专利名称：带有气体分离的高温双源有机朗肯循环的制作方法
技术领域：
本发明的领域是有机朗肯涡轮动力循环。更具体地，是一循环，该循环经优化，同时使用相似等级的中温和低温热源，以有效地获取电力，以及一循环，其包括从工质中分离反应产物。
背景技术：
在上世纪，大量用于从单一热源生产机械能和电能的朗肯循环已获得了高度发展。在过去的四十年，为了提高低温热源(可以从大多数地热资源中获得，通常在360K到 450K范围内)，以及中温热源(可以从集光型太阳能(CSP)中获得，通常在480K到730K范围内)的经济使用，大量朗肯循环的变化方式已经被阐述及评价。许多地热项目已经使用了有机工质，例如异丁烷，因为它在典型的冷凝温度( 300K)下具有相当高的蒸汽压，并且在典型的炉温( 400K)下具有相对低的汽化潜热。 有些已经使用了多组分流体，包括丙烷/乙烷混合物，还有些已经使用了合成制冷剂，例如 R-22B1、CHBrF2 或氨(NH3)。对于中温热源来说，近来已经使用了级联式循环，其中较高沸点的流体，例如苯、 水或者甲苯，被加热到最高使用温度；冷凝器，通常接近430K，驱动蒸发器以在回路中使用较低沸点的流体例如异丁烷。通常，在各回路中的压力比大约是10，并且也常利用回热，因为在这些流体中膨胀器温度比(TK = TitAot，涡轮进口温度除以涡轮出口温度)仅仅为大约1. 15-因为在通常的膨胀器条件下，(；和Cv的比值γ低于1. 1。其他的循环则使用了氨和水的混合物，在整个过程中，混合物在循环中有些时点是混合的，而在其他时点则是分离的，这样原理上使得主要的热能转化发生，虽然复杂性、质量和成本显著增加，但温度差异较小，从而提高了效率。这些已被命名为有机朗肯循环(ORC)，以区别于常规的水蒸汽循环。近期趋向于选择较高峰值温度的流体，这促使人们选择芳香烃作为流体，例如苯和甲苯，因为它们不易受脱氢反应影响。然而，它们在环境温度下的蒸汽压低，需要使用昂贵的级联式循环来避免负压体系(这导致空气和湿气通过不可避免的微细裂缝进入)。有关化学稳定性的广泛误解包括下述观念，即较高的沸点通常与高热稳定性相互关联，而且温度上限主要由流体选择决定。我们在此公开用于将轻质烷烃的实际温度上限增加200-350K的方法，所述方法主要源于结合(a)调节氢气的产生、(b)最小化高温停留时间、(c)使催化活性表面失活、(d)结合在线的薄膜分离工艺、(e)增加冷凝压力、和(f) 选择更适宜的流体混合物。对于使用巳知工质的单一热源来说，工质的汽化潜热和液相与气相之间的比热差异，使得其不可能达到完全优化(接近第二定律极限)。当使用二元热源时，这些问题可能被有效地解决。我们在此公开了一种获得更高总效率的方法，所述方法结合使用中温能源 (例如CSP)和低温能源，例如地热、工业废热、低温太阳能集光器、低成本的平板式太阳能集热器、或者海洋温度梯度。一种最近的CSP ORC实例。近来(2005)关于太阳能贮槽领域级联式ORC的经济分析(Prabhu，US-NREL/ SR-550-39433, 2006)显示，仅5MWPE的电源设备的安装费用就要超过$3/WPE，其中Wpe是最高电能产量。大多数情况下，这种成本尺度超出了经济可行性-尤其对于太阳能来说，其平均功率通常不到峰值功率的28%。在本研究中，大约三分之二的成本为安装成本。对663K的辐射源温度本研究中预测的最高峰净ORC效率为30. 5%，这虽然比近来其它的一些ORC例子中列举的数据高50%，但仍然只是第二定律理论极限值的大约55%，并有300K的下降。 然而，因为从正午后ORC和集热器效率降低，全年的平均效率通常为8-18%。将成本降低一个数量级，需要使得电源设备够紧凑，以使得在工厂检查以后，能将其拆分成相当数量的易分离的组件并很容易地用卡车从工厂转运到野外的地点。在上述的研究中，5MW电源设备使用面积大约5，000m2。