CN110513156B - 水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统及发电方法 - Google Patents

水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统及发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水热碳化耦合双闪蒸‑有机朗肯循环发电系统及方法，包括水热碳化系统、闪蒸蒸汽发电系统和有机朗肯循环系统，反应釜通过浆料泵连接至一级闪蒸罐，一级闪蒸罐的浓缩浆料出口连接至二级闪蒸罐，一级闪蒸罐的蒸汽出口连接至一级透平机，二级闪蒸罐的蒸汽出口与一级透平机的乏汽出口汇合连接至二级透平机，一级透平机和二级透平机同轴带动第一发电机发电；二级闪蒸罐的浓缩浆料出口连接至蒸发器，蒸发器的有机工质蒸汽出口连接至透平机，透平机带动第二发电机发电。本发明高效实现了水热碳化浆料产物余热的提质利用，显著降低了水热碳化浆料产物的水分含量以及后续的机械脱水量及脱水能耗。

Description

水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统及发电方法
技术领域
本发明涉及水热碳化固液产物余热利用技术领域，具体涉及一种水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统及发电方法。
背景技术
水热碳化法的研究最早可追溯到20世纪，其应用较为广泛，主要应用于制备碳材料、富碳燃料、土壤肥料等。
水热碳化过程的能耗较高，过程输入的能量主要消耗于给料的加热、反应温度的维持、浆料产物的机械脱水、散热损失及脱水产物的热力干化环节。其中加热水热给料所需的能量较大，若不对浆料产物的热量进行回用，而直接冷却降温，将导致较大的热量损失。目前可见的方法是利用水热碳化浆料产物作为热源对初始给料进行预热，这一过程常在热交换器中以间接换热的方式完成。但由于初始给料黏度大、传热传质性能差，导致常规间接换热效率较低。此外，过程无法产生高品位能量。可见，在对水热碳化浆料产物的热量回收技术方面还存在较大的改进空间。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统及发电方法，将水热碳化浆料产物中的余热有效转化为电能，提高能量品质。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，包括水热碳化系统、闪蒸蒸汽发电系统和有机朗肯循环系统，其中，水热碳化系统包括反应釜、浆料泵、一级闪蒸罐和二级闪蒸罐，闪蒸蒸汽发电系统包括一级透平机、二级透平机、第一发电机和第一冷凝器；有机朗肯循环系统包括蒸发器、透平机、第二发电机、内回热器、工质泵和第二冷凝器；
反应釜通过浆料泵连接至一级闪蒸罐，一级闪蒸罐的浓缩浆料出口连接至二级闪蒸罐，一级闪蒸罐的蒸汽出口连接至一级透平机，二级闪蒸罐的蒸汽出口与一级透平机的乏汽出口汇合连接至二级透平机，一级透平机和二级透平机同轴带动第一发电机发电；二级闪蒸罐的浓缩浆料出口连接至蒸发器，蒸发器的有机工质蒸汽出口连接至透平机，透平机带动第二发电机发电。
作为本发明的优选方案之一，水热碳化系统采用含水率约75～90％的浆状给料，水热碳化的原料包括污泥、秸秆、餐厨垃圾、城市有机垃圾、畜禽粪便中的任一种或多种的组合。
作为本发明的优选方案之一，闪蒸蒸汽发电系统中，二级透平机排出的乏汽进入第一冷凝器冷凝，冷凝水作为部分水源用于配置浆状给料。
作为本发明的优选方案之一，水热碳化系统中，反应釜为间歇式反应器或连续式反应器中的任一种。
作为本发明的优选方案之一，反应釜为间歇式反应器时，采用多个间歇式反应器分时段供应一级闪蒸罐，单个反应釜的容量高于10000L。
作为本发明的优选方案之一，有机朗肯循环采用的有机工质为R245fa、R245ca、R365mfc中的任一种。
本发明还提供一种水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，包括以下步骤：
(1)水热碳化过程：含水率约75～90％的浆状给料由上一批次水热碳化产气进行预热，给料温度升至40～55℃，预热后气体产物排出，反应釜内充入惰性气体，之后在反应釜内继续加热至水热反应温度，反应时间为1～4小时；
(2)闪蒸过程：水热碳化后的浆料产物通过浆料泵送入一级闪蒸罐内进行降压闪蒸，获得一级闪蒸蒸汽和一级浓缩浆料；一级闪蒸蒸汽直接送入一级透平机做功，一级浓缩浆料泵入二级闪蒸罐内，完成二级降压闪蒸，得到的二级闪蒸蒸汽与一级透平机做功后的乏汽混合，送入下一级同轴二级透平机做功；
(3)闪蒸蒸汽发电和有机朗肯循环(DFORC)发电过程：
闪蒸蒸汽发电：一级闪蒸蒸汽和二级闪蒸蒸汽带动一级透平机和二级透平机做功发电，二级透平排出的乏汽进入第一冷凝器冷凝，冷凝水作为部分水源用于配制浆状给料；
