一种低温余热发电的方法及装置与流程

本发明涉及一种尾气余热回收发电的方法及装置，特别是涉及利用各类烧结窑后段产生烟气温度相对较低，但烟气量大的场合，进行发电的方法及装置。

背景技术：

工业余热的回收利用在节能的舞台上扮演着愈来愈重要的角色，以工业余热为例，人类所利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放，工业余热资源十分丰富，被视为继煤炭、石油、天然气、水力之后的第5大常规能源。工业余热一般分为600℃以上的高温余热，600℃-180℃的中温余热和180℃以下的低温余热。近几年来，用于回收烟气和废水中高温余热和中温余热的单循环发电技术得到了广范的推广，并取得了很好的经济环境效益。低温余热的品位较低，现有技术和设备针对低温余热无法运行，目前大多数低温余热回收技术和设备只能是通过换热器把余热转换为品位更低的热量加以利用，最为常见的是烟气或废水通过换热器加热热水，用以生活用水或冬季供暖，但是对于春夏秋三季则余热利用率几乎为零。如砖窑烧结过程中产生的烟气，温度都在170℃以上，并且排量比较大，在非采暖季节实施低温发电回收，具有较高的回收利用价值。

另一方面，电能是高品位能源，随着我国经济的高速发展，我国工业对电力资源的需求越来越大，尤其是近几年来，电力资源的供给出现了供不应求的局面，甚至有的地区对高用电企业实行了用电限制。若能将生产工艺中的大量余热利用起来，转化成电力输出再供给企业自用或并网，将缓解企业因用电增加的成本，同时降低废热的排放，进一步强化资源利用率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低温余热发电的方法及装置，利用烧结窑生产工艺末段产生的180℃-60℃温度区段内的低温烟气余热发电，以解决余热利用率低及电力紧张的双重问题。

本发明低温余热发电的装置包括至少一级低温余热发电机组，以及冷却水塔和水源热泵，所述低温余热发电机组连接在低温烟气管路上，冷却水塔和水源热泵分别与低温发电机组并联。其中的低温余热发电机组由组合式翅片管预热器，组合式翅片管蒸发器，工质泵，双螺杆膨胀机，发电机和管壳式冷凝器组成，在组合式翅片管预热器和组合式翅片管蒸发器上分别设置有多个翅片管换热器组成单元，所述翅片管换热器组成单元串联连接，分别构成组合式翅片管预热器和组合式翅片管蒸发器的管程；所述组合式翅片管蒸发器的壳程进口与烧结窑烟道连接，壳程出口与组合式翅片管预热器的壳程进口连接，组合式翅片管预热器的壳程出口连通大气；工质泵出口连接组合式翅片管预热器的管程进口，管程出口与组合式翅片管蒸发器的管程进口连接，组合式翅片管蒸发器的管程出口与双螺杆膨胀机的吸气口连接，双螺杆膨胀机排气口与管壳式冷凝器壳程进口连接，管壳式冷凝器壳程出口与工质泵吸入口连接，发电机连接在双螺杆膨胀机上；管壳式冷凝器的管程出口与冷却水塔进口连接，冷却水塔出口连接冷却水泵后接入管壳式冷凝器的管程进口；管壳式冷凝器的管程与水源热泵并联。

本发明的低温余热发电装置包括至少一级低温余热发电机组，当烟气温度较高时，可以采用二级或者更多级低温余热发电机组。

其中，所述的发电机为三相同步发电机。

本发明低温余热发电的方法为采用上述装置，使烧结窑烟道尾气依次通过组合式翅片管蒸发器、组合式翅片管预热器的壳程，与组合式翅片管蒸发器、组合式翅片管预热器管程内的有机工质交换热量，降温后排入大气；由工质泵驱动有机工质依次通过组合式翅片管预热器和组合式翅片管蒸发器的管程，吸收热量升温后进入双螺旋膨胀机膨胀作功，带动发电机发电；作功后的有机工质进入管壳式冷凝器放热，将热量传给循环的冷却水后循环回工质泵；冷却水或者通过冷却水塔冷却后循环使用，或者通入水源热泵的蒸发器，交换热量后循环使用，水源热泵吸收的热量供取暖使用。

其中，有机工质在低温余热发电机组内的工作过程为：有机工质先在组合式翅片管预热器内与烧结窑烟气换热，达到或超过有机工质的沸点，变为高压气液两相混合物。之后进入组合式翅片管蒸发器，剧烈蒸发，变为高压饱和或过饱和蒸汽。然后进入双螺杆膨胀机绝热膨胀，带动发电机转动。随后有机工质进入管壳式冷凝器的壳程，与其管程内的冷却水换热，变为低压饱和或过冷液体。再经由工质泵，进入组合式翅片管预热器，完成一个循环。

本发明装置低温余热发电机组在冬季和其他三季的运行工况分别通过冷却水塔和水源热泵之间的转换实现。冷却水塔和水源热泵分别与机组的冷凝器并联，冬季运行时，通过阀门关闭冷却水塔，同时为水源热泵蒸发器提供热水；春夏秋三季则关闭水源热泵，通过冷却水塔冷却循环水。

