CN107504823B - 一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，包括降膜蒸发器、气液分离器、螺杆膨胀机、发电机、回热器、预热器、凝汽器、冷却塔、冷却水泵、凝结泵、储液罐、工质加压泵、工质循环泵、第一风机、第二风机、除尘器、烟囱、闪蒸器组成的换热装置、冷却装置、发电装置和除尘装置。该系统的降膜蒸发器内有机工质换热效率高，充分利用余热能源，预热器内对余热能源再利用，提高了系统的余热回收利用率；回热器内有机工质充分利用螺杆膨胀机排气的余热加热，提高系统循环效率；二者结合，使系统具有余热回收率高、热电转换效率高、结构简化和安装方便等优点。

Description

一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统

技术领域

本发明属于余热利用技术领域，特别是涉及一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统。

背景技术

我国可利用余热资源丰富，特别是在冶金、建材、化工、机械、轻工等行业存在着大量余热资源，约占其燃料消耗总量的17%~67%，其中余热资源的可回收率达60%。如工业窑炉生产过程中大量燃料被消耗，热效率只有30%左右，高温烟气、炉渣等带走的废弃热量高达40%~60%，在炼焦行业，副产品焦炉煤气带出的热量占焦炉显热支出的36%左右。余热能源分为高温、中温、低温三类，其中温度高于650℃为高温，温度在230℃～650℃为中温，温度在230℃以下为低温。对于钢铁、水泥等高耗能企业中的高温、中温余热蒸汽可以直接驱动蒸汽轮机或燃气轮机带动发电机组发电加以利用，而对低于230℃的低品质余热有待进一步深度利用。利用有机工质朗肯循环回收低温余热进行发电或输出动力装置，是有效利用低品质余热的途径，具有广阔的技术前景。

现有技术中的有机工质朗肯循环系统如图1所示，包括换热器1、输出装置透平膨胀机2、冷凝器3、工质泵4和发电机5。低温热流在换热器中对有机工质进行换热，有机工质产生蒸汽，通过透平膨胀机做功，带动发电机发电；从透平膨胀机排出的乏气在冷凝器凝结成液体，然后通过工质泵重新回换热器，进行下一个循环。现有的这种发电系统存在以下不足：一是系统效率低，无回热装置，不能充分利用热源，能源利用率低；二是余热回收率低，普通的换热器，换热效率不高，导致系统整体余热回收率低，热能利用率低。

现有技术中的垂直管降膜蒸发器利用泵使液体从蒸发器下端出口循环到管壳式换热器上端进口，进入上端进口后，有机工质液体被分配到一个或多个垂直降膜蒸发管的内表面，然后沿着降膜蒸发管的内壁向下流，为了使有机工质液体均匀地分布到每根降膜蒸发管中，并沿降膜蒸发管内壁在重力和自蒸发的二次蒸汽的作用下形成均匀液膜自上而下流动，必须设置液体布膜器装置。液体布膜器装置结构是否合理，相应液体分布是否均匀，将直接影响降膜蒸发器的传热效率及操作的稳定性，从而影响生产能力、产品质量及设备寿命。降膜蒸发器具有传热效率高、连续进料、连续出料、蒸发速率快、物料加热时间短、低传热端差、节约能源、不易结垢、不但适合非热敏性物料的蒸发，而且尤其适合处理热敏性物料的蒸发等优点，而被广泛应用于化工以及冶金、海水淡化、医药、轻工、食品加工、污水处理等工业部门，并且适用于对于换热要求较高的低品质余热回收过程。

