专利名称：回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法
技术领域：
本发明涉及中低温热源利用技术领域，特别是一种以氨水混合物为工质的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法。
背景技术：
中低温热源来源广，数量大，在大力倡导节能减排的今天，得到了广泛的重视。中低温热源主要包括两大部分:第一是工业生产中排放的余热，比如冶金、化工、建材、机械、电力等行业中的各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，由于我国工业能耗约占全国总能耗的三分之二，而50%以上以中低温废热的形式排放掉，因此回收利用这部分热量具有巨大的节能潜力；第二部分是太阳能、地热等中低温可再生能源，随着我国能源结构的调整，可再生能源所占的比例将会越来越大。加强对这些中低温热源的利用，将减少对化石能源的消耗，达到节能减排的效果。除了直接的热利用(比如干燥、采暖、加热等)，中低温热源还可以用于发电或制冷。近年来采用混合工质进行功冷联供的系统得到了更广泛的关注，该类系统主要采用氨水二元混合物为工质，通过动力子循环和吸收式制冷子循环的有机整合，实现了对热源的闻效利用。美国的Goswami等提出一个基于氨水吸收式制冷循环的功冷联供系统,用蒸气透平取代氨水吸收式制冷循环中的冷凝器和节流阀，将塔顶产出的高压蒸气用于驱动透平做功，再利用透平的低温排气制冷，实现了功冷联供。但由于参与做功和制冷的工质量过少，而且制冷过程主要利用的是低温蒸气的显热，所以制冷量相对较小。日本Waseda University的Amano等将氨水动力循环和吸收式制冷循环结合，实现功冷联供。该循环从氨水动力循环向制冷循环的精馏塔入口引入浓度较高的溶液，以减小精懼耗热。该循环被用于一个先进联产系统(advanced cogeneration system, ACGS),上游是燃气轮机和蒸汽轮机联合循环，蒸汽轮机排汽压力约为6bar，作为底部氨水循环的热源。我国北京化工大学的郑丹星等在Kalina循环的基础上提出一个功冷联供系统，该循环用精馏塔(包含塔顶冷凝器和塔釜再沸器)取代Kalina循环中的闪蒸器，并在精馏塔和高压吸收器之间加入节流阀和蒸发器用于实现制冷功能。但该循环中透平排气热量回收不彻底，排热损失较大。中国科学院工程热物理研究所的张娜等人在氨水吸收式制冷基础上，加入动力循环所需部件(高压泵、余热锅炉、透平等)，提出了并联型和串联型氨水工质的功冷联供系统来利用排烟热量。所谓“并联”是指动力工质与制冷工质分别来自于精馏塔塔釜和塔顶，是两个独立的利用过程。并联循环中由于动力子循环的工质是塔釜稀溶液，因此浓度较低，透平背压也可以较低，有利于出功，但稀溶液蒸发过程温度变化较小，对烟气换热过程的温度匹配改善程度较低。所谓“串联”是指同一股工质先用于动力循环，再用于制冷循环。串联循环中动力子循环的工质是来自于吸收器的浓溶液，浓度较高，蒸发过程温度变化较大，可以与显热热源进行良好的温度匹配，但透平排气压力较高，不利于出功。在此基础上作者又提出了混联和浓度可调型系统，提高了系统性能，但也使系统更加复杂且难以实现精确的调节控制。西安交通大学的Wang等对Zhang的并联循环进行简化，因此系统更简单、安全。但该循环中仍存在系统排热温度高的问题。为了提高系统制冷性能，Wang等将喷射器引入该循环，形成了吸收-喷射复合式功冷联供系统。Ma等还研究了适于高温余热资源的氨水工质冷热电联产系统，并将其应用于燃料电池-燃气轮机联合循环的下游，回收利用526°C的燃机排烟热量。印度 Karunya University 的 Jawahar 等在氨水 GAX (generator absorberexchange)制冷循环中增加一个透平通路(包括过热器和透平)，与冷凝器、节流阀和蒸发器并联，形成功冷联供系统。该循环通过调节蒸汽分流比，可以实现任意功冷比例的连续调节，但做功和制冷所用的工质都来自于高压GAX换热器产生的蒸气，因此二者也互相限制。现有的功冷联供循环技术通过做功和制冷子循环的有机整合来梯级利用驱动热源热量，但对循环内部热量的回收利用以及两个子循环之间工质的物质交换并没有给予足够重视。且目前的混合工质循环大多以发电为主，制冷量相对较少，功冷比例不易调节。
发明内容
