专利名称：转换系统、废热回收装置及工业水泥设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及废热回收(waste heat recovery)的领域，并且特别涉及用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统、用于将废热转换为轴功率的废热回收装置以及带有该转换系统的工业水泥设备。
背景技术：
工业过程通常产生废热，例如，通过气体冷凝物或冷却流体产生废热，或废热包含在来自水泥、化学品、玻璃、纸或钢制造过程、来自废物焚化过程或来自内燃机(如燃气轮机或往复式发动机)中的燃料燃烧的排气(exhaust gas)或冷却空气中。这种废热通常被排放到大气。但是，为了提高工业过程的整体效率而不增加排放物的输出，通常采用用于回收废热的底循环(bottoming cycle)。底循环通常需要高排气温度，不过需要较低排气温度的底循环的实例是有机朗肯循环(ORC)。ORC通过使用带有与热源相称的沸腾温度的有机工作流体从低温废热源中产生轴功率。该闭合的朗肯循环包括用于蒸发工作流体的蒸发器或锅炉、被供以来自蒸发器的蒸气以驱动发电机或其它负载的涡轮、用于冷凝来自涡轮的排放蒸气的冷凝器以及用于使冷凝的工作流体循环到蒸发器的器械(例如泵)。这种朗肯循环系统用于产生电功率。举例来说，专利US 6，880，344描述了一种闭合的朗肯循环，其可高效地使用来自往复式发动机系统或燃气涡轮发动机系统中的多个源的废热。文件WO 2008/074637公开了一种用于将来自废热源的废热转换为轴功率的系统，该系统包括闭合的朗肯循环系统，该朗肯循环系统包括用于蒸发工作流体并通过废热加热的蒸发器、由蒸发的工作流体驱动且连接到轴上的涡轮以及在涡轮与蒸发器之间以流体的方式互相连接(interconnect)的冷凝器。在蒸发器处的废热温度低于350°C，且蒸发的工作流体的压力不超过8bar。适合这些条件的工作流体(如称为R_245fa的工作流体)是有机、无毒且氟化的。结果，氟化的流体可逸散。流体在化学上是稳定的并且是温室气体，即，其促进气候变化，并因此可能受制于环境法规。最终，对于系统可能需要专用和高成本的措施来避免工作流体残余物逸散到大气。
实用新型内容本实用新型的目的是缩小基于有机朗肯循环ORC的废热转换系统的覆盖面积 (footprint)。通过根据独立权利要求的用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统、用于将废热转换为轴功率的废热回收装置以及带有该转换系统的工业水泥设备来实现该目的。根据本实用新型的一个实施例，提供一种用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统，该转换系统具有闭合的朗肯循环系统，该朗肯循环系统包括通过废热加热的蒸发器；连接到轴上且由在蒸发器中蒸发的ORC工作流体驱动的涡轮；在涡轮和蒸发器之间以流体的方式互相连接的冷凝器；布置在冷凝器和蒸发器之间的泵；带有涡轮和泵的底层模块；以及带有冷凝器的顶层模块，在运行的转换系统中，该顶层模块布置在底层模块之上。所提出的转换系统的模块化设计使得能够在工厂场地进行大量的预制并且在运输到运行场地之前对单独的模块进行预先测试。将顶层模块安装在底层模块的顶部缩小了系统的覆盖面积，即所需的地面面积，并且通常有助于紧凑的设计。底层模块置放在地平面，因此有资格的人员可容易地接近其构件以便进行维护和修理。在就重力而言顶层模块安装在其它模块之上或顶部的情况下，循环通过冷凝器的被加热的冷却空气可借助于自然对流上升到开口而不会由其它工艺构件阻挡。 在优选的实施例中，底层模块还包括可能需要维护的机电构件，例如联接到轴上的发电机。