CN108955284B - 一种氢气混合工质的余热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气混合工质的余热利用系统，包括氢反应床、混合气化器、混合气膨胀机、余热烟气管路、增压泵和废气排放单元。余热烟气管路通过氢反应床、混合气化器的烟气盘管连接到废气排放单元。气液分离器的氢气出口经低压氢气管路连接到氢反应床，氢反应床的氢气出口通过高压氢气管路连接混合气化器的氢气入口，气液分离器的凝液出口通过增压泵连接到混合气化器的凝液入口。混合气化器的混合气出口连接到混合气膨胀机的入口，混合气膨胀机的出口连接到气液分离器的混合气入口。本发明利用工业烟气的余热加热循环工质，通过工质循环驱动混合气膨胀机和带液膨胀机做功，带动发电机发电，充分回收利用了工业废热和发动机余热，有利于节能减排。

Description

一种氢气混合工质的余热利用系统

技术领域

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种氢气混合工质的余热利用系统。

背景技术

工业炉窑余热回收利用，可以节约能源消耗，降低热工产品生产成本，同时减少污染物的排放。工业炉窑是大型的高耗能装置，随着国民经济的迅猛发展，工业炉窑的余热非常丰富，可利用的潜力巨大。钢铁工业、电石工业、氧化铝工业和耐火材料工业是能耗大户，上述行业的快速增长，带动了工业炉窑的高速发展。石灰生产中石灰石分解产生的二氧化碳是宝贵资源，由于分解的二氧化碳与燃烧烟气混在一起，不利于二氧化碳的回收和利用，因此需要隔焰加热以提高产品质量，并分离出宝贵的二氧化碳。间壁加热生产高品质产品的煅烧炉排出的烟气温度高，直接排放不仅浪费热能，而且污染大气环境，将这部分烟气余热有效利用可以减少能源浪费，增加工业炉窑的经济性和环保性。

目前高温工业废气基本上都得到了很好地利用，用于生产蒸汽、用于汽轮发电等等。但是低温工业废气的热值低，利用价值不大，用于生产蒸汽发电经济效益较差，因此大部分被废弃。

公开号为102287800A的发明专利申请公开“一种利用焦炉加热废气余热生产蒸汽的系统。该系统包括上端与焦炉废气烟道连接的余热锅炉，余热锅炉的下端通过引风机与烟囱连接，所述的余热锅炉内部从上至下依次设置过热器、蒸发器、省煤器、冷水预热器；冷水预热器的进口集箱与软化水箱连接，出口集箱连接省煤器，省煤器的出口集箱与蒸发器连接，蒸发器的蒸汽出口与过热器的进口集箱连接”。该专利申请过程简单，设备容易布置，占地面积少。但是不适宜利用工业废气余热进行发电。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢气混合工质的余热利用系统，充分利用烟气的余热进行发电，节能减排，提高生产装置的热效率，增加企业经济效益。

本发明的技术方案是：

一种氢气混合工质的余热利用系统，所述系统包括氢反应床、混合气化器、混合气膨胀机、发电机、气液分离器、余热烟气管路、增压泵和废气排放单元。所述氢反应床设有烟气入口、烟气出口、氢气入口和氢气出口；所述混合气化器设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，混合气化器内设有烟气盘管，所述混合气膨胀机与发电机同轴连接；所述气液分离器设有混合气入口、氢气出口和凝液出口。所述余热烟气管路通过氢反应床和混合气化器的烟气盘管连接到废气排放单元。所述气液分离器的氢气出口经低压氢气管路连接到氢反应床的氢气入口，氢反应床的氢气出口通过高压氢气管路连接混合气化器的氢气入口。所述气液分离器的凝液出口通过凝液管路连接到增压泵入口，所述增压泵出口连接到混合气化器的凝液入口。所述混合气化器的混合气出口连接到混合气膨胀机入口，混合气膨胀机的出口连接到气液分离器的混合气入口。

