CN110234846A - 热循环设备 - Google Patents

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伊藤慎太朗
加藤壮一郎
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内田正宏
斋藤司
藤森俊郎
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Abstract

本发明提供一种热循环设备(A、B、C、D、E)，其具备：第一气化装置(4)，其通过使燃料燃烧而使第一液体热媒气化；第一动力发生装置(5)，其将由该第一气化装置得到的第一气体热媒作为驱动流体而产生动力；冷凝装置(6)，其使从该第一动力发生装置排出的第一气体热媒通过与第二液体热媒进行热交换而使冷凝；循环装置(7)，其将由该冷凝装置得到的第一液体热媒加压并向第一气化装置供给；第二气化装置(3、3D)，其通过使第二液体热媒与液体氨进行热交换而生成气体氨；以及供给装置(2)，其向该第二气化装置供给液体氨。

Description

热循环设备
技术领域
本公开涉及一种热循环设备。
本申请基于2017年1月31日在日本申请的特愿2017-016233号要求优先权，并将其内容引用于此。
背景技术
在下记专利文献1中公开了使氨作为燃料燃烧的燃烧装置以及燃气轮机。该燃烧装置以及燃气轮机使用从涡轮排出的燃烧废气的热(余热)使液体氨气化并向燃烧器供给，由此，相较于单纯地使液体氨在燃烧器燃烧的情况，可抑制燃烧效率的降低，并减少氮氧化物(NOx)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2015-190466号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在如专利文献1的技术那样通过使从涡轮排出的燃烧废气(燃烧气体)和液体氨热交换来使液体氨气化的方法中，由于燃烧气体的温度与液体氨的沸点的差大，因此，在能源使用效率方面存在改进的空间。
本公开是鉴于上述的情况而做成的，其目的在于，使用温度比燃烧气体低的热媒使液体氨气化，从而实现***的热效率的改进。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的，本公开的第一方案的热循环设备具备：第一气化装置，其通过使燃料燃烧，使第一液体热媒气化而得到第一气体热媒；第一动力发生装置，其将由该第一气化装置得到的第一气体热媒作为驱动流体而产生动力；冷凝装置，其使从该第一动力发生装置排出的第一气体热媒通过与第二液体热媒进行热交换而冷凝，从而得到第一液体热媒；循环装置，其将由该冷凝装置得到的第一液体热媒加压并向上述第一气化装置供给；第二气化装置，其通过使上述第二液体热媒与液体氨进行热交换而生成气体氨；以及供给装置，其向该第二气化装置供给上述液体氨。
就本公开的第二方案而言，根据第一方案的热循环设备，其中，上述第二气化装置构成为经由传热体使上述第二液体热媒和上述液体氨进行热交换。
就本公开的第三方案而言，根据第二方案的热循环设备，其中，上述传热体由钢材形成。
就本公开的第四方案而言，根据第一～三中任一方案的热循环设备，其中，还具备将由上述第二气化装置生成的上述气体氨作为驱动流体而产生动力的第二动力发生装置。
就本公开的第五方案而言，根据第四方案的热循环设备，其中，还具备将从上述第二动力发生装置排出的上述液体氨通过与上述第二液体热媒进行热交换而再加热的再加热装置。
就本公开的第六方案而言，根据第四方案的热循环设备，其中，还具备使由上述第二气化装置生成的上述气体氨通过与上述第一气化装置的废气进行热交换而过热的过热装置。
就本公开的第七方案而言，根据第一～六中任一方案的热循环设备，其中，上述第一气化装置构成为使由上述第二气化装置生成的上述气体氨作为上述燃料燃烧。
就本公开的第八方案而言，根据第一～七中任一方案的热循环设备，其中，还具备脱硝装置，上述脱硝装置通过将由上述第二气化装置生成的上述气体氨作为还原剂使用而对由上述第一气化装置产生的燃烧气体进行脱硝处理。
就本公开的第九方案而言，根据第一～八中任一方案的热循环设备，其中，第一液体热媒为水，上述第一气化装置为使上述水气化而产生水蒸气的锅炉，上述第一动力发生装置为将上述水蒸气作为驱动流体的涡轮，上述第二液体热媒为水或者海水。
