基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统.pdf

本发明提供了一种基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统。所述烟气余热发电系统包括热管装置、膨胀机、发电机、冷凝器以及工质加压泵，其中，余热烟气将热管装置中的有机工质加热成过热气态有机工质，过热气态有机工质进入膨胀机膨胀做功驱动发电机进行发电，乏汽进入冷凝器经冷凝后被工质加压泵加压，形成再次进入热管装置的循环有机工质。上述基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统采用热管代替传统有机工质朗肯循环的余热锅炉，大大减小了占地面积，结构更加紧凑合理，且热管换热效率提高显著，更换方便，还可以避免有机工质管因长期受到烟气冲压和腐蚀而破裂的现象，避免工质泄露到烟道中。

权利要求书
1.  一种基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统，其特征在于，所述烟气余热发电系统包括热管装置、膨胀机、发电机、冷凝器以及工质加压泵，其中，余热烟气将所述热管装置中的有机工质加热成过热气态有机工质，所述过热气态有机工质进入所述膨胀机膨胀做功驱动所述发电机进行发电，乏汽进入所述冷凝器经冷凝后被所述工质加压泵加压，形成再次进入所述热管装置的循环有机工质。

2.  根据权利要求1所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述热管装置包括热虹吸管。

3.  根据权利要求2所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述热管装置包括翅片管式热管换热器。

4.  根据权利要求3所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述热管装置包括第一热管装置和第二热管装置，其中，所述第一热管装置的上端连接所述余热烟气的进口，所述余热烟气为所述第一热管装置进行第一次放热后，为所述第二热管装置进行第二次放热。

5.  根据权利要求4所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述第一热管装置进一步包括过热器热管蒸发段、过热器热管绝热段以及过热器热管冷凝段。

6.  根据权利要求4所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述第二热管装置进一步包括蒸发器热管蒸发段、蒸发器热管绝热段以及蒸发器热管冷凝段。

7.  根据权利要求1-6中的任一项所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述烟气余热发电系统还包括排烟管路，所述排烟管路包括热水预热器和排烟风机，所述余热烟气经过所述热管装置后进入所述热水预热器以用于水的加热，随后经所述排烟风机加压排至烟囱。

8.  根据权利要求7所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述烟气余热发电系统还包括供热热水回路，所述供热热水回路包括回水泵和热水加热器，所述热水预热器对从所述回水泵输送的回水进行预热，经过预热的回水之后进入所述热水加热器由进入所述冷凝器之前的所述乏汽进行加热，以供热用户使用。

9.  根据权利要求1-6或8中的任一项所述的烟气余热发电系统， 其特征在于，所述烟气余热发电系统还包括冷却水回路，所述冷却水回路包括冷却塔和冷却水循环泵，冷却水从所述冷却塔流出，经所述冷却水循环泵输送至所述冷凝器用于冷凝所述乏汽，之后返回所述冷却塔。