(一)要解决的技术问题为了克服现有中低温热源驱动的功冷联供系统的缺点，本发明提出了一种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，通过对做功子循环和吸收式制冷子循环进行有机整合，来解决对循环内部热量的回收利用以及动力子循环排气中有效成分没有回收利用等问题。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，该系统采用氨水混合物为循环工质，将中低温热源转化为功和冷两种能量产出，该系统包括:吸收器1、第一溶液分流器2、高压溶液泵3、蒸气发生器4、膨胀机5、精馏塔6、第一换热器
7、气液分离器8、压缩机9、第二换热器10、低压溶液泵11、第二溶液分流器12、溶液换热器
13、烟气换热器14、溶液混合器15、溶液节流阀16、冷凝器17、过冷器18、氨节流阀19和蒸发器20，其中:吸收器I浓溶液出口与第一溶液分流器2入口相连接，第一溶液分流器2有两个出口，分别与高压溶液泵3和低压溶液泵11相连接；高压溶液泵3依次通过蒸气发生器4、膨胀机5、精馏塔6底部再沸器热端入口、第一换热器7连接于气液分离器8 ;气液分离器8顶部蒸气出口通过压缩机9连接于精馏塔6底部蒸气入口，气液分离器8底部液体出口通过第二换热器10连接于溶液混合器15 ；低压溶液泵11出口与第二溶液分流器12入口相连接，第二溶液分流器12有两个出口，其第一出口依次通过溶液换热器13和烟气换热器14连接于精馏塔6中部溶液进料口，其第二出口依次通过第二换热器10和第一换热器7连接于精馏塔中部另一个溶液进料Π ；精馏塔6塔底稀溶液出口与溶液换热器13相连接，溶液换热器13和第二换热器10热端出口都与溶液混合器15相连接，溶液混合器15出口通过溶液节流阀16连接于吸收器I ;精馏塔6顶部蒸气出口依次通过冷凝器17、过冷器18和氨节流阀19连接于蒸发器20，蒸发器20出口通过过冷器18连接于吸收器I。为达到上述目的，本发明还提供了一种回收工质有效成分制冷的功冷联产方法，该方法通过将采用相同混合工质的做功子循环与吸收式制冷子循环进行有机整合来梯级利用外热源热量，使外热源的高温部分用于加热做功工质，低温部分用于加热吸收式制冷工质，同时做功子循环的排热也被吸收式制冷子循环回收利用；做功子循环膨胀机排气经过部分热量回收后进行气液分离，相当于对排气进行了初步提纯形成富氨蒸气，然后再将富氨蒸气压缩后送入精馏塔底部为精馏过程提供部分上升蒸气，以实现对动力排气中氨工质的回收利用。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:1、本发明提供的这种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，采用工业余热、太阳能或地热等中低温热源，可以减少对化石能源的消耗，达到节能减排的目的。采用氨水混合物这种自然物质为循环工质，不会破坏臭氧层。2、本发明提供的这种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，通过做功子循环和制冷子循环的有机整合，实现了对热源的梯级利用，即高温部分用于做功，低温部分用于制冷；将膨胀机排气冷凝热的较高温部分用于再沸器中加热制冷溶液，较低温部分用于预热精馏塔进料溶液，实现对做功子循环排热的回收利用；膨胀机排气经过部分冷凝后进行气液分离，将富氨蒸气经过压缩后送入精馏塔为精馏过程提供部分上升蒸气，实现了对做功子循环排气中氨工质制冷潜力的回收利用。3、本发明提供的这种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，做功子循环采用的工质浓度较高，因而其蒸发阶段能与显热热源进行良好的温度匹配，减少能量传递过程的不可逆损失。
图1是本发明提供的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供了一种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，通过将采用相同混合工质的做功子循环与吸收式制冷子循环进行有机整合来梯级利用外热源热量，使外热源的高温部分用于加热做功工质，低温部分用于加热吸收式制冷工质，同时做功子循环的排热也被吸收式制冷子循环回收利用。做功子循环膨胀机排气经过部分热量回收后进行气液分离，相当于对排气进行了初步提纯形成富氨蒸气，然后再将富氨蒸气压缩后送入精馏塔底部为精馏过程提供部分上升蒸气，以实现对动力排气中氨工质的回收利用。压缩机耗功来自于膨胀机做的功。整个系统的能量输入为中低温热源，产品输出为功和冷量。