优选地，带有标准模块的转换系统也可形成发电设备或发电设备的一部分，并且可通过变更将热源连接到转换系统上的中间回路而使发电设备适合每一种废热源。在优选实施例中，顶层模块可具有可标准化且可模块化地彼此相邻布置在水平面中的冷凝器。优选地，可根据所需的转换功率和/或由热源所产生的废热的量以模块化的方式更换该转换系统的涡轮和泵。在有利的实施例中，ORC工作流体是有机、无毒且未氟化的。回到不带有氟的ORC 工作流体减少了环境方面的担忧而无需专门的泄漏预防，并因此有利于公众接受该废热转换系统。优选地，ORC工作流体包括纯碳氢化合物如异丁烷(C4Hltl)和戊烷(C5H12)或其组合。这种ORC工作流体以气相和液相在高于环境压力的压力下在朗肯循环中循环。这改善了自行起动(black-start)能力，因为不必在涡轮之后产生真空以起动系统。在本实用新型的上下文中，用语“工业废热源”优选是指具有不同于产生或采用废热的主要目标的工业设备。另外，可使用地热热源和基于可再生的热源，例如燃烧木屑的锅炉。示例性废热源包括来自内燃机(如燃气轮机或往复式发动机)中的燃料燃烧的排气；来自例如废物焚化过程且通过烟 排出的烟气或废气；来自水泥、化学品、玻璃、纸或钢制造过程的冷却空气；或来自工业过程或燃烧发动机的冷却水。特别地，可考虑水泥设备的熟料冷却空气和同一水泥设备的预热塔的废气。当然，必须使用于产生轴功率的工业设备的废热的可用性与相同废热在设备内部如用于干燥或在装置外部如用于区域供热的其它可能用途平衡。在有利的实施例中，该转换系统还包括具有静态构件的中层模块，该中层模块在平行于重力方向的竖直方向上布置在底层模块和顶层模块之间。静态构件例如为蒸发器。在优选的实施例中，底层、中层以及顶层模块中的各个包括可模块化地更换的标准化构件。模块中的至少一个具有标准容器尺寸。在有利的实施例中，该系统包括用于将废热传递到蒸发器的中间回路。该中间回路包括用于通过废热加热中间回路工作流体(如加压水)的热交换器。被加热的中间回路工作流体然后被循环到蒸发器，在其中，废热被进一步传递到ORC工作流体。该中间回路在热源中(例如在水泥设备中)含尘量高的情况下是特别优选的。蒸发器或热交换器可布置在中层模块处。在优选的实施例中，中间回路的工作流体是加压水。因此，热交换器中未发生蒸发，并且热交换器的表面积可保持较小。在优选的实施例中，加压水的温度低于200°C。
中间回路提供了增加的灵活性，并且特别是允许将多个热源连接到单个朗肯循环蒸发器上。特别地，不同的热源(如同一水泥设备的熟料冷却空气或预热塔的废气)可串联连接在中间回路中。在又一优选的实施例中，结合中间回路在蒸发器中使用带有最佳表面积与体积比的板壳式(plate-and-shell type)热交换器。板壳式热交换器用于将废热从中间回路的被加热的工作流体传递到ORC工作流体。示例性板壳式热交换器(其由于如例如在文件 W02009068119中所描述的创新的焊接工艺而良好地适合经受ORC循环中超过40bar的压力)可从德国什未林市的GESMEX GmbH公司获得。有利地，该转换系统包括用于控制包括从发电机到电网的电功率供应的废热转换过程的控制单元。该控制单元连接到传感器及致动器上以便使转换系统的运行适合满足工业设备的运行条件。示例性致动器包括布置在工作流体回路中的变速驱动流体泵、冷凝器风扇、用于切断(trip)涡轮的切断阀以及能使涡轮在更宽的负荷范围内运行的可变进口导叶。另外，控制单元甚至可与废热发生过程相互作用，以便在由工业设备的运行条件所施加的限度内优化废热转换。控制单元可适合控制在预定的电压水平下将电功率从发电机供给到电网。在备选的示例性实施例中，提供一种用于将来自工业废热源的废热转换为轴功率的转换系统，该转换系统具有带有通过废热加热的中间回路工作流体的中间回路；带有任何合适的有机工作流体的闭合的朗肯循环系统；并且包括用于通过被加热的中间回路工作流体蒸发有机工作流体的板壳式热交换器。