基于有机朗肯循环的烟气冷凝热回收热电联供系统

摘要

基于有机朗肯循环的烟气冷凝热回收热电联供系统，属于能源利用技术领域。系统包括蒸发器(1)、冷凝器(4)等；蒸发器(1)与烟气冷凝换热器(6)装于锅炉尾部烟道内。本发明用于阶梯回收锅炉排烟显热及潜热，实现排烟余热梯级深度利用；利用有机朗肯循环吸收利用烟气中较高品位显热输出电能；利用冷水吸收烟气中较低品位显热及水蒸气潜热，将烟气温度降至露点以下。同时，有机朗肯循环冷凝温度低于排烟温度，使冷水依次流经冷凝器与烟气冷凝换热器吸热升温，深度利用烟气余热。本发明能够实现有机朗肯循环的热电联供，实现天然气锅炉烟气梯级深度利用，充分回收利用热能；环保；对提高我国化石能源综合利用效率，促进工业节能具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及基于有机朗肯循环的烟气冷凝热回收热电联供系统，具体涉及一种基于有机 朗肯循环的锅炉烟气冷凝热回收热电联供系统，属于能源利用技术领域。

背景技术

我国工业余热资源总量高达8亿吨标煤，占我国总能耗约30%，实现余热有效利用对我 国工业节能具有重要意义。其中烟气余热量占工业余热资源总量的50%以上，分布于冶金、 化工、建材、机械、电力等各个行业，节能潜力大，是余热利用的主要对象。

低温烟气余热包含显热和潜热两部分，在燃煤锅炉烟气中水蒸气体积份额约为8%，携带 热量占30%左右；燃气和燃油锅炉烟气中水蒸气体积份额高达18%，携带热量占65%左右。降 低排烟温度至烟气露点温度之下，能够回收显热和潜热，大大提高锅炉效率。同时由于水蒸 气冷凝过程中冷凝水可吸收一部分有害气体如SO₂、NO_x，减少了污染物的排放，有利于环保。 国外早在上世纪七八年代已开始研制使用冷凝式锅炉，我国的研究尚处于初级阶段。

有机朗肯循环是以低沸点有机物作为工质的闭式朗肯循环。与水相比，低沸点有机物在 中低温热源下能够汽化产生较高压力蒸汽做功，发电效率高。且系统设备简单易维护，成本 较低，已逐渐成为余热回收利用的主流核心技术。

针对锅炉烟气特点，采用有机朗肯循环发电技术，梯级回收利用烟气显热及潜热，对提 高我国化石能源综合利用效率，促进工业节能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于有机朗肯循环的热电联供系统，阶梯回收锅炉排烟显 热及潜热，实现排烟余热的梯级深度利用。

为了实现上述目标，采用的技术方案为：基于有机朗肯循环的热电联供系统，包括：蒸 发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、烟气冷凝换热器、热水储水箱以及流量控制阀门 等。蒸发器与烟气冷凝换热器装于锅炉尾部烟道内，使锅炉尾部烟气先后流经蒸发器与烟气 冷凝换热器进行放热之后排入大气；蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵通过管道依次相连， 且发电机与膨胀机相连，构成有机朗肯循环发电系统；冷水流量控制阀门位于冷凝器入口处， 用于控制进入冷凝器、烟气冷凝换热器的冷水流量；冷凝器、烟气冷凝换热器、热水储水箱 通过管道依次连接；热水储水箱与热用户通过热水流量控制阀门及管道相连，热水流量控制 阀门用于控制从热水储水箱流向热用户的热水流量，以满足热用户需求；烟气冷凝换热器连 接有冷凝液回收装置。

系统原理是：由于烟气中水蒸气体积份额低于20%，通过计算水蒸气分压可知，烟气露 点通常低于60℃，而水蒸气潜热占烟气余热量的65%左右。因此，水蒸气潜热具有量大，品 位低的特点。同时，锅炉排烟温度通常150℃～300℃，烟气中显热品位较高，若直接利用换 热器进行回收则因温差较大而产生较大损失。由于有机朗肯循环采用卤代烃等有机物作为循 环工质，能够适应不同温度范围的低温余热热源，且设备简单，热效率较高。因此，采用有 机朗肯循环将烟气中较高品位热量转化为电能，低品位热量加热冷水，实现能量的“温度对 口，梯级利用”。同时，设计有机朗肯循环冷凝温度低于烟气排出温度，则可将冷凝器与烟气 冷凝换热器串接，梯级加热冷水，深度利用余热。冷凝器中，冷水同时起到冷却工质的作用， 可简化设备，降低成本。烟气冷凝换热器中，烟气通过与冷水进行换热，温度降至露点温度 以下，释放出大部分潜热后排入大气。冷水进入热水储水箱，供热用户使用。烟气冷凝液通 过回收装置进行回收。

