CN102401590A - 热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，属于能源与环境技术领域。包括热管换热系统、有机朗肯循环的工质循环回路、中低温烟气排烟管路、供热热水回路和冷却水回路，采用热管替代锅炉的上升管及下降管，热管换热系统由热管、烟气换热器和锅筒构成，热管下端蒸发段置于烟气换热器中、上端冷凝段置于锅筒中，使用甲苯、三氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷等作循环工质，热管流体使20%热管体积的软化脱盐水。具有换热效率高、热管替换方便、可避免换热管腐蚀和不易换掉而影响换热效率和工质泄露等优点，可根据热用户对供热负荷的需求调节有机朗肯循环的排气回热量。
Description
技术领域
本发明涉及一种热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，属于能源与环境技术领域。
背景技术
目前，中低温烟气余热发电系统采用锅炉的上升管和下降管进行换热，其在使用一定时间后，会因与烟气的长时间接触而发生腐蚀和破裂，使有机工质泄露到烟道中，导致有机工质的浪费和换热效率的下降，而锅炉的上升管和下降管的更换非常困难，不利于系统的正常运行和成本控制。
热管是热管换热器的最基本元件，从其外观来看，通常是一根有翅片或无翅片的普通圆管，其主要结构特点表现在管内。热管由管壳、毛细多孔材料（管芯）和蒸汽腔（蒸汽通道）所组成。从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分。工作时，蒸发段因受热而使其毛细材料中的工作液体蒸发，蒸汽流向冷凝段，在这里由于受到冷却使蒸汽凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。由于汽化潜热大，所以在极小的温差下就能把大量的热量从热管的蒸发段传至冷凝段。
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： 
足够大的毛细抽吸压头；
较小的液体流动阻力，既有较高的渗透率；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：
紧贴管壁的单层及多层网芯；
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；
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；
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。
由于热管结构和工作液工作的优点，若将其用于替代锅炉的上升管和下降管，不仅可以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烟气冲刷而腐蚀破裂、导致有机工质泄露和换热效率下降等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，采用热管替代锅炉的上升管和下降管，解决因锅炉换热管道替换困难和烟气腐蚀而导致的换热效率下降、有机工质浪费等问题。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，包括热管换热系统，有机工质朗肯循环回路，中低温烟气排烟管路，供热热水回路和冷却水回路；热管换热系统由热管2、烟气换热器3和锅筒1构成，热管2下端蒸发段置于烟气换热器3中、上端冷凝段置于锅筒1中；有机工质朗肯循环回路由储液罐17、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5、三通调节阀7、热水加热器9、凝结器11、以及将它们连接的管道构成，加压泵13经管道连接于储液罐17出口与排气回热加热器8内换热管入口之间，循环泵4经管道连接于排气回热加热器8内换热管出口与锅筒1入口之间，锅筒1上部经管道与透平5进口连接，透平5出口经三通调节阀7分别与排气回热加热器8进气口和热水加热器9进气口连接，凝结器11的进气口和出气口经管道分别与热水加热器9出气口和储液罐17入口连接；中低温烟气排烟管路由烟气换热器3、热水预热器14、排烟风机16、以及将它们连接的管道构成，烟气换热器3入口接中低温烟气管道、出口经管道接热水预热器14进气口，热水预热器14出气口经排烟风机16和管道与烟囱连接；供热热水回路由热水预热器14内换热管、回水泵15、热用户、热水加热器9内换热管、以及将它们依次连接的管道构成；冷却水回路由冷却塔10、冷却水循环泵12、凝结器11、以及将它们连接的管道构成，冷却水循环泵12经管道连于凝结器11内换热管入口和冷却塔10底部出口之间，凝结器11内换热管出口与冷却塔10上端布水管连接。
所述有机朗肯循环工质为甲苯、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）中的任一种或几种的任意混合物，根据实际需要具体选择。
所述热管2为两相热虹吸管，其蒸发段和冷凝段上设有强化传热的翅片。热虹吸管的长度、数量和其上翅片的数量，均根据实际需要具体确定。
所述热管内工作液的数量为其内腔体积的15～30%，具体根据实际需要确定，工作液为软化脱盐水。
本发明依据有机朗肯循环系统选定的工质种类，按需要的发电容量及供热负荷配备并安装锅筒、热管、烟气换热器、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；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。
