一種天然工質的朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種余熱發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電工藝，具體地說，本發(fā)明涉及一種以〇)2為工 質的朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電工藝。
【背景技術】
[0002] 余熱資源屬于二次能源，是一次能源或可燃物料轉換后的產(chǎn)物，或是燃料燃燒過 程中所發(fā)出的熱量在完成某一工藝過程后未能被利用的熱量。我國能源利用率低，回收余 熱具有巨大潛能，有關統(tǒng)計指出我國單位產(chǎn)值能耗比世界水平高2. 4倍，能源效率比國際 先進水平低10個百分點，回收工業(yè)余熱具有巨大的節(jié)能潛力。根據(jù)調查，各行各業(yè)的余熱 資源占其燃料總消耗量的17% -67%，可回收利用余熱資源約為余熱總資源的60%。工業(yè) 余熱被稱為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第五大常規(guī)能源。
[0003]余熱的種類按照余熱載體的不同，可將余熱資源劃分為三種：固體載體余熱資源、 液體載體余熱資源及氣體載體余熱資源；一般按余熱載體的溫度水平不同，也可將余熱資 源劃分為三種：高溫余熱（500攝氏度以上）、中溫余熱（200-500攝氏度之間）和低溫余熱 (200攝氏度以下）；按照余熱來源的不同，可將余熱資源劃分六類：高溫煙氣余熱、高溫產(chǎn) 品和爐渣的余熱、冷卻介質的余熱、可燃廢氣廢液和廢料的余熱、廢汽和廢水的余熱以及化 學反應余熱。
[0004] 傳統(tǒng)的余熱發(fā)電系統(tǒng)只能利用350°C以上的余熱。因為當溫度處于350°C以下時， 水蒸汽飽和壓力太低，而蒸汽比容大，用此系統(tǒng)回收起來效率很低，甚至無法利用。同時系 統(tǒng)投資成本過大造成回收期過長，故不適用于350°C以下的中低溫余熱回收。目前對于利用 350°C以下甚至更低的中低溫余熱，國際上一般采用的方法是有機朗肯循環(huán)。有機朗肯循環(huán) 是以有機流體替代水作為工質，回收中低品位熱能的朗肯動力循環(huán)。
[0005] 目前，有機朗肯循環(huán)往往是直接把傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)工藝借鑒過來， CN203925627U公開了一種低溫有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括加熱裝置、冷卻裝 置和發(fā)電裝置三部分，低溫有機朗肯循環(huán)介質為用于低溫余熱發(fā)電的工質，加熱裝置為熱 交換器，熱源通過管道進入熱交換器內的換熱管，換熱管與熱交換器內的液體工質進行熱 交換，熱交換器內的液體工質加熱成高壓的氣體工質，高壓氣體工質通過多級軸向透平機 進行膨脹做功，從而使透平機推動發(fā)電機發(fā)電，進過熱交換的熱源通過閥門排出；經(jīng)過膨脹 之后的氣體工質經(jīng)過冷卻裝置降溫冷卻，之后分別進入換熱器內進行再次加熱，完成一個 循環(huán)。
[0006] 傳統(tǒng)上，有機朗肯循環(huán)采用氯氟烴（CFC)作為工質，例如，CN102168589A以 二氯甲烷作為工質，CN202145099U以氯乙烷作為工質，CN102401589A、CN102401590A、 CN102401591A、CN102401592A、CN202420250U、CN202420251U、CN202420252U、CN202420253U 均采用甲苯、二氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷作為工質。