所述系统设有带液膨胀机，所述混合气膨胀机、带液膨胀机同轴或不同轴与发电机连接。所述混合气膨胀机的出口连接到带液膨胀机的入口，所述带液膨胀机的出口连接到气液分离器的混合气入口。

所述系统设有空气进口、压缩机、空气冷却管、冷量回收器、冷凝器、液氧分离器、液氧出口和氮气排空口。所述混合气膨胀机、带液膨胀机、压缩机同轴或不同轴与发电机连接，或压缩机由电源拖动。所述空气冷却管设置在混合气化器内，冷凝器设有氢气盘管。所述液氧分离器设置混合气入口、液氧出口和氮气出口。所述空气进口连接压缩机的入口，压缩机的出口通过空气冷却管连接冷量回收器的壳程入口，冷量回收器的壳程出口通过冷凝器的壳程连接到液氧分离器的混合气入口，液氧分离器的氮气出口通过冷量回收器的管程连接到氮气排空口，液氧分离器内的液氧通过液氧出口排出；所述气液分离器的氢气出口经冷凝器的氢气盘管连接到氢反应床的氢气入口。

所述氢反应床内装载金属储氢材料，低压氢气由氢气入口进入氢反应床，低压氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出高压氢气；所述氢反应床为一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构；氢反应床采用循环介质加热或移热，或采用电、电磁或介质内加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质。

所述气液分离器的氢气出口设有氢气过滤膜。所述气液分离器为冷凝式气液分离器。

所述余热烟气管路的热源为发动机或工业装置排出的高温烟气，凝液管路中的凝液工质为稳定的无机工质或有机工质或液氮或惰性气体或正丁烷或丙烷。所述系统包括凝液管路、混合汽化器在内的装置具备制冷能力，该制冷能力应用于其他设备内部的冷却或可穿戴装置的冷却。

所述系统不设置氢反应床，利用气液分离器的氢气出口分离出来的稳定的介质与余热烟气管路的热源换热，换热后的介质进入到混合气化器，与通过增压泵过来的液体介质混合汽化作为循环工质；调整循环工质的流量、调整设备混合气化器、混合气膨胀机、带液膨胀机、气液分离器、增压泵、压缩机、空气冷却管和冷量回收器的类型和参数，达到与实施例1-3相同的效率较高的作用。

混合气化器为简单的混合装置或组合式的混合设备，保证混合气出口得到包括压力、温度在内的参数稳定的流量连续的混合气。

本发明氢气混合工质的余热利用系统利用工业烟气的余热加热循环工质，通过工质循环驱动混合气膨胀机和带液膨胀机做功，带动发电机发电，充分回收利用了工业废热和发动机余热，有利于节能减排、环境保护和创造经济效益。氢反应床的使用使得整个系统具备了设备好选型、效率比较高、柯来浦系数高、副产液氧提供给发动机和工业装置、减少发动机的氮氧化物排放的优点。

附图说明

图1为本发明氢气混合工质的余热利用系统的流程示意图；

图2为本发明另一种实施方案的流程示意图；

图3为本发明第三种实施方案的流程示意图.

其中：1—氢反应床、2—混合气化器、3—混合气膨胀机、4—带液膨胀机、5—发电机、6—气液分离器、7—增压泵、8—氢气过滤膜、9—低压氢气管路、10—高压氢气管路、11—余热烟气管路、12—凝液管路、13—冷凝式气液分离器、16—压缩机、20—废气排放单元、21—烟气盘管，22—空气冷却管、23—液氧分离器、24—冷量回收器、25—空气进口、26—氮气排空口、27—液氧出口、29—冷凝器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明氢气混合工质的余热利用系统如图1所示，包括氢反应床1、混合气化器2、混合气膨胀机3、带液膨胀机4、发电机5、气液分离器6、废气排放单元20和增压泵7。混合气膨胀机、带液膨胀机和发电机同轴连接。混合气化器2设有烟气盘管21、氢气入口、凝液入口和混合气出口，气液分离器6设有氢气出口、凝液出口和混合气入口，气液分离器6的氢气出口设有氢气过滤膜8。气液分离器6的氢气出口经低压氢气管路9连接到氢反应床1的氢气入口，氢反应床1的氢气出口经高压氢气管路10连接到混合气化器2的氢气入口，气液分离器6的凝液出口通过凝液管路12连接到增压泵7入口，增压泵出口连接到混合气化器2的凝液入口。混合气化器的混合气出口连接到混合气膨胀机3入口，混合气膨胀机的出口连接到带液膨胀机4的入口，带液膨胀机4的出口连接到气液分离器6的混合气入口。余热烟气管路通过氢反应床1和混合气化器2中的烟气盘管21连接到废气排放单元20。

