一种天然工质的朗肯循环余热发电系统及发电方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种余热发电系统及发电工艺，具体地说，本发明涉及一种以〇)2为工 质的朗肯循环余热发电系统及发电工艺。
【背景技术】
[0002] 余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料燃烧过 程中所发出的热量在完成某一工艺过程后未能被利用的热量。我国能源利用率低，回收余 热具有巨大潜能，有关统计指出我国单位产值能耗比世界水平高2. 4倍，能源效率比国际 先进水平低10个百分点，回收工业余热具有巨大的节能潜力。根据调查，各行各业的余热 资源占其燃料总消耗量的17% -67%，可回收利用余热资源约为余热总资源的60%。工业 余热被称为继煤、石油、天然气、水力之后的第五大常规能源。
[0003]余热的种类按照余热载体的不同，可将余热资源划分为三种：固体载体余热资源、 液体载体余热资源及气体载体余热资源；一般按余热载体的温度水平不同，也可将余热资 源划分为三种：高温余热（500摄氏度以上）、中温余热（200-500摄氏度之间）和低温余热 (200摄氏度以下）；按照余热来源的不同，可将余热资源划分六类：高温烟气余热、高温产 品和炉渣的余热、冷却介质的余热、可燃废气废液和废料的余热、废汽和废水的余热以及化 学反应余热。
[0004] 传统的余热发电系统只能利用350°C以上的余热。因为当温度处于350°C以下时， 水蒸汽饱和压力太低，而蒸汽比容大，用此系统回收起来效率很低，甚至无法利用。同时系 统投资成本过大造成回收期过长，故不适用于350°C以下的中低温余热回收。目前对于利用 350°C以下甚至更低的中低温余热，国际上一般采用的方法是有机朗肯循环。有机朗肯循环 是以有机流体替代水作为工质，回收中低品位热能的朗肯动力循环。
[0005] 目前，有机朗肯循环往往是直接把传统水蒸气朗肯循环工艺借鉴过来， CN203925627U公开了一种低温有机朗肯循环余热发电系统。该系统包括加热装置、冷却装 置和发电装置三部分，低温有机朗肯循环介质为用于低温余热发电的工质，加热装置为热 交换器，热源通过管道进入热交换器内的换热管，换热管与热交换器内的液体工质进行热 交换，热交换器内的液体工质加热成高压的气体工质，高压气体工质通过多级轴向透平机 进行膨胀做功，从而使透平机推动发电机发电，进过热交换的热源通过阀门排出；经过膨胀 之后的气体工质经过冷却装置降温冷却，之后分别进入换热器内进行再次加热，完成一个 循环。
[0006] 传统上，有机朗肯循环采用氯氟烃（CFC)作为工质，例如，CN102168589A以 二氯甲烷作为工质，CN202145099U以氯乙烷作为工质，CN102401589A、CN102401590A、 CN102401591A、CN102401592A、CN202420250U、CN202420251U、CN202420252U、CN202420253U 均采用甲苯、二氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷作为工质。
【发明内容】
[0007] 本发明要克服的现有技术存在的问题是：由于传统水蒸汽朗肯循环的工质温度和 压力参数较高，工质水与有机工质的热物理性质有较大差别，有机朗肯循环通常存在循环 热效率低，设备投资时间长等一系列问题。由于环境问题日益突出，传统CFC工质由于其对 臭氧层的破坏作用而被限制使用，在1997年京都议定书推出之后，发展环保新工质的呼声 越来越高。同时一些有机工质存在有毒、可燃的问题，万一发生泄露将造成严重的后果。鉴 于此，目前亟需开发安全、环保、高效的余热发电系统及发电工艺。
[0008] 本发明的发明人经过大量研宄和试验，发现将〇)2作为工质用于朗肯循环发电系 统，能够取得用传统CFC等有机物质作为工质所无法达到的效果。本发明的发明人还发现， 用回热器代替普通的热交换器可以明显提高工质的循环效率。
[0009] 根据本发明的一个方面，本发明提供一种天然工质余热发电系统，其特征是该系 统包括余热利用回路、〇) 2动力循环回路、〇)2冷凝回路，其中，余热利用回路是将余热工质 引出口与蒸发器余热进口相连，并在管路上装有泵或风机；〇) 2动力循环回路是CO 2管路依 次将蒸发器、气液分离器、进气调节装置、透平、回热器、储液器、工质泵相连接，气液分离器 的中上端接口与蒸发器co 2的出口相接，气液分离器的上端接口与进气调节装置相接，气液 分离器的下端接口与电磁阀、气液分离工质泵、蒸发器co 2进口依次相连，回热器的低压侧 进口与透平的出口相连接，回热器低压侧的出口与冷凝器co2进口相连接，回热器高压侧的 进口与工质泵出口相接，回热器高压侧出口与蒸发器〇) 2进口相接，透平与发电机相连；co2 冷凝回路是冷源工质管路，将冷凝器的冷源工质出口、冷源工质泵、冷凝器的冷源工质进口 相连。
