环中CO₂的余热，提高循环热效率，降低换热器及配套泵或风机的功率，从而可以节约能源。

该发电方法为：(1)根据余热的量、品位和发电容量配备相应的换热器、工质泵、循环管路、阀门及其他通用设备；(2)根据朗肯循环***所需的工质、循环量及管道压降安装动力循环所需的管路；(3)安装并连接好透平、蒸发器、冷凝器、储液器、工质泵、发电机、气液分离器、阀门、安全阀、仪表等设备、配件；和(4)根据管路容积计算工质充注量，将纯度在80％～99％的CO₂充入循环***管路中。

该发明的原理为：发电工质CO₂液体在蒸发器中吸收热量，温度升高变为过热CO₂蒸气，经过气液分离器将过热CO₂中的少量液体分离，液体重新返回蒸发器蒸发，过热的CO₂蒸气进入透平做功，从而带动发电机发电。从透平排出的CO₂蒸气先经过回热器低压侧预热回热器高压侧的CO₂液体，经过回热器低压侧后进入冷凝器中向冷却介质放热后凝结成液态，最后借助液体泵重新回到蒸发器，如此循环进行下去。设置储液器是为了防止液体泵气蚀，在***稳定运行状态下CO₂经过储液器的状态改变很小，可忽略不计。各工艺参数可以由本领域普通技术人员根据需要确定。

本发明的***和工艺采用天然工质，对臭氧层破坏潜能为0，温室效应潜能小，化学稳定性好；与设备材料的兼容性好；二氧化碳是惰性气体，不会燃烧或***；价格低廉、容易获得、不需回收。本发明的***和工艺可利用低密度的工业余热发电，不仅有效减少工业废热对环境带来的热污染，还能变废为宝，提高企业的经济效益。

实施例1

以下结合附图1详细说明本发明，图1是本发明的一种余热发电的工艺流程图。

图1中有蒸发器1、透平2、励磁交流发电机3、冷凝器4、回热器5、储液器6、工质泵7、气液分离器8、热源工质泵9、冷源工质泵10、进气调节装置11、紧急减压装置12、气液分离器工质泵13、余热工质管路14、CO₂管路15、冷源工质管路16、电磁阀17。

余热工质管路14将余热引出口、热源工质泵9和蒸发器1余热工质进口相连，再将蒸发器1的余热工质出口与余热返回进口相连。CO₂管路15依次将蒸发器1、气液分离器8、进气调节装置11、透平2、回热器5、储液器6、工质泵7相连接。回热器5的低压侧进口与透平2的出口相连接，回热器5低压侧的出口与冷凝器4的CO₂进口相连接，回热器5高压侧的进口与工质泵7出口相接，回热器5高压侧出口与蒸发器1的CO₂进口相接。气液分离器8的中上端接口与蒸发器1的CO₂出口相接，气液分离器8的上端接口与进气调节装置11相接，气液分离器8的下端接口与电磁阀17、气液分离工质泵13、蒸发器1的CO₂进口依次相连。透平2与励磁交流发电机3相连。冷源工质管路16将冷源工质出口、冷源工质泵10、冷凝器4的冷源工质进口相连，将冷源工质进口与冷凝器4的冷源工质出口相连。

余热工质通过余热工质管路14进入蒸发器1，与进入蒸发器1的CO₂进行热交换，将热量传递给CO₂，温度降低，通过余热工质管路14再次回到原有工艺中。CO₂在蒸发器1内吸收余热工质释放出的热量，温度升高气化，变为过热气体进入气液分离器8，CO₂中可能存在极微量的液体，被分离下来定期由气液分离器工质泵13送回到蒸发器1再次蒸发，过热蒸气经过进气调节装置11进入透平2膨胀做功，带动励磁发电机3发电。膨胀做功后的低温低压蒸气通过CO₂管路进入回热器5低压侧与回热器5高压侧内来自工质泵7的高压CO₂换热，温度进一步降低。由回热器5低压侧流出的CO₂进入冷凝器4与冷源工质换热冷凝为液体。冷凝后的CO₂再流过储液器6被工质泵7吸入加压成为蒸发压力下的高压液体。通过CO₂管路15经回热器5高压侧进入蒸发器1。

实施例2

以下结合附图2详细说明本发明，图2是本发明的一种余热发电的工艺流程图。

图2中有蒸发器1、透平2、励磁交流发电机3、冷凝器4、回热器5、储液器6、工质泵7、气液分离器8、进气调节装置11、紧急减压装置12、气液分离器工质泵13、CO₂管路15、电磁阀17、锅炉烟道18。

将发电***的蒸发器1设置在锅炉烟道18内，CO₂管路15依次将蒸发器1、气液分离器8、进气调节装置11、透平2、回热器5、储液器6、工质泵7相连接。回热器5的低压侧进口与透平2的出口相连接，回热器5低压侧的出口与冷凝器4的CO₂进口相连接，回热器5高压侧的进口与工质泵7出口相接，回热器5高压侧出口与蒸发器1的CO₂进口相接。气液分离器8的中上端接口与蒸发器1的CO₂出口相接，气液分离器8的上端接口与进气调节装置11相接，气液分离器8的下端接口与电磁阀17、气液分离工质泵13、蒸发器1的CO₂进口依次相连。透平2与励磁交流发电机3相连。

