CN114320796A - 一种低温多效海水淡化及orc发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温多效海水淡化及ORC发电系统，采用低温余热的回收和利用，通过组建闭式热水管网，串联钢铁冶炼区域区球团链篦机、焦化烟道、烧结机烟气及环冷机废气等多处不稳定的低温余热，集中制取高温热水，解决单一烧结工序低温余热不稳定，需补充高品位的蒸汽的现状；并且增加ORC发电系统，将回收的高温热水高温部分(≥130℃)用于ORC机组发电，经ORC机组利用后热水再用于驱动低温多效海水淡化装置制取淡水，在热水进ORC机组前设置热水调节阀，在调节补偿进入低温多效海水淡化装置的热水温度，解决低温多效海水淡化装置依赖于高品质蒸气轮机排排气为热源，低温余热量大面广，回收难的现状。

Description

一种低温多效海水淡化及ORC发电系统

技术领域

本发明属于工业余热梯级利用的技术领域，尤其涉及一种低温多效海水淡化及ORC发电系统。

背景技术

钢铁工业是能源消耗的大户，我国钢铁工业的能耗约占全国总能耗的15％左右。钢铁工业从原料、焦化、烧结、炼铁、炼钢、连铸以及轧钢等生产过程中，产生了大量含有可利用热量的废气。其中绝大多数品位较高、腐蚀性弱、负荷较稳定、含尘较少的热源都已经被回收利用，如焦炉的干熄焦余热发电、烧结余热发电，高炉热风炉余热双预热，炼钢转炉、电炉余热回收产蒸汽，轧钢加热炉烟气余热回收等。而对于温度较低烟气、废气，由于其品位低、利用技术难度大及回收利周期长等因素往往被直接排放或被循环水、空冷器带走，散失到大气环境当中，造成了能源的极大浪费。如经脱硫脱硝环保处理后的烧结、焦炉及球团等烟气，环冷机低温段废气等。

近年来，随着我国人口的不断增长和经济的快速发展，人均用水量逐年提高，淡水资源的利用变得日趋紧张。在影响生态系统、社会经济发展和人民生活的各种要素中，淡水资源起着非常重要的作用。海水淡化是利用海水脱盐生产淡水，实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，有效解决淡水资源短缺的难题，改善水资源结构，对社会可持续发展具有深远意义。蒸馏法是目前投入工业化应用的主要海水淡化技术，其中低温多效蒸馏法海水淡化是一项具有明显技术优势和灵活装置的成熟技术，它的特点是主设备投资和运行费用较低、过程动力消耗小、操作安全可靠、热效率较高。

由于化石燃料和温室气体以及污染物排放给环境带来的巨大压力，使得我国面临着严重的能源利用危机和环境改善问题。提高能源利用效率和余热资源的品位成为解决目前问题的有效途径之一。

在目前的低温多效蒸馏法海水淡化系统中，该系统采用蒸汽作热源加热海水，多与电厂结合。大多数水电联产利用电厂的蒸汽和电力，为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用，降低海水淡化成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温多效海水淡化及ORC发电系统，在海水淡化系统和发电系统基础上，引入余热回收系统(热源来自烧结环冷机低温段废气余热)和有机朗肯循环(ORC)发电，将三个系统有机结合，既能充分进行海水淡化过程，又可以并网和为居民供电，提高发电效率。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种低温多效海水淡化及ORC发电系统，包括：余热回收系统、ORC发电系统及低温多效海水淡化系统；

所述余热回收系统用于收集烧结环冷机低温段的烟气余热，通过高效换热器将烟气余热转换成高温热水用于所述ORC发电系统及低温多效海水淡化系统；

所述ORC发电系统利用高温热水加热低沸点有机工质生成高压有机蒸汽，发电机发电，做功后的乏汽冷却为液态工质，所述液态工质由工质泵升压送入蒸发器内再吸热，实现低温余热有机朗肯循环发电；

