CN112413922B - 一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统及方法，系统，包括：第一锅炉，用于提供基础氨溶液与工业废气进行换热，回收工业废气中余热；分离器，其进口与第一锅炉的富氨蒸汽出口连接，其气相出口与汽轮机的进口连接，其液相出口依次与回热器、第一节流阀、第二锅炉和精馏器连接；精馏器的气相出口依次与第一冷凝器、第三节流阀、蒸发器连接；精馏器的液相出口与加热器连接。通过多个锅炉对余热实现多级利用，极大的提高了余热利用率，可以将热水温度降到80℃以下。

Description

一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统及方法
技术领域
本发明属于工业余热技术领域，尤其涉及一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
我国是工业大国，在工业领域的能源消耗占总能耗的60％，尤其钢铁、水泥、电力，金属冶炼等行业是典型的高能耗、高排放行业。这些行业在生产过程中会产生大量的中低品位余热，对这些余热的充分利用既可以节能减排，也可以提高行业的经济收益。然而，工业领域的余热利用率不足50％，大部分的余热直接排放或用于供暖，能源的综合利用水平较低。
KCS(Kalina Cycle System)是一种可以利用中低品位工业余热的的动力循环。它使用氨-水混合溶液作为工质，由于氨水在蒸发过程中会发生温度滑移，可以很好的与非恒温热源匹配，减少了蒸发过程中的不可逆损失，具有较高的循环效率。由于氨水的冷凝压力较高，通常会采用分离-混合的方式，分离器将基础氨溶液分为富氨蒸汽和贫氨溶液，富氨蒸汽进入汽轮机做功，贫氨溶液节流后与富氨蒸汽混合后再冷凝。值得注意的是，贫氨溶液经过回热之后仍然有较高的温度，没有被充分利用；另一方面余热用于驱动KCS后利用率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统及方法。在KCS的基础上，将KCS与同样利用氨水作为工质的吸收式制冷循环耦合，建立了一种用于回收中低品位工业余热的功冷联供系统。
为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，包括：
第一锅炉，用于提供基础氨溶液与工业废气进行换热，回收工业废气中余热；
分离器，其进口与第一锅炉的富氨蒸汽出口连接，其气相出口与汽轮机的进口连接，其液相出口依次与回热器、第一节流阀、第二锅炉和精馏器连接；
精馏器的气相出口依次与第一冷凝器、第三节流阀、蒸发器连接；
精馏器的液相出口与加热器连接。
第二方面，本发明提供一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，包括如下步骤：
具有一定温度的工业废气进入第一锅炉中，加热基础氨溶液，基础氨溶液受热蒸发汽化，形成富氨蒸汽和贫氨溶液；
富氨蒸汽进入汽轮机做功发电；
贫氨溶液经过节流、经过第二锅炉加热后，进入精馏器中精馏，得到氨蒸汽和氨溶液，氨蒸汽经过冷凝、节流后，进入蒸发器蒸发吸热，对外供冷；
氨溶液经过加热器，对外供热。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：
(1)通过多个锅炉对余热实现多级利用，极大的提高了余热利用率，可以将热水温度降到80℃以下。
(2)对分离器出口的贫氨溶液再利用，根据氨水的性质，氨水的泡点与压力和浓度成正比，由于贫氨溶液的浓度下降，可以通过降低压力来达到泡点。分离器出口的贫氨溶液经节流阀降低到中间压力后可以利用第一锅炉出口的温度较低的热源，实现了“温度对口，梯级利用”。
泡点：在温度一定的情况下，开始从液相中分离出第一批气泡的压力，或在压力一定的情况下，开始从液相中分离出第一批气泡的温度。
(3)在同一个循环中实现中实现了功冷联供，结构简单且紧凑，使工业余热在用于采暖外，还可以同时用于输出电力和冷量，同一股工业余热可以满足人们的多种能量需求。