闭合的朗肯循环系统还包括由在板/壳热交换器中蒸发的有机工作流体驱动的涡轮；以及在涡轮和板/壳热交换器之间以流体的方式互相连接的冷凝器。优选的中间回路工作流体为水，而闭合的朗肯循环的有机工作流体可为有毒或无毒、氟化或未氟化的工作流体。该备选的示例性实施例可与本说明书中提及的任何有利的变型或实施例独立地结合。总之，本实用新型允许以环境友好的方式利用迄今为止主要由于生态方面的原因以及缺乏合适的设备而被忽视的品质较低的废热源。闭合的朗肯循环系统通过废热被提供动力，该废热例如以温度低于400°C、可能低于250°C且在一些情形中甚至低于200°C的热冷却流体或残余热气流的形式提供。在与废热成热交换关系的蒸发器中，合适的工作流体在低于40bar并且可能甚至低于Sbar的压力下被蒸发并加热到低于约170°C的温度，且随后被供给到涡轮以便产生轴功率，该轴功率继而可驱动压缩机或发电机。根据本发明的另一实施例，提供了一种用于将废热转换为轴功率的废热回收装置。该废热回收装置包括带有涡轮的底层模块；和带有冷凝器的顶层模块，该顶层模块布置在底层模块之上，并且经由管道连接到底层模块和蒸发器上；其中，蒸发器用于蒸发通过废热加热的ORC工作流体；其中，涡轮由蒸发的ORC工作流体驱动并连接到轴上；其中，冷凝器在涡轮和蒸发器之间以流体的方式互相连接；其中，泵在ORC系统中布置在冷凝器和蒸发器之间。[0027]根据本发明的又一实施例，提供了一种带有废热源和根据本发明的转换系统的工业水泥设备。本实用新型的这些和其它方面将从下文所描述的实施例中变得明显并且将参考下文所描述的实施例对其进行阐述。
下文将参考在详细的示意图中示出的示例性实施例更详细地解释本实用新型的主题。图1示意性地显示了根据本实用新型的一个实施例的转换系统。图2示意性地显示了根据本实用新型的另一个实施例的带有中间回路的转换系统。图3显示了根据本实用新型的另一个实施例的带有以截面的区段的涡轮进口壳体的截面图。图4A示意性地显示了根据本实用新型的另一个实施例的带有底层、中层以及顶层模块的转换系统。图4B示意性地显示了根据本实用新型的另一个实施例的带有中间回路的图4A的转换系统。图5A示意性地显示了根据本实用新型的另一个实施例的带有底层、中层以及顶层模块的模块式转换系统的侧视图。图5B示意性地显示了图5A的模块化转换系统的俯视图，示出根据本实用新型的另一个实施例的顶层模块。附图中使用的参考标号及其含义以概括形式并在参考标号清列表中列出。原则上，相同的部件在附图中设有同样的参考标号。部件列表1蒸发器IA液体-液体预热器级IB蒸发器级IC液体_蒸气过热器级ID内部热回收热交换器2 涡轮3 轴4发电机5冷凝器6 泵7废热源8 烟囱9废热-水热交换器10 泵12压缩机[0054]13涡轮进口壳体13a 流道一13b 流道二13c 截面14传感器15控制单元16闭合的朗肯循环17中间回路30转换系统31底层模块32顶层模块33中层模块35 管道
具体实施方式
图1显示了带有闭合的有机朗肯循环(ORC) 16的转换系统30的示意性图示，在如箭头所示的ORC工作流体的顺时针流动方向上，该转换系统30包括用于蒸发ORC工作流体的蒸发器1或锅炉；祸轮2，该涡轮2被供以来自蒸发器的蒸气以经由共同的轴3驱动连接到电功率网上的发电机4或任何其它负载；冷凝器5，该冷凝器5用于冷凝来自涡轮的排放的ORC蒸气；以及用于使冷凝的ORC工作流体循环到蒸发器1的器械，例如泵6。用于控制废热的转换的控制单元15连接到发电机4和监测热发生过程的传感器14以及与作为示例性致动器的泵6上。可选地，该系统还可包括用于在涡轮之后冷却蒸气并预热冷凝的工作流体的内部热回收系统。控制单元15可集成断路器、安全设备以及控制装置，并且可为空气调节的且为闭合的单元。控制单元15可为阀。可设置分离器(未示出)来从润滑流体(如涡轮2的传动装置的油/润滑系统中使用的油)中分离或提取工作流体残余物，并且该分离器可将分离的工作流体残余物重新喷射到主工作流体循环中。