CN103075217A

CN103075217A - 一种有机朗肯型工业余热集成回收装置

Info

Publication number: CN103075217A
Application number: CN2013100293756A
Authority: CN
Inventors: 王海波
Original assignee: Nanjing Reclaimer Environmental Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Reclaimer Environmental Technology Co Ltd
Priority date: 2013-01-27
Filing date: 2013-01-27
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-27
Also published as: CN103075217B

Abstract

本发明涉及一种有机朗肯型工业余热集成回收装置，采用基于间接换热方式的相变换热器技术，采用有机工质回收可燃、易爆、有毒、有腐蚀性或含尘的高温流体及工业生产过程中产生的废水、废汽的余热，通过有机朗肯循环发电机组发电，从而实现整个系统余热资源的集成回收及高效发电，且不会影响工业生产过程的原有系统的热力循环过程。本发明既可用于工业炉窑、电站锅炉、内燃机等烟气的余热回收，也可用于化工厂余热资源的集成利用，经济、社会、环保效益显著。

Description

一种有机朗肯型工业余热集成回收装置

技术领域

本发明涉及一种有机朗肯型工业余热集成回收装置，具体属节能环保技术领域。

背景技术

电站锅炉、工业锅炉、工业炉窑及化工厂等工业生产过程会产生废气、废水、废汽、废渣等，其中含有大量的未被利用的热量。如电站锅炉生产过程中排放出大量的烟气，其中可回收利用的热量很多；电站锅炉运行过程中还需通过连续排污和定期排污保障锅炉的水质符合安全需求，同时必须将锅炉给水中的氧气除去，以避免对锅炉系统的腐蚀。目前热力除氧器是电站锅炉的首选技术，除氧器在工作的同时，夹带大量的工作蒸汽排入大气。由于锅炉连排水和除氧器排汽中含有大量的热量及优良的水质，如果直接排放将造成极大的能源和资源浪费，而且对环境造成污染。

ZL200710046604.X提供了一种锅炉烟气余热回收的装置流程，该技术主要应用领域是电站蒸汽锅炉。该技术是一种锅炉余热回收的好方法。但是，该余热回收流程产生的是低品位的中低压蒸汽，且如果产生的蒸汽如无法外供使用，该技术的应用即受到很大的限制，通常仅能通过增加空气预热器或给水预热器回收部分烟气余热，锅炉的排烟温度仍然较高，能量浪费仍然较大，不符合节能要求。

专利CN01222028.0、CN03269342.7、ZL200710025595.6等对锅炉运行过程产生的废水进行了热量及资源回收探索，能够取得一定的效果，但也存在一定的问题。

虽然这两部分余热资源浪费巨大，但回收利用有较大的难度，其主要原因是：（1）余热的品质较低，未找到有效的利用方法；（2）回收者三部分的余热，往往对锅炉原有热力系统做出较大改动，具有一定的风险性；（3）热平衡问题难以组织，难以在工厂内部全部直接利用，往往需要向外寻找合适的热用户，而热用户的用热负荷往往会有波动，从而限制了回收方法的通用性。

由于烟气中硫化物的存在，尾部受热面的烟气出口温度受到限制，排烟温度过低会导致受热面的壁面温度低于烟气酸露点而发生严重的结露腐蚀和堵灰甚至穿孔，这是继续利用烟气余热、降低排烟温度必须面对的难题。

当利用低温有机工质时，主要设备有：蒸发器、汽轮机、冷凝器和正戊烷循环泵。对于低等及中等的焓热，ORC技术比常规的水蒸气朗肯循环有很多优点，主要是在回收显热方面有较高的效率，由于循环中显热／潜热比例不相等，ORC技术中此比例大。因此采用ORC技术比水蒸气循环会回收较多的热量。

但ORC技术也有其固有的缺点：由于有机工质可能具有可燃、爆炸等特点，在锅炉或工业炉窑尾部烟道利用烟气余热组织ORC时，必须要考虑烟气中粉尘等对布置于烟道中的换热器的磨损、腐蚀等引起的泄漏，必须要考虑由此引出的爆炸防护以及环境与工作地点的防护等。