(4)对精馏器出口的氨溶液进一步利用，用于驱动ORC，既可以增加额外的电力输出，也降低了第二冷凝器的负荷。另外，第二锅炉出口的余热用于ORC工质的预热，可以增加用于做功的有机工质，提高发电量。
(5)本系统具有较高的热效率和
Figure BDA0002784682820000031
效率，热力性能优越，且结构简单紧凑，具有较高的竞争力，便于工程实际应用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的循环系统原理图。
图中：1、第一锅炉，2、分离器，3、回热器，4、膨胀机，5、第一节流阀，6、第二锅炉，7、精馏器，8、第一冷凝器，9、第三节流阀，10、蒸发器，11、汽轮机，12、第二混合器，13、第一工质泵，14、第二冷凝器，15、第一混合器，16、第二节流阀，17、加热器，18、第三锅炉，19、第三工质泵，20、第三冷凝器，21、第二工质泵，22、第三冷凝器；
在整个循环过程中，根据氨的浓度从低到高分别为：
Figure BDA0002784682820000041
为低浓度的精馏氨溶液；③-⑥为贫氨溶液；
Figure BDA0002784682820000042
①和
Figure BDA0002784682820000043
为基础氨溶液；②,
Figure BDA0002784682820000044
为富氨蒸汽；⑦-⑩为高浓度的精馏氨。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，包括：
第一锅炉，用于提供基础氨溶液与工业废气进行换热，回收工业废气中余热；
分离器，其进口与第一锅炉的富氨蒸汽出口连接，其气相出口与汽轮机的进口连接，其液相出口依次与回热器、第一节流阀、第二锅炉和精馏器连接；
精馏器的气相出口依次与第一冷凝器、第三节流阀、蒸发器连接；
精馏器的液相出口与加热器连接。
在一些实施例中，所述第二锅炉的热源为第一锅炉利用后的工业废气。
由于具有一定温度的工业废气在第一锅炉中对基础氨溶液进行加热后还有大量的热量，所以将这一部分具有一定温度的工业废气再通入第二锅炉中，对贫氨溶液进行加热，以利于其后续的精馏操作。
在一些实施例中，所述加热器通过第二节流阀与第一混合器连接，蒸发器与第一混合器连接，用于实现将来自蒸发器的氨蒸汽和降温后的氨溶液混合。
进一步的，所述第一混合器的出口依次与第二冷凝器、第一工质泵和第二混合器连接，汽轮机的出口与第二混合器连接，用于实现将来自汽轮机的乏气与来自第一工质泵的氨溶液混合。
将乏气与热量利用后的氨溶液混合，得到原始的基础氨溶液。
更进一步的，所述第二混合器的出口依次与第三冷凝器、第二工质泵、回热器和第一锅炉连接，用于实现将混合得到的基础氨溶液被分离器分离得到的贫氨溶液预热后，进入第一锅炉中。
采用回热器将分离器分离得到的贫氨溶液对混合后的基础氨溶液进行预热，可以对贫氨溶液中的热量进行回收，再利用第二锅炉对其加热时，可以更好地利用工业废气中的余热。
在一些实施例中，还包括ORC循环系统，其包括依次连接的膨胀机、第三冷凝器、第三工质泵和第三锅炉，第三锅炉与膨胀机之间连接所述加热器，用于实现来自精馏器底部的氨溶液对ORC循环系统的供热。
第二方面，本发明提供一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，包括如下步骤：
具有一定温度的工业废气进入第一锅炉中，加热基础氨溶液，基础氨溶液受热蒸发汽化，形成富氨蒸汽和贫氨溶液；
富氨蒸汽进入汽轮机做功发电；
贫氨溶液经过节流、经过第二锅炉加热后，进入精馏器中精馏，得到氨蒸汽和氨溶液，氨蒸汽经过冷凝、节流后，进入蒸发器蒸发吸热，对外供冷；
氨溶液经过加热器，对外供热。
在一些实施例中，所述氨溶液经过加热器，用于对ORC循环系统供热。
进一步的，经过加热器降温后的氨溶液，再经过节流后，与来自蒸发器的氨蒸汽混合，得到贫氨溶液。
更进一步的，贫氨溶液经过冷凝、泵送后与来自汽轮机的乏气混合，得到基础氨溶液。
再进一步的，还包括将得到的基础氨溶液经过冷凝后，泵送至回热器中，被来自分离器底部的贫氨溶液加热的步骤，经过预热后的基础氨溶液重新循环至第一锅炉中。
实施例