发明效果
根据本公开，通过液体氨回收从第二液体热媒排出至***外的能量，因此，能够实现***的热效率的改善。
附图说明
图1是表示本公开的第一实施方式的热循环设备的结构的块图。
图2是表示本公开的第一实施方式的变形例的热循环设备的结构的块图。
图3是表示本公开的第二实施方式的热循环设备的结构的块图。
图4是表示本公开的第二实施方式的第一变形例的热循环设备的结构的块图。
图5是表示本公开的第二实施方式的第二变形例的热循环设备的结构的块图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。
〔第一实施方式〕
首先，对本公开的第一实施方式进行说明。如图1所示，第一实施方式的热循环设备A具备燃料箱1、泵2、气化器3、锅炉4、涡轮5、冷凝器6以及泵7。这样的各结构要素中的锅炉4、涡轮5、冷凝器6以及泵7通过水配管或者蒸汽配管相互连接成环状，构成朗肯循环(热循环)
此外，这些多个结构要素中的泵2相当于本公开的供给装置。另外，气化器3相当于本公开的第二气化装置。锅炉4相当于本公开的第一气化装置。涡轮5相当于本公开的第一动力发生装置。冷凝器6相当于本公开的冷凝装置。进一步地，泵7相当于本公开的循环装置。
燃料箱1在内部储存液体氨作为燃料。泵2经由预定的燃料配管连接于燃料箱1，且从燃料箱1抽取液体氨并供给至气化器3。
气化器3经由预定的燃料配管与泵2连接，且使用从冷凝器6另行供给的温海水使液体氨蒸发(气化)而生成气体氨。即，该气化器3是热交换器的一种，通过使作为第二液体热媒的温海水与液体氨进行热交换而生成气体氨。这样的气化器3经由预定的燃料配管与锅炉4连接，且将气体氨作为燃料供给至锅炉4。另外，该气化器3将与液体氨热交换后的温海水排出至外部。
锅炉4经由水配管连接于泵7，通过使从气化器3供给的气体氨作为燃料燃烧，从而使从泵7供给的水(第一液体热媒)气化。即，该锅炉4通过将从外部空气吸入的燃烧用空气作为氧化剂使用而使气体氨燃烧，从而产生燃烧气体，并利用该燃烧气体具有的热能使水(第一液体热媒)蒸发，产生水蒸气(第一气体热媒)。这样的锅炉4经由蒸汽配管连接于涡轮5，且将上记水蒸气输出至涡轮5。即，锅炉4利用由燃烧而产生的热使第一液体热媒气化，得到第一气体热媒。
涡轮5为蒸汽涡轮，通过将从上记锅炉4供给的水蒸气(第一气体热媒)用作驱动流体，从而产生旋转动力。这样的涡轮5经由蒸汽配管连接于冷凝器6，将动力回收后的水蒸气排出至冷凝器6。
冷凝器6构成为通过未图示的海水泵被供给预定流量的海水，且通过使用该海水，使从涡轮5接受的水蒸气(第一气体热媒)冷凝。即，该冷凝器6通过使从涡轮5接受的水蒸气(第一气体热媒)与另行接受的海水(第二液体热媒)热交换而冷却，从而恢复(凝结)成水(第一液体热媒)。
这样的冷凝器6经由水配管连接于泵7，且将水(第一液体热媒)供给至泵7。另外，该冷凝器6将通过与水蒸气(第一气体热媒)的热交换而被加热的海水(温海水)供给至气化器3。
泵7将水(第一液体热媒)加压而供给至锅炉4。即，泵7是用于在由锅炉4、涡轮5、冷凝器6、泵7以及多个水配管及蒸汽配管构成的循环路径中，用于使水(第一液体热媒)及水蒸气(第一气体热媒)沿图1所示的箭头的朝向循环的动力源。
此外，虽未图示，但上记涡轮5通过自身的旋转动力对发电机进行旋转驱动。即，第一实施方式的热循环设备A使用朗肯循环(热循环)得到电力作为最终产品。此外，本公开的第一动力发生装置也可以用于发电机的驱动源以外。
接着，对第一实施方式的热循环设备A的动作详细进行说明。
在该热循环设备A中，通过泵2及气化器3工作，从燃料箱1抽取的液体氨相转换为气体氨，并供给至锅炉4。另外，除此之外，通过泵7工作，向锅炉4供给水。
然后，锅炉4通过使从气化器3供给的气体氨作为燃料燃烧，从而使从泵7另行供给的水气化而生成水蒸气。
然后，涡轮5通过将从锅炉4供给的水蒸气作为驱动流体使用，从而产生旋转动力。例如，在发电机轴连接于该涡轮5的情况下，涡轮5的旋转动力用于发电机的驱动，转换为电力。而且，从涡轮5排出的水蒸气通过与冷凝器6中的海水的热交换而冷凝成水，并向泵7供给。