本发明装置中，低温余热发电机组中的预热器、蒸发器部分都采用了组合式的翅片管换热器组成单元，可以根据烟气的酸露点温度，采用不同材质的换热器组成单元，以减少机组成本，提高换热器寿命，扩大低温余热发电机组的适用范围。同时，由于烟气内含有粉尘等杂质比较多，如果长时间不清洗翅片管，会造成换热器传热能力下降，排烟温度升高，影响机组的发电量，采用可拆换的翅片管换热器组成单元，还可以在不影响机组正常运行的情况下，比较方便的清洗翅片管。低温余热发电机组内发电工质根据所要回收利用余热的温度品质，选用不同性质的有机物，以达到尽可能高提高发电效率，减少机组制造成本的目的。同时，本发明的装置提高了低温余热发电机组与原有生产工艺的匹配性。

本发明利用低沸点有机工质，根据有机朗肯循环原理，在吸收工业余热后，不但可以产出一定电能，还可以为热泵蒸发器侧提供满足热泵供热需要的热水。在保证不产生二次污染和二次能耗的情况下，产出高品位的电能，同时又不影响企业的用热需求。

本发明针对不同品质的余热选择不同的有机工质，以提高发电设备与工艺生产线的匹配度，尽可能减少初投资。余热的回收范围为230℃-70℃，并且能在冬季较精确的为热泵提供足质足量的热水。在对原来工艺没有不利影响的情况下，提供380v、50hz的工业用电，提高能源的利用效率。低温发电机组针对90℃-70℃左右的余热回收时发电效率可以达到5%，对于品味更高的余热，发电效率会高于5%。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明利用烧结窑尾气低温余热发电装置的结构示意图。

图中：1-低温余热发电机组，4-循环水泵，5-水源热泵，8-冷却水塔，11-工质泵，12-组合式翅片管预热器，13-组合式翅片管蒸发器，14-组合式翅片管换热器组成单元，15-双螺杆膨胀机，16-三相同步发电机，17-管壳式冷凝器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的装置和方法做进一步说明。

本发明提出的冬季结合水源热泵、春夏秋季独立运行，利用烧结窑尾气中的低温余热发电的装置包括至少一级低温余热发电机组1，当烟气温度较高时可以采用二级或者更多级的低温余热发电机组。如图1所示，每级发电机组1都包括工质泵11，组合式翅片管预热器12，组合式翅片管蒸发器13，组合式翅片管换热器组成单元14，双螺杆膨胀机15，三相同步发电机16，管壳式冷凝器17，整个装置还包括冷却水塔8，循环水泵4和水源热泵5。

每级低温余热发电机组1的构成部件的连接方式亦见图1，烧结窑尾气进入组合式翅片管蒸发器13的壳程，其进口a与烧结窑烟道连接，壳程出口与组合式翅片管预热器12壳程进口连接，最终经出口b排至大气。低温余热发电机组1的循环有机工质进入组合式翅片管预热器12的组合式翅片管换热器组成单元14，其进口与工质泵11出口连接，管程出口与组合式翅片管蒸发器13的管程进口连接，蒸发器的管程出口与双螺杆膨胀机15吸气口连接。双螺杆膨胀机排气口与管壳式冷凝器17的壳程进口连接，管壳式冷凝器17壳程出口与工质泵11吸入口连接，管壳式冷凝器17管程出口d与冷却水塔8进口连接，冷却水塔出口与冷却水泵4吸入口连接，冷却水泵4出水口与管壳式冷凝器17管程进口c连接。管壳式冷凝器17管程与水源热泵5蒸发器连接。

低温发电机组在冬季和其他三季的运行工况分别通过冷却水塔和水源热泵之间的转换实现。如图1所示，冷却水塔8和水源热泵5分别与机组的冷凝器17并联，冬季运行时，通过阀门关闭冷却水塔8，同时为水源热泵5蒸发器提供热水；春夏秋三季则关闭水源热泵5，通过冷却水塔8冷却循环水。

其中与烟气直接换热的设备包括预热器和蒸发器均采用组合式翅片管换热器，根据烟气的酸露点温度，采用不同材质的换热器单元。机组在运行过程中，测定经过每个换热器单元的温度，如果温度高于110℃，即烟气的酸露点温度，则采用普通钢材质的高频焊翅片管换热单元。如果温度在110℃左右，则从这一组翅片管换热单元往后，均采用不锈钢翅片管换热单元。

运行3-4个月后，通过关断换热器单元进口阀门，打开工质泵与其上一级换热单元的通道，就可以在不关闭机组的情况下对翅片管进行清洗，晾干后，再装入换热器箱体，抽真空后，打开阀门，继续使用，在不影响机组正常运行的情况下方便的清洗翅片管。通过增加或减少换热单元数，可以调节烟气最终的排放温度。如果在冬季，发电机组管壳式冷凝器17用于为水源热泵5提供热水，如果温度不够高（＜20℃），则适当打开螺杆机旁通阀门，就可以提高冷凝器出水温度。

以某矸石砖厂为例，其工厂生产工艺中，砖窑尾气出口流量为69400m³/h，出口烟气温度170℃。原有烟气余热回收装置是水源热泵，冬季，水源热泵通过安装在烟道上的喷淋水换热器获得温度约为20℃的热水，春夏秋三季热泵不运行，无其他烟气余热回收利用措施。采用本发明装置后，在保证冬季不影响热泵正常运行和不给原来工艺增加额外负荷的前提下，低温余热发电量可以达到1568160kw·h/年，年减少co2排放1196吨，总经济效益为125.45万元/年，具有很高的经济与环境效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。