蒸发器1回收来自废热源7 (如在环境压力下以低于400°C的温度进入蒸发器1 并经由烟囱8被释放到周围环境的残余热气流或热排气流)的热量。通常，在蒸发器1中， ORC工作流体在低于40bar的压力下被加热到170°C，并且在涡轮2中膨胀到这样的压力， 艮口，在该压力下在接近环境温度的温度下该ORC工作流体仍为气态。在蒸发器1处的废热温度可为190°C，在涡轮2处的废热温度可为170°C。废气的温度不可降至200°C以下以便提供在水泥设备的原料磨中原料混合物的必要的干燥和预热。底层模块31可包括涡轮2的旁通元件和用于切断涡轮2的切断阀。底层模块31、中层模块33以及顶层模块32的构件可通过锁扣连接器、夹持连 接器、螺纹连接器、形状配合连接器以及压配合连接器中的一个安装到模块31，33，32上。转换系统30可通过锁扣连接器、夹持连接器、螺纹连接器、形状配合连接器以及压配合连接器中的一个安装到发电设备中。底层模块31、中层模块33以及顶层模块32可通过锁扣连接器、夹持连接器、螺纹连接器、形状配合连接器以及压配合连接器中的一个安装到彼此上。工作流体可为在整个转换过程期间处于过压状态且具有不低于大气压力的压力的异丁烷。涡轮2可为高速涡轮，其带有正齿轮传动装置(plane gearing)并且以至少为电功率网的标称AC频率的1. 5倍的速度旋转，并且对包括用于频率转换的功率电子装置 (power electronics)的高速发电机4进行供给。包括频率转换器的直接驱动式高速发电机4可允许高效发电并且可避免涡轮2和发电机4之间的传动箱的缺陷。图2示出带有中间水回路17(虚线)的系统。第一热交换器9置放在烟囱8中的排气流中，在其中，作为中间回路17的工作流体的水第一次被加热。被加热的水然后循环到布置在构成第二废热源的残余热气流中的第二热交换器9B，并被第二次加热。热水被引导到蒸发器1然后借助于水泵10循环返回到第一热交换器9。涡轮2经由轴3连接到压缩机12上而非连接到发电机上，并且轴功率用来产生加压气体。图2中所示的蒸发器1由串联布置的不同级组成，即，用于预热液态ORC工作流体的液体_液体预热器级1A、用于蒸发ORC工作流体的蒸发器级IB以及用于过热蒸发的ORC 工作流体的液体_蒸气过热器级1C。液体中间回路17工作流体(其可为水)和ORC工作流体沿相反的方向穿过这种装置。图3显示了涡轮进口壳体13，其中，工作流体从左侧进入并且朝向涡轮(图3中未示出)在底部离开壳体。壳体包括至少两个流道13a，13b，并且垂直于流动方向的截面13c 被分段或分区，其中，不同区段对应于该至少两个流道并且可独立打开或关闭。这允许适应部分负荷运行条件，在这种情况下流道中的一个或多个保持关闭。图4A示意性地示出用于将来自废热源7的废热转换为轴功率的转换系统30的元件的优选几何布置的细节。系统的元件被分配给底层模块31 (涡轮2、发电机4)、布置在底层模块31之上的顶层模块32 (冷凝器5)以及布置在底层模块31和顶层模块32之间的中层模块33 (泵6、内部热回收热交换器1D、示例性管道35)并安装在底层模块31、顶层模块32以及中层模块33内。在所示的直接式蒸发系统中，蒸发器1在与其余构件相隔一定距离处置放在废气流中。工作流体从蒸发器1或锅炉直接前行至涡轮2，从该处经由蒸气-液体型内部热回收热交换器ID前行至冷凝器5，并经由泵6返回到内部热交换器ID且然后回到蒸发器1。图4B示意性地示出带有中间水回路17的转换系统30的元件的类似的几何布置。 热交换器9置放在烟@ 8中的排气流中，在其中，水通过来自残余气体的热量被加热。水被引导到过热器1C、蒸发器IB以及预热器1A，过热器1C、蒸发器IB以及预 热器IA全部被分配给中层模块33。工作流体在被传递到涡轮2之前被预热、蒸发并过热。