本发明的工作原理是：热管2的下段（蒸发段）置于烟气换热器3中，使得从锅炉引过来的中低温烟气的热量传给热管的蒸发段，热管2中的工作液被加热蒸发，流向热管2的上段（冷凝段），在热管2冷凝段将其热量传给锅筒1中的循环有机工质，之后热管2中的工作液被冷却又流回蒸发段；从储液罐17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，使低温有机工质被加热蒸发,有机工质在锅筒1中进行汽水分离，有机工质蒸汽就从锅筒1的上部流出，送入透平（膨胀机）5做功输出轴功，驱动励磁发电机6发电，乏汽则经分流三通调节阀7分两路：一路进排气回热加热器8预热从储液罐17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17，完成一次循环；把锅炉中低温烟气引入热管2的下段（蒸发段）进行热交换，之后进入热水预热器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。通过透平乏汽管路上设置的分流三通调节阀7，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。
本系统采用热管替代锅炉的上升管和下降管, 且热管为蒸发段和冷凝段都加有翅片的两相热虹吸管，具有以下有益效果：
（1）热管替换方便，可以避免换热管因长年与烟气接触发生腐蚀，不容易换掉，而影响换热效率的缺点；
（2）强化了烟气、有机工质和热管内水的传热，提高了换热效率，使有机工质能够很有效地达到蒸发标准。
（3）可以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。
（4）可安全可靠和高效率地将中低温烟气余热转换为高品位的电能，并可以同时提供用于生活热水等所需热能；
（5）极大地降低了热电联供过程环害物质COX、SOX的产生与排放；
（6）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为本发明系统示意图。
图中各标号为：1-锅筒；2-两相热虹吸管；3-烟气换热器；4-有机工质循环泵；5-透平（或膨胀机）；6-励磁发电机；7-分流三通调节阀；8-排气回热加热器；9-热水加热器；10-冷却塔；11-凝结器；12-冷却水循环泵；13-工质加压泵；14-热水预热器；15-回水泵；16-排烟风机；17-储液罐。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例1：某钢铁厂高线三段式步进加热炉，建一热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热热电联供户式系统，电机输出功率为10Kw，供应45～50℃卫生热水600l/d。
本热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，包括替代热管换热系统，有机工质朗肯循环回路，中低温烟气排烟管路，供热热水回路和冷却水回路；热管换热系统由热管2、烟气换热器3和锅筒1构成，热管2下端蒸发段置于烟气换热器3中、上端冷凝段置于锅筒1中；有机工质朗肯循环回路由储液罐17、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5、三通调节阀7、热水加热器9、凝结器11、以及将它们连接的管道构成，加压泵13经管道连接于储液罐17出口与排气回热加热器8内换热管入口之间，循环泵4经管道连接于排气回热加热器8内换热管出口与锅筒1入口之间，锅筒1上部经管道与透平5进口连接，透平5出口经三通调节阀7分别与排气回热加热器8进气口和热水加热器9进气口连接，凝结器11的进气口和出气口经管道分别与热水加热器9出气口和储液罐17入口连接；中低温烟气排烟管路由烟气换热器3、热水预热器14、排烟风机16、以及将它们连接的管道构成，烟气换热器3入口接中低温烟气管道、出口经管道接热水预热器14进气口，热水预热器14出气口经排烟风机16和管道与烟囱连接；供热热水回路由热水预热器14内换热管、回水泵15、热用户、热水加热器9内换热管、以及将它们依次连接的管道构成；冷却水回路由冷却塔10、冷却水循环泵12、凝结器11、以及将它们连接的管道构成，冷却水循环泵12经管道连于凝结器11内换热管入口和冷却塔10底部出口之间，凝结器11内换热管出口与冷却塔10上端布水管连接。
本系统热管2中的工作液为汽化潜热和导热系数较高、饱和压力及沸点适度、粘度较低、稳定性良好、且有较大表面张力和润湿毛细结构能力的软化脱盐水。根据烟气量50000kg/h、温度573K、Cp1kg/(kJ.K)，热管2采用长5m的两相热虹吸管共950根，每根热虹吸管上、下段上分别有40片强化传热翅片，管内灌有20%V（热管体积）的软化脱盐水。热管2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1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。
本系统有机朗肯循环工质采用三氟二氯乙烷（R123）；锅筒1的壁厚为16mm、直径为1200mm；膨胀机5采用IT10螺杆式膨胀机，净输出功率为10Kw，进口工质压力为1.0MPa，温度110℃；排气回热加热器8、热水加热器9、凝结器11均采用板式换热器；工质加压泵13采用高压屏蔽泵。按储液罐17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17进口的顺序，用紫铜管及相关配件将各装置连接，形成有机朗肯循环工质回路。