传统的降膜蒸发器的传热效果受降膜蒸发管中液体流速及液膜厚度的影响，液体沿着管内壁向下流动时，被引入降膜蒸发管外表面的热能加热，一旦液体达到沸点，部分液体被蒸发成水蒸汽，水蒸汽和液体一起沿着降膜蒸发管内表面流下。为了确保有机工质液体被均匀地分配到所有垂直降膜蒸发管内，在蒸发器的顶部安装分布板，起缓冲有机工质液体、预先分布有机工质液体的作用，在分布板下面有分配盘以确保有机工质液体均匀分配到所有垂直降膜蒸发管中。有机工质液体进入蒸发器顶部后，因为重力作用，穿过分配盘上的小孔流下，分配盘上小孔的数目、孔径和排列方向决定了进入每根垂直降膜蒸发管的有机工质液体分配情况。然而这种方式容易产生湍流而产生气泡，影响液膜厚度的均匀性，降膜蒸发管的热交换效率低，运行成本高。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，能够形成均匀性工质液体膜，解决了降膜蒸发管的热交换效率低，提高系统循环效率，余热利用率高，发电效率高，节能环保和安装方便。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是，提供了一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，包括降膜蒸发器，所述降膜蒸发器包括自上而下依次同轴固定连接的上器盖、工质储配器、蒸发器本体和集液器，在蒸发器本体内下端部设有第一密封挡板，在蒸发器本体内上端部设有第二密封挡板，所述第一密封挡板和第二密封挡板之间为降膜蒸发室，在降膜蒸发室上端部设有余热烟气出口，在降膜蒸发室下端部设有余热烟气进口，在降膜蒸发室内设有垂直设置的多根降膜蒸发管，所述降膜蒸发管底端密封穿过第一密封挡板而位于集液器内，降膜蒸发管顶端密封穿过第二密封挡板而位于工质储配器内；在工质储配器内上端部设有第三密封挡板，所述第二密封挡板和第三密封挡板之间为工质液体储存室，沿工质液体储存室的周向均匀设有多个切向进料口，在工质液体储存室内设有与降膜蒸发管位置相对应的多根垂直设置的导气管，所述导气管的直径小于降膜蒸发管的直径，导气管的底端同轴位于降膜蒸发管内，导气管的顶端密封穿过第三密封挡板而位于上器盖内，在上器盖上设有出料口，在集液器上设有回料口。

所述发电系统还包括气液分离器，其中气液分离器上分别设有工质进口、气相工质出口、液相工质出口，还包括螺杆膨胀机、发电机、回热器、预热器、凝汽器、冷却塔、冷却水泵、凝结泵、储液罐、工质加压泵、工质循环泵、第一风机、第二风机、除尘器、烟囱、闪蒸器，所述第一风机的进风口与余热热源相连通，第一风机的出风口与降膜蒸发器上的余热烟气进口通过第一连接管相连通，降膜蒸发器上的余热烟气出口与预热器通过第二连接管相连通，降膜蒸发器上的出料口与气液分离器上的工质进口通过第三连接管相连通，预热器与工质循环泵的入口通过第四连接管相连通，工质循环泵的出口与降膜蒸发器上的切向进料口通过第五连接管相连通，降膜蒸发器上的回料口与第四连接管通过第六连接管相连通，气液分离器上的液相工质出口与第四连接管通过第七连接管相连通，气液分离器上的气相工质出口与螺杆膨胀机的主进气口通过第八连接管相连通，螺杆膨胀机与发电机通过第九连接管相连通，螺杆膨胀机与回热器通过第十连接管相连通，回热器与凝汽器通过第十一连接管相连通，凝汽器与冷却塔通过第十二连接管相连通，冷却塔与冷却水泵通过第十三连接管相连通，冷却水泵与凝汽器通过第十四连接管相连通，凝汽器与凝结泵通过第十五连接管相连通，凝结泵与储液罐第十六连接管相连通，储液罐与工质加压泵通过第十七连接管相连通，工质加压泵与回热器通过第十八连接管相连通，回热器与预热器通过第十九连接管相连通，预热器与除尘器通过第二十连接管相连通，除尘器与第二风机通过第二十一连接管相连通，第二风机与烟囱通过第二十二连接管相连通，所述闪蒸器的工质入口与第四连接管通过第二十三连接管相连通，闪蒸器的液体工质出口与第十九连接管通过第二十四连接管相连通，闪蒸器的气体工质出口与螺杆膨胀机的补进气口通过第二十五连接管相连通。