这样一个大电源设备的工厂化生产是完全不可能的。其尺寸需要减少一到两个数量级。高温双源ORC (HT-DORC)概况。当前的发明有两个主要部分(1) 一种方法是有效利用两种单独的热源(一个较低温和一个较高温)的热能以获得显著增高的总效率和降低系统成本；和(2) —种方法， 其实质为扩大典型的工质(在 270K时蒸汽压大于0. IMPa,以及在500K时导热系数大于 0. 035W/m-K的那些工质)的温度上限，主要通过调节氢气的释放以及最小化高温停留时间。关于双源的特征，在实际使用中，该新方法在朗肯循环中利用回热(因为部分受限于工质的热力学特性)，但是低温热源提供了大部分汽化热和部分液体预热的热量，同时中温或者高温热源提供了最后的过热。高度回热的DORC有三个主要的优点。按照通常的重要性降低的次序，分别是(1)沸点温度可以被大大降低，而不会对高温(更昂贵的)热源的使用效率产生负面影响(假设沸点焓来源于低成本的热源)。这样就可以使用在冷凝器温度下具有较高导热系数和蒸汽压的流体，从而可以降低膨胀器、回流换热器(recuperator)和冷凝器的尺寸和成本。(2)仅仅需要一个膨胀器涡轮便可接近理论效率极限，并且减小了它的尺寸(源于更高的冷凝器压力和更低的工质分子量)。(3)可选择工质混合物和压力以使得所有换热器中的温差在循环中各个时点都可
以完全最小化。最佳的工质将(a)在最低的冷凝器夜间温度(一般在250K到285K之间)下，具有至少0. IMpa的蒸汽压，(b)在过热器中具有良好的化学稳定性，(c)在接近低温热源的温度时处于亚临界状态，(d)安全环保，(e)在汽相条件下具有高导热系数，(f)具有高自燃温度，以及(g)具有高Y。先前大多数关于选择最佳流体的讨论主要仅集中于上述标准中的一种，或集中于另外一种-T-S图中饱和蒸汽线的斜率，而现在这在DORC中是不相干的。
减小ORC的尺寸和成本。用于降低成本的最重要创新是从单一的热力学回路和单一涡轮膨胀器(到目前为止是现有的ORC中最昂贵的单一组件)中得到最大的收益，同时仍能完全最小化所有换热器中的温差。虽然冷凝器压力仍然高于0. IMpa，但在过去级联回路就已经被选用以避免发生脱氢反应。这要比最佳地处理化学稳定性问题好得多。第二个最重要的变化是增加冷凝器压力。这对于减少冷凝器和回流换热器的尺寸是必不可少的，其中相对压力损失比例与压力的平方成反比。增加冷凝器压力对于提高工质的化学稳定性和简化从蒸汽中分离轻质气体(H2、CH4、C2H6，等等)也是有益的，我们证实这对于显著地提高温度极限是必要的。使用较高的冷凝器压力、较低的压力比、及提高的HT 回热，将使得DORC需要的单个膨胀器涡轮的成本降低一个数量级。用于降低电源设备尺寸和成本的第三个最重要要求是使用超紧凑的回流换热器。 二十年来，比参考例更紧凑超过一个数量级的气_气回流换热器设计已广为人知。对于太阳能CSP来说，提高高温热源的使用效率实际上是减少总的系统成本的最重要的因素，因为太阳能领域的成本通常是ORC成本的三倍。随着适度温度的增加，DORC使得这个效率接近两倍。太阳能集光器已经获得超过1500K的温度，因此集电极温度显著增加(与660K相比)而不存在辐射损失的大量增加应该是比较容易的。然而，用于从太阳能领域传输热量的流体必须具有更高的沸点，并且流体的化学稳定性必须被显著地提高。本发明将给出这些问题的解决方法。最后，有必要提高非设计性能，以便大幅度减少蓄热成本。改善非设计性能的措施已被公开。反应产物的移除。在常规的ORC中，因为增加的涡轮输出焓是不可用的，因此由冷凝器中的不可凝气体分压引起的膨胀率损失对膨胀器轴功率和效率具有很不利的影响。在DORC中，将能很有效地使用超过沸点的回热(正如下文所述)，提高的涡轮出口温度意味着需要更少的最终过热。因此，热源的使用效率几乎不受冷凝器中的高H2分压的影响。