如图1所示，图1是依照本发明的一个实施例的中低温热源驱动的以氨水混合物为工质的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统的示意图。在本实施例中，SI至S29表示循环工质，Gl至G3表示热源的载热介质。此处采用烟气为载热介质，Gl表示350°C的烟气。该系统采用氨水混合物为循环工质，将中低温热源转化为功和冷两种能量产出，包括:吸收器1、第一溶液分流器2、高压溶液泵3、蒸气发生器4、膨胀机5、精馏塔6、第一换热器7、气液分离器8、压缩机9、第二换热器10、低压溶液泵11、第二溶液分流器12、溶液换热器13、烟气换热器14、溶液混合器15、溶液节流阀16、冷凝器17、过冷器18、氨节流阀19和蒸发器20。其中，吸收器I浓溶液出口与第一溶液分流器2入口相连接，第一溶液分流器2有两个出口，分别与高压溶液泵3和低压溶液泵11相连接；高压溶液泵3依次通过蒸气发生器4、膨胀机5、精馏塔6底部再沸器热端入口、第一换热器7连接于气液分离器8 ;气液分离器8顶部蒸气出口通过压缩机9连接于精馏塔6底部蒸气入口，气液分离器8底部液体出口通过第二换热器10连接于溶液混合器15 ;低压溶液泵11出口与第二溶液分流器12入口相连接，第二溶液分流器12有两个出口，其第一出口依次通过溶液换热器13和烟气换热器14连接于精馏塔6中部溶液进料口，其第二出口依次通过第二换热器10和第一换热器7连接于精馏塔中部另一个溶液进料口 ；精馏塔6塔底稀溶液出口与溶液换热器13相连接，溶液换热器13和第二换热器10热端出口都与溶液混合器15相连接，溶液混合器15出口通过溶液节流阀16连接于吸收器I ;精馏塔6顶部蒸气出口依次通过冷凝器17、过冷器18和氨节流阀19连接于蒸发器20，蒸发器20出口通过过冷器18连接于吸收器I。吸收器I是气液混合吸收设备，采用吸收剂吸收制冷剂蒸气，吸收过程所放热量通过冷却介质排向环境。第一溶液分流器2和第二溶液分流器12是流体分流设备，用于对工质物流进行分流；溶液混合器15是流体混合设备，用于对工质物流进行混合。高压溶液泵3和低压溶液泵11是液体加压设备，用于提高液体压力。蒸气发生器4、第一换热器7、第二换热器10、溶液换热器13和烟气换热器14是流体换热设备，用于实现冷热物流之间的热量交换。膨胀机5和压缩机9分别是气体膨胀做功和气体加压设备，膨胀机5利用高温高压氨水混合蒸气膨胀做功，压缩机9将低压浓氨蒸气压缩以提高其压力，其消耗的功来自于膨胀机5，不需要从外界输入功。精馏塔6用于实现氨水混合工质的分离与提纯，以制得高纯度的制冷剂蒸气和低浓度的吸收剂溶液。气液分离器8用于实现气液混合物的分离，以得到富氨蒸气及稀氨水。冷凝器17是冷凝设备，用于将混合后的制冷剂蒸气进行冷凝，冷凝放热通过冷却介质排向环境。过冷器18是换热设备，利用来自蒸发器20的低温制冷剂冷却来自冷凝器17的液态制冷剂。蒸发器20用于将制冷工质在其中吸热蒸发，实现制冷效果。溶液节流阀16和氨节流阀19是液体节流降压装置，用于实现塔釜溶液和制冷剂的降压。本发明提供的这种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统采用中低温热源驱动，该中低温热源可以是工业余热、太阳能或地热；该功冷联供系统采用氨水混合物为循环工质。在本发明提供的这种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统中，做功子循环的膨胀机排气所含热量和氨工质在制冷循环中进行回收利用。膨胀机排气首先进入精馏塔底部的再沸器进行部分冷凝，将较高温的冷凝热提供给精馏过程；然后进入换热器使其继续冷凝，将冷凝热的中温部分用于预热精馏塔进料溶液；经过两次部分冷凝放热后的气液混合物进入气液分离器，分离成富氨蒸气和稀氨水，其中富氨蒸气经压缩后进入精馏塔，将排气中氨工质在精馏塔中回收并用作制冷剂；最后将气液分离器分离出的稀氨水用于精馏塔进料浓溶液的初步预热。通过以上过程，实现了做功子循环排气所含热量和氨工质的在制冷子循环中的回收利用。再参照图1，其具体流程为:来自吸收器I的浓溶液SI经过浓第一溶液分流器2分流为两股:S2和S12。S2经高压溶液泵3加压后进入蒸气发生器4吸收外热源热量蒸发过热，形成高温高压过热蒸气S4，然后进入膨胀机5膨胀做功。膨胀机5排气S5先进入精馏塔6的塔釜再沸器为精馏过程提供热量，再进入第一换热器7进一步冷凝释放热量用于预热精馏塔部分进料溶液，然后进入气液分离器8，分离成富氨蒸气S8和稀溶液S10，其中富氨蒸气经过压缩机9压缩后进入精馏塔底部为精馏过程提供部分上升蒸气，分离器底部的稀溶液进入第二换热器10释放热量用于对精馏塔部分进料溶液进行初步预热。S12经低压溶液泵11加压后进入第二溶液分流器12再分流为两股:S14和S17。