在导气管的底端一体同轴设有环形布膜器，所述环形布膜器的内径等于导气管的内径，所述环形布膜器自上而下依次分为导气段、液体入口段和布膜段，所述液体入口段和布膜段位于降膜蒸发管内且降膜蒸发管的顶端口位于液体入口段处，所述布膜段与降膜蒸发管的内壁之间设有布膜间隙，所述导气段的外径和布膜段的外径均大于液体入口段的外径。

所述切向进料口为四个。

所述工质加压泵和工质循环泵均为螺杆泵。

本发明的有益效果：该系统的降膜蒸发器内有机工质换热效率高，充分利用余热能源，预热器内对余热能源再利用，提高了系统的余热回收利用率；回热器内有机工质充分利用螺杆膨胀机排气的余热加热，提高系统循环效率；二者结合，使系统具有余热回收率高、热电转换效率高、结构简化和安装方便等优点；采用闪蒸器对螺杆膨胀机进行补气，充分利用气体余热资源，进一步提高发电功率和热电转换率，同时降低了余热排放温度，增加了余热回收效率。

本发明中的降膜蒸发器由于采用了四周切向进料和环形布膜器实现了降膜蒸发管内壁工质液体膜的均匀分布，保证管内降膜蒸发最佳降膜流动，提高了降膜蒸发管的蒸发效率，提高了能源利用率；同时采用工质液体和热蒸汽两相逆流的方式进行热交换，提高了降膜蒸发管的热交换效率，降低了运行成本。

附图说明

图1为现有技术中的有机朗肯循环余热发电系统结构示意图；

图2为本发明的有机朗肯循环余热发电系统结构示意图；

图3为本发明降膜蒸发器的结构示意图；

图4为图3的纵剖图；

图5为图3中沿A-A线的剖视图；

图6为图3中沿B-B线的剖视图；

图7为图4中K部分结构放大示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

如图3～图6所示，本发明提供了一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，包括降膜蒸发器6，包括自上而下依次同轴固定连接的上器盖605、工质储配器604、蒸发器本体608和集液器610，在蒸发器本体608内下端部设有第一密封挡板，在蒸发器本体608内上端部设有第二密封挡板而形成降膜蒸发室614，在降膜蒸发室614上端部设有余热烟气出口603，在降膜蒸发室614下端部设有余热烟气进口609，在降膜蒸发室614内设有垂直设置的多根降膜蒸发管612，所述降膜蒸发管612底端密封穿过第一密封挡板而位于集液器610内，降膜蒸发管612顶端密封穿过第二密封挡板而位于工质储配器604内；在工质储配器604内上端部设有第三密封挡板，所述第二密封挡板和第三密封挡板之间为工质液体储存室613，沿工质液体储存室613的周向均匀设有四个切向进料口607，在工质液体储存室613内设有与降膜蒸发管612位置相对应的多根垂直设置的导气管611，所述导气管611的直径小于降膜蒸发管612的直径，导气管611的底端同轴位于降膜蒸发管612内，导气管611的顶端密封穿过第三密封挡板而位于上器盖605内，在上器盖605上设有出料口606，在集液器610上设有回料口601。其中，上器盖605的上下端、工质储配器604上下端、蒸发器本体608上下端和集液器610上下端均设有向外部延伸的环形管板602，上器盖605、工质储配器604、蒸发器本体608和集液器610自上而下通过在环形管板602的螺栓孔615内设置的螺栓固定连接。