对于给定的输出功率来说，必须增加工质的质量流速，并且膨胀器必须在较低的膨胀率下持续有效地工作；但是这些都是次要的技术问题。虽然仍优选在冷凝器中维持相对低的H2分压，但足够高的H2 分压是可接受的，这使得在DORC中分离轻质气体反应产品变得切实可行。已公开了数种从工质中实现反应产品(轻质和重质)移除的方法。DORC 的应用。很多非常重要的(和被忽视的)例子中，大量的低温和中温余热可同时使用。在 500K到650K，费-托合成(FTS)反应器排热达成百上千兆瓦，而在较低的温度下，在冷凝器中排出较少的热量。风-电解-燃料FTS工艺是另一个未决专利申请的主题。其中，在 400K到440K，以及或许最后直到500K，大于FTS反应的热量也被从水电解中排出。优良的太阳能资源经常出现在许多良好的地热资源附近。在此情况下，通过使用具有驱动蒸发器的地热资源(或许接近400K)并结合有650K到820K的集中太阳能过热器的D0RC，可以利用更多的经济资源。现有的地热ORC通常获得10-14%的热效率，现有的集中太阳能ORC通常获得20-32%的效率。异丁烷DORC的效率能够超过总热量输入(低温加中温)的电转化效率的27%，电力输出可以超过更昂贵的、中温(CSP)部分贡献的55%。
一些海湾的垂直海洋热梯度在150m深度内可达25°C (虽然通常梯度更小)，在所谓的海洋热能转化(OTEC)中，已有一些人尝试使用各式各样的ORC以利用这些梯度产生电能。这些尝试仅获得到3%的热效率，因此缺乏经济实用性。然而大多数情况下，发现这些海洋热梯度的地方，局部的太阳能资源也很优良。因此，可以通过使用具有285K冷凝温度(稍微超过深水海湾温度)、300K炉温(稍微低于表面水温)、和在 750Κ的集中太阳能过热器的DORC来制造更加经济的发动机。低温的蒸发器热可获得中温太阳能转化率的约50%，或者获得约占总热量输入转化率的10%。平板式太阳能集热器和低温太阳能集光器提供低质量的太阳热能，其每GJ的成本比来源于高温CSP的中温能量的成本低得多。对于可再生的电力供应来说，在350-480Κ 提供沸点焓的平板型集热器或者低温太阳能集光器，加上在650-800Κ提供最后过热的 CSP，可以比任何其他的现有太阳能方案获得更高的经济效益。在位于地热资源附近的联合循环化石燃料电源设备，DORC将提供更高的效率。蒸汽冷凝温度可以更高，可能为400-450Κ，以减少这种由化石燃料涡轮排气加热的蒸汽循环的成本。蒸汽冷凝器可以向DORC提供中温热能，同时地热提供低温热能。
发明内容
本发明公开了一种双源有机朗肯循环(DORC)，当热能同时从两个热源获得时，使用单一的主要回路就能够极大地提高低温(300-500Κ)和中温(500-850Κ)热源向电能的转化。工质优选为在最低冷凝温度下具有超过0. IMPa的蒸汽压，平均分子量低于70，临界温度接近低温热源，并且主要由异丁烷组成的流体。在接近环境温度( 300Κ)和低侧压 (0. 1到0. 7MPa)条件下，冷凝而且稍微过冷的工质被(1)泵压到高侧压(0. 5-5MPa)，(2)在低温(LT)回流换热器中预热，(3)使用低温热源沸腾，(4)使用膨胀器涡轮排气蒸汽焓，在高温(HT)回流换热器中过热至接近于膨胀器涡轮排气的温度，(5)使用中温热源，进一步过热至涡轮进口温度(Tit)，(6)通过涡轮膨胀器膨胀至低侧压，(7)通过HT回流换热器冷却，⑶通过LT回流换热器冷却，(9)大部分在冷凝器中被液化和轻微过冷，并且(10)冷凝部分返回到泵中以重复这个循环。次要部分，大部分为H2的不可凝气体，被周期性或连续地从可冷凝的蒸汽中分离，并且重质烃被周期性地或者连续地从蒸发器中排出。典型流体的可用温度范围可通过下列方式显著提高(1)调节来源于次要部分烷烃脱氢反应的氢气排放；(2)周期性或者连续地从流体中除去不需要得到的重质反应产物；(3)将流体处于高温下的时间部分最小化；和(4)使用大部分为异丁烷、小部分为丙烷、苯和异戊烷的混合物作为工质。