因此如何结合ORC循环技术的优点、解决上述技术存在的问题，找到电厂等余热集成回收利用的方法，并用于高效发电，克服余热资源内循环或外循环利用的不可避免的难题，使之成为工厂所有余热资源的集成器，成为该领域研究的热点。

发明内容

本发明的目的为解决上述余热回收技术中存在的问题，提出一种有机朗肯型工业余热集成回收装置，采用基于间接换热方式的相变换热器技术，通过有机朗肯循环发电机组，回收可燃、易爆、有毒、有腐蚀性或含尘的高温流体及生产过程中产生的废水、废汽的余热，从而实现整个系统余热资源的集成回收及高效发电，且不会影响工业生产过程的原有系统的热力循环过程，并解决了有机朗肯循环机组安全运行的关键问题，从而有效提高余热回收的效率，最终达到节能降耗的目的。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种有机朗肯型工业余热集成回收装置，该装置采用有机朗肯循环回收工业系统余热，包括流道20内外设备如相变换热器6、冷却蒸发器5及其连接管道、阀门、仪表，其特征在于：

所述的有机朗肯循环的工质，是指以单一组分的纯物质、或以有机工质为低沸点工质，高沸点工质为吸收剂的混合溶液。

所述的有机朗肯循环，是指有机液体3经循环泵4、冷却蒸发器5之冷凝器5-2，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电，汽轮机8出口的乏汽经冷凝器9冷却形成形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

所述的冷却蒸发器5还包括蒸发器5-1，其中蒸发器5-1与冷凝器5-2采用分体式布置方式，蒸发器5-1与流道20中的高温流体1直接接触，冷凝器5-2布置于流道20外；高温流体1与有机液体3采用分离式换热方式，通过相变工质实现热量的传递：相变工质在蒸发器5-1中吸收高温流体1的热量产生蒸汽，蒸汽送入冷凝器5-2经有机液体3冷却后，形成的凝结液再回到蒸发器5-1吸收高温流体1的热量产生蒸汽，从而形成相变工质的内循环回路。

所述的相变换热器6包括蒸发器6-1、冷凝器6-2，其中蒸发器6-1与冷凝器6-2采用分体式布置方式，蒸发器6-1与流道20中的高温流体1直接接触，冷凝器6-2布置于流道20外；高温流体1与冷却蒸发器5产生的有机工质蒸汽采用分离式换热方式，通过相变工质实现热量的传递：相变工质在蒸发器6-1中吸收高温流体1的热量产生蒸汽，蒸汽送入冷凝器6-2并经冷却蒸发器5产生的有机工质蒸汽冷却后，形成的凝结液再回到蒸发器6-1吸收高温流体1的热量产生蒸汽，从而形成相变工质的内循环回路。

所述的相变工质采用水或其他适宜的物质，相变工质在冷却蒸发器5、相变换热器6中采用自然循环或强制循环方式。

所述的高温流体1包括但不限于可燃、易爆、有毒、有腐蚀性或含尘的高温流体。

设有与冷凝器5-2并联的蒸发器15，用于回收蒸汽余热：蒸汽16经蒸发器15成为凝结水17排出；有机液体3经循环泵4、蒸发器15，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电，有机工质为多组分时，蒸发器15产生的贫液经返流管线13回到冷凝器9，汽轮机8出口的乏汽经冷凝器9冷却形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

设有与冷凝器5-2并联的蒸发器14，用于回收汽轮机8出口乏汽的余热：汽轮机8出口的乏汽经蒸发器14、冷凝器9，形成有机液体3；有机液体3经循环泵4、蒸发器14，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电；有机工质如为多组分时，蒸发器14产生的贫液经返流管线13回到冷凝器9，汽轮机8出口的乏汽经蒸发器14、冷凝器9冷却形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

设有乏汽回热器11：汽轮机8出来的乏汽经乏汽回热器11、冷凝器9形成有机液体3；有机液体3经循环泵4、冷却蒸发器5之冷凝器5-2、或和蒸发器14、或和蒸发器15，产生的有机工质蒸汽经乏汽回热器11、有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成的有机工质过热蒸汽7经汽轮机8拖动发电机10发电，出来的乏汽再进入乏汽回热器11，从而形成有机朗肯循环回路。