本实施例的循环工质为氢气和氮气，凝液管路12的凝液为液氮，运行过程为：将氢反应床1产生的高压氢气通过高压氢气管路10送到混合气化器2中，气液分离器6分离出口的液氮经增压泵7加压和凝液管路12送入混合气化器2中气化并进行氢氮混合，液氮气化过程提高混合气化器2中压力。增压后的氢氮混合气被送到混合气膨胀机3内膨胀做功，做功后混合气的压力温度降至临界状态，再送到带液膨胀机4中继续膨胀做功，由于温度继续降低使得氮气在带液膨胀机4内被全部液化。混合气膨胀机3、带液膨胀机4同轴带动发电机5发电，发的电并入电网。液氮与氢气混合体送到气液分离器6中进行气液分离，分离出氢气经低压氢气管路9送到氢反应床1中进行吸氢循环使用，分离后的液氮经凝液管路12和增压泵7加压后进入混合气化器2中循环使用。从生产装置来的500℃的高温余热烟气在氢反应床1换热后温度降至125℃，再经混合气化器中的烟气盘管21换热后温度降至30℃后到废气排放单元20外排。

从气液分离器来的2MPa，－158℃的低压氢气进入氢反应床1，与氢反应床内装载的稀土系金属储氢材料发生反应被储氢材料吸收，形成金属氢化物。完成吸氢后的氢反应床与高温余热烟气进行换热，被加热到200℃后继续吸收热量并持续放出13MPa，200℃的高压氢气。13MPa，200℃的高压氢气送到混合气化器2中，通过增压泵7打入50MPa、-158℃的液氮，液氮吸收余热烟气以及先送入的氢气的热量在混合气化器内被气化，使混合气化器中压力提高到50MPa，温度降低到－100℃。混合气化器内液氮与氢气的质量比为40.5∶1。50MPa，－100℃的氮氢混合气送到混合气膨胀机3内膨胀做功，混合气膨胀机出口处氮氢混合气的压力降低至10MPa，温度降低至－146℃。然后进入带液膨胀机4内进行膨胀做功压力降低至2MPa。由于膨胀过程中温度的继续降低，氮气在带液膨胀机内被全部液化，带液膨胀机出口处氢气与液氮混合物的压力为2MPa，温度为－158℃。氢气与液氮混合物进入气液分离器进行分离后，2MPa，－158℃氢气送到氢反应床吸氢循环使用，－158℃的液氮则由增压泵打入混合气化器中循环使用。

氢反应床为三级结构，加热和移热的循环介质为氢气。实施例2

本发明氢气混合工质的余热利用系统另一种实施方式如图2所示，包括氢反应床1、混合气化器2、混合气膨胀机3、发电机5、冷凝式气液分离器13、余热烟气管路11、增压泵7和废气排放单元20，混合气膨胀机与发电机同轴连接。混合气化器2设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，冷凝式气液分离器13设有氢气出口、凝液出口和混合气入口，冷凝式气液分离器的氢气出口设有氢气过滤膜8。冷凝式气液分离器13的氢气出口经低压氢气管路9连接到氢反应床1的氢气入口，氢反应床1的氢气出口经高压氢气管路10连接到混合气化器2的氢气入口，冷凝式气液分离器13的凝液出口通过凝液管路12连接到增压泵7入口，增压泵出口连接到混合气化器2的凝液入口。混合气化器2的混合气出口连接到混合气膨胀机3入口，混合气膨胀机的出口连接到冷凝式气液分离器13的混合气入口。余热烟气管路通过氢反应床1和混合气化器2中的烟气盘管21连接到废气排放单元20。