10.  根据权利要求1-6或8中的任一项所述的烟气余热发电系统，其特征在于，所述有机工质为三氟二氯乙烷、五氟丙烷、一氟二氯乙烷或其混合工质。

说明书基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统
技术领域
本发明涉及低温余热能量利用技术领域，特别涉及一种基于有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)的烟气余热发电系统。
背景技术
按照温度水平的不同，余热资源可以分为三种：高温余热(500℃以上)、中温余热(200-500℃之间)和低温余热(200℃以下)。相对于煤、石油、天然气等高品位能源而言，200℃以下的低品位余热在相同单位内包含的可用能量较低，利用难度大。但由于低温余热量很大，且基本没有被有效利用，因此低品位工业余热利用将对节能减排起到重要作用。
垃圾焚烧发电厂排烟温度通常在150-200℃之间，单条线排烟量通常在60000～100000Nm3/h，这部分烟气带走的热量，占整个发电系统能量支出的约20％，属于低温烟气余热。现行垃圾焚烧发电厂中，低温烟气都是经过除尘器之后直接排入大气，大量能源没有被充分利用。
发明内容
本发明提供了一种基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统，所述烟气余热发电系统包括热管装置、膨胀机、发电机、冷凝器以及工质加压泵，其中，余热烟气将所述热管装置中的有机工质加热成过热气态有机工质，所述过热气态有机工质进入所述膨胀机膨胀做功驱动所述发电机进行发电，乏汽进入所述冷凝器经冷凝后被所述工质加压泵加压，形成再次进入所述热管装置的循环有机工质。
在本发明的一个实施例中，所述热管装置包括热虹吸管。
在本发明的一个实施例中，所述热管装置包括翅片管式热管换热器。
在本发明的一个实施例中，所述热管装置包括第一热管装置和第二热管装置，其中，所述第一热管装置的上端连接所述余热烟气的进口，所述余热烟气为所述第一热管装置进行第一次放热后，为所述第二热管装置进行第二次放热。
在本发明的一个实施例中，所述第一热管装置进一步包括过热器热管蒸发段、过热器热管绝热段以及过热器热管冷凝段。
在本发明的一个实施例中，所述第二热管装置进一步包括蒸发器热管蒸发段、蒸发器热管绝热段以及蒸发器热管冷凝段。
在本发明的一个实施例中，所述烟气余热发电系统还包括排烟管路，所述排烟管路包括热水预热器和排烟风机，所述余热烟气经过所述热管装置后进入所述热水预热器以用于水的加热，随后经所述排烟风机加压排至烟囱。
在本发明的一个实施例中，所述烟气余热发电系统还包括供热热水回路，所述供热热水回路包括回水泵和热水加热器，所述热水预热器对从所述回水泵输送的回水进行预热，经过预热的回水之后进入所述热水加热器由进入所述冷凝器之前的所述乏汽进行加热，以供热用户使用。
在本发明的一个实施例中，所述烟气余热发电系统还包括冷却水回路，所述冷却水回路包括冷却塔和冷却水循环泵，冷却水从所述冷却塔流出，经所述冷却水循环泵输送至所述冷凝器用于冷凝所述乏汽，之后返回所述冷却塔。
在本发明的一个实施例中，所述有机工质为三氟二氯乙烷、五氟丙烷、一氟二氯乙烷或其混合工质。
上述基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统采用热管代替传统有机工质朗肯循环的余热锅炉，大大减小了占地面积，结构更加紧凑合理，且热管换热效率提高显著，更换方便，还可以避免有机工质管因长期受到烟气冲压和腐蚀而破裂的现象，避免工质泄露到烟道中。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明的实施例的基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统的结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
有机朗肯循环是采用低沸点有机工质的朗肯循环。有机朗肯循环要求的热源温度较低，100℃左右的热源就可以维持其正常运行。目前国内的有机朗肯循环发电技术主要用于海水温差发电、地热发电，太阳能热发电、生物质能发电以及工业水泥窑炉等领域。但是尚没有应用于垃圾焚烧发电厂的低于200℃的低温烟气余热发电技术。
本发明提供了一种基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统，尤其是基于有机朗肯循环的垃圾焚烧炉烟气余热发电系统。该烟气余热发电系统可以将垃圾焚烧炉尾部经除尘器处理后的低温烟气的热能转化为电能，解决现有垃圾焚烧发电厂的低温烟气余热回收存在的技术问题。