在该热循环设备A中，水反复进行液相与气相的相转变，从而产生旋转动力。另外，在该热循环设备A中，向外部废弃的海水的热作为用于使液体氨气化以及升温的能量而回收。因此，根据该热循环设备A，能够实现***的热效率的改善。
在此，图2表示第一实施方式的变形例的热循环设备B。该热循环设备B利用氨传热部3A、海水传热部3B以及传热板3C构成上述的气化器3(第二气化装置)。
氨传热部3A是供氨(液体氨及气体氨)流通的传热性流路，海水传热部3B是供海水流通的传热性流路。另外，传热板3C是使氨传热部3A和海水传热部3B热结合的部件(板材)，可热传导地连接氨传热部3A和海水传热部3B。此外，该传热板3C相当于本公开的传热体。
关于氨(液体氨及气体氨)和海水(第二液体热媒)，对材料的腐蚀性不同。例如，钢材对于氨具有充分的耐腐蚀性，但对于海水的耐腐蚀性较差。因此，存在氨的流路可由钢材构成，但海水的通路由钢材以外的材料、例如钛合金等构成的情况。从这种情况来看，在该变形例的热循环设备中，考虑到耐腐蚀性，氨传热部3A和海水传热部3B由不同材料形成。氨传热部3A及传热板3C例如由碳钢(钢材)形成，海水传热部3B由钛合金形成。
根据具备这样的氨传热部3A、海水传热部3B以及传热板3C的热循环设备B，除了上述的第一实施方式的热循环设备A起到的效果，相较于第一实施方式的热循环设备A，能够进一步提高第二气化装置的耐腐蚀性。
〔第二实施方式〕
接着，参照图3对本公开的第二实施方式进行说明。该第二实施方式的热循环设备C在朗肯循环组合氨的膨胀循环，具备在图1所示的热循环设备A附加有膨胀涡轮8的结构。
在该热循环设备C中，由气化器3和膨胀涡轮8形成了氨的膨胀循环。此外，上记膨胀涡轮8相当于本公开的第二动力发生装置。
即，该热循环设备C通过在气化器3与锅炉4之间设置膨胀涡轮8，从而使用在气化器3生成的气体氨驱动膨胀涡轮8。在该热循环设备C中，利用膨胀涡轮8进行动力回收后的气体氨作为燃料被供给至锅炉4，生成水蒸气。
在这样的热循环设备C中，除了涡轮5，膨胀涡轮8也产生旋转动力。因此，根据该热循环设备C，除了上述的热循环设备A、B起到的效果，还能够产生比该热循环设备A、B更大的动力。例如，使用由涡轮5产生的旋转动力驱动发电机，另外，使用由膨胀涡轮8产生的旋转动力驱动其它发电机，从而能够产生比热循环设备A、B更大的电力。
图4表示这样的第二实施方式的第一变形例的热循环设备D。
该热循环设备D取代气化器3而具备气化器3D(第二气化装置)，该气化器3D具备针对氨的两个传热部(第一传热部3a及第二传热部3b)。另外，在该气化器3D中，使从冷凝器6供给的海水先与通过第一传热部3a的液体氨进行热交换，然后与通过第二传热部3b的液体氨进行热交换。
另外，在该热循环设备D中，在第一传热部3a与第二传热部3b只之间设有膨胀涡轮8。第一传热部3a通过使从泵2供给的液体氨与海水进行热交换，从而生成气体氨。膨胀涡轮8被从该第一传热部3a供给的气体氨驱动，产生旋转动力。
气体氨被膨胀涡轮8夺取热能，从而温度、压力降低，根据情况，有时一部分液化。第二传热部3b是使从膨胀涡轮8供给的氨(一部分液化后的氨)通过与海水进行热交换而再加热、再气化的再加热装置。由第二传热部3b生成的气体氨作为燃料供给至锅炉4。
根据这样的热循环设备D，除了由涡轮5产生的旋转动力，还通过膨胀涡轮8得到旋转动力，因此，能够产生比上述的热循环设备A、B更大的电力。
此外，图5表示第二实施方式的第二变形例的热循环设备E。该热循环设备E在上述的热循环设备C附加有热交换器9。
即，在该热循环设备E中，在气化器3与膨胀涡轮8之间设有使气体氨与锅炉4的燃烧气体(废气)热交换的热交换器9。该热交换器9作为使由气化器3生成的气体氨与锅炉4的燃烧气体(废气)热交换而过热的过热装置发挥作用。
根据这样的热循环设备E，相较于上述的热循环设备C，能够使向锅炉4供给的气体氨的温度上升，因此，能够提高锅炉4中的气体氨的燃烧性，并且实现废气温度的降低，从而能够实现热循环设备E的热效率的提高。
以上，参照附图对本公开的一实施方式进行了说明，但本公开不限定于上记实施方式。在上记实施方式中示出的各结构部件的各形状、组合等为一例，在不脱离本公开的主旨的范围内，可基于设计要求等，进行结构的附加、省略、置换、以及其它变更。例如，可考虑以下的变形例。
