CN104863652A - 一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置 - Google Patents

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孟宁
魏然
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Abstract

本发明涉及一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置，该方法采用压缩空气作为用热设备排出烟气的余热回收工质，产生的高温空气拖动涡轮发电机组发电；经涡轮机排出的空气与燃料在燃烧设备中混合燃烧，产生高温烟气，作为用热设备的热源；用热设备排出的高温烟气与空气换热降温后排出。该装置拓展了外燃式燃气轮机循环的应用领域，将其应用于用热设备烟气余热回收领域，实现了燃料热能的梯级利用及热电联产，使用热设备的热能利用更加合理。

Description

一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置
技术领域
 本发明涉及一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置，具体涉及一种采用空气回收用热设备排出的烟气余热、以热空气驱动涡轮机发电的余热发电方法及装置，属用热设备余热利用技术领域。
背景技术
传统的用热设备如炼铁炉、水泥窑、石灰窑、燃料热处理炉等在生产过程中会产生大量的高温烟气，通常回收这部分烟气的余热用于预热助燃空气、产生蒸汽或热水供热，或用于蒸汽或有机工质朗肯循环发电等。采用朗肯循环发电装置时，需要配套复杂的朗肯循环发电***，操作、安全运行的要求高。
以燃料热处理炉为例，常见的连续式燃料热处理炉的类型主要有：台车式热处理炉、连续式热处理炉、步进式炉、振底式炉等等，这些炉型的炉温一般控制在650℃～1100℃。现有技术中，一种是将热处理炉产生的烟气直接排放到大气中，不仅造成环境污染还浪费能源，进而增加了产品的制造成本，降低了产品在市场的竞争力；另一种是用热处理炉出来的高温烟气加热燃料热处理炉的助燃空气，或利用烟气余热对热处理炉的预热区进行预热，例如专利ZL200810195212.4燃气式缠绕气瓶连续固化炉、ZL20131016837.X一种热处理炉余热回收装置等，但其也有一定的缺点，即应考虑预热后的空气对热处理炉燃烧器的影响，例如采用气体燃料时，应考虑助燃空气温度升高对烧嘴安全、经济运行的影响；再一种是利用热处理炉出来的高温烟气加热水，产生蒸汽或热水用于供热（例如专利ZL201210462470.0一种镀锌热处理炉余热锅炉、ZL201220137431.9一种热处理炉烟筒余热利用装置），但要考虑热用户用热负荷发生变化时对余热回收效率的影响。
Daniele Cocco等人对涡轮机入口温度分别为800K、1000K、1200K的三种外燃式微型燃气轮机循环进行了仿真计算，其计算结果如附图2所示；显然在输出功率为75kW以上时，外燃式燃气轮机循环的热效率并不低。该燃气轮机循环采用的工质为空气，其实质为空气涡轮机，其优点是燃料燃烧后生成的燃气不流经涡轮机，避免了燃料中的污垢对设备的损伤。美国航空航天研究公司与热化学能源组织合作共同研究了外燃式微型燃气轮机循环，并在航空航天研究公司实验室成功地安装、运行了外燃式循环***。这种型式的循环***为可再生能源在热电联供中的应用提供了一种新的选择，是一种很有前途的、高效的、廉价的功能方式，如何拓展其应用范围至热处理燃料炉值得深入研究。
因此如何解决上述现有技术存在的问题，拓展外燃式燃气轮机循环的应用领域，将其应用于用热设备烟气余热回收领域，建立效率更高的开式布列顿循环发电模式，使用热设备的热能利用更加合理，成为该领域研究的难点。
发明内容
本发明是为解决现有技术存在的问题，提供一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置，选择空气作为开式布列顿循环的工质，拓展外燃式燃气轮机循环的应用领域，建立高效的开式布列顿循环发电模式，使用热设备的热能利用更加合理，达到节能降耗的目的。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置，其特征在于：
一种采用布列顿循环的余热发电方法，该方法采用压缩空气作为用热设备排出烟气的余热回收工质，回收烟气余热，产生的高温空气拖动涡轮发电机组发电；经涡轮机降温降压后排出的空气，与燃料在燃烧设备中混合燃烧，产生高温的烟气，作为用热设备的热源提供生产过程所需的热量；用热设备排出的高温烟气与空气换热降温后排出，从而形成以空气为循环工质的开式布列顿循环过程；