[0010] 根据上述的天然工质余热发电系统，其特征是：该系统使用的余热是高温烟气余 热、高温产品和炉渣的余热、冷却介质的余热、可燃废气废液和废料的余热、废汽和废水的 余热或化学反应余热。
[0011] 根据上述的天然工质余热发电系统，其特征是：该系统使用的余热是350°c以下 的中低温余热。
[0012] 根据上述的天然工质余热发电系统，其特征是：该系统使用的〇)2为纯度为 80%~99%的〇) 2。
[0013] 根据上述的天然工质余热发电系统，其特征是：该系统使用的冷源工质是空气或 水。
[0014] 根据上述的天然工质余热发电系统，其特征是：该系统的蒸发器、冷凝器、回热器 的换热方式是逆流式、顺流式、错流式或混流式。
[0015] 根据上述的天然工质余热发电系统，其特征是：该系统使用的透平是膨胀机或汽 轮机。
[0016] 一种利用上述天然工质余热发电系统的余热发电工艺，其特征是，包括以下步骤： (1)根据余热的量、品位和发电容量配备相应的换热器、工质泵、循环管路、阀门及其他通用 设备；(2)根据朗肯循环系统所需的工质及循环量及管道压降安装动力循环所需的管路； (3)安装并连接好透平、蒸发器、冷凝器、储液器、工质泵、发电机、气液分离器、阀门、安全 阀、仪表等设备、配件；和（4)根据管路容积计算各工质充注量。
[0017] 该系统和方法采用天然工质co2，不会破坏臭氧层，化学稳定性好，价格低廉、容易 获得、不需回收，该系统和工艺可利用低密度的工业余热发电，不仅能减少工业废热对环境 带来的热污染，还能变废为宝，提高企业的经济效益。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明实施例1的一种余热发电的工艺流程图。
[0019] 图2是本发明实施例2的一种余热发电的工艺流程图。
[0020] 其中的附图标记为：1 一蒸发器，2 -透平，3 -发电机，4 一冷凝器，5 -回热器， 6 -储液器，7 -工质泵，8 -气液分离器，9 -热源工质泵，10 -冷源工质泵，11 -进气调节 装置，12 -紧急减压装置，13 -气液分尚器工质泵，14 一余热工质管路，15 - C02管路，16 - 冷源工质管路，17 -电磁阀，18 -锅炉烟道。
【具体实施方式】
[0021] 本发明提供一种以沸点较低的co2为工质的朗肯循环发电系统及发电工艺，该系 统可最大限度的将低密度的工业余热转换为高品位电能。本发明采用天然工质co 2为发电 工质，利用其在跨临界压力下，具有比热大、导热性好、气体密度高等性能，可使设备紧凑、 体积小，同时采用回热器回收内部热量，能明显提高循环热效率和发电效率，可以有效减少 余热直接向环境排放带来的热污染。
[0022] 本发明的朗肯循环发电系统所用的主要设备有：蒸发器、透平、冷凝器、励磁交流 发电机、回热器、储液器、气液分离器、工质泵、气液分离器工质泵、水泵（风机）、管路、阀 门、安全阀、联轴器及通用器具等，所述的蒸发器、冷凝器、回热器均为高效换热器，可以为 逆流式、顺流式、错流式、混流式的任一种。透平可以是膨胀机或汽轮机。上述设备及通用 器具都是余热发电行业通用的、现有的，本领域人员完全可以根据需要而在市场购买。
[0023] 本发明的天然工质余热发电系统有三个回路。第一个回路是余热利用回路，将余 热工质引出口与蒸发器余热进口相连，并在相连管路上装有泵或风机。管道内里面走的是 余热工质，可以是载热液体也可以是载热气体。余热工质在蒸发器内释放热量给发电工质 C0 2，将液体C02加热到超临界状态，释放热量后余热工质再次回到原有系统或排放。此回路 不仅能代替原有的冷却装置，同时可将余热回收。第二个回路是C0 2动力循环回路。用管道 将蒸发器、气液分离器、进气调节装置、透平、回热器、冷凝器、储液器、工质泵、气液分离工 质泵、电磁阀相连。气液分离器的中上端接口与蒸发器的〇) 2出口相接，气液分离器的上端 接口与进气调节装置相接，气液分离器的下端接口依次与电磁阀、气液分离工质泵、蒸发器 的〇) 2进口相连。回热器的低压侧进口与透平的出口相连接，回热器低压侧的出口与冷凝 器的C02进口相连接，回热器高压侧的进口与工质泵出口相接，回热器高压侧出口与蒸发器 的〇) 2进口相接。第三个回路是0)2冷凝回路，将冷凝器的冷源工质出口、冷源工质泵（风 机）、冷凝器的冷源工质进口相连，将冷源工质进口与冷凝器的冷源工质出口相连。其中三 个回路上配有流量、温度、压力等测量仪表及安全阀、阀门、滤网等通用配件。透平与励磁交 流发电机相连。当管路内及储液器的压力超过最大设计压力时，安全阀将动作放气，以确保 系统安全。
[0024] 该发电系统采用的工质为纯度为80 %~99 %的C02。
[0025] 该发电系统用于回收工业载热气体、液体的余热。余热的来源可以是：冶金、化工、 建材、玻璃、造纸、纺织、机械等行业的余热的一种，例如轧钢加热炉、玻璃熔窑、