本发明氢气混合工质的余热利用系统使用的循环工质为氢气和正丁烷，凝液管路12的凝液为液态正丁烷，运行过程为：发动机产生的高温余热烟气通过余热烟气管线11依次与氢反应床1和混合汽化器2进行换热后到废气排放单元20外排。氢反应床1产生的高压氢气通过高压氢气管线10送到混合汽化器2中，冷凝式气液分离器13的液态正丁烷经加压泵7加压后打入混合汽化器2，液态正丁烷与氢气混合加热气化。氢气-正丁烷混合气体被送到混合气膨胀机3内膨胀做功，混合气膨胀机3带动发电机5发电，发的电并入电网。做完功后压力和温度降低的氢气-正丁烷混合工质气体送到冷凝式气液分离器13中，与空气或水换热将正丁烷蒸汽全部液化。氢气-正丁烷混合工质在冷凝式气液分离器13实现分离，分离后的低压氢气经低压氢气管路9送到氢反应床1中进行吸氢循环使用，分离后的正丁烷液体经凝液管路12及加压泵7加压后打入混合汽化器2中循环使用。

发动机来的500℃的高温余热烟气与氢反应床换热后温度降至125℃，再与混合汽化器换热后温度降至30℃后到废气排放单元20外排。从冷凝式气液分离器13来的0.3MPa、20℃的低压氢气进入氢反应床，与氢反应床内装载的稀土系金属储氢材料发生反应被储氢材料吸收，形成金属氢化物。完成吸氢后的氢反应床与高温余热烟气进行换热，被加热到200℃后继续吸收热量并持续放出3.5MPa，200℃的高压氢气。3.5MPa，200℃的高压氢气送到混合汽化器中，与通过液体加压泵打入的20℃的正丁烷液体混合，正丁烷液体吸收余热烟气以及氢气带入的热量在混合汽化器内被汽化，出混合汽化器的混合气体温度为160℃，压力为3.5MPa，其中正丁烷蒸汽与氢气的质量比为15∶1。3.5MPa，160℃的混合气体送到混合气膨胀机内膨胀做功，混合气膨胀机出口处混合气的压力降低至0.3MPa，温度降低至35℃。然后混合气体进入冷凝式气液分离器13与空气或水进行换热，温度降至20℃，正丁烷蒸汽被全部冷凝；0.3MPa，20℃氢气送到氢反应床吸氢循环使用，20℃的正丁烷液体则由液体加压泵加压至3.5MPa打入混合汽化器中循环使用。

氢反应床为三级结构，加热和移热的循环介质为氢气。实施例3

本发明第三种实施方式如图3所示，包括氢反应床1、混合气化器2、混合气膨胀机3、带液膨胀机4、压缩机16、发电机5、气液分离器6、废气排放单元20、增压泵7、空气进口25、压缩机16、空气冷却管22、冷量回收器24、冷凝器29、液氧分离器23、液氧出口27和氮气排空口26。混合气膨胀机3、带液膨胀机4、压缩机16与发电机5同轴连接。混合气化器2设有烟气盘管21、空气冷却管22、氢气入口、凝液入口和混合气出口，气液分离器6设有混合气入口、氢气出口和凝液出口，气液分离器6的氢气出口设有氢气过滤膜8。冷凝器29设有氢气盘管。液氧分离器23设置混合气入口、液氧出口和氮气出口。余热烟气管路通过氢反应床1和混合气化器2中的烟气盘管21连接到废气排放单元20。气液分离器6的氢气出口经冷凝器29的氢气盘管、低压氢气管路9连接到氢反应床1的氢气入口，氢反应床1的氢气出口经高压氢气管路10连接到混合气化器2的氢气入口；气液分离器6的凝液出口通过凝液管路12连接到增压泵7入口，增压泵出口连接到混合气化器2的凝液入口。混合气化器的混合气出口连接到混合气膨胀机3的入口，混合气膨胀机的出口连接到带液膨胀机4的入口，带液膨胀机4的出口连接到气液分离器6的混合气入口。空气进口25连接压缩机16的入口，压缩机16的出口通过空气冷却管22连接冷量回收器24的壳程入口，冷量回收器24的壳程出口通过冷凝器29的壳程连接到液氧分离器23的混合气入口，液氧分离器23的氮气出口通过冷量回收器24的管程连接到氮气排空口26，液氧分离器23内的液氧通过液氧出口27排出。