设有空气滤清器：所述的空气经空气滤清器过滤后送入压气机；
所述的压气机采用一级绝热压缩，或多级压缩、中间冷却方式；
所述的燃烧设备与用热设备采用分体式或一体式的结构；
所述的燃料采用生物质能燃料、煤、气体燃料或液体燃料。
一种采用布列顿循环的余热发电装置，其特征在于：
空气20经压气机21增压后产生的压缩空气22，通过高温回热器24经用热设备31排出的高温烟气32加热后，产生高温空气25，送入涡轮机26拖动涡轮发电机27发电，涡轮机26的排气28，送入燃烧设备29作为燃料30的助燃空气，产生高温的烟气作为用热设备31的热源提供生产所需的热量，从用热设备31排出的高温烟气32，经高温回热器24降温后排出，从而形成开式布列顿循环回路；
设有低温回热器23：空气20经压气机21增压后产生的压缩空气22，通过低温回热器23、高温回热器24经用热设备31排出的高温烟气32加热后，产生高温空气25，送入涡轮机26拖动涡轮发电机27发电，涡轮机26的排气28，送入燃烧设备29作为燃料30的助燃空气，产生高温的烟气作为用热设备31的热源提供生产所需的热量，从用热设备31排出的高温烟气32，经高温回热器24、低温回热器23降温后排出，从而形成开式布列顿循环回路；
所述的空气20经空气滤清器过滤后送入压气机21；
所述的压气机21采用一级绝热压缩，或分级压缩、中间冷却方式；
所述的压气机21采用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机；
所述的高温回热器24或低温回热器23包括表面式和再生式两类；
所述的表面式回热器包括但不限于管壳式、板式、板翅式及原表面式（新型板式）；
所述的燃烧设备29与用热设备31采用分体式或一体式的结构；
所述的燃料30采用生物质能燃料、煤、气体燃料或液体燃料；
所述的涡轮机26为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
所述的涡轮发电机组采用一组或多组并联运行方式。
作为一种优选，本发明采用了分级压缩、中间冷却方式，有效降低压缩机排气温度和压缩机功耗，使分级压缩加中间冷却接近气体定温压缩的过程；优化的压力设计及恰当的加热温度，使得开放式布雷顿循环的输出功率有效增加。
作为另一种优选，可发明可采用补燃措施对涡轮机进口的空气进行调温处理。
本发明中未说明的设备及其备用***、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
设有与本发明***配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使用热设备烟气余热发电***能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、拓展了外燃式燃气轮机循环的应用领域，将其应用于用热设备烟气余热回收领域，建立效率更高的开式布列顿循环发电模式，实现了燃料热能的梯级利用及热电联产，使用热设备的热能利用更加合理；
2、采用多组微型燃气轮机机组并联运行方式时，机组运行调节灵活方便，由于微型燃气轮机机组为快装的模块式结构，从而有效提高了机组的利用率；
3、***的断电、缺电自保能力增强，在外在供电***断电时，余热回收装置的发电***可以对关键设备进行供电自保，增强了整个***的安全操作弹性及灵活性，便于安全应急措施的迅速实施；
4、方案实施的通用性强：
（1）无需对原有生产***做出较大改动，即能方便实施，风险性小；
（2）热平衡问题容易组织，避免了热用户用热负荷发生变化时对余热回收效率的负面影响，热平衡容易组织。
附图说明
图1是本发明的一种采用采用布列顿循环的余热发电方法及装置流程示意图；
图1中：20-空气，21-压气机，22-压缩空气，23-低温回热器，24-高温回热器，25-高温空气，26-涡轮机，27-涡轮发电机，28-排气，29-燃烧设备，30-燃料，31-用热设备，32-高温烟气，33-低温烟气。
图2是以空气为循环工质的外燃型燃气轮机输出功率、效率与压比的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，本发明的一种采用布列顿循环的余热发电方法及装置流程示意图。
一种采用布列顿循环的余热发电方法，该方法采用压缩空气作为用热设备排出烟气的余热回收工质，回收烟气余热，产生的高温空气拖动涡轮发电机组发电；经涡轮机降温降压后排出的空气，与燃料在燃烧设备中混合燃烧，产生高温的烟气，作为用热设备的热源提供生产所需的热量；用热设备排出的高温烟气与空气换热降温后排出，从而形成以空气为循环工质的开式布列顿循环过程；