S14依次经过溶液换热器13和烟气换热器14，分别被精馏塔塔釜稀溶液和低温烟气加热，然后进入精馏塔6 ；S17依次进入第二换热器10和第一换热器7，被做功子循环的排气冷凝热预热后也进入精馏塔6。在精馏塔6内，来自压缩机9的富氨蒸气S9、来自烟气换热器14的浓溶液S16以及来自第一换热器7的浓溶液S19直接进行接触式的混合换热，分离成塔顶氨蒸气S24和塔釜稀溶液S20，此过程所需热量来自膨胀机排气在塔釜再沸器中释放的高温部分的冷凝热；塔顶氨蒸气S24进入冷凝器17冷凝成液氨S25后，进入过冷器18，与来自蒸发器20的低温氨蒸气S28换热后，形成具有一定过冷度的液氨S26，S26经氨节流阀19节流降压后进入蒸发器20蒸发制冷；低温氨蒸气S28经过过冷器18后成为具有一定的过热度的氨蒸气S29 ;塔釜稀溶液S20进入低压溶液换热器13，释放热量后进入溶液混合器15，与来自第二换热器10热侧的稀溶液Sll混合后，再经溶液节流阀16节流降压，最后进入吸收器1，吸收氨蒸气重新形成浓溶液SI。膨胀机5产生的功中的一部分用于驱动压缩机9。整个系统输入为中低温外热源，产品为功和冷。为了更好的体现本发明提供的这种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统的有益效果，将实施例系统和传统的分产系统(单独的水朗肯做功系统和单独的氨水吸收式制冷系统)在相同热边界条件下进行模拟计算，并比较二者的性能差异。表I是两种系统的性能比较。
权利要求
1.一种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，该系统采用氨水混合物为循环工质，将中低温热源转化为功和冷两种能量产出，该系统包括:吸收器(I)、第一溶液分流器(2)、高压溶液泵(3)、蒸气发生器(4)、膨胀机(5)、精馏塔￠)、第一换热器(7)、气液分离器(8)、压缩机(9)、第二换热器(10)、低压溶液泵(11)、第二溶液分流器(12)、溶液换热器(13)、烟气换热器(14)、溶液混合器(15)、溶液节流阀(16)、冷凝器(17)、过冷器(18)、氨节流阀(19)和蒸发器(20)，其中: 吸收器(I)浓溶液出口与第一溶液分流器(2)入口相连接，第一溶液分流器(2)有两个出口，分别与高压溶液泵⑶和低压溶液泵(11)相连接；高压溶液泵⑶依次通过蒸气发生器(4)、膨胀机(5)、精馏塔(6)底部再沸器热端入口、第一换热器(7)连接于气液分离器(8);气液分离器(8)顶部蒸气出口通过压缩机(9)连接于精馏塔(6)底部蒸气入口，气液分离器(8)底部液体出口通过第二换热器(10)连接于溶液混合器(15)； 低压溶液泵( 11)出口与第二溶液分流器(12)入口相连接，第二溶液分流器(12)有两个出口，其第一出口依次通过溶液换热器(13)和烟气换热器(14)连接于精馏塔￠)中部溶液进料口，其第二出口依次通过第二换热器(10)和第一换热器(7)连接于精馏塔中部另一个溶液进料口； 精馏塔(6)塔底稀溶液出口与溶液换热器(13)相连接，溶液换热器(13)和第二换热器(10)热端出口都与溶液混合器(15)相连接，溶液混合器(15)出口通过溶液节流阀(16)连接于吸收器(I); 精馏塔(6)顶部蒸气出口依次通过冷凝器(17)、过冷器(18)和氨节流阀(19)连接于蒸发器(20)，蒸发器(20)出口通过过冷器(18)连接于吸收器(I)。
2.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的吸收器(I)是气液混合吸收设备，采用吸收剂吸收制冷剂蒸气，吸收过程所放热量通过冷却介质排向环境。
3.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的第一溶液分流器(2)和第二溶液分流器(12)是流体分流设备，用于对工质物流进行分流；所述的溶液混合器(15)是流体混合设备，用于对工质物流进行混合。
4.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的高压溶液泵(3)和低压溶液泵(11)是液体加压设备，用于提高液体压力。
5.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的蒸气发生器(4)、第一换热器(7)、第二换热器(10)、溶液换热器(13)和烟气换热器(14)是流体换热设备，用于实现冷热物流之间的热量交换。
