CN112112697A - 液氧冷能发电系统及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液氧冷能发电系统及发电方法，该液氧冷能发电系统包括朗肯循环发电系统及复热器。朗肯循环发电系统包括发电机、以及依次连成回路的预热器、蒸发器、热工动力转换机械、冷凝器和工质泵。热功动力转换机械与发电机相连。蒸发器的热源入口用于接收外界输入的热源，热源出口与预热器的热源入口连通。冷凝器的冷源入口用于接收外界输入的液氧。复热器的热源入口和冷源入口分别与预热器的热源出口和冷凝器的冷源出口连通，以使得从预热器输出的热源与从冷凝器输出的冷源在复热器中进行换热。本发明采用闭式热力循环，可节约热源消耗，有效回收液氧冷能，促进能源的合理利用，降低钢铁行业的生产能耗和成本。
Description
技术领域
本发明涉及节能减排、冷能发电技术领域。
背景技术
钢铁行业是氧气行业的最大工业用户，钢铁生产过程用氧量约占总用氧量的70%。为了确保制氧设备故障停车时氧气供应的稳定性，钢铁企业通常会配套建设大型的液氧储槽和液氧汽化系统。同时，液氧也被当作供气调峰手段，来降低氧气放散量和生产能耗。目前，水浴式汽化器是液氧汽化供气系统中的关键设备，其主要功能是通过水将水蒸汽的热量传递给低温液氧，使液氧吸热汽化成气态并复热。
水浴式液氧汽化器是一种换热器，传统结构如图1所示，用于液氧汽化供气系统的水浴式汽化器热侧介质为水蒸汽、热水或常温水，冷侧介质为液氧。由于液氧温度低，直接采用水蒸汽、热水或常温水与液氧换热，造成热侧热能以及冷侧液氧冷能的极大浪费。
为深化供给侧结构性改革，有效促进制造业降低生产成本，优化存量资源配置，近年来钢铁行业采取了一系列有效措施，多家钢铁企业选择扩大企业制氧能力，投资建设多套大型制氧机组。随着钢铁工业配套制氧机组向大型化方向的不断发展，对现有形式的水浴式汽化器进行改造从而回收冷、热能量进行发电的需求将越来越大。
目前，国内外对于冷能回收发电的研究及应用主要集中于LNG（液化天然气，Liquefied Natural Gas）上，与液氧相关的节能降耗方面的研究主要集中于制氧流程、液氧汽化器结构形式改进和优化等方面，对于钢铁工业中的液氧冷能回收发电问题，尚未获得国内外关注。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对钢铁行业中水浴式液氧汽化器能量未合理利用的问题，提供一种利液氧冷能发电系统及发电方法，其能有效回收液氧冷能，促进能源的合理利用，降低钢铁行业的生产能耗和成本。
本发明的实施例提供了一种液氧冷能发电系统，包括朗肯循环发电系统及复热器；朗肯循环发电系统包括发电机、预热器、蒸发器、热功动力转换机械、冷凝器和工质泵；预热器、蒸发器、热工动力转换机械、冷凝器和工质泵依次连成回路，热功动力转换机械与发电机相连，以驱动发电机工作；蒸发器的热源入口用于接收外界输入的热源，蒸发器的热源出口与预热器的热源入口连通；冷凝器的冷源入口用于接收外界输入的液氧；复热器的热源入口和冷源入口分别与预热器的热源出口和冷凝器的冷源出口连通，以使得从预热器输出的热源与从冷凝器输出的冷源在复热器中进行换热。
本发明的实施例还提供了一种液氧冷能发电方法，其中，液态二氧化碳依次在预热器、蒸发器中与热源换热，吸收热源热量后汽化，然后，气态二氧化碳进入热功动力转换机械做功，将热能转换成机械功并驱动发电机转换成电能输出，从热功动力转换机械中输出的二氧化碳气体进入冷凝器，被液氧冷凝成液态，接着，液态二氧化碳通过工质泵输送至预热器，形成二氧化碳的闭式朗肯循环，从预热器输出的热源与从冷凝器输出的氧气在复热器中进行换热，加热后的氧气和冷却后的热源流出复热器。
本发明至少具有以下优点：
本发明的液氧冷能发电系统采用了闭式热力循环，节约了热源消耗，有效地回收了液氧冷能，促进了能源的合理利用，同时整体设备尺寸小，密封系统的设计难度降低，投资成本低。
附图说明
图1示出了水浴式液氧汽化器结构简图。
图2示出了根据本发明一实施例的液氧冷能发电系统的原理图。
