專利名稱：一種利用二氧化碳及作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
一種利用二氧化碳及作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明為一種工業(yè)領(lǐng)域低溫余熱熱量的回收利用及其發(fā)電系統(tǒng)，涉及冶金、化工、 煤炭、陶瓷、建材等存在低溫余熱資源的余熱回收發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及采用(X)2及其混合物作為余熱回收系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工業(yè)領(lǐng)域的余熱總量巨大，冶金、化工、煤炭等行業(yè)的余熱總資源占其燃料消耗的 17% 67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。目前中高溫余熱可采用水作為工質(zhì)的傳統(tǒng)朗肯循環(huán)進行回收，但是當熱源的溫度低于350°C時，大部分熱量用來加熱水的潛熱，余熱回收率大幅降低，余熱溫度低于250°C時甚至不能采用蒸汽輪機進行發(fā)電。這部分余熱熱量目前基本全部浪費，但是它在余熱總資源中占30 % 50 %，回收利用的潛力非常大。
回收低品位余熱資源的有效辦法是采用低沸點工質(zhì)的朗肯循環(huán)，目前采用的低沸點工質(zhì)主要是烷烴類和氟利昂類工質(zhì)，烷烴類主要包括直鏈式烴類和芳香族烴類，如丁烷、 異丁烷、戊烷、甲苯等，它們具有很好的熱力學屬性但是易燃，工質(zhì)一旦發(fā)生泄漏，有引起爆炸的危險；氟利昂類工質(zhì)一般具有較好的穩(wěn)定性和安全性，但是不同種類的氟利昂工質(zhì)存在熱力學性質(zhì)不佳、熱穩(wěn)定性差、有毒等特點，同時氟利昂類工質(zhì)普遍對環(huán)境不友好，價格昂貴，不適合工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模使用。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是為了解決上述低沸點工質(zhì)朗肯循環(huán)的不足而提出一種利用CO2及其混合物作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，用來高效回收利用工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在的低溫余熱(350°C以下)的熱量并將其轉(zhuǎn)化為電能。
本發(fā)明的一種利用CO2作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)包括熱量回收模塊、膨脹發(fā)電模塊和冷凝模塊；余熱熱源通過該熱量回收模塊將100 350°C的低溫余熱交換給導熱介質(zhì)，導熱介質(zhì)再通過該熱量回收模塊與循環(huán)工質(zhì)進行熱交換；受熱后的循環(huán)工質(zhì)驅(qū)動所述膨脹發(fā)電模塊進行發(fā)電；驅(qū)動所述膨脹發(fā)電模塊發(fā)電做功后的循環(huán)工質(zhì)在所述冷凝模塊進行冷卻，再循環(huán)使用；其中，所述循環(huán)工質(zhì)為C02。
優(yōu)選地，所述熱量回收模塊包括導熱油換熱器、熱油泵和加熱器，所述低溫余熱通過導熱油換熱器加熱導熱介質(zhì)，加熱后的導熱介質(zhì)通過熱油泵輸送給所述加熱器，并在所述加熱器與所述循環(huán)工質(zhì)進行熱交換后返回到所述導熱油換熱器。
優(yōu)選地，所述加熱器為1組以上，并依次串聯(lián)。
優(yōu)選地，所述膨脹發(fā)電模塊包括膨脹機、發(fā)電機、潤滑油分離裝置和回熱器，所述循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過所述膨脹機后驅(qū)動所述發(fā)電機進行發(fā)電，驅(qū)動所述發(fā)電機發(fā)電做功后的循環(huán)工質(zhì)再依次經(jīng)過所述潤滑油分離裝置和回熱器。
優(yōu)選地，所述冷凝模塊包括冷凝器、流量控制器、工質(zhì)泵、冷卻水塔和冷卻水泵，從所述回熱器出來的循環(huán)工質(zhì)依次經(jīng)過所述冷凝器、流量控制器和工質(zhì)泵后，再通過所述回熱器流回所述加熱器；所述冷卻水塔通過冷卻水泵向所述冷凝器泵入冷卻水，冷卻水在所述冷凝器與所述循環(huán)工質(zhì)進行換熱后流回所述冷卻水塔。
本發(fā)明方有益效果是一方面，CO2為自然物質(zhì)，化學性能穩(wěn)定，具有良好的熱力學特性，對環(huán)境友好，來源廣泛、成本低廉。另一方面，采用CO2取代水做工質(zhì)回收利用工業(yè)低溫余熱，降低了余熱回收利用的溫度下限，大大提高了余熱利用率，降低了工業(yè)產(chǎn)品的單位能耗，將工業(yè)余熱、廢熱轉(zhuǎn)化為可以直接使用的電能，變廢為寶，有助于節(jié)能減排。
圖1是本發(fā)明實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面通過實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
如圖1所示，本發(fā)明是一種利用(X)2作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，安裝于工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在的低溫余熱環(huán)境中。加熱器1、加熱器2、導熱油換熱器10和熱油泵11組成熱量回收模塊100，膨脹機3、發(fā)電機4、潤滑油分離裝置5和回熱器6組成膨脹發(fā)電模塊200， 冷凝器7、流量控制器8、工質(zhì)泵9、冷卻水塔12和冷卻水泵13組成冷凝模塊300。