本发明的特点以及所产生的有益效果为：

(1)梯级回收利用天然气锅炉排烟所含显热及潜热，大幅度提高锅炉热效率的同时输 出高品位电能，对提高我国化石能源综合利用效率，促进工业节能具有重要意义；

(2)将冷凝器与烟气冷凝换热器相连，实现有机朗肯循环系统的热电联供，充分回收 利用热能，提高系统整体热效率；

(3)锅炉烟气所含水蒸气冷凝过程中冷凝水可吸收一部分有害气体如SO₂、NO_x，降低 了污染物的排放，有利于环保。

附图说明

图1为本发明系统原理以及部件连接示意图。其中：1-蒸发器，2-膨胀机，3-发电机， 4-冷凝器，5-工质泵，6-烟气冷凝换热器，7-热水储水箱，8-热用户，9-锅炉尾部烟道，10- 热水流量控制阀门，11-冷水流量控制阀门，12-冷凝液回收装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。实施例结合数据进行了计算分析。但本 发明的保护范围不限于下述的实施例。

锅炉烟气余热回收有机朗肯循环热电联供系统，包括：蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝 器、工质泵、烟气冷凝换热器、热水储水箱以及流量控制阀门；其系统组成为：蒸发器1与 烟气冷凝换热器6装于锅炉尾部烟道9内，使锅炉尾部烟气先后流经蒸发器1与烟气冷凝换 热器6进行放热之后排入大气；蒸发器1、膨胀机2、冷凝器4、工质泵5通过管道依次相连， 且发电机3与膨胀机2相连，构成有机朗肯循环发电系统；冷水流量控制阀门11位于冷凝器 4入口处；冷凝器4、烟气冷凝换热器6及热水储水箱7依次连接；热水储水箱7与热用户8 通过流量控制阀门10及管道相连；烟气冷凝换热器6连接有冷凝液回收装置12。

系统循环为：锅炉排烟进入尾部烟道，在蒸发器内加热有机工质，使其成为饱和（或过 热）的高温高压气体，进入膨胀机做功，驱动发电机发电；做功后乏汽从膨胀机排出之后进 入冷凝器与冷水进行换热，凝结为低压液体，经泵加压后进入蒸发器开始下一个循环。锅炉 烟气流经蒸发器后温度降至100℃以下，进入烟气冷凝换热器与来自冷凝器的冷水进行换热， 到达露点后烟气中水蒸气发生凝结，继续降温至35℃～45℃时排出。冷水通过阀门11依次流 经冷凝器4、烟气冷凝换热器6吸热升温后，流入热水储水箱7，供热用户使用；冷水流量控 制阀门11用于控制进入冷凝器4及烟气冷凝换热器7的冷水流量，使工质温降及热水出口水 温在工况要求范围内；热水流量控制阀门10用于控制从热水储水箱7流向热用户8的热水流 量，以满足热用户的需求。烟气冷凝液通过回收装置进行回收。

实施例1：

以天然气供暖锅炉为例，进行了模拟计算。如表1所示为计算所采用的数据及计算结果。 其中有机朗肯循环选用工质为R600a，为亚临界循环。由表中可看出，装置吸收余热总量为 3943kW，由传统的低位热值标准计算得热效率提高至101.08%，可见装置能够显著提高效率， 达到节能减排效果。同时，计算可知，未经余热回收的烟气中，水蒸气的质量分数高达12.21%， 体积分数18.76%，露点温度为59.0℃。当烟气最终排出温度降至40℃时，水蒸气的质量分 数5.13%，质量回收率为61.15%，释放潜热量2574kW。由此可见，烟气中水蒸气潜热具有量 大而品位低的特点，因而对烟气余热进行梯级深度回收利用，对节能减排具有重要意义。 表1实施例计算数据及结果