如图7所示，为了进一步控制液膜厚度的均匀性，在导气管611的底端一体同轴设有环形布膜器620，所述环形布膜器620的内径等于导气管611的内径，所述环形布膜器620自上而下依次分为导气段616、液体入口段617和布膜段618，所述液体入口段617和布膜段618位于降膜蒸发管612内且降膜蒸发管612的顶端口位于液体入口段617处，所述布膜段618与降膜蒸发管612的内壁之间设有布膜间隙619，所述导气段616的外径和布膜段618的外径均大于液体入口段617的外径；液体入口段617的直径之所以比布膜段618小是为了避免由于湍流而产生的气泡，从而使得液体膜更加均匀。

如图2所示，所述发电系统还包括气液分离器7，其中气液分离器7上分别设有工质进口701、气相工质出口702、液相工质出口703，还包括螺杆膨胀机8、发电机9、回热器10、预热器11、凝汽器12、冷却塔13、冷却水泵14、凝结泵15、储液罐16、工质加压泵17、工质循环泵18、第一风机19、第二风机20、除尘器21、烟囱22、闪蒸器45，所述第一风机19的进风口与余热热源相连通，第一风机19的出风口与降膜蒸发器6上的余热烟气进口609通过第一连接管23相连通，降膜蒸发器6上的余热烟气出口603与预热器11通过第二连接管24相连通，降膜蒸发器6上的出料口606与气液分离器7上的工质进口701通过第三连接管25相连通，预热器11与工质循环泵18的入口通过第四连接管26相连通，工质循环泵18的出口与降膜蒸发器6上的切向进料口607通过第五连接管27相连通，降膜蒸发器6上的回料口601与第四连接管26通过第六连接管28相连通，气液分离器7上的液相工质出口703与第四连接管26通过第七连接管29相连通。

气液分离器7上的气相工质出口702与螺杆膨胀机8的主进气口通过第八连接管30相连通，螺杆膨胀机8与发电机9通过第九连接管31相连通，在降膜蒸发器6中利用低温热源与有机工质进行热交换，将低沸点有机工质加热成高压的气体工质，经气液分离器7进行气液分离以后，高压的气体工质进入螺杆膨胀机8进行膨胀做功，将热能转换成机械能从而推动发电机9发电，螺杆膨胀机8内设有密封结构，能够有效的防止有机工质泄漏，以保证热能最大限度的转化为机械能，螺杆膨胀机8进气既可以是过热、饱和蒸汽，也可以是气液两相，既可以利用工质的显热也可以利用工质的潜热，使热源达到充分利用，提高能源的利用效率。

螺杆膨胀机8与回热器10通过第十连接管32相连通，回热器10与凝汽器12通过第十一连接管33相连通，凝汽器12与冷却塔13通过第十二连接管34相连通，冷却塔13与冷却水泵14通过第十三连接管35相连通，冷却水泵14与凝汽器12通过第十四连接管36相连通，凝汽器12与凝结泵15通过第十五连接管37相连通，凝结泵15与储液罐16通过第十六连接管38相连通，储液罐16与工质加压泵17通过第十七连接管39相连通，工质加压泵17与回热器10通过第十八连接管40相连通，回热器10与预热器11通过第十九连接管41相连通，预热器11与除尘器21通过第二十连接管42相连通，除尘器21与第二风机20通过第二十一连接管43相连通，第二风机20与烟囱22通过第二十二连接管44相连通。

所述闪蒸器45的工质入口与第四连接管26通过第二十三连接管46相连通，闪蒸器45的液体工质出口与第十九连接管41通过第二十四连接管47相连通，闪蒸器45的气体工质出口与螺杆膨胀机8的补进气口通过第二十五连接管48相连通，经过预热器11换热之后的一部分工质经闪蒸器45的工质入口进入闪蒸器45，在闪蒸器45内进行闪蒸作用，闪蒸处理之后的工质气体成为次压饱和工质气体，次压饱和工质气体经闪蒸器45的气体工质出口和螺杆膨胀机8的补进气口进入螺杆膨胀机8膨胀做功，将热能转换成机械能从而推动发电机9发电；闪蒸处理之后的工质与液体经闪蒸器45的液体工质出口、第二十四连接管47、第十九连接管41进入预热器11，参与到下一个循环。采用闪蒸器45对螺杆膨胀机8进行补气，充分利用气体余热资源，进一步提高发电功率和热电转换率，同时降低了余热排放温度，增加了余热回收效率。