有机朗肯循环(ORC)发电：二级闪蒸罐产生的浓缩浆料泵入有机朗肯循环中的蒸发器，将热量传递给有机工质并使其汽化，有机工质蒸汽进入透平机中做功并进行发电。
作为本发明的优选方案之一，步骤(1)中的水热反应温度为200～300℃。
作为本发明的优选方案之一，步骤(2)中送入一级闪蒸罐的浆料产物质量流量高于10t/h。
作为本发明的优选方案之一，步骤(2)中，两级闪蒸对浆料产物的脱水率应满足在25％以上，即浆料产物经两级闪蒸浓缩后，浓缩至含水率55～65％，温度为75～100℃。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：采用以上耦合发电技术方案，以14.4t/h质量流量的浆料产物泵入一级闪蒸罐为例，DFORC系统的发电量为15kWh/t～65kWh/t，两级闪蒸系统热效率为9～16％，ORC系统热效率5～10％，DFORC系统
Figure BDA0002166410680000041
效率为45～48％，有效地将热能转化为电能，减少了水热碳化过程能量损耗同时，提升了能量品质，从而使水热碳化工艺更经济。采用两级闪蒸方式，降低了浆体的含水率，减少了机械压滤或其他工艺脱除水分的成本。
附图说明
图1是本发明所述发电系统流程示意图。
图中：1-反应釜，2-浆料泵，3-一级闪蒸罐，4-二级闪蒸罐，5-一级透平机，6-二级透平机，7-第一发电机，8-第一冷凝器，9-蒸发器，10-透平机，11-第二发电机，12-内回热器，13-工质泵，14-第二冷凝器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，包括水热碳化系统、闪蒸蒸汽发电系统和有机朗肯循环系统，其中，水热碳化系统包括反应釜1、浆料泵2、一级闪蒸罐3和二级闪蒸罐4，闪蒸蒸汽发电系统包括一级透平机5、二级透平机6、第一发电机7和第一冷凝器8；有机朗肯循环系统包括蒸发器9、透平机10、第二发电机11、内回热器12、工质泵13和第二冷凝器14；
反应釜1通过浆料泵2连接至一级闪蒸罐3，一级闪蒸罐3的浓缩浆料出口连接至二级闪蒸罐4，一级闪蒸罐3的蒸汽出口连接至一级透平机5，二级闪蒸罐4的蒸汽出口与一级透平机5的乏汽出口汇合连接至二级透平机6，一级透平机5和二级透平机6同轴带动第一发电机发电7；二级闪蒸罐4的浓缩浆料出口连接至蒸发器9，蒸发器9的有机工质蒸汽出口连接至透平机10，透平机10带动第二发电机11发电。同时，二级透平机6排出的乏汽进入第一冷凝器8冷凝，冷凝水作为部分水源用于配置水热碳化循环中的浆状给料。
本实施例将水热碳化与双级闪蒸罐、闪蒸蒸汽发电和有机朗肯循环发电相结合，将水热碳化的产物余热充分转化为电能，水热碳化工艺更加经济，整个耦合发电系统的能源利用效率更高。
为提升整个耦合发电系统的效率，水热碳化系统采用含水率约75～90％的浆状给料，水热碳化的原料包括污泥、秸秆、餐厨垃圾、城市有机垃圾、畜禽粪便等广义生物质废弃物。反应釜采用间歇式和连续式反应器均可，但为保证连续闪蒸和连续发电，间歇式反应器单个容量应高于10000L，且需要多个反应釜分时段供应一级闪蒸罐。
有机朗肯循环的有机工质选择需考虑工质的物理化学特性、热力学特性以及与热源的匹配性，这里给出几种合适的有机工质：R245fa、R245ca、R365mfc，但需根据具体情况选择最佳有机工质。
实施例2
本实施例提供一种水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，以城市生活垃圾作为水热碳化的原料为例，包括以下步骤：
(1)水热碳化过程：城市生活垃圾与闪蒸蒸汽做功后的冷凝水混合掺配，制成含水率83.3％的给料，泵入反应釜，经上一批次碳化产气预热，给料温度至45℃，水热碳化温度270℃，反应时间2h。
(2)闪蒸过程：碳化后浆料产物以14.4t/h泵入一级闪蒸罐，一级闪蒸蒸汽进入一级透平机，做功后的湿蒸汽与二级闪蒸蒸汽混合进入同轴二级透平机做功；一级闪蒸温度为174℃，蒸汽质量流量为3.24t/h，二级闪蒸温度为95℃，蒸汽质量流量为1.8t/h。
(3)DFORC系统发电过程：闪蒸蒸汽发电由一级闪蒸蒸汽和二级闪蒸蒸汽做功带动两级透平发电，最终由第一冷凝器凝结，冷凝水温为30℃，两级闪蒸系统热效率为13.2％；ORC发电由二级闪蒸后浆体作为热源蒸发有机工质(R245fa)做功，有机朗肯循环热效率为7.2％，耦合发电系统发电量为35.6kWh/t，DFORC系统
Figure BDA0002166410680000071
效率为46.4％。
实施例3
本实施例提供一种水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，以玉米秸秆作为水热碳化的原料为例，包括以下步骤：
(1)水热碳化过程：玉米秸秆与闪蒸蒸汽做功后的冷凝水混合掺配，制成含水率90％的给料，泵入反应釜，经上一批次碳化产气预热，给料温度至38℃，水热碳化温度200℃，反应时间1h。