中间水回路17的水借助于同样安装在中层模块33上的水泵10循环返回到水热交换器9。三个前述模块各包括标准容器尺寸的钢框架，该钢框架的尺寸允许通过公路或铁路运输，并且所分配的元件安装到该钢框架上。这些模块可为预制的并且在工厂场地被测试，并且包括用于使相应模块的对应管道段互相连接的标准化连接器或凸缘。系统的元件或构件在前述模块中的一个内的相互布置继而同样基于模块化概念。根据具体的工业设备中的转换系统的规格选择特定元件，例如涡轮。然后经由标准化连接器如锁扣连接器、夹持连接器、螺纹连接器安装元件和/或以后如果需要的话更换元件。当选择元件以满足该规格时，带有更小的单独等级的多个相同的元件与单个大元件相比是优选的。例如，冷凝器有利地由与系统的额定功率相匹配的多个标准化单元组成。 转换系统30可通过高效的快速自行起动而起动。在第一步骤中，检查传感器14， 该传感器14检验废热源7的温度(例如，中间循环17是否已准备好并具有正确量的热量)。在第二步骤中，检查朗肯循环16和蒸发器1是否正在起作用。在第三步骤中，打开涡轮2前面的切断阀(作为控制单元15)以便开始将来自废热源7的废热转换为轴功率。图5A示意性地显示了带有底层模块31、中层模块33以及顶层模块32的转换系统30的侧视图。底层模块31包括模块化的可更换构件，例如涡轮2和发电机4。中层模块 33包括模块化的可更换构件，例如蒸发器1。顶层模块32包括模块化的可更换元件，例如冷凝器5和通风设备。应当注意的是，尽管图5A、图5B示出每层模块三个构件，但是每层模块31，32，33可包括不同数量的构件。图5B示意性地显示了带有顶层模块32的转换系统30的俯视图，该顶层模块32 包括在平台中彼此相邻布置的多个冷凝器5。彼此相邻布置的冷凝器5彼此连接。虽然已在附图和前面的描述中示出和描述本实用新型，但这种图示和描述应该被认为是说明性的或示例性的且非限制性的；本实用新型并不限于所公开的实施例。根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究，本领域中且实践要求保护的本实用新型的技术人员可理解和实现所公开的实施例的其它变型。在本发明中，用词“包括”不排除其它元件或步骤，并且独立的冠词“一”或“一个” 不排除多个。用于将来自废热源的废热转换为轴功率的单个转换系统可实现本发明中所述的几个项目的功能。在相互不同的本发明特征中陈述确定的措施的纯事实并不表示这些措施的组合不可被有利地使用。本发明中的任何参考标记均不应当被解释为限制范围。
权利要求1.一种用于将来自废热源(7)的废热转换为轴功率的转换系统(30)，其特征在于，所述转换系统(30)具有闭合的有机朗肯循环ORC系统(16)，该有机朗肯循环系统(16)包括_蒸发器(1)，该蒸发器(1)通过所述废热被加热，以用于蒸发ORC工作流体， -涡轮(2)，该涡轮(2)由蒸发的ORC工作流体驱动并连接到轴(3)上， -冷凝器(5)，该冷凝器(5)在所述涡轮(2)和所述蒸发器⑴之间以流体的方式互相连接，-泵(6)，该泵(6)布置在所述冷凝器(5)和所述蒸发器(1)之间， _带有所述涡轮⑵的底层模块(31)；以及-带有所述冷凝器(5)的顶层模块(32)，所述顶层模块(32)布置在所述底层模块(31) 之上。
2.根据权利要求1所述的转换系统(30)，其特征在于，所述底层模块(31)还包括需要维护的机电构件。
3.根据权利要求2所述的转换系统(30)，其特征在于，所述机电构件为联接到所述轴 (3)上的发电机(4)。
4.根据权利要求1所述的转换系统(30)，其特征在于，所述转换系统(30)还包括 -带有静态构件的中层模块(33)，该中层模块(33)布置在所述底层模块(31)和所述顶层模块(32)之间。
