CN221074388U - 一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，包括电解液热源输入系统和用于发电的发电循环系统。电解液热源输入系统的碱液冷却器热侧进口与离子膜制碱工艺电解出来的电解液管路连接，碱液冷却器热侧出口与冷却后的电解液管路连接，所述碱液冷却器冷侧出口通过管路和第二阀门与蒸发器热侧进口连接，蒸发器热侧出口通过管路与预热器热侧进口连接，预热器热侧出口通过管路及循环泵和第三阀门与碱液冷却器冷侧进口连接，碱液冷却器冷侧进口与第三阀门之间通过三通、第五阀门、补水泵和补水箱连接。本申请将热能转化为机械能再转化为电能，实现余热的高效利用，节能减排，同时降低直排所带来的温室效益风险。

Description

一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置

技术领域

本实用新型涉及化工制碱行业余热回收节能技术领域。特指一种基于有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)原理加磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电技术，利用离子膜制碱工艺电解液(32％浓度烧碱)的余热进行发电的装置。

背景技术

离子膜电解制碱工艺(图2所示)是我国企业中最常用的。生产的烧碱应用于石油精炼、医药以及印染和纺织等方面较多，附加产生的氢气和氯气能够混合形成盐酸，可进一步加工成甲烷氯化物等。

当前，科技技术不断升级，利用各种形式改进生产设备、提高工艺流程成为了企业的第一目标。在制碱生产工艺过程中多工段均产生大量的热能，对一些高品位热能，国内大型制碱企业已经采取了相应的回收利用措施，但仍有很多可利用的低品位余热未被合理利用。

按照余热的温度不同可以分为以下三种：低温余热、中温余热和高温余热。通常情况下，定义温度低于220℃的余热称之为低温余热：温度处于220～650℃的余热称之为中温余热；温度高于650℃的余热称之为高温余热。在工业生产过程中产生的低温余热能占到50％以上，但利用率确很低。

低品位热能的高效利用是解决能源问题的一个重要途径，低品位热能包括工业低温余热以及新能源领域的地热能、太阳能、生物质能等。对低品位热能的利用，不仅能够提高能源利用率，促进节能减排，还能优化能源供给结构，具有重要的现实意义。

离子膜制碱工艺的电解液(32％浓度烧碱)存在大量未被完全利用的低品位余热资源，原有处理方式为通过循环冷却水将电解液从85℃降低到80℃或者更低，这样造成能源浪费。

ORC是一种已经证实的可将低品位热能转化为电能的发电系统，该系统通过蒸发器使低品位热能与有机工质进行热交换，有机工质吸热后由液体相变为气态，高压的有机工质蒸气驱动透平膨胀机做功，实现热能转化为机械能，并带动发电机转动，产生电能。蒸气状态的有机工质在膨胀机内释放能量后，由膨胀机出口进入冷凝器并冷却为液体，并通过工质泵加压后再次进入蒸发器开始新的循环。

发明内容

本实用新型的目的是要提供一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，该装置利用电解液降温过程中产生的余热发电，实现余热的高效利用。

本实用新型的技术方案：

一种适用于离子膜制碱工艺电解液余热利用的装置包括电解液热源输入系统和用于发电的发电循环系统。

所述电解液热源输入系统包括碱液冷却器、蒸发器、预热器、循环泵、补水泵和补水箱，所述碱液冷却器热侧进口与离子膜制碱工艺电解出来的电解液管路连接，碱液冷却器热侧出口与冷却后的电解液管路连接，所述碱液冷却器冷侧出口通过管路和第二阀门与蒸发器热侧进口连接，蒸发器热侧出口通过管路与预热器热侧进口连接，预热器热侧出口通过管路及循环泵和第三阀门与碱液冷却器冷侧进口连接，碱液冷却器冷侧进口与第三阀门之间通过三通、第五阀门、补水泵和补水箱连接。

本实用新型的有益效果：

1、本申请是一种针对化工制碱工艺系统余热的回收，将热能转化为机械能再转化为电能，实现余热的高效利用，既能节能减排，又给企业降低成本，同时降低直排所带来的温室效益风险。

2、本申请根据现有年产20万吨烧碱的产能进行计算，500t/h的碱液从85℃降到80.5℃，每小时产生2300kW热负荷，根据低温余热发电热电转化比8％进行计算，每小时余热发电约为170kW，扣除系统用电设备的损耗，每小时可保证140kW的净发电功率，并且原系统循环冷却水的泵耗也降低50％，因此当碱液从温度85℃降到80.5℃，年节电效果约为120万度电。如果系统将碱液的温度将至更低，所释放出的热负荷更多，年节电效果更为明显。

