CN102168588A - 基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统及发电工艺，系统包括：热管系统，有机朗肯循环的工质循环回路，生物质燃气燃烧室及排烟管路，供热热水回路，冷却水回路。采用热管替代锅炉的上升管及下降管；采用生物质燃气燃烧室，生物质燃气燃烧室使用二甲醚、重油、生物质或由生物质制成的低品位廉价燃料；使用甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)等作循环工质。本发明采用热管替代锅炉的上升管和下降管，主要解决了三个问题：①热管替换方便；②采用热管可以提高换热效率；③采用热管可以避免烟道内有机工质管子因长期受到燃气及烟气冲刷和腐蚀而破裂，造成有机工质泄漏到烟道中，导致有机工质的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统及工艺，是一种生物质高效利用发电系统的新方法与技术，属于能源与环境技术领域。
背景技术
热管的管芯是一种紧贴管壳内壁的毛细结构，通常用多层金属丝网或纤维、布等以衬里形式紧贴内壁以减少接触热阻，衬里也可由多孔陶瓷或烧结金属构成。性能优良的管芯应具有：①足够大的毛细抽吸压头；②较小的液体流动阻力，既有较高的渗透率；③良好的传热特性，即有较小的径向热阻。因而，管芯的结构有很多种，大致可分为以下几类：①紧贴管壁的单层及多层网芯；②烧结粉末管芯，它是由一定目数的金属粉末或金属丝网烧结在管内壁面而成；③轴向槽道式管芯，它是在管壳内壁开轴向细槽，以提供毛细压头及液体回流通道，槽的截面形状可有矩形，梯形等多种；④组合管芯。一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率，组合管芯既能兼顾毛细力和渗透率，从而获得高的轴向传热能力，而且大多数管芯的径向热阻甚小。他基本上把管芯分成两部分，一部分起毛细抽吸作用，一部分起液体回流通道作用。
热管的工作液要有较高的汽化潜热、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性。工作液体还应有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力，使毛细结构能对工作液作用并产生必须的毛细力。工作液还不能对毛细结构和管壁产生溶解作用，否则被溶解的物质将积累在蒸发段破坏毛细结构。
正因为热管的结构和工作液工作的特殊性能等这些优点，我们考虑把其和锅炉的上升管和下降管替换掉，看是否能大大提高锅炉的工作效率，使蒸汽温度更高，而且能够避免烟道内有机工质管子因长期受到烟气冲刷和腐蚀而破裂，造成有机工 质泄露到烟道中，致使有机工质的浪费，我们展开了讨论和研究。
电力生产在工农业生产中扮演着越来越重要的角色，可以说电力供应是整个社会发展的瓶颈。一个世纪以来，电力工业都是严重地依赖于煤等化石燃料，虽然近年来随着超临界朗肯循环等技术的应用，煤电效率逐步提高(现在世界上最新技术已经能达到近50％的热效率)，但电力工业依然是二氧化碳及二氧化硫严重环境污染物主要的排放源，同时随着石化燃料的枯竭，开采的成本和难度会越来越大，因此加大对新能源开发的力度，从而逐渐减轻国民生产及生活过程对石化燃料的依赖程度，是人类必然面临的唯一选择。
生物质资源主要指农业及林产业废弃物、畜牧养殖业粪便及城市含有可燃成分的固体废物。我国有丰富的生物质资源，据统计我国农村仅稻草丢弃量便高达7亿吨(热值约10.2×1015kJ)，林产业废弃物近2亿吨(热值约3.1×1015kJ)，尚有大量的稻壳、秸秆等农业废弃物。若这些废弃物不合理加以回收利用，便会成为环害物质。当前生物质能利用技术主要有：直接燃烧，燃烧产生的热和蒸汽可用于发电，或向用户供热；沼气技术，生物质产生的沼气可用作生活燃气及发电；生物质气化技术，气化生产的可燃气可用于炊事、采暖和农作物烘干，还可用作内燃机、燃气轮机等动力装置的燃料，输出电力或动力；生物质热解技术，分为干馏制水煤气、制炭和快速热解制生物油技术；生物质液化技术。总的来看，农业及林产业生物质在生长过程中需吸收CO2进行光合作用，这类生物质的能源利用与转化系统不会造成地球大气中CO2总量的增加，因此，生物质能利用技术的研究已成为国际社会新能源技术研究的热点。