CN104612771A - 一种orc制取压缩空气的装置及方法 - Google Patents

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本发明涉及中低温余热回收利用技术，旨在提供一种ORC制取压缩空气的装置及方法。该装置包括蒸发器、二次换热器、透平同轴一体机、冷凝器和工质泵；透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，前者用于膨胀做功，后者用于制取压缩空气；各设备通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口经二次换热器接至透平膨胀机的工质入口；透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端；透平压缩机的压缩空气出口接至二次换热器的压缩空气入口。本发明通过ORC实现中低温余热回收利用，并直接制取压缩空气，同时通过回收压缩热来提高膨胀机的入口温度和压力，大幅提高了余热能源的回收效率。

Description

一种ORC制取压缩空气的装置及方法
技术领域
本发明涉及中低温余热回收利用技术领域，尤其是涉及一种ORC制取压缩空气的装置及方法。
背景技术
在钢铁、有色金属、石油化工、建材、轻工等诸多行业中，生产企业有着大量低品位余热，包括烟气、蒸汽和热水等，这些热量品位低、数量大、分布散，基本不能为生产再利用。在当前节能减排大政策背景下，余热利用技术越来越受到工业界和学术界的重视，推广中低温余热发电或者中低温余热回收制取压缩空气即为一种低品位余热利用的重要方式。
目前可实现热功(电)转化技术的热力循环技术主要有：有机朗肯循环(简称ORC)、氨水Kalina循环、半导体热电材料温差发电、热声发电等。其中半导体温差发电技术受到热电能量转换效率和成本的限制；热声技术存在弛豫时间等问题，循环效率并不能保证；Kalina循环理论效率高，但构成复杂，工程应用可靠性仍需检验。
ORC发电系统具有良好的机动性、高度的安全性及对维护保养的要求比较低等优点，将其整合到能源系统，以余热驱动可以实现低品位能源向高品位能源(电、压缩空气)的转化，减轻电力负担，提高余热的综合回收利用率。
然而，ORC发电系统中，由于进入膨胀机工质流量和压力的随机波动，工质在膨胀机中不能充分有效的平稳膨胀做功(一般螺杆膨胀机的膨胀比控制在1:4左右)，导致转速不稳定，影响ORC系统发电的稳定性，降低了发电效率。如果利用膨胀机直接驱动空气压缩机，对普通空气进行压缩。压缩空气通过稳压(减压)后直接并入气体管网，系统的能源效率可以大幅提高。
目前，国内外没有发现利用ORC来制取压缩空气的应用，本发明带来全新的压缩空气节能理念，利用免费的工业中低温余热来制取压缩空气。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种ORC制取压缩空气的装置及方法。本发明旨在于改善传统ORC发电的能源效率低、系统不稳定的现实，并针对当前工业生产过程中压缩空气需求量大的现状，巧妙利用ORC直接制取压缩空气。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器、二次换热器、透平同轴一体机、冷凝器和工质泵，各设备之间通过管线实现连接；所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口经二次换热器接至透平膨胀机的工质入口；透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端；二次换热器上设有压缩空气的入口和出口，透平压缩机的压缩空气出口接至二次换热器的压缩空气入口。
本发明中，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。
本发明中，在连接二次换热器与透平膨胀机工质入口的管线上设有安全溢流阀。
本发明进一步提供了利用前所述装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括：1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器，吸收来自80～300℃的中低温余热的能量，相变为5～10bar、60～80℃的蒸汽；有机工质自蒸发器中排出后，被送入二次换热器中与压缩空气换热进一步吸收能量，再被导入透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，得到压缩空气；压缩空气先被送至二次换热器中与有机工质换热，然后作为产品引出装置；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，在向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。
本发明中，所述中低温余热是指：烟气、蒸汽或热水。
本发明中，所述冷源是空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。
本发明中，所述有机工质是氟利昂。在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
ORC实现中低温余热回收利用，并直接制取压缩空气，同时通过回收压缩热来提高膨胀机的入口温度和压力，大幅提高了余热能源的回收效率。
附图说明
图1为本发明的ORC制取压缩空气的装置示意图；
图2为透平同轴一体机示意图；