有机工质为多组分时，设有回热器12：有机液体3经循环泵4、回热器12、冷却蒸发器5之冷凝器5-2、或和蒸发器14、蒸发器15，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成的有机工质过热蒸汽7经汽轮机8拖动发电机10发电，冷却蒸发器5、或和蒸发器14、蒸发器15产生的贫液经回热器12、返流管线13回到冷凝器9，汽轮机8出来的乏汽再进入冷凝器9形成有机液体3，从而形成有机朗肯循环回路。

设有与冷凝器6-2并联的过热器17，用于回收蒸汽余热：蒸汽16经过热器17、蒸发器15成为凝结水17排出；有机液体3经循环泵4、冷却蒸发器5之冷凝器5-2、或和蒸发器15、或和蒸发器14，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19分流出一部分经过热器17形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电，有机工质为多组分时：冷却蒸发器5、或和蒸发器14、或和蒸发器15产生的贫液经返流管线13回到氨冷凝器9，汽轮机8出口的乏汽经冷凝器9冷却形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

所述的相变换热器6、回热器12、冷凝器9、乏汽回热器11、过热器17、蒸发器14、蒸发器15、冷却蒸发器5可分别设置一个或多个，采用串联、并联或混联方式连接。

所述的有机工质冷凝器9按照常规技术进行设置，采用水或空气等作为冷却介质。

本发明中所提及的前述设备的换热元件可采用列管、翅片管、蛇形管或螺旋槽管，或采用其他强化传热措施的管子或其他型式的中空腔体换热元件。

高温流体1为锅炉或工业炉窑烟气时，可方便控制冷却蒸发器5之蒸发器5-1换热面的壁面温度稍高于烟气酸露点温度，或采用耐腐蚀的材料有效减轻烟气的低温腐蚀，能够有效降低排烟温度、避免烟气低温腐蚀的同时，高效回收烟气余热。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的卡琳娜型工业余热集成回收系统配套的调控装置，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、节能效果显著：利用有机朗肯循环系统对中低温热源的利用较蒸汽朗肯循环系统有更高效率的特点，高效回收高温流体、工业生产过程中产生的废水、废汽等的余热用于发电，实现工业生产过程余热的集成回收利用。

2、发电机组运行安全性能提高：

（1）采用有机工质与高温流体间接换热方式，相比于传统的有机朗肯循环技术，无需在高温流体中设置间壁式的热交换器，代之采用安全性更好的分体式的基于相变换原理的冷凝器回收热量，因高温流体的粉尘、腐蚀、磨损等引起的泄漏，导致的有机工质跟高温流体接触而引起的燃烧、爆炸、化学反应等众多安全问题得到根本解决；有机工质在相变换热器冷凝器中进行间壁式换热，优先选用的相变工质为水，因为水蒸气的无毒、非助燃物质、非可燃、阻燃等优良的特点，即使发生泄漏，事故也容易得到处理、控制，有机朗肯循环中的热交换器的运行工况明显改善；

（2）有机朗肯循环系统可以独立设置在安全可靠的防护空间内并配备可靠的安全设施，避免跟工业系统其他设备等直接交错在一起而引发的诸多问题，有机朗肯循环系统的安全性得到可靠保证，为其工业化应用进一步消除安全隐患。

3、传热强化：有机工质工作侧，气流洁净，采用相变换热方式，总放热系数提高数十倍以上，同时可以方便地在该侧实现肋化，更进一步强化传热过程，采用相变换热技术后，可将传统的有机工质-烟气的交叉流型改为纯逆流型，提高了传热的对数平均温压；高温流体侧，也采用相变换热技术，传热同样得到强化。两侧的换热设备更加紧凑。

4、实现能量梯级利用：跟高温流体间壁式换热的蒸发器采用不同的相变温度，梯级布置，较之传统的技术，更为方便地实现了能量的梯级利用。

5、方案实施的通用性强：

（1）无需对原有工业生产系统的热力系统做出较大改动，即能方便实施，风险性小；

（2）热平衡问题容易组织，克服了原先的余热回收技术因回收的余热内循环或外循环利用时，工业系统本身或外在的用热系统难免的热负荷变动而导致的一系列问题，工业系统的热平衡容易组织。