3、本申请中发电循环系统中使用是磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机，现有传统膨胀机多为螺杆膨胀机发电机，螺杆膨胀机发电机主要缺点为：

a、运转噪音较大、一般情况下需安装消声降噪设备。

b、功耗相对稍高。

c、长期运转后螺杆间隙会变大，定期修复或更换费用较大。

而磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电则：

a、热效率较高；

b、设备紧凑，整套系统便于集成撬装；

c、运转噪音低；

d、轴承为非接触式运行、低能耗、无润滑系统、无密封、部件终身免维护、成本低、实时检测转子的不平衡性。

e、使用寿命长，发电机组使用寿命可达10-15年。

4、本发明一种适用于离子膜制碱工艺电解液(32％浓度烧碱)余热利用的方法及装置示范性样点用在北方，在冬、春、秋季节完全满足设计需求，但由于夏季温度在30℃以上，循环冷却水温度升高无法将工质完全冷凝，这种情况会导致系统的发电效率降低，解决方法可采用增大热源流量的方式，调节发电功率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其它的附图。

图1为本申请离子膜制碱工艺电解液余热利用装置的工艺流程示意图。

图2为离子膜电解制碱生产工艺流程图。

附图标记：

碱液冷却器1，蒸发器2，预热器3，循环泵4，补水泵5，补水箱6，发电机7，冷凝器8，工质泵9，储液罐10，回热器11，并网逆变器12，第一阀门13，第二阀门14，第三阀门15，第四阀门16，第五阀门17，第六阀门18，第七阀门19，第八阀门20，第九阀门21，第十阀门22，第十一阀门23，第十二阀门24，加药口25。

具体实施方式

离子膜电解制碱工业所生产出来的电极液中烧碱质量分数通常是32％，但是大多数用户的需求是更高浓度烧碱，因此需将32％烧碱引入到后续的蒸发装置做浓缩深加工。电解槽内流出的碱液其温度通常在85～90℃之间，一般选用奥氏体不锈钢。此材料在温度25℃、烧碱浓度低于50％时，腐蚀速度小于0.05mm/a﹔当工作温度升至(50～80)℃时，腐蚀速度为(0.5～1.5)mm/a，在烧碱生产的操作条件下，腐蚀速度大于1.5mm/a。因此奥氏体不锈钢也只适用于烧碱生产中温、中等浓度的操作条件。而在高温(80℃以上)情况下,高浓度碱对不锈钢材质的腐蚀将大大增强，致使碱中含铁量大。常温烧碱可以用304，但是90℃以上的32％烧碱至少要用310s或316l，有的用镍，150℃左右的浓碱要用镍或蒙奈尔等高镍合金。因此为了避免碱液对管道和后续蒸发设备产生严重腐蚀。通常工艺系统采用循环冷却水将电解液降温到80℃或者更低的温度值，为了避免能源的浪费，本发明提供了一种适用于离子膜制碱工艺电解液(32％浓度烧碱)余热利用的装置。

电解液(浓度32％烧碱)余热利用的装置，属于化工制碱行业余热回收节能技术领域，特指一种基于有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)原理加磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电技术，利用电解液(浓度32％烧碱)的余热进行发电。系统包括两部分，一是32％烧碱溶液作为热源输入系统，二是发电循环系统。化工制碱行业生产过程中存在冷却、加热交叉需求，且温度区间重合度较大等特点，导致大量余热资源未被完全利用的。电解出来的32％烧碱溶液原有处理方式为通过循环冷却水将电解液温度从85℃降低到80℃或者更低，这样会导致能源浪费。本发明与现有工艺系统相比具有以下有益效果，通过将电解液引入到余热发电循环系统将电解液温度从85℃降低到80℃，发出的电做到厂内自发自用，与此同时也减少了原有工艺系统的循环冷却水用量，做到降低泵耗，这样一方面可以将余热利用起来，另一方面降低原有系统用电设备消耗，每年会带来很高的经济收益。本发明使化工制碱行业工艺系统的余热资源得到充分利用。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本申请进行详细说明：

如图1所示，本申请一种适用于离子膜制碱工艺电解液余热利用的装置，包括电解液热源输入系统和用于发电的发电循环系统，

所述电解液热源输入系统包括碱液冷却器1、蒸发器2、预热器3、循环泵4、补水泵5和补水箱6，所述碱液冷却器1热侧进口与离子膜制碱工艺电解出来的电解液管路连接，碱液冷却器1热侧出口与冷却后的电解液管路连接，所述碱液冷却器1冷侧出口通过管路和第二阀门14与蒸发器2热侧进口连接，蒸发器2热侧出口通过管路与预热器3热侧进口连接，预热器3热侧出口通过管路及循环泵和第三阀门15与碱液冷却器1冷侧进口连接，碱液冷却器1冷侧进口与第三阀门15之间通过三通、第五阀门17、补水泵5和补水箱6连接。