加熱器1、加熱器2、膨脹機3、潤滑油分離裝置5經(jīng)過回熱器6管(殼)側(cè)與冷凝器7相互連接，冷凝器7、流量控制器8、工質(zhì)泵9經(jīng)過回熱器6殼(管)側(cè)與加熱器1相互連接，形成了循環(huán)工質(zhì)循環(huán)回路；發(fā)電機4與膨脹機3相連，導熱油換熱器10、熱油泵11和再熱器2、加熱器1之間相互連接形成導熱油循環(huán)，冷卻水塔12、冷卻水泵13、冷凝器7之間相互連接形成冷卻水循環(huán)。循環(huán)工質(zhì)為C02。
本發(fā)明的工作原理如下
通過導熱油換熱器10使導熱油與熱煙氣、熱煤氣、熱水(水蒸汽)或冷卻高溫固 (液)體物料的循環(huán)空氣、氮氣等工業(yè)余熱進行熱交換，余熱的溫度在100 350°C，產(chǎn)生 100-300°C或更高溫的導熱油由熱油泵11送入加熱器2和加熱器1加熱循環(huán)工質(zhì)，循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過加熱器1和加熱器2，加熱至高溫、高壓狀態(tài)，進入膨脹機3做功，膨脹機3輸出的動能經(jīng)發(fā)電機4轉(zhuǎn)換為電能。做功后的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過潤滑油分離裝置5進入回熱器6，進一步降溫的工質(zhì)流入冷凝器7冷卻降溫到液態(tài)后，經(jīng)過流量控制器8、工質(zhì)泵9再進入回熱器6， 后流入加熱器1再次被導熱油加熱，從而循環(huán)使用。冷卻水經(jīng)過冷卻水塔12與大氣換熱冷卻，然后由冷卻水泵13送入冷凝器7。
以一臺小型冶金加熱爐的余熱回收發(fā)電裝置為例，說明如下
導熱油最高工作溫度200°C
工質(zhì)最高工作溫度140°C
循環(huán)工質(zhì)最高工作壓力16MPa
導熱油流量U6t/h
冷卻水流量263t/h
循環(huán)工質(zhì)流量30t/h
余熱電站裝機容量200kW
發(fā)電效率9%
在本發(fā)明實施例中，膨脹機可采用徑向或軸向進氣高速透平膨脹機，雙螺桿膨脹機或活塞膨脹機，膨脹機轉(zhuǎn)速可以達到7，000-50, 000轉(zhuǎn)/分鐘；膨脹機輸出的功可以通過軸承和齒輪箱變速直接驅(qū)動水泵或風機等動力設備；也可以帶動發(fā)電機發(fā)電，通過齒輪變速或電力調(diào)和，產(chǎn)生50Hz的交流電。此外，膨脹機輸出的功可以直接帶動制冷或熱泵系統(tǒng)的壓縮機，根據(jù)用戶的實際需要實現(xiàn)熱、電、冷三聯(lián)供。
根據(jù)混合工質(zhì)的具體物性和現(xiàn)場的具體情況，冷凝器的冷卻方式可以是水冷形式，低溫熱源是水；冷卻方式也可以是風冷形式，低溫熱源是空氣。
權(quán)利要求
1.一種利用二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，包括熱量回收模塊、膨脹發(fā)電模塊和冷凝模塊；余熱熱源通過該熱量回收模塊將100 350°C的低溫余熱交換給導熱介質(zhì)，導熱介質(zhì)再通過該熱量回收模塊與循環(huán)工質(zhì)進行熱交換；受熱后的循環(huán)工質(zhì)驅(qū)動所述膨脹發(fā)電模塊進行發(fā)電；驅(qū)動所述膨脹發(fā)電模塊發(fā)電做功后的循環(huán)工質(zhì)在所述冷凝模塊進行冷卻，再循環(huán)使用；其中，所述循環(huán)工質(zhì)為C02。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱量回收模塊包括導熱油換熱器、熱油泵和加熱器，所述低溫余熱通過導熱油換熱器加熱導熱介質(zhì)，加熱后的導熱介質(zhì)通過熱油泵輸送給所述加熱器，并在所述加熱器與所述循環(huán)工質(zhì)進行熱交換后返回到所述導熱油換熱器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱器為1組以上，并依次串聯(lián)。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述膨脹發(fā)電模塊包括膨脹機、發(fā)電機、潤滑油分離裝置和回熱器，所述循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過所述膨脹機后驅(qū)動所述發(fā)電機進行發(fā)電，驅(qū)動所述發(fā)電機發(fā)電做功后的循環(huán)工質(zhì)再依次經(jīng)過所述潤滑油分離裝置和回熱器。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝模塊包括冷凝器、流量控制器、工質(zhì)泵、冷卻水塔和冷卻水泵，從所述回熱器出來的循環(huán)工質(zhì)依次經(jīng)過所述冷凝器、流量控制器和工質(zhì)泵后，再通過所述回熱器流回所述加熱器；所述冷卻水塔通過冷卻水泵向所述冷凝器泵入冷卻水，冷卻水在所述冷凝器與所述循環(huán)工質(zhì)進行換熱后流回所述冷卻水塔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)，包括熱量回收模塊、膨脹發(fā)電模塊和冷凝模塊；余熱熱源通過該熱量回收模塊將100～350℃的低溫余熱交換給導熱介質(zhì)，導熱介質(zhì)再通過該熱量回收模塊與循環(huán)工質(zhì)進行熱交換；受熱后的循環(huán)工質(zhì)驅(qū)動所述膨脹發(fā)電模塊進行發(fā)電；驅(qū)動所述膨脹發(fā)電模塊發(fā)電做功后的循環(huán)工質(zhì)在所述冷凝模塊進行冷卻，再循環(huán)使用；其中，所述循環(huán)工質(zhì)為CO2。本發(fā)明降低了余熱回收利用的溫度下限，大大提高了余熱利用率，降低了工業(yè)產(chǎn)品的單位能耗，有助于節(jié)能減排。
文檔編號F01K27/02GK102518491SQ20111037287
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者李博, 李騰, 魏小林 申請人:中國科學院力學研究所