目前，生物质的洁净燃烧技术，如农村沼气技术、秸秆气化技术等已趋成熟，而且相关产品正逐步实现定型市场化。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统及发电工艺，该系统采用热管替代锅炉的上升管和下降管，主要解决了三个问题：①热管替换方便，可以避免换热管因为长年与燃气及烟气接触发生腐蚀，不容易换掉，而 影响换热效率的缺点；②采用热管可以提高换热效率；③采用热管可以避免烟道内有机工质管子因长期受到燃气及烟气冲刷和腐蚀而破裂，造成有机工质泄露到烟道中，致使有机工质的浪费。该系统可安全可靠的和高效率的将生物质热能转换为高品位的电能，且提供用于生活热水等所需热能。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：
本发明的热电联供系统包括五个回路：首先是热管2的下端(蒸发段)置于生物质燃气燃烧室3中，生物质燃气燃烧产生的热量传给热管的蒸发段，热管2中的工质被加热蒸发，流向热管的上端(冷凝段)，在热管冷凝段将其热量传给锅筒1中的循环有机工质，之后热管中的工质被冷却又流回蒸发段；第二是有机朗肯循环的工质循环回路，从储液器出来的液体工质经工质加压泵13加压至蒸发压力，进入排气回热加热器8中预热，预热后的低温有机工质，经有机工质循环泵4加压进入锅筒1与热管2冷凝段进行热交换，使低温有机工质加热蒸发，有机工质在锅筒1进行汽水分离，有机工质蒸汽就从锅筒1上部流出，送入透平(膨胀机)5做功输出轴功，驱动励磁发电机6发电，乏汽经分流三通调节阀分两路：一路进排气回热加热器8预热从储液器出来经工质加压泵13加压至蒸发压力来的液态工质，另外一路直接与从排气回热加热器8出来的工质蒸气混合进入供热水加热器9加热循环热水，之后进入凝结器11冷凝，流入工质储液罐，这样就完成了一次循环；第三个回路是生物质燃气燃烧室及排烟管路如下：将生物质燃气送入生物质燃气燃烧室中进行燃烧，燃气燃烧产生的热量传给热管2的下端(蒸发段)与热管中的工质进行热交换，把燃烧后产生的烟气引出，进入热水预热器14对回水预热，最后经排烟风机16加压排至烟囱；第四从热用户来的回水经回水泵15输送至热水预热器14预热，之后进入热水加热器9完成热水的加热过程；第五个回路是有机朗肯循环冷却水回路，从冷却塔10来的冷却水经冷却水循环泵12输送至有机朗肯循环的凝结器11，完成对循环工质乏汽的凝结，之后返回冷却塔10布水管，经冷却后集于塔底集水盘，完成一个循环。
该发电系统热管流体使用水，灌入20％V(热管体积)的软化脱盐水。
该发电系统采用热管替代锅炉的上升管和下降管，主要解决了三个问题：①热管替换方便，可以避免换热管因为长年与燃气及烟气接触发生腐蚀，不容易换掉，而影响换热效率的缺点；②采用热管可以提高换热效率；③采用热管可以避免烟道内有机工质管子因长期受到燃气及烟气冲刷和腐蚀而破裂，造成有机工质泄露到烟道中，致使有机工质的浪费。
该发电系统采用的热管为两相热虹吸管，且其蒸发段和冷凝段都加有翅片，强化了烟气、有机工质和热管内水的传热，使有机工质能够很有效的达到蒸发标准。
该系统采用生物质燃气燃烧室，生物质燃气燃烧室使用生物质燃料(或由生物质制成的燃料，如生物柴油、生物质气化可燃气)、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然气、煤气、二甲醚；
该发电系统的有机朗肯循环使用甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、戊烷(R601)、异戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、异丁烷(R600a)、四氟乙烷(R134a)及由这9种纯工质组成的混合工质作循环工质；
该发电系统在透平乏汽管路上设置了分流三通调节阀，可根据用户对供热负荷的需求调节有机朗肯循环的排气回热量。
本发明的发电工艺为：
(1)根据有机朗肯循环系统所选定的工质种类，按需要的发电容量及供热负荷配备并安装好锅筒、热管、生物质燃气燃烧室、有机工质循环泵、工质加压泵、排气回热加热器、透平、励磁发电机、供热水加热器、凝结器、热水预热器、排烟风机、冷却塔等设备及其管路与配件；
(2)根据有机朗肯循环的管路容积计算循环工质的充注量，将循环工质计量充入循环管路中。
工作原理为：