所述低温多效海水淡化系统根据淡水需求及海水温度配置N效蒸发器，及末端冷凝器；海水提升泵抽取海水进入所述末端冷凝器内预热，余热后的海水进入N效蒸汽器内在负压条件下加热蒸发，第一效蒸发器输出低温蒸汽作为第二效蒸发器的热源，依次逐效蒸发及冷凝，得到淡水和浓缩盐水，第N效蒸发器输出的低温蒸汽直接进入末端冷凝器与海水热交换凝结为淡水，并汇总前N-1个蒸发器的输出，凝结为淡水；将逐级浓缩后的盐水由卤水泵送回至大海。

根据本发明一实施例，所述余热回收系统包括第一闭式热水循环子系统；

所述第一闭式热水循环子系统将包括高炉热风炉烟气热水换热器、球团链篦机烟气换热器、焦化炉烟道烟气热水换热器、烧结大烟道烟气热水换热器以及环冷机低温段废气热水换热器在内的取热设备生成的130℃以上的高温热水，汇入循环管道并输送至所述ORC发电系统。

根据本发明一实施例，所述第一闭式热水循环子系统的高温热水首先进入ORC发电系统，加热有机工质驱动ORC机组发电；再与热水换热器热交加热第二闭式热水循环子系统内的热水，用于驱动低温多效海水淡化系统制取淡水；

降温后的第一闭式热水循环子系统内的热水由第一热水循环泵输送至取热设备继续升温加热。

根据本发明一实施例，所述第一闭式热水循环子系统还包括低压补水装置，用于维持第一闭式热水循环子系统的压力以免热水被加热汽化。

根据本发明一实施例，所述第一闭式热水循环子系统的高温热水进入ORC发电系统前设置热水调节阀，用于调节补偿进入热水换热器内的热水温度及流量，以满足所述低温多效海水淡化系统对热负荷的要求。

根据本发明一实施例，所述ORC发电系统包括蒸发器、透平膨胀机、发电机、回热器、冷凝器、工质泵及预热器；

所述蒸发器利用所述余热回收系统输送的高温热水将低沸点有机工质加热成高压有机蒸汽，输出至所述透平膨胀机；

所述透平膨胀机做功，带动所述发电机发电；

所述透平膨胀机做功后的乏汽进入所述回热器加热有机工质，所述回热器输出有机工质至所述冷凝器；

所述冷凝器将有机工质冷却为液态工质，输出至所述工质泵；

所述工质泵将液态工质升压送入所述预热器；

所述预热器对液态工质进行预热后输出至所述蒸发器进行再吸热蒸发，实现低温余热有机朗肯循环发电。

根据本发明一实施例，所述低温多效海水淡化系统包括闪蒸罐、热水换热器、第二热水循环泵、凝结水泵、低温多效海水淡化装置；

所述闪蒸罐、所述热水换热器与所述第二热水循环泵之间形成环路，构成第二闭式热水循环子系统；

所述第二闭式热水循环子系统中的所述热水交换器吸收第一闭式热水循环子系统内的热水热量，将加热后的热水输送至闪蒸罐，在负压条件下闪蒸出70℃以下的低压蒸汽，输送至低温多效海水淡化装置的第一效蒸发器进行加热蒸发海水并放热后凝结成水，凝结水由所述凝结水泵送入凝结水冷却器内，降温后汇入所述第二闭式热水循环子系统内，并由所述第二热水循环泵加压送入所述热水换热器内继续升温。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例中的低温多效海水淡化及ORC发电系统，采用低温余热的回收和利用，通过组建闭式热水管网，串联钢铁冶炼区域区球团链篦机、焦化烟道、烧结机烟气及环冷机废气等多处不稳定的低温余热，集中制取高温热水，解决单一烧结工序低温余热不稳定，需补充高品位的蒸汽的现状；并且增加ORC发电系统，将回收的高温热水高温部分(≥130℃)用于ORC机组发电，经ORC机组利用后热水再用于驱动低温多效海水淡化装置制取淡水，在热水进ORC机组前设置热水调节阀，在调节补偿进入低温多效海水淡化装置的热水温度，解决低温多效海水淡化装置依赖于高品质蒸气轮机排排气为热源，低温余热量大面广，回收难的现状。