带有余热的烟气经过蒸发器1与其内的CO₂进行热交换，将热量传递给CO₂，温度降低后通过烟道排出。CO₂在蒸发器1内吸收余热工质释放出的热量，温度升高气化，变为过热气体进入气液分离器8，CO₂中可能存在极微量的液体，被分离下来定期由气液分离器工质泵13送回到蒸发器1再次蒸发，过热蒸气经过进气调节装置11进入透平2膨胀做功，带动励磁发电机3发电。膨胀做功后的低温低压蒸气通过CO₂管路进入回热器5低压侧与回热器5高压侧内来自工质泵7的高压CO₂换热，温度进一步降低。由回热器5低压侧流出的CO₂进入冷凝器4与冷空气换热冷凝为液体。冷凝后的CO₂再流过储液器6被工质泵7吸入加压成为蒸发压力下的高压液体。通过CO₂管路15经回热器5高压侧进入蒸发器1。

发明人测试了在实施例1和实施例2的发电***中，回热器高低压侧不同温度下的对数温差和循环效率，其值示于表1。

表1 回热器高低压侧不同温度下对数温差及循环效率

在实施例1和实施例2的发电***中，各工艺单元的温度、压力、焓值、工质密度等参数列于表2。

表2 各状态点设计温度、压力、焓值、工质密度

循环效率为

η_t＝w_net/q₁＝48.6572/243.7668＝19.96％。

对比例

该对比例的发电***与实施例1和2的区别仅在于不使用回热器，透平出来的CO₂工质经冷凝器冷凝后泵入蒸发器。

在该对比例的发电***中，各工艺单元的温度、压力、焓值、工质密度等参数列于表3。

表3 各状态点温度、压力、焓值、密度

在该对比例的发电***中，其他工艺参数列于表4。

表4 其他参数

序号	项目	数值	单位
				1	蒸发器出口CO2气体排量	7.831	M3/h
2	透平计算发电量	13.5	KW
				3	冷凝器风机风量	40000	M3/h
4	CO2液体泵计算液体流量	864	Kg/h

循环效率为

${\mathrm{\η}}_t=\frac{w_{\mathrm{net}}}{q_1}=\frac{53.87}{440.05}=12.24\%.$

上述实施例只是本发明的优选实施方案，本发明并不限于这些实施方案，在不违背本发明精神的情况下，可以作出一些变通或替换，这些变通或替换都应当视为在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种天然工质余热发电***，其特征是该***包括余热利用回路、CO₂动力循环回路、CO₂冷凝回路，其中，余热利用回路是将余热工质引出口与蒸发器余热进口相连，并在管路上装有泵或风机；CO₂动力循环回路是CO₂管路依次将蒸发器、气液分离器、进气调节装置、透平、回热器、储液器、工质泵相连接，气液分离器的中上端接口与蒸发器CO₂的出口相接，气液分离器的上端接口与进气调节装置相接，气液分离器的下端接口与电磁阀、气液分离工质泵、蒸发器CO₂进口依次相连，回热器的低压侧进口与透平的出口相连接，回热器低压侧的出口与冷凝器CO₂进口相连接，回热器高压侧的进口与工质泵出口相接，回热器高压侧出口与蒸发器CO₂进口相接，透平与发电机相连；CO₂冷凝回路是冷源工质管路，将冷凝器的冷源工质出口、冷源工质泵、冷凝器的冷源工质进口相连。

2.根据权利要求1的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的余热是高温烟气余热、高温产品和炉渣的余热、冷却介质的余热、可燃废气废液和废料的余热、废汽和废水的余热或化学反应余热。

3.根据权利要求1或2的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的余热是350℃以下的中低温余热。

4.根据权利要求1的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的CO₂为纯度为80%~99%的CO₂。

5.根据权利要求1的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的冷源工质是空气或水。

6.根据权利要求1的天然工质余热发电***，其特征是：该***的蒸发器、冷凝器、回热器的换热方式是逆流式、顺流式、错流式或混流式。

7.根据权利要求1的天然工质余热发电***，其特征是：该***使用的透平是膨胀机或汽轮机。

8.一种利用任一权利要求1-7的天然工质余热发电***的余热发电方法，其特征是，包括以下步骤：

(1) 根据余热的量、品位和发电容量配备相应的换热器、工质泵、循环管路、阀门及其他通用设备；

(2) 根据朗肯循环***所需的工质及循环量及管道压降安装动力循环所需的管路；

(3) 安装并连接好透平、蒸发器、冷凝器、储液器、工质泵、发电机、气液分离器、阀门、安全阀、仪表等设备、配件；和

(4) 根据管路容积计算各工质充注量。