CN103602316A - 一种利用低温尾气的朗肯循环工质及其使用方法 - Google Patents

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一种利用超低温尾气的朗肯循环工质，包括质量分数为25-30%的携热液体和质量分数为70-75%的有机工质；其中有机工质组分包括质量分数30-35%的二甲基胺，质量分数40-45%三甲基胺，质量分数10-20%甲基乙胺，质量分数10-15%的胺基乙烷，组成有机工质的上述四种物质的总质量分数为100%。还公开了朗肯循环工质的使用方法。

Description

一种利用低温尾气的朗肯循环工质及其使用方法
技术领域
本发明属于热力循环系统的工作介质，具体涉及到利用低温尾气的朗肯循环系统中的工质，还涉及循环工质的使用方法。
背景技术
低热资源(如低温地热)以及废气长期以来并不受到重视，其品位低，难以利用。近年来，随着有机郎肯循环系统的发展，低热资源或者废气发电技术逐渐走向应用，这有助于减小化石能源消耗和二氧化碳、氮氧化合物的排放。制约朗肯系统发电利用的主要技术因素之一是热效率，必须投入大于产出，方能获得工业化利用；另一点是经济性，系统造价和维护费用应当较低。本发明提出一种利用超低温尾气的朗肯循环工质以及工质的使用方法。
现有技术中低温热源发电一般采用有机朗肯循环技术和卡林纳循环技术。
有机朗肯循环采用低沸点的有机工作介质（简称工质），比如R123制冷剂、R113制冷剂、R245FA制冷剂或异戊烷等。其工作循环如下：有机工质在蒸气发生器中吸收来自低温热源管道的热量而产生饱和或者过热有机工质蒸气，然后该有机工质蒸气进入膨胀机做功，并通过与透平机连接的发电机输出发电量。之后有机工质进入到冷凝器中凝结放热形成液态，液体的有机工质再经过供给泵升压后进入蒸气发生器，这样完成一个完整的循环。 
卡林纳循环技术是以氨水混合物作为工质的一种新型动力循环，它使工质的吸热温度曲线和热源的放热温度曲线达到很好的匹配，从而减少了不可逆损失。另外，也能显著提高能源利用效率，在联合循环和热源利用方面具有独特的优势。其工作循环如下：其中氨水工作溶液经过供给泵加压并经过预热器升温之后，进入蒸汽发生器中，由其中的低温热源管道加热、蒸发并过热后，产生过热氨水蒸汽。随后该过热氨水蒸汽进入透平机做功，并通过与透平机连接的发电机输出发电量。从透平机中排出的工质经过蒸馏器冷却，然后被从分离器分离出来的贫氨溶液稀释为基本溶液，进入吸收器中凝结；离开吸收器的饱和液体经凝结泵加压，一部分经过再热器和蒸馏器加热升温后，进入分离器分离。在分离器分离出富氨蒸汽和贫氨溶液。其中贫氨溶液经再热器冷却，再经节流装置降压，以稀释透平机排出的工作溶液形成氨水基本溶液。分离器分离出来的富氨蒸汽经预热器冷却后，和另一部分氨水基本溶液混合为氨水工作溶液，然后被冷凝器中的冷却水凝结为饱和液体，最后经供给泵加压，完成一个循环过程。 
随着能源与环境问题带来的挑战的不断加大，以及技术进步带来的发电经济性的提升，一直被认为不具备发电经济性的低温资源(特别是60-80℃超低温度范围)的利用开始得到关注。低温资源之所以发电利用经济性较差，其主要原因之一，就是缺乏适合的循环工质。目前用作低温有机朗肯循环的工质有C5F12、HC600等，它们或因温室效应势(GWP)很大，或因易燃易爆，而限制了其推广应用。因此开发一种环境友好、热力性能优良的新型工质，对超低温有机朗肯循环技术的发展至关重要。
现有的朗肯发电装置通常用循环泵直接把工作流体从冷凝器输送到发生器，这样膨胀机出口蒸汽的压力受冷凝温度的影响很大，限制了膨胀机的做功、发电能力以及热能的转换效率。
在相同的环境温度下，降低膨胀机出口蒸汽的压力就可以增加膨胀机的做功，从提高朗肯循环装置的热转换效率。
发明内容
本发明的目的是，提供一种适用于低温尾气的朗肯循环使用的工质，可作为温度为100-120℃的低温尾气，或其它低品位热源的朗肯循环系统中的工质。 