所述工质加压泵17和工质循环泵18均为螺杆泵。

本发明在使用时，首先有机工质液体通过四个切向进料口607均匀充分进入工质液体储存室613内，然后在环形布膜器620的作用下均匀分布在降膜蒸发管612的内壁从上而向下流动；同时余热烟气从余热烟气进口609进入从余热烟气出口603流出而充满降膜蒸发室614，在有机工质液体沿着降膜蒸发管612的内壁向下流动的过程中，充分与降膜蒸发管612外壁的余热烟气进行强化热交换，换热后的有机工质液体被加热变为有机工质蒸汽，有机工质蒸汽沿着降膜蒸发管612向上流动经过导气管611进入上器盖605内最终由出料口606排出进入气液分离器7；在降膜蒸发管612内较少部分的有机工质液体流入集液器610内，然后被工质循环泵18由回料口601回收再次放入四个切向进料口607循环利用。

由于采用了环形布膜器620实现了降膜蒸发管612内壁有机工质液体膜的均匀分布，保证管内降膜蒸发最佳降膜流动，提高了降膜蒸发管的蒸发效率，提高了能源利用率；同时采用有机工质液体和热蒸汽两相逆流的方式进行热交换，提高了降膜蒸发管612的热交换效率低，降低了运行成本。

进入气液分离器7内的有机工质蒸汽在气液分离器7内进行气液分离，其中转化为液体工质经液相工质出口703、第七连接管29、第四连接管26、工质循环泵18、第五连接管27进入切向进料口607，而转化为气体工质经气相工质出口702通过主进气口进入螺杆膨胀机8进行膨胀做功，将热能转换成机械能从而推动发电机9发电，螺杆膨胀机8内设有密封结构，能够有效的防止有机工质泄漏，以保证热能最大限度的转化为机械能，螺杆膨胀机8进气既可以是过热、饱和蒸汽，也可以是气液两相，既可以利用工质的显热也可以利用工质的潜热，使热源达到充分利用，提高能源的利用效率。

从螺杆膨胀机8中产生的气体工质经回热器10进入凝汽器12内进行换热，被冷却水冷却为低压液体工质，经凝结泵15进入储液罐16内，换热之后的水进入冷却塔13，被空气冷却，之后经过冷却水泵14进入下一个循环。在储液罐16内的工质经过工质加压泵17升压至过冷状态，进入回热器10中吸收螺杆膨胀机8排气的热量进行初步预热，提高了系统循环效率。然后经过预热器11与余热介质进一步换热，经过工质循环泵18到达降膜蒸发器6的切向进料口607，以保证降膜蒸发器6的切向进料口607为饱和液状态，进行下一个循环的操作。

使用过程中，经过换热之后的余热经预热器11进入除尘器21进行降尘操作，经过降尘之后的余热气体工质被第二风机20经第二十二连接管44和烟囱22排出，干净无污染。

其中图中空心箭头的指示方向表示气体工质的流动方向，而实心箭头的方向表示液体工质的流动方向。

本发明的有机朗肯循环余热发电系统降膜蒸发器6内有机工质换热效率高，充分利用余热能源，预热器11内对余热能源再利用，提高了系统的余热回收利用率；回热器10内有机工质充分利用螺杆膨胀机8排气的余热加热，提高系统循环效率；二者结合，使系统具有余热回收率高、热电转换效率高、结构简化和安装方便等优点。

本专利中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，上述词语并没有特殊的含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的实用新型范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。

Claims (4)