所述发电循环系统包括蒸发器2、发电机7、冷凝器8、工质泵9、储液罐10、回热器11、预热器3、并网逆变器12，

所述储液罐10出水口通过第十二阀24和管路与工质泵9连接，

工质泵9另一端通过三通和管路分别连接储液罐10回水口及回热器冷侧进口，在工质泵9与储液罐10回水口之间管路上装有第十一阀门23，在工质泵9与回热器冷侧进口之间的管路上装有第十阀门22，

回热器11冷侧出口通过管路与预热器3的冷侧进口连接，

预热器3冷侧出口通过管路与蒸发器2冷侧进口连接，

蒸发器2冷侧出口通过第七阀门19和管路与发电机7进口连接，

发电机7出口通过管路与回热器11热侧进口连接，

回热器11热侧出口通过管路与冷凝器8热侧进口连接，

冷凝器8热侧出口通过管路与工质泵9连接，

发电机7所发的电通过并网逆变器12并入电网，

蒸发器2冷侧出口与发电机7之间的管路通过三通、管路和第八阀门20与冷凝器8热侧进口连接。

所述碱液冷却器1冷侧出口与第二阀门14之间通过三通连接饱和蒸汽管路，在饱和蒸汽管路上装有第一阀门13；在碱液冷却器1冷侧进口与第三阀门12之间通过三通连接饱和蒸汽管路，在饱和蒸汽管路上装有和第四阀门16。

所述冷凝器采用循环冷却水为冷源。

所述蒸发器2采用钎焊换热器，至少一台。

碱液冷却器1与蒸发器2之间管路介质为水或者乙二醇。

本装置中的管道需都加装保温层做保温处理。

所述工质泵9采用变频工质泵。

具体工作过程：

如图1所示，本申请一种适用于离子膜制碱工艺电解液(32％浓度烧碱)余热利用的装置：包括电解液作为热源输入系统与发电循环系统。

热源输入系统：碱液冷却器1和第二阀门14之间连接三通，三通连接饱和蒸汽管路，在饱合蒸汽管路上装有第一阀门13。碱液冷却器1和第三阀门15之间装有第二个三通，三通连接饱和蒸汽管路，在饱合蒸汽管路上装有第四阀门16。当离子膜制碱工艺系统刚启动时，通过饱和蒸汽管路内的饱和蒸汽对电解出来的电解液进行加热。

当系统切换时，由余热发电系统切换到用饱和蒸汽对电解液进行加热时，关闭第二阀门和第三阀门关闭，机组暂停，打开第一阀门和第四阀门，饱和蒸汽进入碱液冷却器，将冷端残留的循环液排入到补水箱中。

当系统切换到余热发电系统时，关闭第一阀门和第四阀门，打开第二阀门和第三阀门，发电机组启动，由于存在亏水的可能性，需打开第五阀门17，开启补水泵，由补水箱对闭式循环系统进行补水。

碱液冷却器1与蒸发器2之间的管路做闭式循环，管路中间存在循环泵，支路有补水箱，第五阀门，补水泵。

蒸发器2采用钎焊换热器，至少一台。本实施例为两台，碱液冷却器1冷侧出口主管路引出两条支路与蒸发器串联，两台蒸发器并联使用。其中蒸发器2的支路上的第六阀门18处于常开状态。

蒸发器2与磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机之间存在两条管路，一条主管路与一条支路，主管路上第七阀门19处于常开状态，支管路上第八阀门20处于常闭状态，当发电系统超出额定工况时。根据PLC控制设定及时将主路第七阀门关闭，支路上第八阀门20开启，以避免使磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机超额定运转造成发电机损坏。

发电循环系统包括用于将工质由液体相变为气态的蒸发器2；用于将工质增压的变频工质泵；用于将工质由气态冷凝为液态的冷凝器；用于将热能转化为电能的磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机；用于增加整体系统热循环效率的回热器、预热器。

蒸发器2出口依次串联磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机、回热器、冷凝器、工质泵。所述回热器串联设置于磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机与冷凝器之间。且所述变频工质泵出口作为回热器的输入，所述工质泵流出的循环工质返回流过回热器后流入预热器中。