本发明的朗肯循环工质包括下列组分：包括质量分数为25-30%的携热液体和质量分数为70-75%的有机工质；其中有机工质组分包括质量分数30-35%的二甲基胺，质量分数40-45%三甲基胺，质量分数10-20%甲基乙胺，质量分数10-15%的胺基乙烷，组成有机工质的上述四种物质的总质量分数为100%。其中携热液体为水。
本发明的朗肯循环工质使用方法为：在环境温度为20℃，低温热源温度为100-120℃；经过预热室预热的循环工质首先流经加热器，在加热器内有机工质被蒸发，蒸发温度为64-66℃，有机工质进入蒸汽态，携热液体此时为高温高压液态，通过管道进入预热室对来自冷凝室的循环工质进行预热，随后回流至加压室；有机工质蒸汽进入透平机做工，做工后压力和温度降低；低温低压有机工质蒸汽进入加压室并与携热液体混合，加压室利用有机工质蒸汽余压推动循环工质进入冷凝器；在冷凝器内，循环工质被压缩为液态，冷凝温度为30-35℃；冷凝器冷凝后的循环工质经预热室预热后进入加热器，完成一次做工循环。加热器中蒸发压力为1.3-1.6MP；冷凝压力为0.45-0.6MP。 
上述工质的制备方法是，将各组元物质按其指定的质量配比在液态进行物理混合。  
一种朗肯循环装置，包括加热器、加压室、透平机、冷凝器和预热室；加热器通过管道输出有机工质蒸气到透平机，加热器同时通过管道输出携热液体到预热室；透平机做工后的有机工质蒸汽通过管道输入加压室；在加压室内有机工质与携热液体混合后通过管道输入到冷凝器；冷凝器内的循环工质在预热室内被携热液体预热；经过预热的循环工质通过管道输入加热器。
本发明具有以下优点及有益效果： 
(1) 循环性能：上述朗肯循环工质在使用过程中，在设计工况下，朗肯循环效率为18％左右、单位质量输出净功基本在100KJ/Kg以上(透平机等熵效率假定为75％)，循环性能优良，热效率高。(2)本发明工质对环境友好。破换臭氧潜质低。
附图说明
图1为循环系统示意图。
具体实施方式
本发明采用四种不同配比的循环工质进行了实验。
实施例1：循环工质包括质量分数为25%的水，质量分数为75%的有机工质，其中有机工质组分包括质量分数30%的二甲基胺，质量分数45%三甲基胺，质量分数10%甲基乙胺，质量分数15%的胺基乙烷；在液态下进行物理混合后作为处理超低温尾气循环工质。
实施例2：循环工质包括质量分数为25%的水，质量分数为75%的有机工质，其中有机工质组分包括质量分数35%的二甲基胺，质量分数40%三甲基胺，质量分数10%甲基乙胺，质量分数15%的胺基乙烷；在液态下进行物理混合后作为处理超低温尾气循环工质。
实施例3：循环工质包括质量分数为30%的水，质量分数为70%的有机工质，其中有机工质组分包括质量分数30%的二甲基胺，质量分数40%三甲基胺，质量分数15%甲基乙胺，质量分数15%的胺基乙烷；在液态下进行物理混合后作为处理超低温尾气循环工质。
实施例4：循环工质包括质量分数为30%的水，质量分数为70%的有机工质，其中有机工质组分包括质量分数30%的二甲基胺，质量分数40%三甲基胺，质量分数20%甲基乙胺，质量分数10%的胺基乙烷；在液态下进行物理混合后作为处理超低温尾气循环工质。
实施例1-4中有机工质的性能见表1。
参数与性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
蒸发压力MPa 1.5872 1.5922 1.5798 1.5832
冷凝压力MPa 0.4768 0.4793 0.4803 0.4699
汽轮机进口比容m3/kg 4.9492 5.1281 5.4774 4.7787
膨胀比 4.3923 4.7412 4.9852 4.4496
单位质量输出净功kJ/kg 105 111 108 107
表1
将上述实施例工质作为处理超低温尾气循环工质，在朗肯循环系统中利用低温尾气作为热源进行热功转换，超低温尾气朗肯循环系统设计工况为：环境温度为20℃，低温热源温度为100-120℃，平均蒸发温度为64-66℃，平均冷凝温度为30-35℃，蒸发压力为1.3-1.6MP，冷凝压力为0.45-0.6MP，蒸发过热度为5℃，透平机等熵效率假定为75％，膨胀比为4.5。 