1.一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，其特征在于：包括降膜蒸发器，所述降膜蒸发器包括自上而下依次同轴固定连接的上器盖、工质储配器、蒸发器本体和集液器，在蒸发器本体内下端部设有第一密封挡板，在蒸发器本体内上端部设有第二密封挡板，所述第一密封挡板和第二密封挡板之间为降膜蒸发室，在降膜蒸发室上端部设有余热烟气出口，在降膜蒸发室下端部设有余热烟气进口，在降膜蒸发室内设有垂直设置的多根降膜蒸发管，所述降膜蒸发管底端密封穿过第一密封挡板而位于集液器内，降膜蒸发管顶端密封穿过第二密封挡板而位于工质储配器内；在工质储配器内上端部设有第三密封挡板，所述第二密封挡板和第三密封挡板之间为工质液体储存室，沿工质液体储存室的周向均匀设有多个切向进料口，在工质液体储存室内设有与降膜蒸发管位置相对应的多根垂直设置的导气管，所述导气管的直径小于降膜蒸发管的直径，导气管的底端同轴位于降膜蒸发管内，导气管的顶端密封穿过第三密封挡板而位于上器盖内，在上器盖上设有出料口，在集液器上设有回料口；

所述发电系统还包括气液分离器，其中气液分离器上分别设有工质进口、气相工质出口、液相工质出口，还包括螺杆膨胀机、发电机、回热器、预热器、凝汽器、冷却塔、冷却水泵、凝结泵、储液罐、工质加压泵、工质循环泵、第一风机、第二风机、除尘器、烟囱、闪蒸器，所述第一风机的进风口与余热热源相连通，第一风机的出风口与降膜蒸发器上的余热烟气进口通过第一连接管相连通，降膜蒸发器上的余热烟气出口与预热器通过第二连接管相连通，降膜蒸发器上的出料口与气液分离器上的工质进口通过第三连接管相连通，预热器与工质循环泵的入口通过第四连接管相连通，工质循环泵的出口与降膜蒸发器上的切向进料口通过第五连接管相连通，降膜蒸发器上的回料口与第四连接管通过第六连接管相连通，气液分离器上的液相工质出口与第四连接管通过第七连接管相连通，气液分离器上的气相工质出口与螺杆膨胀机的主进气口通过第八连接管相连通，螺杆膨胀机与发电机通过第九连接管相连通，螺杆膨胀机与回热器通过第十连接管相连通，回热器与凝汽器通过第十一连接管相连通，凝汽器与冷却塔通过第十二连接管相连通，冷却塔与冷却水泵通过第十三连接管相连通，冷却水泵与凝汽器通过第十四连接管相连通，凝汽器与凝结泵通过第十五连接管相连通，凝结泵与储液罐第十六连接管相连通，储液罐与工质加压泵通过第十七连接管相连通，工质加压泵与回热器通过第十八连接管相连通，回热器与预热器通过第十九连接管相连通，预热器与除尘器通过第二十连接管相连通，除尘器与第二风机通过第二十一连接管相连通，第二风机与烟囱通过第二十二连接管相连通，所述闪蒸器的工质入口与第四连接管通过第二十三连接管相连通，闪蒸器的液体工质出口与第十九连接管通过第二十四连接管相连通，闪蒸器的气体工质出口与螺杆膨胀机的补进气口通过第二十五连接管相连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，其特征在于：在导气管的底端一体同轴设有环形布膜器，所述环形布膜器的内径等于导气管的内径，所述环形布膜器自上而下依次分为导气段、液体入口段和布膜段，所述液体入口段和布膜段位于降膜蒸发管内且降膜蒸发管的顶端口位于液体入口段处，所述布膜段与降膜蒸发管的内壁之间设有布膜间隙，所述导气段的外径和布膜段的外径均大于液体入口段的外径。

3.根据权利要求2所述的一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，其特征在于：所述切向进料口为四个。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种基于降膜蒸发器的有机朗肯循环余热发电系统，其特征在于：所述工质加压泵和工质循环泵均为螺杆泵。