CN218717034U - 低品位烟气余热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种低品位烟气余热发电系统，包括低品位烟气通道、烟道气换热器、加压工业水管道、蒸发器、有机工质循环管路、增压泵、有机工质透平膨胀机、减速器、发电机、工业水管道和冷凝器；低品位烟气通道连通烟道气换热器的气路通道；加压工业水管道依次连通烟道气换热器的吸热端通道和蒸发器的放热端通道；蒸发器的吸热端通道、有机工质透平膨胀机、冷凝器的放热端通道和增压泵首尾顺次通过有机工质循环管路连通形成循环；有机工质透平膨胀机的输出端依次连接减速器和发电机；工业水管道连通冷凝器的吸热端通道。该低品位烟气余热发电系统具有低温余热回收量大、利用效率高、设备规模紧凑的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及工业废热二次利用技术领域，具体的说，涉及了一种低品位烟气余热发电系统。
背景技术
工业生产中，各类中低温工业余热温度和品位低，有效利用难度较大，通常主要用以供热或直接排向环境，造成了极大的能源浪费并形成热污染。随着能源形势日益严峻，有关余热资源回收利用的研究逐渐受到重视。
传统的余热蒸汽驱动蒸汽机或燃机发电方法适用于中高温余热回收利用，而大量低温小规模余热资源由于缺乏有效的回收利用技术最终只能以简单的形式利用少部分后，以废热形式排放进入大气。
如申请号为：CN202110760461.9，发明名称为：一种低温烟气余热回收的系统中，通过在原有排烟系统的基础上增加旁路烟道和烟气换热器，使低温烟气经旁路烟道后进入烟气换热器，并在烟气换热器中与烟气换热器中的循环冷却水冷水混合，使循环冷却水冷水吸收低温烟气的余热转化为循环冷却水热水，实现低温烟气余热的回收，回收效率低，仍有大部分余热浪费。
因此，如何对低品位烟气的余热充分利用，提高余热的利用效率，成为产生低品位烟气行业的新问题。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种低温余热回收量大、利用效率高、设备规模紧凑的低品位烟气余热发电系统。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种低品位烟气余热发电系统，包括低品位烟气通道、烟道气换热器、加压工业水管道、蒸发器、有机工质循环管路、增压泵、有机工质透平膨胀机、减速器、发电机、工业水管道和冷凝器；
所述低品位烟气通道连通烟道气换热器的气路通道，所述低品位烟气通道中的低品位烟气为温度低于230°C、气压低于0.3Mpa、流量低于35000 Nm3/h的烟气；
所述加压工业水管道依次连通烟道气换热器的吸热端通道和蒸发器的放热端通道；
所述蒸发器的吸热端通道、所述有机工质透平膨胀机、所述冷凝器的放热端通道和所述增压泵首尾顺次通过所述有机工质循环管路连通形成循环，所述有机工质循环管路中填充的有机工质的沸点低于100°C；
所述有机工质透平膨胀机的输出端依次连接减速器和发电机；
所述工业水管道连通冷凝器的吸热端通道。
基上所述，所述有机工质透平膨胀机为单级膨胀结构，转速为14000r/min-16000r/min，气量为20000kg/h-23000kg/h，气量温度为120°C，气压为1.2MPa。
基上所述，所述冷凝器为第一管壳式换热器，所述工业水管道连通第一管壳式换热器的管程，所述有机工质循环管路连通第一管壳式换热器的壳程，所述第一管壳式换热器的最小换热温差为8°C，所述第一管壳式换热器的壳程的进口温度至少为65°C、出口温度最高为40°C，所述第一管壳式换热器的管程的进口温度最高为32°C、出口温度最低为40°C。
基上所述，所述蒸发器为第二管壳式换热器，所述有机工质循环管路连通第二管壳式换热器的壳程，所述加压工业水管道连通第二管壳式换热器的管程，所述第二管壳式换热器的最小换热温差为8°C，所述第二管壳式换热器的壳程的进口温度至少为188°C、出口温度最高为84°C，所述第二管壳式换热器的管程的进口温度最高为41°C、出口温度最低为120°C。
基上所述，所述烟道气换热器为第三管壳式换热器，所述加压工业水管道连通第三管壳式换热器的管程，所述低品位烟气通道连通第三管壳式换热器的壳程，所述第三管壳式换热器的最低换热温差为8°C，所述第三管壳式换热器的壳程进口温度至少为200°C、出口温度最高为40°C，所述第三管壳式换热器的管程进口温度最高为32°C、出口温度最低为188°C。
基上所述，所述有机工质为R123冷媒。
基上所述，所述增压泵为离心泵，所述离心泵具有绝热结构，所述离心泵的进口压力为0.18MPa、出口压力为1.22MPa。
基上所述，所述减速器为高速齿轮减速器，所述减速器的高速轴通过联轴器与有机工质透平膨胀机的输出轴链接、低速轴通过膜片联轴器与发电机链接，所述减速器的输入侧转速至少为15000r/min、输出侧转速为1500r/min。
基上所述，所述发电机是额定有功功率为150KW、额定转速为1500r/min、额定频率为50Hz的无刷电机。