本发明的朗肯循环工质使用方法为：在环境温度为20℃，低温热源温度为100-120℃；经过预热室5预热的循环工质首先流经加热器1，在加热器1内，通过低温尾气A对循环工质进行加热，其中有机工质被蒸发，蒸发温度为64-66℃，有机工质进入蒸汽态，携热液体此时为高温高压液态，通过管道进入预热室5对来自冷凝室的循环工质进行预热，随后回流至加压室3；有机工质蒸汽进入透平机2做工，做工后压力和温度降低；低温低压有机工质蒸汽进入加压室3并与携热液体混合，加压室利用有机工质蒸汽余压推动循环工质进入冷凝器4；在冷凝器4内，利用冷凝剂B对循环工质进行冷却，并将循环工质被压缩为液态，冷凝温度为30-35℃；冷凝器冷凝后的循环工质经预热室5预热后进入加热器1，完成一次做工循环。
在设计工况下，朗肯循环效率为28％左右、单位质量输出净功基本在105KJ/Kg以上(透平机等熵效率假定为75％)，循环性能优良，热效率高。
将上述实施例中朗肯循环工质按照本发明使用方法分别进行试验，结果见表2。
  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
低温热源温度℃ 102 110 114 119
尾气排放温度℃ 64 68 70 73
系统效率% 28.1 27.9 27.8 28.2
表2
从表2可以看出，相对于超低温尾气热源，本发明系统效率在22%以上，远高于其他朗肯循环系统。本发明由于采用了合理的工质和以及工况，因此蒸发器内部损失损失低。
将上述实施例1-4循环工质在不包括加压室的朗肯循环系统中进行循环，结果见下表3。
  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
低温热源温度℃ 103 109 114 118
尾气排放温度℃ 65 69 69 71
系统效率% 22 21.9 21.8 22.1
表3
同时，本发明在回路中增设加压室，利用加压室将在透平机中做工后的尾气余压进行利用，减少了系统输入动力，效率同比提高了6%左右。
以上所述仅为本发明的实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种利用低温尾气的朗肯循环工质，其特征在于，包括下列组分：包括质量分数为25-30%的携热液体和质量分数为70-75%的有机工质；其中有机工质组分包括质量分数30-35%的二甲基胺，质量分数40-45%三甲基胺，质量分数10-20%甲基乙胺，质量分数10-15%的胺基乙烷，组成有机工质的上述四种物质的总质量分数为100%。
2.如权利要求1所述的循环工质，其特征在于，携热液体为水。
3.如权利要1-2中循环工质的使用方法，其特征在于，在环境温度为20℃，低温热源温度为100-120℃；经过预热室预热的循环工质首先流经加热器，在加热器内有机工质被蒸发，蒸发温度为64-66℃，有机工质进入蒸汽态，携热液体此时为高温高压液态，通过管道进入预热室对来自冷凝室的循环工质进行预热，随后回流至加压室；有机工质蒸汽进入透平机做工，做工后压力和温度降低；低温低压有机工质蒸汽进入加压室并与携热液体混合，加压室利用有机工质蒸汽余压推动循环工质进入冷凝器；在冷凝器内，循环工质被压缩为液态，冷凝温度为30-35℃；冷凝器冷凝后的循环工质经预热室预热后进入加热器，完成一次做工循环。
4.如权利要求3的循环工质的使用方法，其特征在于，加热器中蒸发压力为1.3-1.6MP；冷凝压力为0.45-0.6MP。
5.如权利要求1-2所述的循环工质的制备方法，其特征在于，将各组元物质按其指定的质量配比在液态进行物理混合。
6.一种朗肯循环装置，用于执行如权利要求3-4的方法，其特征在于，包括加热器、加压室、透平机、冷凝器和预热室；加热器通过管道输出有机工质蒸气到透平机，加热器同时通过管道输出携热液体到预热室；透平机做工后的有机工质蒸汽通过管道输入加压室；在加压室内有机工质与携热液体混合后通过管道输入到冷凝器；冷凝器内的循环工质在预热室内被携热液体预热；经过预热的循环工质通过管道输入加热器。
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