热管2的下端(蒸发段)置于生物质燃气燃烧室3中，生物质燃气燃烧产生的热量传给热管的蒸发段，热管2中的工质被加热蒸发，流向热管的上端(冷凝段)，在热管冷凝段将其热量传给锅筒1中的循环有机工质，之后热管中的工质被冷却又流回蒸发段；从储液器出来的液体工质经工质加压泵13加压至蒸发压力，进入排气回热加热器8中预热，预热后的低温有机工质，经有机工质循环泵4加压进入锅筒1与热管2冷凝段进行热交换，使低温有机工质加热蒸发，有机工质在锅筒1进行汽水分离，有机工质蒸汽就从锅筒1上部流出，送入透平(膨胀机)5做功输出轴功，驱动励磁发电机6发电，乏汽经分流三通调节阀分两路：一路进排气回热加热器8预热从储液器出来经工质加压泵13加压至蒸发压力来的液态工质，另外一路直接与从排气回热加热器8出来的工质蒸气混合进入供热水加热器9加热循环热水，之后进入凝结器11冷凝，流入工质储液罐，这样就完成了一次循环；将生物质燃气送入生物质燃气燃烧室中进行燃烧，燃气燃烧产生的热量传给热管2的下端(蒸发段)与热管中的工质进行热交换，把燃烧后产生的烟气引出，进入热水预热器14对回水预热，最后经排烟风机16加压排至烟囱；从热用户来的回水经回水泵15输送至热水预热器14预热，之后进入热水加热器9完成热水的加热过程；从冷却塔10来的冷却水经冷却水循环泵12输送至有机朗肯循环的凝结器11，完成对循环工质乏汽的凝结，之后返回冷却塔10布水管，经冷却后集于塔底集水盘，完成一个循环。
本发明的有益效果是：
(1)该系统可安全可靠的和高效率的将生物质热能转换为高品位的电能，且提供用于生活热水等所需热能；
(2)极大地降低了热电联供过程环害物质COx、SOx的产生与排放；
(3)便于实现个性化的分布式热电联供系统，整个系统对热能的利用比较充分，满足现代化的工艺要求。
附图说明
图1为本发明技术方案的工艺流程图。图中各编号的名称为：锅筒1、两相热虹吸管2、生物质燃气燃烧室3、有机工质循环泵4、透平(或膨胀机)5、励磁发电机6、分流三通调节阀7、排气回热加热器8、热水加热器9、冷却塔10、凝结器11、冷却水循环泵12、工质加压泵13、热水预热器14、回水泵15、排烟风机16。
具体实施方式
在昆明地区某农村建一基于有机介质朗肯循环的生物质能热电联供户式系统，电机输出功率为10Kw，供应45～50℃卫生热水600l/d。
热管为两相热虹吸管，并且蒸发段和冷凝段都加有翅片，强化传热；热管的工作液为汽化潜热较高、导热系数，合适的饱和压力及沸点，较低的粘度及良好的稳定性，且有较大的表面张力和润湿毛细结构的能力的水。生物质燃料采用秸秆气化炉所产可燃气，根据每天需要燃气量为50000kg计算得出，需要5m长、950根两相热虹吸管，且往管内灌入20％V(热管体积)的软化脱盐水。热管的内的水在蒸发段吸收中低温烟气的热量而使其毛细材料中的水蒸发，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段与锅筒的有机工质进行热交换，由于受到冷却使蒸汽凝结成液体，工作液体水再沿多孔材料靠毛细力作用流回蒸发段。
有机朗肯循环工质用三氟二氯乙烷(R123)，锅筒为壁厚16mm和直径1200mm，膨胀机采用IT10螺杆式膨胀机，净输出功率为10Kw，膨胀机进口工质压力为1.0MPa，温度110℃，排气回热加热器、热水加热器、凝结器均采用板式换热器，工质加压泵采用高压屏蔽泵。按储液罐出口--有机工质加压泵13--排气回热加热器8--有机工质循环泵4--锅筒1--透平(膨胀机)5--励磁发电机6--排气回热加热器8--热水加热器9--凝结器11--储液罐进口的顺序用紫铜管将有机朗肯循环的工质回路及所需配件安装好。
供热水回路采用PPR热水管，按回水泵15出口--热水预热器14--热水加热器9--回水泵15进口的顺序将供热水回路及所需配件安装好。
选用冷却水循环流量为20m3/h的低温型冷却塔LBCM-20，冷却水循环泵型号为KQL50/100-1.1/2，冷却水管路采用无缝钢管，按冷却塔10出口-冷却水循环泵12-凝结器11-冷却塔10进口的顺序将冷却水回路及所需配件安装好。
采用生物质燃气燃烧室，生物质燃气燃烧室使用生物质燃料(或由生物质制成的燃料，如生物柴油、生物质气化可燃气)、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然气、煤气、二甲醚；将生物质燃气送入生物质燃气燃烧室中进行燃烧，燃气燃烧产生的热量传给热管2的下端(蒸发段)与热管中的工质进行热交换，把燃烧后产生的烟气引出，进入热水预热器14对回水预热，最后经排烟风机16加压排至烟囱；