6、工业系统的断电、缺电自保能力增强，工业余热集成回收系统的发电，在外在供电系统断电时，余热回收装置的发电系统可以对关键设备进行供电自保，增强了整个系统的安全操作弹性及灵活性，便于安全应急措施的迅速实施。

附图说明

图1是本发明的一种有机朗肯型工业余热集成回收装置流程示意图。

图1中：1-高温流体，2-低温流体，3-有机液体，4-循环泵，5-冷却蒸发器，5-1-蒸发器5-1，5-2-冷凝器，6-相变换热器，6-1-蒸发器，6-2-冷凝器，7-有机工质过热蒸汽，8-汽轮机，9-冷凝器，10-发电机，11-乏汽回热器，12-回热器，13-返流管线，14-蒸发器，15-蒸发器，16-蒸汽，17-过热器，18-冷凝水，19-有机工质蒸汽管线，20-流道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，一种有机朗肯型工业余热集成回收装置，具体实施例如下：

所述的高温流体1为电站锅炉烟气，蒸汽16为疏水产生的废汽、除氧器的排汽等；

采用多组分有机工质；

所述的有机朗肯循环，是指有机液体3经循环泵4、冷却蒸发器5之冷凝器5-2，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电，冷却蒸发器5产生的贫液经返流管线13回到冷凝器9，汽轮机8出口的乏汽经有机工质冷凝器9冷却形成形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

所述的相变工质采用水、自然循环方式。

设有与冷凝器5-2并联的蒸发器15，用于回收蒸汽余热：蒸汽16经过热器17、蒸发器15成为凝结水17排出；有机液体3经循环泵4、蒸发器15，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2、过热器17，形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电，蒸发器15产生的贫液经返流管线13回到有机工质冷凝器9，汽轮机8出口的乏汽经有机工质冷凝器9冷却形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

设有与冷凝器5-2并联的蒸发器14，用于回收氨汽轮机8出口乏汽的余热：汽轮机8出口的乏汽经蒸发器14、有机工质冷凝器9，形成有机液体3；有机液体3经循环泵4、蒸发器14，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成有机工质过热蒸汽7，送入汽轮机8拖动发电机10发电，蒸发器14产生的贫液经返流管线13回到有机工质冷凝器9，汽轮机8出口的乏汽经蒸发器14、有机工质冷凝器9冷却形成有机液体3，再回到循环泵4，从而形成有机朗肯循环回路。

设有乏汽回热器11：汽轮机8出来的乏汽经乏汽回热器11、有机工质冷凝器9形成有机液体3；有机液体3经循环泵4、冷却蒸发器5之冷凝器5-2、或和蒸发器14、或和蒸发器15，产生的有机工质蒸汽经乏汽回热器11、有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成的有机工质过热蒸汽7经汽轮机8拖动发电机10发电，出来的乏汽再进入乏汽回热器11，从而形成有机朗肯循环回路。

设有回热器12：有机液体3经循环泵4、回热器12、冷却蒸发器5之冷凝器5-2、或和蒸发器14、蒸发器15，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线19、相变换热器6之冷凝器6-2，形成的有机工质过热蒸汽7经汽轮机8拖动发电机10发电，冷却蒸发器5、或和蒸发器14、蒸发器15产生的贫液经回热器12、返流管线13回到有机工质冷凝器9，汽轮机8出来的乏汽再进入有机工质冷凝器9形成有机液体3，从而形成有机朗肯循环回路。

所述的相变换热器6、回热器12、有机工质冷凝器9、乏汽回热器11、过热器17、蒸发器14、蒸发器15、冷却蒸发器5可分别设置一个或多个，采用串联、并联或混联方式连接。

控制蒸发器5-1换热面的壁面温度高于烟气酸露点温度且不发生低温腐蚀，能够有效降低排烟温度、避免烟气低温腐蚀的同时，高效回收烟气余热。

以220吨/h的电站锅炉为例，烟气的流量大致为246000Nm³/h，烟气进口温度为180℃，经蒸发器2-1、蒸发器3-1降温至115℃，回收的烟气热量大致为6000KW，用于有机朗肯循环发电，发电效率保守估算取10%，每小时即可回收600度的电量，按年运行5000小时计，年节约标煤达4000吨以上，再加上排污水及废汽的余热回收发电，以及节水等，综合效益会更加显著，三年左右即可收回全部投资。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种有机朗肯型工业余热集成回收装置，包括高温流体(1)降温回路及有机朗肯循环回路，其特征在于：