工作过程：

系统运行前准备，关闭管路第十一阀门23、第十二阀门24，打开第九阀门21，通过加药口25将有机工质注入到储液罐中。当储液罐液位达到系统所需值后关闭第九阀门，打开第十二阀门和第十阀门22，有机介质作为蒸汽热能传递的载体，由变频工质泵从储液罐中抽出，缓慢提高工质泵的转速，将有机介质输入回热器中。

关闭第一阀门和第四阀门，打开第二阀门和第三阀门，同时打开循环泵，将通过碱液冷却器加热后的闭式热源循环水导入到蒸发器中。

在蒸发器2中，饱和蒸汽与有机工质进行热交换，同时在蒸发器与第七阀门之间的管路上装有温度仪表和压力表，在冷凝器与工质泵之间的管路上装有温度仪表和压力表，用于记录温度、压力等参数。在运行之前，先将发电机(本申请采用磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机)前的支路第八阀门打开，主路上第七阀门关闭，当压差达到一定值后，关闭支路上第八阀门，打开磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机前的第七阀门，将工质通过蒸发器吸热产生的高压蒸汽输送到磁悬浮高速永磁径向透平膨胀发电机中，通过径向透平膨胀做功，从而将热能转化为电能的输出。完成上述的过程后，在发电机的出口处会排出释放能量后的低压的气态工质，依次输送到回热器、冷凝器中，通过循环冷却水冷凝为液体。再通过工质泵的作用下，对液体工质进行加压，使其拥有更高的蒸发温度，以液体状态进入蒸发器，完成吸收高温热源产生的能量，再形成高压蒸汽进入到膨胀机内进行做功；通过上述过程的无限循环，实现余热资源转化为高品质电能的过程。

由于热源是具有腐蚀性的液体，长期使用会对碱液冷却器造成腐蚀穿孔，因此系统会根据碱液冷却器使用情况定期进行检修与清洗。

当系统停止运行后，关闭管路上第十阀门和第十二阀门，打开第十一阀门，将工质重新注入到储液罐中。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施示例不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：包括电解液热源输入系统和用于发电的发电循环系统，

所述电解液热源输入系统包括碱液冷却器、蒸发器、预热器、循环泵、补水泵和补水箱，所述碱液冷却器热侧进口与离子膜制碱工艺电解出来的电解液管路连接，碱液冷却器热侧出口与冷却后的电解液管路连接，所述碱液冷却器冷侧出口通过管路和第二阀门与蒸发器热侧进口连接，蒸发器热侧出口通过管路与预热器热侧进口连接，预热器热侧出口通过管路及循环泵和第三阀门与碱液冷却器冷侧进口连接，碱液冷却器冷侧进口与第三阀门之间通过三通、第五阀门、补水泵和补水箱连接。

2.根据权利要求1所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：

所述发电循环系统包括蒸发器、发电机、冷凝器、工质泵、储液罐、回热器、预热器、并网逆变器，

所述储液罐出水口通过第十二阀和管路与工质泵连接，

工质泵另一端通过三通和管路分别连接储液罐回水口及回热器冷侧进口，在工质泵与储液罐回水口之间管路上装有第十一阀门，在工质泵与回热器冷侧进口之间的管路上装有第十阀门，

回热器冷侧出口通过管路与预热器的冷侧进口连接，

预热器冷侧出口通过管路与蒸发器冷侧进口连接，

蒸发器冷侧出口通过第七阀门和管路与发电机进口连接，

发电机出口通过管路与回热器热侧进口连接，

回热器热侧出口通过管路与冷凝器热侧进口连接，

冷凝器热侧出口通过管路与工质泵连接，

发电机所发的电通过并网逆变器并入电网，

蒸发器冷侧出口与发电机之间的管路通过三通、管路和第八阀门与冷凝器热侧进口连接。

3.根据权利要求1所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：所述碱液冷却器冷侧出口与第二阀门之间通过三通连接饱和蒸汽管路，在饱和蒸汽管路上装有第一阀门；在碱液冷却器冷侧进口与第三阀门之间通过三通连接饱和蒸汽管路，在饱和蒸汽管路上装有和第四阀门。

4.根据权利要求2所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：所述冷凝器采用循环冷却水为冷源。

5.根据权利要求1所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：所述蒸发器采用钎焊换热器，至少一台。

6.根据权利要求1所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：碱液冷却器与蒸发器之间管路介质为水或者乙二醇。

7.根据权利要求1所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：本申请装置的管道加装保温层。

8.根据权利要求2所述的一种离子膜制碱工艺电解液余热利用装置，其特征在于：所述工质泵采用变频工质泵。