(1)在上记各实施方式中，对使用通过与海水(第二液体热媒)的热交换所生成的气体氨作为锅炉4的燃料的情况进行了说明，本公开不限于此。例如，本公开的热循环设备也可以还具备脱硝装置，该脱硝装置通过将由第二气化装置生成的气体氨作为还原剂使用来对在第一气化装置产生的燃烧气体进行脱硝处理。
即，锅炉4的燃烧气体(废气)一般通过进行脱硝处理来除去氮氧化物(NOx)，但在该脱硝处理中作为还原剂使用氨。从这种情况来看，除了使用气体氨作为锅炉4的燃料，或者代替使用气体氨作为锅炉4的燃料，也可以将气体氨作为脱硝装置中的还原剂使用。
(2)在上记各实施方式中，由锅炉4、涡轮5、冷凝器6以及泵7构成朗肯循环，但本公开不限定于此。例如，也可以代替锅炉4，而采用使气体氨(第一液体热媒)燃烧来生成第一气体热媒的其它第一气化装置，另外，代替涡轮5，而采用使用第一气体热媒来产生动力的其它动力发生装置。在该情况下，也可以代替水，而采用其它第一液体热媒。
(3)在上记各实施方式中，作为第二液体热媒使用了海水，但本公开不限定于此。例如，也可以代替海水，而使用从河川、湖等导入的水(真水、淡水)。
(4)在上记各实施方式中，将气体氨作为单独燃料在锅炉4中燃烧，但本公开不限定于此。也可以使气体氨以外的燃料与气体氨组合燃烧、或者单独燃烧。作为气体氨以外的燃料，可考虑例如煤(煤粉)、各种生物燃料。
(5)在上记各实施方式中，仅通过锅炉4的燃烧热使水(第一液体热媒)相转变为水蒸气(第一气体热媒)，但本公开不限定于此。例如，也可以组合使用自然能量和锅炉4的燃烧热来使第一液体热媒相转变为第一气体热媒。
符号说明
A、B、C、D、E—热循环设备，1—燃料箱，2—泵(供给装置)，3、3D—气化器(第二气化装置)，3A、3D—氨传热部，3B—海水传热部，3C—传热板(传热体)，3a—第一传热部，3b—第二传热部(再加热装置)，4—锅炉(第一气化装置)，5—涡轮(第一动力发生装置)，6—冷凝器(冷凝装置)，7—泵(循环装置)，8—膨胀涡轮(第二动力发生装置)，9—热交换器(过热装置)。

Claims (9)

1.一种热循环设备，其特征在于，具备：
第一气化装置，其通过使燃料燃烧，使第一液体热媒气化而得到第一气体热媒；
第一动力发生装置，其将由该第一气化装置得到的第一气体热媒作为驱动流体而产生动力；
冷凝装置，其使从该第一动力发生装置排出的第一气体热媒通过与第二液体热媒进行热交换而冷凝，从而得到第一液体热媒；
循环装置，其将由该冷凝装置得到的第一液体热媒加压并向上述第一气化装置供给；
第二气化装置，其通过使上述第二液体热媒与液体氨进行热交换而生成气体氨；以及
供给装置，其向该第二气化装置供给上述液体氨。
2.根据权利要求1所述的热循环设备，其特征在于，
上述第二气化装置构成为经由传热体使上述第二液体热媒和上述液体氨进行热交换。
3.根据权利要求2所述的热循环设备，其特征在于，
上述传热体由钢材形成。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热循环设备，其特征在于，
还具备将由上述第二气化装置生成的上述气体氨作为驱动流体而产生动力的第二动力发生装置。
5.根据权利要求4所述的热循环设备，其特征在于，
还具备将从上述第二动力发生装置排出的上述液体氨通过与上述第二液体热媒进行热交换而再加热的再加热装置。
6.根据权利要求4所述的热循环设备，其特征在于，
还具备使由上述第二气化装置生成的上述气体氨通过与上述第一气化装置的废气进行热交换而过热的过热装置。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的热循环设备，其特征在于，
上述第一气化装置构成为使由上述第二气化装置生成的上述气体氨作为上述燃料燃烧。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的热循环设备，其特征在于，
还具备脱硝装置，上述脱硝装置通过将由上述第二气化装置生成的上述气体氨作为还原剂使用而对由上述第一气化装置产生的燃烧气体进行脱硝处理。
9.根据权利要求1～8任一项所述的热循环设备，其特征在于，
第一液体热媒为水，
上述第一气化装置为使上述水气化而产生水蒸气的锅炉，
上述第一动力发生装置为将上述水蒸气作为驱动流体的涡轮，
上述第二液体热媒为水或者海水。
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