如图1所示，一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，包括：
第一锅炉1，用于提供基础氨溶液与工业废气进行换热，回收工业废气中余热；分离器2，其进口与第一锅炉1的富氨蒸汽出口连接，其气相出口与汽轮机11的进口连接，其液相出口依次与回热器3、第一节流阀5、第二锅炉6和精馏器7连接；第二锅炉6的热源为第一锅炉1利用后的工业废气。
由于具有一定温度的工业废气在第一锅炉中对基础氨溶液进行加热后还有大量的热量，所以将这一部分具有一定温度的工业废气再通入第二锅炉中，对贫氨溶液进行加热，以利于其后续的精馏操作。
精馏器7的气相出口依次与第一冷凝器8、第三节流阀9、蒸发器10连接；
精馏器7的液相出口与加热器17连接，加热器17通过第二节流阀16与第一混合器15连接，蒸发器10与第一混合器15连接，用于实现将来自蒸发器10的氨蒸汽和降温后的氨溶液混合。第一混合器15的出口依次与第二冷凝器14、第一工质泵13和第二混合器12连接，汽轮机11的出口与第二混合器12连接，用于实现将来自汽轮机11的乏气与来自第一工质泵13的氨溶液混合。将乏气与热量利用后的氨溶液混合，得到原始的基础氨溶液。
第二混合器12的出口依次与第三冷凝器20、第二工质泵21、回热器3和第一锅炉1连接，用于实现将混合得到的基础氨溶液被分离器分离得到的贫氨溶液预热后，进入第一锅炉1中。采用回热器3将分离器分离得到的贫氨溶液对混合后的基础氨溶液进行预热，可以对贫氨溶液中的热量进行回收，再利用第二锅炉对其加热时，可以更好地利用工业废气中的余热。
还包括ORC循环系统，其包括依次连接的膨胀机4、第三冷凝器22、第三工质泵19和第三锅炉18，第三锅炉18与膨胀机4之间连接所述加热器17，用于实现来自精馏器底部的氨溶液对ORC循环系统的供热。在第三锅炉18中，采用来自第二锅炉6的具有一定温度的工业废气对循环工质进行预热。
工业余热首先进入第一锅炉1，用于加热基础氨溶液，基础氨溶液蒸发汽化后进入分离器2，被分离为富氨蒸汽和贫氨溶液，富氨蒸汽进入汽轮机11做功发电，贫氨溶液进入回热器3用于预热来自第二工质泵21的基础氨溶液。回热器3出口的贫氨溶液经过第一节流阀5节流后被来自第一锅炉1出口的余热加热，由于此时氨溶液的浓度较低，但其压力降低后，泡点降低，在较低的温度下就可以到达泡点蒸发汽化，蒸发汽化后的贫氨溶液进入精馏器7，被精馏并分离为接近纯净的氨蒸汽和浓度较低的氨溶液。氨蒸汽经过第一冷凝器8冷凝和第三节流器9节流降压后，在蒸发器10中蒸发吸热产生冷量。氨溶液通过加热器17经热量传递给另一侧的ORC(Organic Rankine Cycle)。氨溶液降温、经过第二节流阀16节流后与来自蒸发器10的氨蒸汽经第一混合器15混合为贫氨溶液。贫氨溶液经第二冷凝器14冷凝和第一工质泵13加压后与来自汽轮机11的乏汽混合为基础氨溶液，基础氨溶液经第三冷凝器22和第二工质泵21冷凝加压后进入回热器3，完成循环。
在整个循环过程中，存在5种氨浓度不同的流程，根据氨的浓度从低到高分别为：
Figure BDA0002784682820000081
为低浓度的精馏氨溶液；③-⑥为贫氨溶液；
Figure BDA0002784682820000082
①和
Figure BDA0002784682820000083
为基础氨溶液；②,
Figure BDA0002784682820000084
为富氨蒸汽；⑦-⑩为高浓度的精馏氨。
注意到精馏器7出口的氨浓度较低的氨溶液温度较高，可以作为热源用于驱动ORC，ORC使用有机物R134a作为工质，有机工质在加热器17中被加热汽化后进入膨胀机4膨胀做功，做功后的乏汽在第三工质泵的泵送作用下进入第三冷凝器19冷凝成液体，液体工质被第三工质泵19泵送进入第三锅炉18预热，预热利用的是第二锅炉6出口的余热，这样可以进一步提高余热利用率。
为了进一步研究该系统的热力性能，并证明其可行性，通过建立仿真模型，用于研究该系统在给定初始参数下的热力性能。初始参数如表1所示。各状态点参数如表2所示，性能参数如表3所示。
表1初始参数
Figure BDA0002784682820000085