附图说明

图1为本发明一实施例中的低温多效海水淡化及ORC发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

101：第一闭式热水循环子系统；102：高炉热风炉烟气热水换热器；103：球团链篦机烟气换热器；104：焦化炉烟道烟气热水换热器；105：烧结大烟道烟气热水换热器以及环冷机低温段废气热水换热器；106：热水调节阀；107：第一热水循环泵；201：蒸发器；202：有机工质；203：透平膨胀机；204：发电机；205：回热器；206：冷凝器；207：工质泵；208：预热器；209：低压补水装置；301：第二闭式热水循环子系统；302：热水交换器；303：第二热水循环泵；304：凝结水泵；305：闪蒸罐；306：低温多效海水淡化装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种低温多效海水淡化及ORC发电系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

本实施例中的低温多效海水淡化及ORC(Organic Rankine Cycle简称“ORC”)发电系统，结合钢铁企业余热现状，本低温余热回收系统重点考虑环冷机低温段废气，球团链篦机、焦化烟道、烧结机以及各类炉窑烟气净化后的低温烟气余热等，通过高效换热器回收以上各点150℃以上的载体余热产生高温热水用于有机朗肯循环(ORC)发电及低温多效海水淡化系统，把余热载体的排放温度降到至100℃左右，以提高整个钢厂的能源利用效率。

有机朗肯循环(ORC)发电利用低沸点有机物作为工质，充分回收和利用温度较低的余热进行低温余热发电，提高能源利用效率，降低环境污染，将低品位热能高效转化为高品位电能，减轻电力负担，提高总的发电效率。与常规水蒸汽朗肯循环发电技术相比，ORC发电技术效率更高、可实现远程控制、运行成本更低、机动性更好。

有机朗肯循环发电及低温多效海水淡化系统含热水型ORC发电系统及热水闪蒸型低温多效海水淡化系统。高温热水优先用于ORC发电，ORC发电系统，主要包括蒸发器、透平膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵以及连接管道和附属设备等。热水在蒸发器内把低沸点有机工质加热成高压有机蒸汽，进入透平膨胀机做功带动发电机发电，做功后的乏汽进入冷凝器，被外部冷却水冷却为液态工质，再由工质泵升压送入蒸发器内再吸热，实现低温余热有机朗肯循环发电。高温热水经ORC发电系统的降温后再加热换热器内的二次热水，被加热升温二次热水进入真空罐，在真空罐内负压条件下闪蒸出70℃以下的低压蒸汽用于低温多效海水淡化装置(简称“F-MED”)，低温多效海水淡化装置根据用户淡水需求及海水温度设计为N效蒸发器，末端配冷凝器。海水由海水提升泵先进入末端冷凝器内被预热，再进入前N效蒸汽器内在负压条件下被加热蒸发，第一效蒸发器蒸发出来的低温蒸汽作为第二效蒸发器的热源，依次逐效蒸发--冷凝，得到淡水和浓缩盐水，最后一效(第N效)蒸发出的低温蒸汽直接进入冷凝器与海水热交换凝结为淡水，与前N效凝结淡水汇总作为产品水输出，逐级浓缩后的盐水由卤水泵送回至大海。

具体的，该低温多效海水淡化及ORC发电系统包括余热回收系统、ORC发电系统及低温多效海水淡化系统。请参看图1，余热回收系统包括第一闭式热水循环子系统101，该第一闭式热水循环子系统101的取热部分包括高炉热风炉烟气热水换热器102、球团链篦机烟气换热器103、焦化炉烟道烟气热水换热器104、烧结大烟道烟气热水换热器以及环冷机低温段废气热水换热器105等，这些取热设备产生的130℃以上的高温热水汇入闭式热水循环子系统101通过管道输水给用户，用户主要包括ORC发电系统及低温多效海水淡化系统，汇入闭式热水循环子系统的高温热水首先进入ORC发电系统加热有机工质驱动ORC机组发电，再与热水换热器302热交加热二次侧的第二闭式热水循环子系统内的热水，用于驱动低温多效海水淡化设备制取淡水，降温后的第一闭式热水循环子系统内热水由第一热水循环泵107输送到取热部分继续升温加热，为维持热水循环系统的压力以免热水被加热汽化，在第一闭式热水循环子系统101增加低压补水装置209。

