CN108798808A - 一种用于高温烟气余热回收的co２循环热电联产系统 - Google Patents

一种用于高温烟气余热回收的co２循环热电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高温烟气余热回收的CO２循环热电联产系统。所述系统包括：压缩机、超临界加热器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、回热器、冷凝器、气体冷却器和发电机。所述系统以CO2作为工质，吸热过程位于超临界压力。所述循环过程包括高温动力循环、低温动力循环和供热水循环，高温动力循环从高温烟气吸热，低温动力循环从高温循环膨胀乏汽吸热，低温动力循环乏汽作为供热热源，系统即可输出电能，也可向用户提供50~80 oC的热水，实现了热电联产。本发明改善了循环与变温热源换热匹配性，有效利用了循环的高温乏汽热量，提高了循环整体的能源利用效率。

Description

一种用于高温烟气余热回收的CO２循环热电联产系统
技术领域
本发明涉及动力机械技术和节能领域，具体涉及一种回收高温烟气余热的跨（超）临界CO2复叠循环热电联产系统。
背景技术
采用恰当的技术有效回收、利用工业生产中产生的高温（>500 oC）烟气余热可实现良好的经济效益和社会效益。目前的余热回收技术主要有传统的水朗肯循环、有机工质循环和卡琳娜循环等。有机工质循环和卡琳娜循环适用于中低温的余热回收。在高温工况下，有机工质存在热分解的风险，分解产物将影响系统运行效率和安全；卡琳娜循环主要依靠氨-水二元非共沸工质的温度滑移来改善循环与变温热源的换热匹配，相对于高温烟气热源放热过程的大温降，其温度滑移已远远不足。水朗肯循环是一种成熟的高温余热回收技术，但是从热力学方面来讲，循环的定温吸热与烟气热源的变温放热的换热过程存在较高的不可逆损失，窄点突出的问题限制了对变温热源的利用效率；从技术条件来说，水朗肯循环系统体积大，占地面积大，汽轮机结构复杂，系统造价高，应用于工业过程的余热回收中存在诸多不利条件。
CO2作为自然工质，具有优良的环境友好性，无毒、无污染，廉价易得。此外，CO2不可燃，具有极高的化学惰性和热稳定性，提高了其高温循环过程的安全性。CO2的临界温度较低，容易实现跨临界或超临界的循环形式，工质在吸热过程中不存在定温相变，改善了与变温热源的换热匹配，增加循环的热力学完善度。在超临界压力下，CO2的密度大，所需部件的体积小，整个系统更加紧凑，受作业场地限制低。
但是，在高温工况下，膨胀机出口的CO2乏汽具有很高的温度，需要对这部分显热进一步利用。本发明针对上述问题，结合热力学基本原理，提出了一种复叠式CO2跨（超）临界循环，在不影响变温热源利用率的前提下，可实现对乏汽携带显热的有效利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种复叠式CO2循环热电联产系统，解决变温热源下常规CO2动力循环存在的热源利用不充分、系统综合效率低等问题，改善循环与变温热源的换热匹配，有效利用循环放热过程显热，进一步系统整体的热能利用效率。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
该系统以二氧化碳作为工质，以高温烟气作为余热源，通过工质在超临界压力下的吸热过程改善与变温烟气热源的换热匹配，通过引入复叠循环和对用户供热实现对高温乏汽的热利用。系统在充分回收利用烟气携带热量的前提下，尽可能多地输出净功，同时对更低品味的乏汽余热进行热利用。
所述的复叠式CO2循环热电联产系统主要包括：压缩机1、超临界加热器2、第一透平膨胀机3、第二透平膨胀机4、冷凝器5、气体冷却器6、回热器7、第一发电机8、第二发电机9和供热回路。
循环的吸热过程处于超临界压力，吸热过程工质不发生相变，为变温吸热过程；循环的放热过程可处于超临界压力或亚临界压力，具体实施形式依据冷源情况而定。
所述压缩机1出口分别与超临界加热器2入口和回热器4低温侧入口相连；所述超临界加热器2出口与第一透平膨胀机3入口相连；所述第一透平膨胀机3出口与回热器4高温侧入口相连；所述回热器4高温侧出口与冷凝器5入口相连；所述冷凝器5出口与压缩机1入口相连；回热器4低温侧出口与第二透平膨胀机6入口相连；所述第二透平膨胀机6出口与气体冷却器7入口相连；所述气体冷却器7出口与冷凝器5入口相连。所述循环采用CO2为工质。
本发明提供了一种复叠循环热电联产的方法，具体包括：
1）高温动力循环：从压缩机流出的超临界CO2经分流后，一部分进入超临界加热器从高温烟气吸热，然后进入第一透平膨胀机膨胀做功，之后进入回热器向低温循环放热，然后与低温循环气体冷却器出口的工质混合，进入冷凝器冷却，最后经压缩机升压完成循环过程。工质依次流过1-2-3-4-5-1。