图1示出了根据本发明的实施例的基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统的结构示意图。如图1所示，该烟气余热发电系统包括热管装置、膨胀机5、发电机6、冷凝器8以及工质加压泵。其中，余热烟气将热管装置中的有机工质加热成过热气态有机工质，过热气态 有机工质进入膨胀机5膨胀做功驱动发电机6进行发电，乏汽进入冷凝器8经冷凝后被工质加压泵加压，形成再次进入热管装置的循环有机工质。
普通有机朗肯循环低温余热发电系统通常采用余热锅炉产生有机工质蒸气带动膨胀机进行发电，能量利用率低，对余热热负荷和电负荷适应性差。而根据本发明实施例的上述基于有机朗肯循环的烟气余热发电系统采用热管代替传统有机工质朗肯循环的余热锅炉，大大减小了占地面积，结构更加紧凑合理，且热管换热效率提高显著，更换方便。此外，热管可以避免有机工质管因长期受到烟气冲压和腐蚀而破裂的现象，避免工质泄露到烟道中。
根据本发明的一个实施例，热管装置可以包括热虹吸管。此外，热管装置可以包括翅片管式热管换热器。根据本发明实施例的烟气余热发电系统采用热管虹吸原理，针对余热烟气量大，温度低的特点，加装环形翅片，强化了烟气、ORC有机工质和热管流体脱盐水的传热，使得工质对蒸发温度的要求适应性更强。此外，翅片管式热管换热器取代传统余热锅炉的上升管和下降管，对热负荷和电负荷的适应性强，且占地面积小。
具体地，热管装置可以包括第一热管装置和第二热管装置，其中，第一热管装置的上端连接余热烟气的进口，余热烟气为第一热管装置进行第一次放热后，为第二热管装置进行第二次放热。进一步地，第一热管装置可以进一步包括过热器热管蒸发段1、过热器热管绝热段1-3以及过热器热管冷凝段3；第二热管装置可以进一步包括蒸发器热管蒸发段2、蒸发器热管绝热段2-4以及蒸发器热管冷凝段4。
其中，热管1的上端连接余热烟气进口，烟气将热量一次放热给热管的过热段，热管工质吸热气化后，一部分余热由气态热管工质携带，经过热器热管绝热段1-3进入过热器热管冷凝段3，将将冷凝热经管壁和翅片传递给ORC饱和气态有机工质，使之成为过热气态有机工质，进入膨胀机5做功。余热烟气进入ORC系统蒸发器热管蒸发段2经管壁和翅片二次放热给热管工质，热管工质吸热气化经蒸发器热管绝热段2-4进入蒸发器热管冷凝段4，将冷凝热传热给ORC饱和液态有机工质，使之成为饱和气态有机工质。
采用上述二次回热机制，可以提高有机工质朗肯循环系统的热效率。此外，工质吸热量减少，热管热负荷降低，因而可以减少受热面，节省热管金属耗材，降低成本；由于进入冷凝器的乏汽量减小，可以一定程度上减小冷凝器的换热面积，进一步降低耗材成本。
根据本发明的一个实施例，烟气余热发电系统还可以包括排烟管路。经过放热的余热烟气可以进入排烟回路。排烟管路可以包括热水预热器17和排烟风机18，余热烟气经过热管装置后进入热水预热器17以用于水的加热，随后经排烟风机18加压排至烟囱。烟气经过热器热管蒸发段1、蒸发器热管蒸发段2换热之后，仍然具有一定温度，将其引入热水预热器17用于水的加热，可以实现余热烟气的再利用，提高能源的利用率，为节能减排起到了重要作用。
根据本发明的一个实施例，烟气余热发电系统还可以包括供热热水回路，供热热水回路包括回水泵19和热水加热器7，上述热水预热器17所进行加热的水可以是来自回水泵19输送的回水。热水预热器17对从回水泵19输送的回水进行预热，经过预热的回水之后进入热水加热器7由进入冷凝器8之前的乏汽进行加热，以供热用户使用。这样达到了热能的多次利用，整个系统的热效率进一步得到提高。
根据本发明的一个实施例，烟气余热发电系统还可以包括冷却水回路，冷却水回路包括冷却塔16和冷却水循环泵15，冷却水从冷却塔16流出，经冷却水循环泵15输送至冷凝器8用于冷凝乏汽，之后返回冷却塔16的布水管，经冷却后储存在冷却塔积水盘，完成冷却水的循环。
根据本发明的一个实施例，烟气余热发电系统还可以包括工质循环回路。其中，从储液罐9出来的液体工质经工质加压泵10加压至一定压力，进入二次排气回热加热器11中预热；预热后的低温有机工质，经加压泵12二次加压至较高压力，进入一次排气回热加热器13中二次预热；预热后的液态有机工质，经加压泵14加压至蒸发压力，进入翅片管式热管换热器吸收烟气余热，使之成为过热气态有机工质；之后送入螺杆膨胀机5做功输出轴功，驱动励磁发电机6发电。乏汽进入供热水加热器7加热循环热水，之后进入冷凝器8冷凝，流入工质储液罐9，这样完成了一次完成的工质循环过程。
总体上，根据本发明实施例的烟气余热发电系统可以使用软化除盐水作为热管流体工质，热管采用两相热虹吸管，并且蒸发段和冷凝段加装环形翅片，以达到减小传热端差，强化传热的效果。特别地，由于烟气温度为150-200℃，故综合考虑工质的干湿性、沸点、临界温度、环保性和化学稳定性，根据本发明实施例的烟气余热发电系统可以考虑采用三氟二氯乙烷(R123)、五氟丙烷(R245fa)、一氟二氯乙烷(R141b)及由这三种纯工质组成的混合工质作为循环工质。
基于上述实施例的烟气余热发电系统热效率较高，结构紧凑，对热负荷适应性较强。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。