(2)闪蒸过程：碳化后浆料产物以14.4t/h泵入一级闪蒸罐，一级闪蒸蒸汽进入一级透平机，做功后的湿蒸汽与二级闪蒸蒸汽混合进入同轴二级透平机做功；一级闪蒸温度为135℃，蒸汽质量流量为2.10t/h，二级闪蒸温度为78℃，蒸汽质量流量为1.29t/h。
(3)DFORC系统发电过程：闪蒸蒸汽发电由一级闪蒸蒸汽和二级闪蒸蒸汽做功带动两级透平发电，最终由第一冷凝器凝结，凝结水温为30℃，两级闪蒸系统热效率为9.13％；ORC发电由二级闪蒸后浆体作为热源蒸发有机工质(R245fa)做功，ORC热效率为5.6％，耦合发电系统发电量为18.3kWh/t，DFORC系统
Figure BDA0002166410680000072
效率为46.0％。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于：包括水热碳化系统、闪蒸蒸汽发电系统和有机朗肯循环系统，其中，
水热碳化系统包括反应釜、浆料泵、一级闪蒸罐和二级闪蒸罐，
闪蒸蒸汽发电系统包括一级透平机、二级透平机、第一发电机和第一冷凝器；
有机朗肯循环系统包括蒸发器、透平机、第二发电机、内回热器、工质泵和第二冷凝器；
反应釜通过浆料泵连接至一级闪蒸罐，一级闪蒸罐的浓缩浆料出口连接至二级闪蒸罐，一级闪蒸罐的蒸汽出口连接至一级透平机，二级闪蒸罐的蒸汽出口与一级透平机的乏汽出口汇合连接至二级透平机，一级透平机和二级透平机同轴带动第一发电机发电；二级闪蒸罐的浓缩浆料出口连接至蒸发器，蒸发器的有机工质蒸汽出口连接至透平机，透平机带动第二发电机发电。
2.根据权利要求1所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于：水热碳化系统采用含水率约75～90％的浆状给料，水热碳化的原料包括污泥、秸秆、餐厨垃圾、城市有机垃圾、畜禽粪便中的任一种或多种的组合。
3.根据权利要求2所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于：闪蒸蒸汽发电系统中，二级透平机排出的乏汽进入第一冷凝器冷凝，冷凝水作为部分水源用于配置浆状给料。
4.根据权利要求1所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于：水热碳化系统中，反应釜为间歇式反应器或连续式反应器中的任一种。
5.根据权利要求4所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于：反应釜为间歇式反应器时，采用多个间歇式反应器分时段供应一级闪蒸罐，单个间歇式反应器的容量高于10000L。
6.根据权利要求1所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于：有机朗肯循环系统采用的有机工质为R245fa、R245ca、R365mfc中的任一种。
7.水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，采用权利要求1-6中任一项所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水热碳化过程：含水率约75～90％的浆状给料由上一批次水热碳化产气进行预热，给料温度升至40～55℃，预热后气体产物排出，反应釜内充入惰性气体，之后在反应釜内继续加热至水热反应温度，反应时间为1～4小时；
(2)闪蒸过程：水热碳化后的浆料产物通过浆料泵送入一级闪蒸罐内进行降压闪蒸，获得一级闪蒸蒸汽和一级浓缩浆料；一级闪蒸蒸汽直接送入一级透平机做功，一级浓缩浆料泵入二级闪蒸罐内，完成二级降压闪蒸，得到的二级闪蒸蒸汽与一级透平机做功后的乏汽混合，送入下一级同轴二级透平机做功；
(3)闪蒸蒸汽发电和有机朗肯循环发电过程：
闪蒸蒸汽发电：一级闪蒸蒸汽和二级闪蒸蒸汽带动一级透平机和二级透平机做功发电，二级透平排出的乏汽进入第一冷凝器冷凝，冷凝水作为部分水源用于配制浆状给料；
有机朗肯循环发电：二级闪蒸罐产生的浓缩浆料泵入有机朗肯循环中的蒸发器，将热量传递给有机工质并使其汽化，有机工质蒸汽进入透平机中做功并进行发电。
8.根据权利要求7所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，其特征在于：步骤(1)中的水热反应温度为200～300℃。
9.根据权利要求7所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，其特征在于：步骤(2)中送入一级闪蒸罐的浆料产物质量流量高于10t/h。
10.根据权利要求9所述的水热碳化耦合双闪蒸-有机朗肯循环发电方法，其特征在于：步骤(2)中，浆料产物经两级闪蒸浓缩后，浓缩至含水率55～65％，温度为75～100℃。
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