【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明要克服的現(xiàn)有技術存在的問題是：由于傳統(tǒng)水蒸汽朗肯循環(huán)的工質溫度和 壓力參數(shù)較高，工質水與有機工質的熱物理性質有較大差別，有機朗肯循環(huán)通常存在循環(huán) 熱效率低，設備投資時間長等一系列問題。由于環(huán)境問題日益突出，傳統(tǒng)CFC工質由于其對 臭氧層的破壞作用而被限制使用，在1997年京都議定書推出之后，發(fā)展環(huán)保新工質的呼聲 越來越高。同時一些有機工質存在有毒、可燃的問題，萬一發(fā)生泄露將造成嚴重的后果。鑒 于此，目前亟需開發(fā)安全、環(huán)保、高效的余熱發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電工藝。
[0008] 本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量研宄和試驗，發(fā)現(xiàn)將〇)2作為工質用于朗肯循環(huán)發(fā)電系 統(tǒng)，能夠取得用傳統(tǒng)CFC等有機物質作為工質所無法達到的效果。本發(fā)明的發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)， 用回熱器代替普通的熱交換器可以明顯提高工質的循環(huán)效率。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該系 統(tǒng)包括余熱利用回路、〇) 2動力循環(huán)回路、〇)2冷凝回路，其中，余熱利用回路是將余熱工質 引出口與蒸發(fā)器余熱進口相連，并在管路上裝有泵或風機；〇) 2動力循環(huán)回路是CO 2管路依 次將蒸發(fā)器、氣液分離器、進氣調節(jié)裝置、透平、回熱器、儲液器、工質泵相連接，氣液分離器 的中上端接口與蒸發(fā)器co 2的出口相接，氣液分離器的上端接口與進氣調節(jié)裝置相接，氣液 分離器的下端接口與電磁閥、氣液分離工質泵、蒸發(fā)器co 2進口依次相連，回熱器的低壓側 進口與透平的出口相連接，回熱器低壓側的出口與冷凝器co2進口相連接，回熱器高壓側的 進口與工質泵出口相接，回熱器高壓側出口與蒸發(fā)器〇) 2進口相接，透平與發(fā)電機相連；co2 冷凝回路是冷源工質管路，將冷凝器的冷源工質出口、冷源工質泵、冷凝器的冷源工質進口 相連。
[0010] 根據(jù)上述的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)使用的余熱是高溫煙氣余 熱、高溫產(chǎn)品和爐渣的余熱、冷卻介質的余熱、可燃廢氣廢液和廢料的余熱、廢汽和廢水的 余熱或化學反應余熱。
[0011] 根據(jù)上述的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)使用的余熱是350°c以下 的中低溫余熱。
[0012] 根據(jù)上述的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)使用的〇)2為純度為 80%~99%的〇) 2。
[0013] 根據(jù)上述的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)使用的冷源工質是空氣或 水。
[0014] 根據(jù)上述的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)的蒸發(fā)器、冷凝器、回熱器 的換熱方式是逆流式、順流式、錯流式或混流式。
[0015] 根據(jù)上述的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：該系統(tǒng)使用的透平是膨脹機或汽 輪機。
[0016] 一種利用上述天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱發(fā)電工藝，其特征是，包括以下步驟： (1)根據(jù)余熱的量、品位和發(fā)電容量配備相應的換熱器、工質泵、循環(huán)管路、閥門及其他通用 設備；(2)根據(jù)朗肯循環(huán)系統(tǒng)所需的工質及循環(huán)量及管道壓降安裝動力循環(huán)所需的管路； (3)安裝并連接好透平、蒸發(fā)器、冷凝器、儲液器、工質泵、發(fā)電機、氣液分離器、閥門、安全 閥、儀表等設備、配件；和（4)根據(jù)管路容積計算各工質充注量。