本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型具有以下优点：
1.首先通过烟道气换热器将低品位烟气中的余热汇集至加压的工业水中，实现首次余热富集，然后借助蒸发器将富集的热能传递至低沸点的有机工质，使有机工质气化产生气动力，再借助有机工质透平膨胀机将气动力转换为机械转动，输出至发电机进行发电，有机工质再借助冷凝器将剩余热量传递至工业水，带有少量余热的工业水可用于工厂中的生活用水，至此完成对低品位烟气中余热的充分利用。
2.本申请中的各个设备环节的参数都按照低品位烟气的携带余热进行设计，能够保证在较低温度下发挥更好的性能，尤其是利用低沸点工质和有机工质循环管路的设计，将热能的传递和转换效率大幅提升，其中使用循环泵而非膨胀阀的目的，也是为了提升工质与外部热源的传热效率。
3.本申请所设计的整个系统中设备数量少，可以方便的与工业现场的各个管道进行连接改造，改造难度低，系统规模紧凑，不额外占据过多空间。
附图说明
图1是本实用新型中低品位烟气余热发电系统的结构示意图。
图中：1.低品位烟气通道；2.烟道气换热器；3.加压工业水管道；4.蒸发器；5.有机工质循环管路；6.增压泵；7.有机工质透平膨胀机；8.减速器；9.发电机；10.工业水管道；11.冷凝器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种低品位烟气余热发电系统，包括低品位烟气通道1、烟道气换热器2、加压工业水管道3、蒸发器4、有机工质循环管路5、增压泵6、有机工质透平膨胀机7、减速器8、发电机9、工业水管道10和冷凝器11。
所述低品位烟气通道1连通烟道气换热器2的气路通道，所述低品位烟气通道1中的低品位烟气为温度低于230°C、气压低于0.3Mpa、流量低于35000 Nm3/h的烟气。
所述加压工业水管道3依次连通烟道气换热器2的吸热端通道和蒸发器4的放热端通道，具体的，烟道气换热器2在本实施例中的参数如下：
所述烟道气换热器2为第三管壳式换热器，所述加压工业水管道3连通第三管壳式换热器的管程，所述低品位烟气通道1连通第三管壳式换热器的壳程，所述第三管壳式换热器的最低换热温差为8°C；
热流体：烟道气
流量：30000 Nm3/h
进口温度：200 ℃
进口压力：0.2 MPa
出口温度：40 ℃
出口压力：0.18 MPa
冷流体：加压工业水
流量：9400 kg/h
进口温度：32℃
进口压力：1.5 MPa
出口温度：188℃
出口压力：1.48 MPa。
蒸发器4在本实施例中的参数如下：
所述蒸发器4在本实施例中为第二管壳式换热器，所述有机工质循环管路5连通第二管壳式换热器的壳程，所述加压工业水管道3连通第二管壳式换热器的管程，所述第二管壳式换热器的最小换热温差为8°C；
热流体：低温热水
流量：9400 kg/h
进口温度：188 ℃
进口压力：1.48 MPa
出口温度：84 ℃
出口压力：1.46 MPa
冷流体：R123
流量：20700 kg/h
进口温度：41 ℃
进口压力：1.22MPa
出口温度：120 ℃
出口压力：1.2 MPa。
所述蒸发器4的吸热端通道、所述有机工质透平膨胀机7、所述冷凝器11的放热端通道和所述增压泵6首尾顺次通过所述有机工质循环管路5连通形成循环，所述有机工质循环管路5中填充的有机工质的沸点低于100°C，在本实施例中为R123冷媒。
所述有机工质透平膨胀机7的输出端依次连接减速器8和发电机9，所述工业水管道10连通冷凝器11的吸热端通道。
本实施例中，所述有机工质透平膨胀机的参数如下：
结构形式：单级膨胀
工作介质：R123
气量：20700 kg/h（120℃，1.2 MPa）
转速：约15000 r/min
超速限制：10%
轴轴率：150 KW
润滑油压力：0.2±0.05 MPa
润滑油流量：74 L/min
润滑油供油温度：40~50 ℃
润滑油温升：<20 ℃
绝热效率：85 %。
所述减速器的参数设计如下：所述减速器为高速齿轮减速器，所述减速器的高速轴通过联轴器与有机工质透平膨胀机的输出轴链接、低速轴通过膜片联轴器与发电机链接；
结构形式：两级平行轴齿轮结构
额定功率：150 KW
额定输入转速：15000 r/min
额定输出转速：1500 r/min
超速限制：10%
减速比：10
传动效率：约96%
润滑油压力：0.2±0.05 MPa
润滑油流量：65 L/min
润滑油供油温度：40±2 ℃（在30℃至55℃范围内可调）
润滑油温升：30℃。
所述发电机的参数设计如下：
额定有功功率：150 kW
额定功率因数：0.8 (滞后)
接线方式：三相四线，Y型绕接
励磁方式：无刷自励
额定电压：400 V
额定频率：50 Hz
额定转速：1500 r/min
效率（100%负载时）约：94%
防护等级：IP22。
增压泵采用离心泵形式，基本参数如下所示。
工作介质：R123
流量：20700 kg/h
转速：2900 r/min
轴功率：5.6 KW
绝热效率：75 %
进口温度：40 ℃