本实施例的循环工质为氢气和氮气同时副产液氧，各工质的重量比为氮气：氢气：副产液氧=40.5:1:0.25，凝液管路12的凝液为液氮，运行过程为：发动机产生的高温余热烟气通过余热烟气管线11依次与氢反应床1和混合汽化器2进行换热后经废气排放单元20外排。将氢反应床1产生的高压氢气通过高压氢气管线10送到混合汽化器2中，液氮被液体加压泵7打入混合汽化器2中汽化，提高混合汽化器2中压力。增压后的氢氮混合气被送到混合气膨胀机3内膨胀做功，氢氮混合气然后进入带液膨胀机4中继续膨胀做功，在带液膨胀机4温度继续降低使得氮气全部液化，氮气液化后的氢氮混合物进入气液分离器6，分离出的液氮通过凝液管路和增压泵连接到混合气化器2的凝液入口。气液分离器6分离出的氢气进入冷凝器29的氢气盘管，然后经低压氢气管路9连接到氢反应床1的氢气入口。混合气膨胀机3、带液膨胀机4、压缩机16与发电机5同轴连接进行发电，发的电并入电网。空气从25进入压缩机加压后进入空气冷却管，在空气冷却管内冷却、之后通过冷量回收器24和冷凝器29的壳程进一步冷却，氧气液化后进入液氧分离器分离后的液氧作为副产品，分离后的氮气通过冷量回收器回收冷量后放空。

从冷凝器29来的1.5MPa，－155℃的低压氢气进入氢反应床，与氢反应床内装载的稀土系金属储氢材料发生反应被储氢材料吸收，形成金属氢化物；完成吸氢后的氢反应床与高温余热烟气进行换热，吸收热量并持续放出13MPa，200℃的高压氢气。13MPa，200℃的高压氢气送到混合汽化器中，然后通过液体加压泵打入50MPa，-163℃的液氮，液氮吸收余热烟气以及先送入的氢气的热量在混合汽化器内被汽化，同时使得混合汽化器中压力提高到50MPa，温度降低到－100℃；混合汽化器内加入的液氮与氢气的质量比为40.5∶1。50MPa，－100℃的氮氢混合气送到混合气膨胀机内膨胀做功，混合气膨胀机出口处氮氢混合气的压力降低至17MPa，温度降低至－146℃，然后继续进入带液膨胀机内进行膨胀做功压力降低至1.5MPa，由于膨胀过程中温度的继续降低，氮气在带液膨胀机内被全部液化，带液膨胀机出口处氢气与液氮混合物的压力为1.5MPa，温度为－163℃。氢气与液氮混合物进入气液分离器进行分离后，－163℃的液氮则由液体加压泵打入混合汽化器中循环使用。1.5MPa，－163℃氢气送到冷凝器与空气换热温度升到-155℃后再送到氢反应床吸氢循环使用。

空气经过压缩机从常压压缩到1MPa后送到混合气化器换热，换热后温度降至 －100℃，然后再送到冷量回收器与从液氧分离器来的废气进行换热，温度降到－150℃，最后送到冷凝器与从气液分离器来的氢气换热，温度降到－154℃，氧气被冷凝下来，然后气液混合物送到液氧分离器进行分离制得液氧，不凝气经过冷量回收器回收冷量后放空。