5.根据权利要求4所述的转换系统(30)，其特征在于，所述静态构件为所述蒸发器⑴。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的转换系统(30)，其特征在于，所述模块(31，32， 33)中的至少一个具有标准容器尺寸。
7.根据权利要求4或5所述的转换系统(30)，其特征在于，所述底层模块、中层模块以及顶层模块(31，33，32)中的各个包括可模块化地更换的标准化构件。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的转换系统(30)，其特征在于，所述废热源(7)包括水泥设备的预热塔的废气和熟料冷却空气作为废热。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的转换系统(30)，其特征在于，所述ORC工作流体是有机、无毒且未氟化的。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的转换系统(30)，其特征在于，所述ORC工作流体是纯碳氢化合物。
11.根据权利要求10所述的转换系统(30)，其特征在于，所述纯碳氢化合物为异丁烷 (C4H10)或戊烷(C5H12)。
12.根据权利要求1-5中任一项所述的转换系统(30)，其特征在于，来自所述废热源 (7)的废热经由中间回路(17)被传递到蒸发器(1)，所述中间回路(17)包括用于通过废热加热所述中间回路的工作流体的热交换器(9)。
13.根据权利要求12所述的转换系统(30)，其特征在于，所述中间回路(17)的工作流体包括温度低于200°C的加压水。
14.根据权利要求12所述的转换系统(30)，其特征在于，所述蒸发器(1)包括用于将废热从所述中间回路(17)的被加热的工作流体传递到所述ORC工作流体的板壳式热交换器⑴。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的转换系统(30)，其特征在于，所述转换系统(30) 还包括控制单元(15)。
16.一种用于将废热转换为轴功率的废热回收装置，其特征在于，包括 带有涡轮⑵的底层模块(31)；和带有冷凝器(5)的顶层模块(32)，所述顶层模块(32)布置在所述底层模块(31)之上， 并且经由管道(35)连接到所述底层模块(31)和蒸发器(1)上；其中，所述蒸发器(1)用于蒸发通过所述废热加热的ORC工作流体； 其中，所述涡轮(2)由蒸发的ORC工作流体驱动并连接到轴(3)上； 其中，所述冷凝器(5)在所述涡轮(2)和所述蒸发器(1)之间以流体的方式互相连接； 其中，所述泵(6)在ORC系统中布置在所述冷凝器(5)和所述蒸发器(1)之间。
17.一种带有废热源(7)和根据权利要求1至15中任一项所述的转换系统(30)的工业水泥设备。
专利摘要本实用新型涉及用于将废热转换为轴功率的转换系统、废热回收装置及工业水泥设备，具体而言，涉及废热的转换，并且特别涉及一种用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统。提供一种用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统，该转换系统具有闭合的有机朗肯循环(ORC)系统，该有机朗肯循环系统包括用于蒸发ORC工作流体并通过废热加热的蒸发器、由蒸发的ORC工作流体驱动且连接到轴上的涡轮、在涡轮和蒸发器之间以流体的方式互相连接的冷凝器、布置在冷凝器和蒸发器之间的泵、带有涡轮和泵的底层模块以及带有冷凝器的顶层模块，该顶层模块布置在底层模块之上。
文档编号F01K27/02GK202065022SQ20102052327
公开日2011年12月7日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年4月13日
发明者T·博尔纳特, T·布尔基 申请人:Abb瑞士有限公司