Figure BDA0002784682820000091
表2各状态点参数
Figure BDA0002784682820000092
Figure BDA0002784682820000101
表3性能参数
Figure BDA0002784682820000102
Figure BDA0002784682820000111
由表3可知，循环系统的热效率为23.14％，
Figure BDA0002784682820000112
效率为35.31％，具有较高的热力性能，同时热水出口温度为351.6K，对余热的利用率较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，其特征在于：包括：
第一锅炉，用于提供基础氨溶液与工业废气进行换热，回收工业废气中余热；
分离器，其进口与第一锅炉的富氨蒸汽出口连接，其气相出口与汽轮机的进口连接，其液相出口依次与回热器、第一节流阀、第二锅炉和精馏器连接；
所述回热器利用贫氨溶液预热来自第二工质泵的基础氨溶液；
精馏器的气相出口依次与第一冷凝器、第三节流阀、蒸发器连接；
精馏器的液相出口与加热器连接；
所述第二锅炉的热源为第一锅炉利用后的工业废气；
还包括ORC循环系统，其包括依次连接的膨胀机、第三冷凝器、第三工质泵和第三锅炉，第三锅炉与膨胀机之间连接所述加热器，用于实现来自精馏器底部的氨溶液对ORC循环系统的供热；
所述第三锅炉的热源为第二锅炉利用后的工业废气。
2.根据权利要求1所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，其特征在于：所述加热器通过第二节流阀与第一混合器连接，蒸发器与第一混合器连接，用于实现将来自蒸发器的氨蒸汽和降温后的氨溶液混合。
3.根据权利要求2所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，其特征在于：所述第一混合器的出口依次与第二冷凝器、第一工质泵和第二混合器连接，汽轮机的出口与第二混合器连接，用于实现将来自汽轮机的乏气与来自第一工质泵的氨溶液混合。
4.根据权利要求3所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供系统，其特征在于：所述第二混合器的出口依次与第三冷凝器、第二工质泵、回热器和第一锅炉连接，用于实现将混合得到的基础氨溶液被分离器分离得到的贫氨溶液预热后，进入第一锅炉中。
5.一种充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，其特征在于：包括如下步骤：
具有一定温度的工业废气进入第一锅炉中，加热基础氨溶液，基础氨溶液受热蒸发汽化，形成富氨蒸汽和贫氨溶液；
富氨蒸汽进入汽轮机做功发电；
贫氨溶液经过节流、经过第二锅炉加热后，进入精馏器中精馏，得到氨蒸汽和氨溶液，氨蒸汽经过冷凝、节流后，进入蒸发器蒸发吸热，对外供冷；
氨溶液经过加热器，对外供热。
6.根据权利要求5所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，其特征在于：所述氨溶液经过加热器，用于对ORC循环系统供热。
7.根据权利要求6所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，其特征在于：经过加热器降温后的氨溶液，再经过节流后，与来自蒸发器的氨蒸汽混合，得到贫氨溶液。
8.根据权利要求5所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，其特征在于：贫氨溶液经过冷凝、泵送后与来自汽轮机的乏气混合，得到基础氨溶液。
9.根据权利要求8所述的充分利用中低品位工业余热的功冷联供方法，其特征在于：还包括将得到的基础氨溶液经过冷凝后，泵送至回热器中，被来自分离器底部的贫氨溶液加热的步骤，经过预热后的基础氨溶液重新循环至第一锅炉中。
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