闭式热水循环子系统主要作用是将热交换系统产生的热水输送到ORC发电系统及低温多效海水淡化系统，在低温余热回收系统与有ORC发电及低温多效海水淡化系统构建一套闭式热水循环子系统，将量大面广的低温余热汇聚在一起形成规模效应，用于ORC发电及低温多效海水淡化，实现低温余热深度利用的经济效益。热水由热水循环泵加压，通过热水管网输送到热交换系统内各低温余热点被加热升温，为维持热水循环系统的压力以免热水被加热汽化，在热水循环泵入口设置定压补水系统。

具体的，第一闭式热水循环子系统的高温热水首先用于ORC发电，ORC发电系统主要包括蒸发器201、有机工质202、透平膨胀机203、发电机204、回热器205、第二冷凝器206、工质泵207、预热器208以及连接管道和附属设备等。热水在蒸发器201内把低沸点有机工质202加热成高压有机蒸汽，进入透平膨胀机203做功，带动发电机204发电，做功后的乏汽先进入回热器205余热有机工质在进入冷凝器206，被外部冷却水冷却为液态工质，液态工质再由工质泵207升压送入经回热器被透平膨胀机出口的乏汽预热后再进入预热器208内被热水再次预热，而后进入蒸发器201内再吸热蒸发，完成有机朗肯循环发电的过程。

低温多效海水淡化系统原理是让加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并形成淡水。其主要的特点是第一效蒸发器前增加闪蒸罐305与热水换热器302形成第二闭式热水循环子系统301，第二闭式热水循环子系统301的热水作为二次侧在热水交换器302内吸收第一闭式热水循环子系统内一次侧的热水热量，为了保证第二闭式热水循环子系统301的热水温度高于85℃进入低温多效海水淡化装置，在第一闭式循环热水进ORC机组前设置热水调节阀106，调节补偿进入热水换热器302内一次侧热水温度及流量以满足二次侧热负荷的要求。被加热升温第二闭式热水循环子系统301的热水进入闪蒸罐305，在闪蒸罐内负压条件下闪蒸出70℃以下的低压蒸汽进入低温多效海水淡化装置306第一效内加热蒸发海水并放热后凝结成水，凝结水由凝结水泵304送入凝结水冷却水内预热海水并降温后汇入第二闭式热水循环子系统301内，由第二热水循环泵303加压送入热水换热器302内继续升温。

该低温多效海水淡化装置306根据用户淡水需求及海水温度设计多效蒸发器，末端冷凝器。海水由海水提升泵先进入末端冷凝器(即图1中的凝汽器)内被预热后，并联进每一效蒸汽器内在负压条件下被加热蒸发，前一效蒸发器蒸发出来的低温蒸汽作为后一效蒸发器的热源，逐效蒸发、冷凝得到淡水和浓缩盐水，末效蒸发出的低温蒸汽直接进入冷凝器与海水热交换凝结为淡水，与前N效凝结淡水汇总作为产品水输出，逐级浓缩后的盐水由卤水泵送回至大海。

本实施例中的低温多效海水淡化及ORC发电系统考虑低温余热的回收和利用，通过组建闭式热水管网，串联钢铁冶炼区域区球团链篦机、焦化烟道、烧结机烟气及环冷机废气等多处不稳定的低温余热，集中制取高温热水，解决单一烧结工序低温余热不稳定，需补充高品位的蒸汽的现状。并且增加ORC发电系统，将回收的高温热水高温部分(≥130℃)用于ORC机组发电，经ORC机组利用后热水再用于驱动低温多效海水淡化装置(MED)制取淡水，在热水进ORC机组前设置热水调节阀，在调节补偿进入低温多效海水淡化装置的热水温度，解决低温多效海水淡化装置依赖于高品质蒸气轮机排排气为热源，低温余热量大面广，回收难的现状。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，包括：余热回收系统、ORC发电系统及低温多效海水淡化系统；