本系统供热水回路采用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，用无缝钢管及相关配件将各装置连接，形成供热水回路。冷却塔10选用冷却水循环流量为20m3/h的低温型冷却塔LBCM-20，冷却水循环泵选用12KQL50/100-1.1/2型号，冷却水管路，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，采用无缝钢管及相关配件将各装置连接，形成冷却水回路。
本系统通过中低温烟气管道，把锅炉中低温烟气引入热管2的下端（蒸发段）进行热交换，之后进入热水预热器14对回水预热，最后经排烟风机16加压排至烟囱，形成中低温烟气排烟管路。中低温烟气排烟管道用2mm热轧钢板焊接而成，烟囱为直径300mm的钢制结构，按烟气换热器3--热水预热器14—排烟风机16—烟囱的顺序，安装烟气管路。
本系统所有设备配件按图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。
实施例2：本热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统与实施例1相同，所采用的有机朗肯循环工质为丙烷（R290），两相热虹吸管长4.5m、共1000根、每根上下段上分别有32片强化传热翅片，热虹吸管内灌有25%V（热管体积）的软化脱盐水。
实施例3：本热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统与实施例1相同，所采用的有机朗肯循环工质为甲苯、戊烷（R601）、四氟乙烷（R134a），分别按30%、25%、45%的体积比混合而成，两相热虹吸管长5.5m、共900根、每根上下段上分别有48片强化传热翅片，热虹吸管内灌有30%V（热管体积）的软化脱盐水。
实施例4：本热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统与实施例1相同，所采用的有机朗肯循环工质为甲苯、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），分别按10%、15%、5%、6%、8%、11%、5%、7%、5%、18%、10%的体积比混合而成，两相热虹吸管长4m、共1100根、每根上下段上分别有24片强化传热翅片，热虹吸管内灌有15%V（热管体积）的软化脱盐水。
Claims (5)
1.一种热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，其特征在于：包括热管换热系统，有机工质朗肯循环回路，中低温烟气排烟管路，供热热水回路和冷却水回路；热管换热系统由热管（2）、烟气换热器（3）和锅筒（1）构成，热管（2）下端蒸发段置于烟气换热器（3）中、上端冷凝段置于锅筒1中；有机工质朗肯循环回路由储液罐（17）、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（5）、三通调节阀（7）、热水加热器（9）、凝结器（11）、以及将它们连接的管道构成，加压泵（13）经管道连接于储液罐（17）出口与排气回热加热器（8）内换热管入口之间，循环泵（4）经管道连接于排气回热加热器（8）内换热管出口与锅筒（1）入口之间，锅筒（1）上部经管道与透平（5）进口连接，透平（5）出口经三通调节阀（7）分别与排气回热加热器（8）进气口和热水加热器（9）进气口连接，凝结器（11）的进气口和出气口经管道分别与热水加热器（9）出气口和储液罐（17）入口连接；中低温烟气排烟管路由烟气换热器（3）、热水预热器（14）、排烟风机（16）、以及将它们连接的管道构成，烟气换热器（3）入口接中低温烟气管道、出口经管道接热水预热器（14）进气口，热水预热器（14）出气口经排烟风机（16）和管道与烟囱连接；供热热水回路由热水预热器（14）内换热管、回水泵（15）、热用户、热水加热器（9）内换热管、以及将它们依次连接的管道构成；冷却水回路由冷却塔（10）、冷却水循环泵（12）、凝结器（11）、以及将它们连接的管道构成，冷却水循环泵（12）经管道连于凝结器（11）内换热管入口和冷却塔（10）底部出口之间，凝结器（11）内换热管出口与冷却塔（10）上端布水管连接。
2.根据权利要求1所述的热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，其特征是：有机工质为甲苯、三氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷、四氟乙烷中的任一种或几种的任意混合物。
3.根据权利要求1所述的热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，其特征是：热管（2）为两相热虹吸管，其蒸发段和冷凝段上设有强化传热的翅片。
4.根据权利要求3所述的热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，其特征是：热管（2）内工作液的数量为热管内腔体积的15～30%。
5.根据权利要求3所述的热管换热有机介质朗肯循环中低温烟气余热发电系统，其特征是：热管（2）内的工作液为软化脱盐水。
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