进口压力：0.18 MPa
出口温度：41 ℃
出口压力：1.22 Mpa。
工作原理说明：
本系统原料气主要成份为烟道气。首先烟道气的余热利用烟道气换热器2，加热经过加压的工业水，将加压的工业水作为导热介质将余热富集后，传给有机工质，作为有机工质的热源。
在有机郎肯循环发电系统中，管道内循环的液相有机工质经过增压泵6增压后进入蒸发器4，吸收低温热水的热量变成高温、高压的有机工质蒸气。同时由于换热不充分，低温热水经过蒸发器之后仍有一定量的可用能，可作为生活用热水输送到其他地方，水温大约为40°C。
然后，高压高温的有机工质蒸气进入有机工质透平膨胀机7进行绝热膨胀并推动其旋转对外做功，进而通过高速减速器减速，将透平转速降至发电机额定转速，驱动发电机发电，输出电能给负载。
通过透平膨胀机膨胀后的有机工质变为低温低压的有机物乏气，进入冷凝器11中进行冷凝又变为液态有机工质，同时将残余热量转移到冷却用的工业水中。
液态有机工质再次进入增压泵6，进行增压，完成一个工作循环。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.低品位烟气余热发电系统，其特征在于：包括低品位烟气通道、烟道气换热器、加压工业水管道、蒸发器、有机工质循环管路、增压泵、有机工质透平膨胀机、减速器、发电机、工业水管道和冷凝器；
所述低品位烟气通道连通烟道气换热器的气路通道，所述低品位烟气通道中的低品位烟气为温度低于230°C、气压低于0.3Mpa、流量低于35000 Nm3/h的烟气；
所述加压工业水管道依次连通烟道气换热器的吸热端通道和蒸发器的放热端通道；
所述蒸发器的吸热端通道、所述有机工质透平膨胀机、所述冷凝器的放热端通道和所述增压泵首尾顺次通过所述有机工质循环管路连通形成循环，所述有机工质循环管路中填充的有机工质的沸点低于100°C；
所述有机工质透平膨胀机的输出端依次连接减速器和发电机；
所述工业水管道连通冷凝器的吸热端通道。
2.根据权利要求1所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述有机工质透平膨胀机为单级膨胀结构，转速为14000r/min-16000r/min，气量为20000kg/h-23000kg/h，气量温度为120°C，气压为1.2MPa。
3.根据权利要求2所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述冷凝器为第一管壳式换热器，所述工业水管道连通第一管壳式换热器的管程，所述有机工质循环管路连通第一管壳式换热器的壳程，所述第一管壳式换热器的最小换热温差为8°C，所述第一管壳式换热器的壳程的进口温度至少为65°C、出口温度最高为40°C，所述第一管壳式换热器的管程的进口温度最高为32°C、出口温度最低为40°C。
4.根据权利要求3所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述蒸发器为第二管壳式换热器，所述有机工质循环管路连通第二管壳式换热器的壳程，所述加压工业水管道连通第二管壳式换热器的管程，所述第二管壳式换热器的最小换热温差为8°C，所述第二管壳式换热器的壳程的进口温度至少为188°C、出口温度最高为84°C，所述第二管壳式换热器的管程的进口温度最高为41°C、出口温度最低为120°C。
5.根据权利要求4所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述烟道气换热器为第三管壳式换热器，所述加压工业水管道连通第三管壳式换热器的管程，所述低品位烟气通道连通第三管壳式换热器的壳程，所述第三管壳式换热器的最低换热温差为8°C，所述第三管壳式换热器的壳程进口温度至少为200°C、出口温度最高为40°C，所述第三管壳式换热器的管程进口温度最高为32°C、出口温度最低为188°C。
6.根据权利要求5所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述有机工质为R123冷媒。
7.根据权利要求6所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述增压泵为离心泵，所述离心泵具有绝热结构，所述离心泵的进口压力为0.18MPa、出口压力为1.22MPa。
8.根据权利要求7所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述减速器为高速齿轮减速器，所述减速器的高速轴通过联轴器与有机工质透平膨胀机的输出轴链接、低速轴通过膜片联轴器与发电机链接，所述减速器的输入侧转速至少为15000r/min、输出侧转速为1500r/min。
9.根据权利要求8所述的低品位烟气余热发电系统，其特征在于：所述发电机是额定有功功率为150KW、额定转速为1500r/min、额定频率为50Hz的无刷电机。
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