2）低温动力循环：从压缩机流出的超临界CO2经分流后，一部分进入回热器从高温循环吸热，然后进入第二透平膨胀机膨胀做功，之后流入气体冷却器冷却降温，然后与高温循环从回热器出来的工质混合，进入冷凝器冷却，最后经压缩机升压完成循环过程。工质依次流过1-4-6-7-5-1。
3）供热水回路：冷却介质依次流经冷凝器5和气体冷却器7，被加热后用于供暖或热利用。另，可引入冷却水塔，将供热回水冷却至初始温度，此措施依动力循环冷却过程参数而定。
本发明采用超临界CO2作为循环工质，可降低余热利用系统的体积和占地面积，同时提高了循环与烟气热源的换热匹配；采用复叠循环方法，有效利用了高温循环放热过程的热量，将其部分转换为低温循环的输出功；引入供热水路，有效利用了低温循环放热过程的热量，提高了系统整体的能源利用效率。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明的循环过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。显然，所述实施方法仅为本发明的较佳实施方法之一，本发明不限于所公开的具体实施方法，凡是依据本发明的技术实质对以下实施例所作出的简单修改、变化，均属于本发明保护的范围。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于高温烟气余热回收的CO2循环热电联产系统的结构示意图。如图1所示，所述系统主要包括：压缩机1、超临界加热器2、第一透平膨胀机3、第二透平膨胀机4、冷凝器5、气体冷却器6、回热器7、第一发电机8、第二发电机9和供热回路。
所述压缩机1出口分别与超临界加热器2入口和回热器4低温侧入口相连；所述超临界加热器2出口与第一透平膨胀机3入口相连；所述第一透平膨胀机3出口与回热器4高温侧入口相连；所述回热器4高温侧出口与冷凝器5入口相连；所述冷凝器5出口与压缩机1入口相连；回热器4低温侧出口与第二透平膨胀机6入口相连；所述第二透平膨胀机6出口与气体冷却器7入口相连；所述气体冷却器7出口与冷凝器5入口相连。所述的第一透平膨胀机3与压缩机1同轴，第一透平膨胀机驱动压缩机1压缩工质，其余膨胀功带动第一发电机8发电。所述第二透平膨胀机的膨胀功全部用于驱动第二发电机9发电。
供热回路，冷却介质依次流经冷凝器5和气体冷却器7，后用于供暖或热利用。
根据发明的一个实施例，所述冷却介质为水，冷却介质依次流经冷凝器5和气体冷却器7，被加热至温度50~80 oC用于供暖或热利用。
图2示意出了本发明的循环过程，采用温熵图表示意循环过程，横坐标为熵值，纵坐标为温度值。循环系统包括两个动力循环和供热回路：
1）高温动力循环：从压缩机流出的超临界CO2经分流后，一部分进入超临界加热器从高温烟气吸热，然后进入第一透平膨胀机膨胀做功，之后进入回热器向低温循环放热，然后与低温循环气体冷却器出口的工质混合，进入冷凝器冷却，最后经压缩机升压完成循环过程。工质依次流过1-2-3-4-5-1。
2）低温动力循环：从压缩机流出的超临界CO2经分流后，一部分进入回热器从高温循环吸热，然后进入第二透平膨胀机膨胀做功，之后流入气体冷却器冷却降温，然后与高温循环从回热器出来的工质混合，进入冷凝器冷却，最后经压缩机升压完成循环过程。工质依次流过1-4-6-7-5-1。
3）供热回路：冷却介质依次流经冷凝器5和气体冷却器7，被加热后用于供暖或热利用。
以初温600 oC烟气为热源，烟气质量流量为1kg/s，循环选择跨临界循环形式，冷凝温度设为20 oC。所述超临界加热器出口的工质温度可达到585 oC，若系统高压侧以30MPa压力运行，烟气出口温度可被降至66 oC（不考虑酸露腐蚀），吸热量605.5 kW。所述第一透平膨胀机出口温度为390 oC，压力为5.73 MPa，膨胀做功165.7 kW。低温循环通过回热器4从高温循环吸热，所述第二透平膨胀机入口温度可达375 oC，出口温度208 oC，膨胀做功82.6 kW。所述压缩机1压缩过程耗功48.1 kW，所述系统总净功率为200.2 kW，热效率33.1%。所述高温、低温动力循环工质流量分别为0.78 kg/s，0.55 kg/s。所述冷凝器5工质入口温度为66 oC，放热量为316 kW，所述气体冷却器7工质入口温度为208 oC，放热量为89kW；冷却介质依次流经冷凝器和气体冷却器，被加热后可满足供暖的要求。
本发明针对现有动力循环应用于回收中高温烟气余热中存在的余热源利用率低、换热匹配性不好等问题，提出了以二氧化碳作为工质，通过工质在超临界压力下的吸热过程改善与变温烟气热源的换热匹配。本发明采用超临界加热、工质分流、内部回热等技术，构建了高-低温自复叠的复合循环，低温循环可有效利用高温循环的放热量。系统在充分回收利用烟气携带热量的前提下，尽可能多地输出净功，同时对更低品味的乏汽余热进行热利用。
本发明的热电联产系统具有较高的热功转换效率，同时可输出温度较高的供热水，满足生活、生产所需，具有较高的经济效益和应用价值，对余热能源综合利用有重要的意义。