图3示出了根据本发明一实施例的液氧冷能发电系统应用于水浴式液氧汽化器的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但不作为对本发明的限制。
图2示出了根据本发明一实施例的液氧冷能发电系统的原理图。如图3所示，根据本发明一实施例的液氧冷能发电系统包括预热器1、蒸发器2、热功动力转换机械3、发电机4、冷凝器5、工质泵6和复热器7。预热器1、蒸发器2、热功动力转换机械3、冷凝器5和工质泵6依次连成回路。热功动力转换机械3与发电机4相连，以驱动发电机4工作。
蒸发器2的热源入口用于接收外界输入的热源，蒸发器2的热源出口与预热器1的热源入口连通；冷凝器5的冷源入口用于接收外界输入的液氧。
复热器7的热源入口和冷源入口分别与预热器1的热源出口和冷凝器5的冷源出口连通，以使得从预热器1输出的热源与从冷凝器5输出的冷源在复热器中进行换热。
本实施例的朗肯循环发电系统以二氧化碳作为循环工作介质，二氧化碳在由预热器1、蒸发器2、膨胀机3、冷凝器5和工质泵6依次连成的回路中循环，实现液氧冷能发电。具体而言，首先，液态二氧化碳（输入预热器1的液态二氧化碳的压力大小为1.0Mpa～6.0Mpa，温度为-81℃～-54℃）依次在预热器1、蒸发器2中与热源（如水蒸汽、热水、常温水）换热，吸收热源热量后汽化。然后，气态二氧化碳（压力大小为1.0Mpa～6.0Mpa，温度为-35℃～26℃）进入热功动力转换机械3中做功，将热能转换成机械功并驱动发电机4转换成电能输出。从热功动力转换机械3中输出的二氧化碳气体（压力大小为0.2Mpa～0.6Mpa，温度为-76℃～-53℃）进入冷凝器5，被低温液氧冷凝成液态（液态二氧化碳的压力大小为0.2Mpa～0.6Mpa，温度为-82℃～-57℃）。接着，液态二氧化碳通过工质泵6输送至预热器1，从而形成二氧化碳的闭式工作循环。
此外，从预热器1输出的热源与从冷凝器5输出的气态低温氧气在复热器7中进行换热，加热后的氧气和冷却后的热源流出复热器7。
本实施例的朗肯循环发电系统以常温水、热水或水蒸汽为热源。该热源（温度范围为10℃～30℃）从蒸发器2的热源入口进入，依次在蒸发器2和预热器1中与二氧化碳工质换热，从预热器1的热源出口流出的热源（温度范围为6℃～23.5℃）进入复热器7的热源入口。
本实施例的朗肯循环发电系统以液氧（温度范围为-164℃～-183℃）为冷源。液氧从冷凝器5的冷源入口进入，在冷凝器5中与二氧化碳工质换热后，成为气态低温氧气（温度范围为-90℃～-122℃）。该气态低温氧气进入复热器7的冷源入口，在复热器7中与来自预热器1的热源进行热交换，被加热到工艺需要的温度。
可选地，热功动力转换机械3为膨胀机。
与常规有机朗肯循环（ORC）技术相比，本实施例的有益效果在于：
1.所选用的循环工质二氧化碳为自然工质，具有如下优势：对人体无毒无害，对环境无污染，属于绿色环保型介质；理化性质稳定，不燃不爆，不分解，无腐蚀，无爆炸危险；容易获得，价格便宜，投资成本低；
2.二氧化碳系统运行压力高，换热器及管路附件尺寸小，整体设备尺寸小、重量轻、占地少；
3.选用二氧化碳作为工作介质，主机密封系统的设计难度降低，密封泄漏气处理系统及相应的安保措施得到简化，系统整体气密性、泄漏监测及相应的应急处理措施等级降低，发电系统流程简单，控制系统可操作性强；
4.采用带复热器7的二氧化碳朗肯循环系统，可适合常温水、热水、水蒸汽等多种温度等级的热源，将从预热器1中流出的水与从冷凝器5中流出的氧气在复热器7中进行换热，可以将水温降至约20℃，作为工厂内其他工艺的冷却水。氧气经过复热器7后被加热至约15℃，可直接供转炉等装置使用；
5.本发明工艺系统既不影响上、下游生产工艺，也不额外耗能，通过热源能量及液氧冷能的回收利用，为企业额外提供一定量电能。
以下结合一具体的实施方式对本实施例的液氧冷能发电系统的发电工作过程进行详细说明。
在该实施方式中，以常温水（30℃）为热源（以热水、水蒸汽作为热源同样适用），以液氧（-183℃）为冷源，以膨胀机作为热功动力转换机械3。