[0017] 該系統(tǒng)和方法采用天然工質co2，不會破壞臭氧層，化學穩(wěn)定性好，價格低廉、容易 獲得、不需回收，該系統(tǒng)和工藝可利用低密度的工業(yè)余熱發(fā)電，不僅能減少工業(yè)廢熱對環(huán)境 帶來的熱污染，還能變廢為寶，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明實施例1的一種余熱發(fā)電的工藝流程圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明實施例2的一種余熱發(fā)電的工藝流程圖。
[0020] 其中的附圖標記為：1 一蒸發(fā)器，2 -透平，3 -發(fā)電機，4 一冷凝器，5 -回熱器， 6 -儲液器，7 -工質泵，8 -氣液分離器，9 -熱源工質泵，10 -冷源工質泵，11 -進氣調節(jié) 裝置，12 -緊急減壓裝置，13 -氣液分尚器工質泵，14 一余熱工質管路，15 - C02管路，16 - 冷源工質管路，17 -電磁閥，18 -鍋爐煙道。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明提供一種以沸點較低的co2為工質的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電工藝，該系 統(tǒng)可最大限度的將低密度的工業(yè)余熱轉換為高品位電能。本發(fā)明采用天然工質co 2為發(fā)電 工質，利用其在跨臨界壓力下，具有比熱大、導熱性好、氣體密度高等性能，可使設備緊湊、 體積小，同時采用回熱器回收內部熱量，能明顯提高循環(huán)熱效率和發(fā)電效率，可以有效減少 余熱直接向環(huán)境排放帶來的熱污染。
[0022] 本發(fā)明的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)所用的主要設備有：蒸發(fā)器、透平、冷凝器、勵磁交流 發(fā)電機、回熱器、儲液器、氣液分離器、工質泵、氣液分離器工質泵、水泵（風機）、管路、閥 門、安全閥、聯(lián)軸器及通用器具等，所述的蒸發(fā)器、冷凝器、回熱器均為高效換熱器，可以為 逆流式、順流式、錯流式、混流式的任一種。透平可以是膨脹機或汽輪機。上述設備及通用 器具都是余熱發(fā)電行業(yè)通用的、現(xiàn)有的，本領域人員完全可以根據(jù)需要而在市場購買。
[0023] 本發(fā)明的天然工質余熱發(fā)電系統(tǒng)有三個回路。第一個回路是余熱利用回路，將余 熱工質引出口與蒸發(fā)器余熱進口相連，并在相連管路上裝有泵或風機。管道內里面走的是 余熱工質，可以是載熱液體也可以是載熱氣體。余熱工質在蒸發(fā)器內釋放熱量給發(fā)電工質 C0 2，將液體C02加熱到超臨界狀態(tài)，釋放熱量后余熱工質再次回到原有系統(tǒng)或排放。此回路 不僅能代替原有的冷卻裝置，同時可將余熱回收。第二個回路是C0 2動力循環(huán)回路。用管道 將蒸發(fā)器、氣液分離器、進氣調節(jié)裝置、透平、回熱器、冷凝器、儲液器、工質泵、氣液分離工 質泵、電磁閥相連。氣液分離器的中上端接口與蒸發(fā)器的〇) 2出口相接，氣液分離器的上端 接口與進氣調節(jié)裝置相接，氣液分離器的下端接口依次與電磁閥、氣液分離工質泵、蒸發(fā)器 的〇) 2進口相連?；責崞鞯牡蛪簜冗M口與透平的出口相連接，回熱器低壓側的出口與冷凝 器的C02進口相連接，回熱器高壓側的進口與工質泵出口相接，回熱器高壓側出口與蒸發(fā)器 的〇) 2進口相接。第三個回路是0)2冷凝回路，將冷凝器的冷源工質出口、冷源工質泵（風 機）、冷凝器的冷源工質進口相連，將冷源工質進口與冷凝器的冷源工質出口相連。其中三 個回路上配有流量、溫度、壓力等測量儀表及安全閥、閥門、濾網(wǎng)等通用配件。透平與勵磁交 流發(fā)電機相連。當管路內及儲液器的壓力超過最大設計壓力時，安全閥將動作放氣，以確保 系統(tǒng)安全。
[0024] 該發(fā)電系統(tǒng)采用的工質為純度為80 %~99 %的C02。
[0025] 該發(fā)電系統(tǒng)用于回收工業(yè)載熱氣體、液體的余熱。余熱的來源可以是：冶金、化工、 建材、玻璃、造紙、紡織、機械等行業(yè)的余熱的一種，例如軋鋼加熱爐、玻璃熔窯、