本实施例的氢气循环量为0.02Kg/s、氮气循环量为0.81Kg/s、副产液氧量为0.005Kg/s，副产液氧主要是为发动机燃料燃烧提供助燃，这样可以提高发动机升功率，尾气中没有氮氧化物排放，其它排放也大幅度的降低。由于液氧的助燃发动机气缸有可能超温，采用在气缸内喷入尾气冷凝水的方式降温，尾气中的水蒸气冷凝热热量最后全部回收。

发动机产生的高温余热烟气可以用工业装置的高温余热代替，液氧也可以提供给工业装置做清洁燃烧使用。

氢反应床为三级结构，加热和移热的循环介质为氢气。

Claims (6)

1.一种氢气混合工质的余热利用系统，其特征是：所述系统包括氢反应床（1）、混合气化器（2）、混合气膨胀机（3）、发电机（5）、气液分离器（6）、余热烟气管路（11）、增压泵（7）和废气排放单元（20），所述氢反应床设有烟气入口、烟气出口、氢气入口和氢气出口；所述混合气化器（2）设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，混合气化器（2）内设有烟气盘管（21），所述混合气膨胀机（3）与发电机（5）同轴连接；所述气液分离器（6）设有混合气入口、氢气出口和凝液出口；所述余热烟气管路通过氢反应床（1）和混合气化器（2）的烟气盘管（21）连接到废气排放单元（20）；所述气液分离器（6）的氢气出口经低压氢气管路（9）连接到氢反应床（1）的氢气入口，氢反应床（1）的氢气出口通过高压氢气管路（10）连接混合气化器（2）的氢气入口，所述气液分离器（6）的凝液出口通过凝液管路（12）连接到增压泵（7）入口，所述增压泵出口连接到混合气化器（2）的凝液入口；所述混合气化器（2）的混合气出口连接到混合气膨胀机（3）入口，混合气膨胀机的出口连接到气液分离器（6）的混合气入口。

2.根据权利要求1所述的氢气混合工质的余热利用系统，其特征是：所述系统设有带液膨胀机（4），所述混合气膨胀机（3）、带液膨胀机（4）同轴或不同轴与发电机（5）连接；所述混合气膨胀机（3）的出口连接到带液膨胀机（4）的入口，所述带液膨胀机的出口连接到气液分离器（6）的混合气入口。

3.根据权利要求2所述的氢气混合工质的余热利用系统，其特征是：所述系统设有空气进口（25）、压缩机（16）、空气冷却管（22）、冷量回收器（24）、冷凝器（29）、液氧分离器（23）、液氧出口（27）和氮气排空口（26），所述混合气膨胀机（3）、带液膨胀机（4）、压缩机（16）同轴或不同轴与发电机连接，压缩机（16）由电源拖动；所述空气冷却管（22）设置在混合气化器（2）内，冷凝器（29）设有氢气盘管，所述液氧分离器（23）设置混合气入口、液氧出口和氮气出口；所述空气进口（25）连接压缩机（16）的入口，压缩机（16）的出口通过空气冷却管（22）连接冷量回收器（24）的壳程入口，冷量回收器（24）的壳程出口通过冷凝器（29）的壳程连接到液氧分离器（23）的混合气入口，液氧分离器（23）的氮气出口通过冷量回收器（24）的管程连接到氮气排空口（26），液氧分离器（23）内的液氧通过液氧出口（27）排出；所述气液分离器（6）的氢气出口经冷凝器（29）的氢气盘管连接到氢反应床的氢气入口。

4.根据权利要求1-3任一项所述的氢气混合工质的余热利用系统，其特征是：所述混合气化器（2）为简单的混合装置或组合式的混合设备，保证混合气出口得到包括压力、温度在内的参数稳定的流量连续的混合气。

5.根据权利要求1-3任一项所述的氢气混合工质的余热利用系统，其特征是：所述气液分离器（6）的氢气出口设有氢气过滤膜（8）。

6.根据权利要求1-3任一项所述的氢气混合工质的余热利用系统，其特征是：所述气液分离器（6）为冷凝式气液分离器（13）。