图中标记为：蒸发器1，热源入口端2，热源出口端3，(蒸发器)工质出口4，(蒸发器)工质入口5，透平同轴一体机6，(透平膨胀机)工质入口7，(透平膨胀机)工质出口8，压缩空气9，冷凝器10，(冷凝器)工质入口11，(冷凝器)工质出口12，工质泵13，透平压缩机14，透平膨胀机15，普通空气16，二次换热器17，安全溢流阀18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明中的ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器1、透平同轴一体机6、冷凝器10和工质泵13，冷凝器10可以采用是空冷或水冷的冷凝器。
所述透平同轴一体机6由透平膨胀机15和透平压缩机14同轴直联，透平膨胀机15用于膨胀做功，透平压缩机14用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机15设有工质入口7和工质出口8，透平压缩机14设有空气入口和压缩空气出口。
透平同轴一体机6工作时，透平膨胀机15和透平压缩机14同轴等速相连，避免了不同轴传动的机械效率损失，提高了制取压缩空气的整体效率。
各设备之间通过管线实现连接：透平膨胀机15的工质出口8经冷凝器10接至工质泵13的入口端，工质泵13的出口端与蒸发器1的工质入口5相接，蒸发器1的工质出口4与透平膨胀机15的工质入口7相接；蒸发器1上设有热源入口端2和热源出口端3。
工质泵13的出口端与蒸发器1的工质入口5相接，蒸发器1的工质出口4经二次换热器17接至透平膨胀机15的工质入口7；透平膨胀机15的工质出口8经冷凝器10接至工质泵13的入口端；蒸发器1上设有热源入口端2和热源出口端3；二次换热器上设有压缩空气的入口和出口，透平压缩机14的压缩空气出口接至二次换热器17的压缩空气入口。
本发明中的装置设控制系统，不仅实现与装置相关的电气和仪表的基本控制，而且通过在管路上设置传感器，通过控制调节阀的开度，达到提高透平膨胀机15的最佳工况效果和系统的稳定可靠性。透平同轴一体机6设润滑油系统。
本发明中，利用前述装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括：
低压(1～2.5bar)有机工质由工质泵13加压为过冷液态后送入蒸发器1，吸收来自中低温余热(80～300℃)的能量转变为高压(5～10bar)高温(60～80℃)蒸汽；有机工质自蒸发器1中排出后，被送入二次换热器17中与压缩空气换热进一步吸收能量，再被导入透平膨胀机15；透平膨胀机15膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机14对普通空气进行压缩，得到压缩空气；压缩空气先被送至二次换热器17中与有机工质换热，然后作为产品引出装置；透平膨胀机15做功后，有机工质以低压蒸气(1.5～3bar)的形式排出并送入冷凝器10，在向冷源(如果水冷模式，30℃左右冷却水；如果风冷模式，常温20℃左右空气)放热后冷凝为液态，返回工质泵13入口，以此实现往复循环。
本发明中，中低温余热是指烟气、蒸汽或热水；冷源是水或空气；有机工质是氟利昂，在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。

Claims (7)

1.一种ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器；其特征在于，该装置还包括：二次换热器、透平同轴一体机、冷凝器和工质泵；
所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；
各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口经二次换热器接至透平膨胀机的工质入口；透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端；二次换热器上设有压缩空气的入口和出口，透平压缩机的压缩空气出口接至二次换热器的压缩空气入口。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在连接二次换热器与透平膨胀机工质入口的管线上设有安全溢流阀。
4.利用权利要求1所述装置实现ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，包括：
1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器，吸收来自80～300℃的中低温余热的能量，相变为5～10bar、60～80℃的蒸汽；有机工质自蒸发器中排出后，被送入二次换热器中与压缩空气换热进一步吸收能量，再被导入透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，得到压缩空气；压缩空气先被送至二次换热器中与有机工质换热，然后作为产品引出装置；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，在向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述中低温余热是指：烟气、蒸汽或热水。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有机工质是氟利昂或硅油。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷源是空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。
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