设有空气滤清器：所述的空气经空气滤清器过滤后送入压缩机；
所述的压气机采用多级压缩、中间冷却方式；
所述的燃烧设备与用热设备采用一体式的结构。
一种采用布列顿循环的余热发电装置，该装置的空气20经压气机21增压后产生的压缩空气22，通过低温回热器23、高温回热器24，经用热设备31排出的高温烟气32加热后，产生高温空气25，送入涡轮机26拖动涡轮发电机27发电，涡轮机26的排气28，送入燃烧设备29作为燃料30的助燃空气，产生高温的烟气作为用热设备31的热源提供生产所需的热量，从用热设备31排出的高温烟气32，经高温回热器24、低温回热器23降温后形成低温烟气33排出，从而形成开式布列顿循环回路；
所述的压气机21采用涡旋式压缩机；
所述的高温回热器24、低温回热器23板翅式或原表面式（新型板式）结构；
所述的涡轮机26为涡旋式膨胀机；
所述的涡轮发电机组采用多组并联运行方式。
本发明中未说明的设备及其备用***、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
设有与本发明***配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使用热设备烟气余热发电***能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用布列顿循环的余热发电方法，其特征在于：
该方法采用压缩空气作为用热设备排出烟气的余热回收工质，回收烟气余热，产生的高温空气拖动涡轮发电机组发电；经涡轮机降温降压后排出的空气，与燃料在燃烧设备中混合燃烧，产生高温的烟气，作为用热设备的热源提供生产所需的热量；用热设备排出的高温烟气与空气换热降温后排出，从而形成以空气为循环工质的开式布列顿循环过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述的压气机采用一级绝热压缩方式，或多级压缩、中间冷却方式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述的燃烧设备与用热设备采用分体式或一体式的结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述的涡轮发电机组采用一组或多组并联运行方式。
5.一种采用布列顿循环的余热发电装置，其特征在于：
空气(20)经压气机(21)增压后产生的压缩空气(22)，通过高温回热器(24)经用热设备(31)排出的高温烟气(32)加热后，产生高温空气(25)，送入涡轮机(26)拖动涡轮发电机(27)发电，涡轮机(26)的排气(28)，送入燃烧设备(29)作为燃料(30)的助燃空气，产生高温的烟气作为用热设备(31)的热源，从用热设备(31)排出的高温烟气(32)，经高温回热器(24)降温后排出，从而形成开式布列顿循环回路；
所述的燃烧设备(29)与用热设备(31)采用分体式或一体式的结构；
所述的燃料(30)采用生物质能燃料、煤、气体燃料或液体燃料。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
设有低温回热器(23)：
空气(20)经压气机(21)增压后产生的压缩空气(22)，通过低温回热器(23)、高温回热器(24)经用热设备(31)排出的高温烟气(32)加热后，产生高温空气(25)，送入涡轮机(26)拖动涡轮发电机(27)发电，涡轮机(26)的排气(28)，送入燃烧设备(29)作为燃料(30)的助燃空气，产生高温的烟气作为用热设备(31)的热源，从用热设备(31)排出的高温烟气(32)，经高温回热器(24)、低温回热器(23)降温后排出，从而形成开式布列顿循环回路。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
所述的压气机(21)采用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
所述的涡轮机(26)采用涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
所述的高温回热器(24)或低温回热器(23)采用表面式回热器或再生式回热器。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：
所述的涡轮机(26)及涡轮发电机(27)采用一组或多组。
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