所述余热回收系统用于收集烧结环冷机低温段的烟气余热，通过高效换热器将烟气余热转换成高温热水用于所述ORC发电系统及低温多效海水淡化系统；

所述ORC发电系统利用高温热水加热低沸点有机工质生成高压有机蒸汽，发电机发电，做功后的乏汽冷却为液态工质，所述液态工质由工质泵升压送入蒸发器内再吸热，实现低温余热有机朗肯循环发电；

所述低温多效海水淡化系统根据淡水需求及海水温度配置N效蒸发器，及末端冷凝器；海水提升泵抽取海水进入所述末端冷凝器内预热，余热后的海水进入N效蒸汽器内在负压条件下加热蒸发，第一效蒸发器输出低温蒸汽作为第二效蒸发器的热源，依次逐效蒸发及冷凝，得到淡水和浓缩盐水，第N效蒸发器输出的低温蒸汽直接进入末端冷凝器与海水热交换凝结为淡水，并汇总前N-1个蒸发器的输出，凝结为淡水；将逐级浓缩后的盐水由卤水泵送回至大海。

2.如权利要求1所述的低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，所述余热回收系统包括第一闭式热水循环子系统；

所述第一闭式热水循环子系统将包括高炉热风炉烟气热水换热器、球团链篦机烟气换热器、焦化炉烟道烟气热水换热器、烧结大烟道烟气热水换热器以及环冷机低温段废气热水换热器在内的取热设备生成的130℃以上的高温热水，汇入循环管道并输送至所述ORC发电系统。

3.如权利要求2所述的低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，所述第一闭式热水循环子系统的高温热水首先进入ORC发电系统，加热有机工质驱动ORC机组发电；再与热水换热器热交加热第二闭式热水循环子系统内的热水，用于驱动低温多效海水淡化系统制取淡水；

降温后的第一闭式热水循环子系统内的热水由第一热水循环泵输送至取热设备继续升温加热。

4.如权利要求2所述的低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，所述第一闭式热水循环子系统还包括低压补水装置，用于维持第一闭式热水循环子系统的压力以免热水被加热汽化。

5.如权利要求2所述的低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，所述第一闭式热水循环子系统的高温热水进入ORC发电系统前设置热水调节阀，用于调节补偿进入热水换热器内的热水温度及流量，以满足所述低温多效海水淡化系统对热负荷的要求。

6.如权利要求1所述的低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，所述ORC发电系统包括蒸发器、透平膨胀机、发电机、回热器、冷凝器、工质泵及预热器；

所述蒸发器利用所述余热回收系统输送的高温热水将低沸点有机工质加热成高压有机蒸汽，输出至所述透平膨胀机；

所述透平膨胀机做功，带动所述发电机发电；

所述透平膨胀机做功后的乏汽进入所述回热器加热有机工质，所述回热器输出有机工质至所述冷凝器；

所述冷凝器将有机工质冷却为液态工质，输出至所述工质泵；

所述工质泵将液态工质升压送入所述预热器；

所述预热器对液态工质进行预热后输出至所述蒸发器进行再吸热蒸发，实现低温余热有机朗肯循环发电。

7.如权利要求1所述的低温多效海水淡化及ORC发电系统，其特征在于，所述低温多效海水淡化系统包括闪蒸罐、热水换热器、第二热水循环泵、凝结水泵、低温多效海水淡化装置；

所述闪蒸罐、所述热水换热器与所述第二热水循环泵之间形成环路，构成第二闭式热水循环子系统；

所述第二闭式热水循环子系统中的所述热水交换器吸收第一闭式热水循环子系统内的热水热量，将加热后的热水输送至闪蒸罐，在负压条件下闪蒸出70℃以下的低压蒸汽，输送至低温多效海水淡化装置的第一效蒸发器进行加热蒸发海水并放热后凝结成水，凝结水由所述凝结水泵送入凝结水冷却器内，降温后汇入所述第二闭式热水循环子系统内，并由所述第二热水循环泵加压送入所述热水换热器内继续升温。

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