6.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的膨胀机(5)和压缩机(9)分别是气体膨胀做功和气体加压设备，膨胀机(5)利用高温高压氨水混合蒸气膨胀做功，压缩机(9)将低压浓氨蒸气压缩以提高其压力，其消耗的功来自于膨胀机(5)，不需要从外界输入功。
7.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的精馏塔(6)用于实现氨水混合工质的分离与提纯，以制得高纯度的制冷剂蒸气和低浓度的吸收剂溶液。
8.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的气液分离器(8)用于实现气液混合物的分离，以得到富氨蒸气及稀氨水。
9.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的冷凝器(17)是冷凝设备，用于将混合后的制冷剂蒸气进行冷凝，冷凝放热通过冷却介质排向环境。
10.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的过冷器(18)是换热设备，利用来自蒸发器(20)的低温制冷剂工质冷却来自冷凝器(17)的液态制冷剂。
11.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的蒸发器(20)用于将制冷工质在其中吸热蒸发，实现制冷效果。
12.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，所述的溶液节流阀(16)和氨节流阀(19)是液体节流降压装置，用于实现塔釜稀溶液和制冷剂的降压。
13.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，该系统采用的中低温热源，该中低温热源是工业余热、太阳能或地热。
14.根据权利要求1所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统，其特征在于，该系统中做功子循环的膨胀机排气所含热量和氨工质在制冷循环中进行回收利用，膨胀机排气首先进入精馏塔底部的再沸器进行部分冷凝，将较高温的冷凝热提供给精馏过程；然后进入换热器使其继续冷凝，将冷凝热的中温部分用于预热精馏塔进料溶液；经过两次部分冷凝放热后的气液混合物进入气液分离器，分离成富氨蒸气和稀氨水，其中富氨蒸气经压缩后进入精馏塔，将排气中氨工质在精馏塔中回收并用作制冷剂；最后将气液分离器分离出的稀氨水用于精馏塔进料浓溶液的初步预热；通过以上过程，实现了做功子循环排气所含热量和氨工质的在制冷子循环中的回收利用。
15.—种回收工质有效成分制冷的功冷联产方法,应用于权利要求1至14中任一项所述的功冷联供热力循环系统，其特征在于，该方法通过将采用相同混合工质的做功子循环与吸收式制冷子循环进行有机整合来梯级利用外热源热量，使外热源的高温部分用于加热做功工质，低温部分用于加热吸收式制冷工质，同时做功子循环的排热也被吸收式制冷子循环回收利用；做功子循环膨胀机排气经过部分热量回收后进行气液分离，相当于对排气进行了初步提纯形成富氨蒸气，然后再将富氨蒸气压缩后送入精馏塔底部为精馏过程提供部分上升蒸气，以实现对动力排气中氨工质的回收利用。
16.根据权利要求15所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产方法，其特征在于，该方法中压缩机耗功来自于膨胀机做的功。
17.根据权利要求15所述的回收工质有效成分制冷的功冷联产方法，其特征在于，该方法中能量输入是中低温外热源，该中低温外热源为余热、太阳能或地热中的至少一个，产品输出为功和冷量。
全文摘要
本发明公开了一种中低温热源驱动的以氨水混合物为工质的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，涉及中低温热源利用技术领域。本发明将氨水做功子循环和氨水吸收式制冷子循环进行有机结合，实现了功和冷的联产，并提高了对中低温热源的利用效率。本发明具有如下两个主要特征第一是根据温度对口原则实现了热量的梯级利用，将外热源的高温部分用于做功子循环，外热源的低温部分用于制冷，同时做功子循环排热也用于制冷子循环；第二是回收动力子循环中透平排气所含的氨工质使其在制冷循环中得到进一步利用。
文档编号F25B15/04GK103161528SQ20131007161
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者金红光, 韩巍, 孙流莉, 郑丹星 申请人:中国科学院工程热物理研究所