图1是双重回热HT-DORC的系统流程图；图2是双重回热HT-DORC的T-S图。
具体实施例方式流体化学稳定性。化学稳定性对于DORC性能来说是最主要的限制因素，至少当更高温热源是集中的太阳能时。以前超过约480K时丁烷并不被推荐使用，部分原因在于可能有一些湿空气进入，从而导致有机酸及其他氧化物的形成(铜和水的结合可强烈地催化烷烃氧化)。正如氧化环境下发动机油剂中常见到的，重质烷烃常被错误地认为更适合用于较高的温度。没有空气进入，围绕化学稳定性问题的焦点已经改变。表1列举了典型工质成分、一些主要反应产物和一些高沸点有机物的一些性质， 这些成分优于以前用作HT太阳能领域到DORC的传热流体。另一些通用的ORC工质现在较少合乎需要，源于它们蒸汽压较低、临界温度或者过低或者过高、化学反应性较高、汽态导热系数较低、Y较低、或者臭氧损耗率较高。当调节脱氢反应并且完全排除空气和湿气时， 在没有催化剂的情况下，化学反应性的较好单一指标之一为最大循环温度下的单位质量吉布斯自由能(Gf/g)。作为参考，表1列举了 700K时的数据。虽然这仅仅是一个因素，但这个数值越小，则该化合物在DORC中将越稳定。另一个因素是原子的极性差异，这也是坚持采用纯HC作为工质的理由。
权利要求
1.一种双源有机朗肯循环D0RC，该循环用于将来自低温热源和中温热源的组合热能转化为电能，其特征在于在冷凝器中将工质从总压为P1的低压冷却蒸汽冷凝至温度为T1的低压冷凝工质，其中 P1大于IOOkPa但小于IMPa, T1高于260K但低于340K,通过将所述低压冷凝工质泵压到压力P2,以产生加压工质，其中P2大于1. SP1但小于 5MPa,在蒸发器中，使用来源于所述低温热源的热能，加热并煮沸至少部分所述加压冷凝工质，以产生温度为T5的加压蒸汽，利用来自于膨胀器排出蒸汽流的热量，使用高温HT回流换热器产生温度为T6的预热的蒸汽，其中T6大于T5,利用来源于所述中温热源的热能产生温度为T7的末级过热蒸汽，其中T7大于T6,通过涡轮将温度为T7的所述过热蒸汽膨胀为温度为T8、压力接近P1的低压热蒸汽，以产生用于随后向电能转化的轴功率，通过所述HT回流换热器将热蒸汽冷却为温度为T9的温蒸汽，其中T9大于T5,进一步将所述温蒸汽冷却到至少其冷凝温度，并重复上述循环。
2.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述冷凝器中，冷凝工质的平均分子质量在45和90之间。
3.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述冷凝器中，利用选择性薄膜和真空泵从蒸汽混合物中分离不可凝轻质气体。
4.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于包括用于从所述工质中分离部分重质烃 HHC的装置，其中，HHC被定义为分子质量大于79且标准沸点大于354K。
5.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述冷凝器中，冷凝工质含有摩尔分数大于0. 2的异丁烷，摩尔分数大于0. 01的苯，和摩尔分数小于0. 05的其他烃，其他烃中碳原子数大于5。
6.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于包括低温LT回流换热器，用于使用来自部分预冷却的低压蒸汽流的热量预热所述加压冷凝工质。
7.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于温度高于(T6+T7)/2的工质相对于全部工质的质量比小于0. 03。