4MPa、-54℃的液态二氧化碳依次在预热器1及蒸发器2中与热源常温水（30℃）换热，水温至约23℃，二氧化碳吸收水的热量后汽化；3.97MPa、9℃的气态二氧化碳进入膨胀机3中膨胀做功，将热能转换成机械功并最终驱动发电机4转换成电能输出；膨胀后的二氧化碳气体（0.6MPa、-53℃）进入冷凝器5，与低温液氧（3.1MPa、-183℃）换热，被冷凝成液态（0.57MPa、-57℃）；接着液态的二氧化碳通过工质泵6输送至预热器1，从而形成二氧化碳的闭式工作循环。从预热器1出来的水（23℃）与从冷凝器5出来的气态低温氧气（-122℃）在复热器7中进行换热，将氧气加热到工艺需要的约15℃，热源最终以约20℃的水流出复热器7。
利用本发明实施例的液氧冷能发电系统可实现对现有的水浴式液氧汽化器的改造，即将该液氧冷能发电系统作为闭式热力循环加入在热侧介质与冷侧液氧之间，如图3所示，利用两侧介质的巨大温差，同时将冷、热两侧介质的能量进行回收发电。
以上描述是结合具体实施方式和附图对本发明所做的进一步说明。但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方法来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内容的情况下根据实际使用情况进行推广、演绎，因此，上述具体实施例的内容不应限制本发明确定的保护范围。
Claims (9)
1.一种液氧冷能发电系统，其特征在于，包括朗肯循环发电系统及复热器；
所述朗肯循环发电系统包括发电机、预热器、蒸发器、热工动力转换机械、冷凝器和工质泵；预热器、蒸发器、热功动力转换机械、冷凝器和工质泵依次连成回路，热功动力转换机械与发电机相连，以驱动发电机工作；所述蒸发器的热源入口用于接收外界输入的热源，所述蒸发器的热源出口与所述预热器的热源入口连通；所述冷凝器的冷源入口用于接收外界输入的液氧；
所述复热器的热源入口和冷源入口分别与所述预热器的热源出口和所述冷凝器的冷源出口连通，以使得从预热器输出的热源与从冷凝器输出的冷源在所述复热器中进行换热。
2.根据权利要求1所述的液氧冷能发电系统，其特征在于，所述朗肯循环发电系统以二氧化碳作为循环工作介质。
3.根据权利要求1所述的液氧冷能发电系统，其特征在于，所述朗肯循环发电系统以常温水、热水或水蒸汽为热源。
4.根据权利要求1所述的液氧冷能发电系统，其特征在于，所述热功动力转换机械为膨胀机。
5.一种液氧冷能发电方法，其特征在于，液态二氧化碳依次在预热器、蒸发器中与热源换热，吸收热源热量后汽化，然后，气态二氧化碳进入热功动力转换机械做功，将热能转换成机械功并驱动发电机转换成电能输出，从所述热功动力转换机械中输出的二氧化碳气体进入冷凝器，被液氧冷凝成液态，接着，液态二氧化碳通过工质泵输送至预热器，形成二氧化碳的闭式朗肯循环，从预热器输出的热源与从冷凝器输出的氧气在复热器中进行换热，加热后的氧气和冷却后的热源流出复热器。
6.根据权利要求5所述的液氧冷能发电方法，其特征在于，输入所述预热器的液态二氧化碳的压力大小为1.0Mpa～6.0Mpa，温度为-81℃～-54℃；输入所述热功动力转换机械的气态二氧化碳的压力大小为1.0Mpa～6.0Mpa，温度为-35℃～26℃；从所述热功动力转换机械输出的气态二氧化碳的压力大小为0.2Mpa～0.6Mpa，温度为-76℃～-53℃；从所述冷凝器输出的液态二氧化碳的压力大小为 0.2Mpa～0.6Mpa，温度为-82℃～-57℃。
7.根据权利要求5或6所述的液氧冷能发电方法，其特征在于，输入所述蒸发器的热源的温度范围为10℃～30℃；从所述预热器的热源出口输出的热源的温度范围为6℃～23.5℃；
输入所述冷凝器的液氧的温度范围为-164℃～-183℃；从所述冷凝器的冷源出口输出的氧气的温度范围为-90℃～-122℃。
8.根据权利要求7所述的液氧冷能发电方法，其特征在于，所述热源为常温水、热水或水蒸汽。
9.根据权利要求5或6所述的液氧冷能发电方法，其特征在于，所述热功动力转换机械为膨胀机。
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