所述的有机朗肯循环，是指有机液体（3）经循环泵（4）、冷却蒸发器（5）之冷凝器（5-2），产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线（19）、相变换热器（6）之冷凝器（6-2），形成有机工质过热蒸汽（7），送入汽轮机（8）拖动发电机（10）发电，汽轮机（8）出口的乏汽经冷凝器（9）冷却形成有机液体（3），再回到循环泵（4），从而形成有机朗肯循环回路；

高温流体（1）经相变换热器（6）之蒸发器（6-1）、蒸发器（5-1）降温后排出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

设有与冷凝器(5-2)并联的蒸发器(14)：汽轮机(8)出口的乏汽经蒸发器(14)、有机工质冷凝器(9)，形成有机液体(3)；有机液体(3)经循环泵(4)、蒸发器(14)，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线(19)、相变换热器(6)之冷凝器(6-2)，形成有机工质过热蒸汽(7)，送入汽轮机(8)拖动发电机(10)发电，汽轮机(8)出口的乏汽经蒸发器(14)、有机工质冷凝器(9)冷却形成有机液体(3)，再回到循环泵(4)，从而形成有机朗肯循环回路。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

设有与冷凝器(5-2)并联的蒸发器(15)：蒸汽(16)经蒸发器(15)成为凝结水(17)排出；有机液体(3)经循环泵(4)、蒸发器(15)，产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线(19)、相变换热器(6)之冷凝器(6-2)，形成有机工质过热蒸汽(7)，送入汽轮机(8)拖动发电机(10)发电，汽轮机(8)出口的乏汽经有机工质冷凝器(9)冷却形成有机液体(3)，再回到循环泵(4)，从而形成有机朗肯循环回路。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

设有与冷凝器(6-2)并联的过热器(17)：蒸汽(16)经过热器(17)、蒸发器(15)成为凝结水(17)排出；有机液体（3）经循环泵（4）、冷却蒸发器（5）之冷凝器（5-2）、蒸发器（15）、或和蒸发器（14），产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线（19）分流出一部分经过热器（17）形成有机工质过热蒸汽（7），送入汽轮机（8）拖动发电机（10）发电，汽轮机（8）出口的乏汽经有机工质冷凝器（9）冷却形成有机液体（3），再回到循环泵（4），从而形成有机朗肯循环回路。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

设有回热器（12）：有机液体（3）经循环泵（4）、回热器（12）、冷却蒸发器（5）之冷凝器（5-2）、或和蒸发器（14）、蒸发器（15），产生的有机工质蒸汽经有机工质蒸汽管线（19）、相变换热器（6）之冷凝器（6-2）、或和过热器（17），形成的有机工质过热蒸汽（7）经汽轮机（8）拖动发电机（10）发电，冷却蒸发器（5）、或和蒸发器（14）、蒸发器（15）产生的贫液经回热器（12）、返流管线（13）回到有机工质冷凝器（9），汽轮机（8）出来的乏汽再进入有机工质冷凝器（9）形成有机液体（3），从而形成有机朗肯循环回路。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

设有乏汽回热器（11）：汽轮机（8）出来的乏汽经乏汽回热器（11）、或和蒸发器（14）、有机工质冷凝器（9）形成有机液体（3）；有机液体（3）经循环泵（4）、冷却蒸发器(5)之冷凝器(5-2)、或和蒸发器(14)、或和蒸发器(15)，产生的有机工质蒸汽经乏汽回热器(11)、有机工质蒸汽管线(19)、相变换热器(6)之冷凝器(6-2)，形成的有机工质过热蒸汽(7)经汽轮机(8)拖动发电机(10)发电，汽轮机(8)出来的乏汽再进入乏汽回热器(11)，从而形成有机朗肯循环回路。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述的相变换热器(6)、回热器(12)、有机工质冷凝器(9)、乏汽回热器(11)、过热器(17)、蒸发器(14)、蒸发器(15)、冷却蒸发器(5)可分别设置一个或多个，采用串联、并联或混联方式连接。