中低温烟气排烟管道用2mm热轧钢板焊接而成，用直径为300mm的钢制烟囱。按烟气换热器3--热水预热器14--排烟风机16--烟囱的顺序将烟气管路安装好。
以上所有设备设备配件按图1连接，安装完成后，进行管道的氮气吹扫，对有机朗肯循环系统抽真空。并分别按要求向相应管路内充入R123及自来水。
Claims (6)
1.一种基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统，其特征是该系统包括：热管系统，有机朗肯循环的工质循环回路，生物质燃气燃烧室及排烟管路，供热热水回路，有机朗肯循环的冷却水回路。
热管系统：热管(2)的下端即蒸发段置于生物质燃气燃烧室(3)中，生物质燃气燃烧产生的热量传给热管的蒸发段，热管(2)中的工质被加热蒸发，流向热管的上端即冷凝段，在热管冷凝段将其热量传给锅筒(1)中的循环有机工质，之后热管中的工质被冷却又流回蒸发段。
有机朗肯循环的工质循环回路如下：从储液器出来的液体工质经工质加压泵(13)加压至蒸发压力，进入排气回热加热器(8)中预热，预热后的低温有机工质，经有机工质循环泵(4)加压进入锅筒(1)与热管(2)冷凝段进行热交换，使低温有机工质加热蒸发，有机工质在锅筒(1)进行汽水分离，有机工质蒸汽就从锅筒(1)上部流出，送入透平即膨胀机(5)做功输出轴功，驱动励磁发电机(6)发电，乏汽经分流三通调节阀分两路：一路进排气回热加热器(8)预热从储液器出来经工质加压泵(13)加压至蒸发压力来的液态工质，另外一路直接与从排气回热加热器(8)出来的工质蒸气混合进入供热水加热器(9)加热循环热水，之后进入凝结器(11)冷凝，流入工质储液罐，这样就完成了一次循环。
生物质燃气燃烧室及排烟管路如下：将生物质燃气送入生物质燃气燃烧室中进行燃烧，燃气燃烧产生的热量传给热管(2)的下端即蒸发段与热管中的工质进行热交换，把燃烧后产生的烟气引出，进入热水预热器(14)对回水预热，最后经排烟风机(16)加压排至烟囱；
供热热水回路为：从热用户来的回水经回水泵(15)输送至热水预热器(14)预热，之后进入热水加热器(9)完成热水的加热过程；
有机朗肯循环的冷却水回路为：从冷却塔(10)来的冷却水经冷却水循环泵(12)输送至有机朗肯循环的凝结器(11)，完成对循环工质乏汽的凝结，之后返回冷却塔 (10)布水管，经冷却后集于塔底集水盘，完成一个循环。
2.如权利要求1所述的基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统，其特征是：生物质燃气燃烧室使用生物质燃料或由生物质制成的燃料、生物柴油、生物质气化可燃气、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然气、煤气或二甲醚。
3.如权利要求1所述的基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统，其特征是：该系统有机朗肯循环使用甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、戊烷(R601)、异戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、异丁烷(R600a)、四氟乙烷(R134a)及由这11种纯工质组成的混合工质作循环工质。
4.如权利要求1所述的基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统，其特征是：该系统热管流体使用灌入20％V即热管体积的软化脱盐水。
5.如权利要求1所述的基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统，其特征是：该系统采用的热管为两相热虹吸管，并且蒸发段和冷凝段都加有翅片，强化传热。
6.如权利要求1所述的基于有机介质朗肯循环的生物质热能发电系统，其特征是：该系统采用热管替代锅炉的上升管和下降管。
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