Claims (7)

1.一种用于高温烟气余热回收的CO2循环热电联产系统，其特征在于，系统包括：压缩机1、超临界加热器2、第一透平膨胀机3、第二透平膨胀机4、冷凝器5、气体冷却器6、回热器7、第一发电机8、第二发电机9；所述压缩机1出口分别与超临界加热器2入口和回热器4低温侧入口相连；所述超临界加热器2出口与第一透平膨胀机3入口相连；所述第一透平膨胀机3出口与回热器4高温侧入口相连；所述回热器4高温侧出口与冷凝器5入口相连；所述冷凝器5出口与压缩机1入口相连；回热器4低温侧出口与第二透平膨胀机6入口相连；所述第二透平膨胀机6出口与气体冷却器7入口相连；所述气体冷却器7出口与冷凝器5入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温烟气余热回收的CO2循环热电联产系统，其特征在于，所述循环采用CO2为工质；所述循环的吸热过程处于超临界压力，吸热过程工质不发生相变，为变温吸热过程；循环的放热过程可处于超临界压力或亚临界压力，具体实施形式依据冷源情况而定。
3.一种复叠循环热电联产的方法，其特征在于，所述循环包括高温动力循环、低温动力循环和供热水循环回路：
1）高温动力循环：从压缩机流出的超临界CO2经分流后，一部分进入超临界加热器从高温烟气吸热，然后进入第一透平膨胀机膨胀做功，之后进入回热器向低温循环放热，然后与低温循环气体冷却器出口的工质混合，进入冷凝器冷却，最后经压缩机升压完成循环过程；工质依次流过1-2-3-4-5-1；
2）低温动力循环：从压缩机流出的超临界CO2经分流后，一部分进入回热器从高温循环吸热，然后进入第二透平膨胀机膨胀做功，之后流入气体冷却器冷却降温，然后与高温循环从回热器出来的工质混合，进入冷凝器冷却，最后经压缩机升压完成循环过程；工质依次流过1-4-6-7-5-1；
3）供热水回路：冷却介质依次流经冷凝器5和气体冷却器7，被加热后用于供暖或热利用；可引入冷却水塔，将供热回水冷却至初始温度，实现冷却水的循环利用。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，高温动力循环和低温动力循环共用一个压缩机；压缩后的工质经分流设备分别进入高温循环和低温循环，高温循环的工质进入超临界加热器从烟气热源吸热，低温循环的工质进入回热器从高温循环的乏汽吸热。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述内部回热器完成高温、低温循环的换热过程，吸热侧处于超临界压力，放热侧处于低压区。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括分流装置；所述分流装置入口与压缩机1出口相连，出口分别与超临界加热器2和回热器4相连，分流装置将工质分为两路，工质分别流经高、低温循环；所述两回路工质质量流量比可调，最优比例因循环工况而定。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的第一透平膨胀机3与压缩机1同轴，第一透平膨胀机驱动压缩机1压缩工质，其余膨胀功带动第一发电机8发电；所述第二透平膨胀机的膨胀功全部用于驱动第二发电机9发电。
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Inventor before: Yang Binbin

Inventor before: Wang Youtang

Inventor before: Qu Xiaohang

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