8.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于使用包含砂砾和油的第一储罐用于低温显热存储，使用包含砂砾和高沸点液体的第二储罐用于中温显热存储。
9.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于低温热源选自包含太阳能、地热、海洋热能和工业废热的组合。
10.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于接触所述工质的所述末级过热器和涡轮的表面包覆有低催化活性的材料薄层。
11.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述蒸发器中，冷凝工质中的润滑剂的质量分数大于0. 003但小于0. 03。
12.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于利用包含至少40%铅(Pb)的熔融合金将热量传递到所述末级过热器。
13.如权利要求1所述的D0RC，其特征在于所述冷凝器包含多个平行的错流翅管式换热器。
14.如权利要求4所述的D0RC，其特征在于HHC分离工艺包括 从蒸发器中排出蒸发器液体，在闪蒸罐中从排出的蒸发器液体中闪蒸掉低沸点组分，压缩至少部分被闪蒸的低沸点组分，对来自闪蒸罐的底部产物进行额外的分离过程。
15.如权利要求6所述的D0RC，其特征在于所述LT回流换热器包括一系列的以逆流方式排列的错流翅管式换热器。
16.如权利要求7所述的D0RC，其特征在于 低温热源选自包含太阳能和地热的组合，中温热源是集中的太阳能热， 冷凝工质中异丁烷的摩尔分数大于0. 5， T5大于370K但小于440K， T7大于650K但小于820K， 工质的临界温度大于T5但小于T6, 工质的临界压力低于两倍P2但大于P2,在所述冷凝器中，所述轻质气体的分压大于0. (^P1但小于0. 2P10
17.如权利要求8所述的D0RC，其特征在于所述高沸点液体的标准沸点大于660K，自燃温度大于660K，倾点低于320K，并且包含重要组分，该组分选自包含标准沸点大于660K 的聚苯醚、聚α烯烃、多元醇酯、硅氧烷、碳氟化合物、聚酯和烷基化多环芳香烃的组合。
18.如权利要求11所述的D0RC，其特征在于所述润滑剂选自包含烷基苯和聚α烯烃的组合。
19.一种有机朗肯循环0RC，该循环用于将来自中温热源的热能转化成电能，其特征在于将有机工质从低压冷却蒸汽冷凝至低压工作液体，通过将低压工作液体泵压至高压，产生加压工作液体，从蒸发器中加热和煮沸该加压工作液体以产生高压蒸汽，通过涡轮将该蒸汽膨胀为低压蒸汽，以产生用于随后向电能转化的轴功率，将热蒸汽冷却到接近其冷凝温度，使用选择性薄膜和真空泵，从冷却的蒸汽混合物中分离轻质气体， 重复上述循环，所述ORC进一步特征在于包含用于从有机工质中分离重质烃的方法。
全文摘要
在双源有机朗肯循环(DORC)中，在接近环境温度(～300K)和低侧压(0.1-0.7MPa)条件下，被冷凝及轻微过冷的工质(1)被泵送至高侧压(0.5-5MPa)，(2)在低温(LT)回流换热器中预热，(3)使用低温热源加热至沸腾，(4)使用排气蒸汽焓，在高温(HT)回流换热器中过热至接近于膨胀器涡轮出口温度的温度，(5)使用中温热源，进一步地过热至涡轮进口温度(TIT)，(6)通过涡轮膨胀器，膨胀至低侧压，(7)通过HT回流换热器冷却，(8)通过LT回流换热器冷却，(9)大部分在冷凝器中被液化并轻微过冷，和(10)将冷凝部分返回泵中以重复该循环。
文档编号F02B39/00GK102317595SQ200780100917
公开日2012年1月11日 申请日期2007年11月25日 优先权日2007年10月12日
发明者大卫·F·多蒂 申请人:多蒂科技有限公司