技术领域
[0001] 本
发明涉及一种复叠式
有机朗肯循环系统,属于
能源与环境技术领域。
背景技术
[0002] 人口的迅速增长和工业化的快速发展导致能源需求的持续增长。解决能源短缺问题已成为一个世界性的难题。目前,能源主要来自
煤、石油、
天然气等,这些能源正在濒临枯竭,同时也造成了严重的环境污染。众所周知,燃烧化石然料排放的二
氧化硫是造成酸雨的主要原因,排放的二氧化
碳是导致
全球变暖的主要原因。因此找到一种廉价、可再生且不造成环境污染的能源是人类必然面临的唯一选择。
[0003]
生物质作为一种“零排放”、可再生、分布广泛、使用形式多样、资源丰富的
可再生能源,在当今能源领域占有十分重要的地位。我国是人口众多的农业国家,生物质资源在我国的能源结构中占有相当重要的地位,其主要包括农业及林产业废弃物、畜牧养殖业
粪便及城市含有可燃成分的固体废物,据估计我国农村仅稻草丢弃量便达到7亿吨(热值约为15 15
10.2×10 KJ),林产业废弃物近2亿吨(热值约为3.1×10 KJ),尚有大量的稻草、秸秆等农业废弃物。若这些废弃物不合理加以
回收利用,便会成为污染环境的有害物质。农业及林产业生物质在生长过程中需吸收CO2进行光合作用,这类生物质的能源利用与转化系统不会造成地球大气中CO2总量的增加,因此较好利用生物质能是节约能源和保护环境的有利途径。
[0004] 与
水/水
蒸汽朗肯循环相比,ORC技术具有效率高、装机容量范围广、运行成本低及运用范围广的优点;链条炉具有制造成本低,结构简单,燃烧稳定,运行安全可靠、自动化程度高等优点。本发明燃烧设备采用生物质成型颗粒
燃料链条炉作为动
力循环系统的驱动热源。有机朗肯循环由于采用了低沸点有机工质,其在
热能回收性能上与传统水/水蒸汽有机朗肯循环相比具有更高的热效率,设备也更为简单,有效地处理生物质废弃物,同时将其所具有的
能量有效利用起来,有望成为解决对一些不宜集中供电或电力供应不足地区提供电力,如山区、牧区、零星岛屿、散居农家、偏远地质公园、对供电安全要求极高的军事基地等。
发明内容
[0005] 针对上述
现有技术存在的问题及不足,本发明提供一种复叠式有机朗肯循环系统。该系统将生物质燃料所具有的能量有效地利用起来,同时该系统采用双级有机朗肯循环,在实现了能量的
梯级利用的同时提高效率,本发明通过以下技术方案实现。
[0006] 一种复叠式有机朗肯循环系统,该系统包括燃烧和
导热油循环系统、高温级有机朗肯循环系统、低温级有机朗肯循环系统和冷却
水循环系统;所述燃烧和导热油循环系统包括排烟
风机1、烟囱2、送风机3、
空气预热器4、生物质导热油链条炉5、导热油预热器6和连接管道,送风机3中的燃烧空气出口依次连接空气预热器4、导热油链条炉5,导热油链条炉5连接导热油预热器6进油口,导热油链条炉5烟气出口依次连接导热油预热器6、空气预热器4、排烟风机1和烟囱2;
所述高温级有机朗肯循环系统包括
蒸发器7、预热器8、高温级透平9、发
电机Ⅰ10、高温级
回热器11、冷凝
蒸发器19、高温级工质加压
泵20和连接管道,导热油链条炉5中的导热油出口连接蒸发器7,蒸发器7经放热的导热油出口连接预热器8后通过导热油
循环泵21返回到导热油预热器6中,蒸发器7中的蒸汽工质连接高温级透平9,高温级透平9连接发电机Ⅰ10,高温级透平9乏气出口连接高温级回热器11、冷凝蒸发器19,高温级透平9部分做功连接高温级工质加压泵20,冷凝蒸发器19中的液体工质出口通过高温级工质加压泵20依次连接预热器8和蒸发器7;
所述低温级有机朗肯循环系统包括低温级透平12、发电机Ⅱ13、
凝结器16、低温级工质加压泵17和低温级回热器18,冷凝蒸发器19的低温蒸汽工质出口依次连接低温级透平
12、发电机Ⅱ13,低温级透平12部分功连接低温级工质加压泵17,低温级透平12乏汽出口依次连接低温级回热器18、凝结器16,凝结器16低温液体工质通过低温级工质加压泵17依次连接低温级回热器18和冷凝蒸发器19;
所述
冷却水循环系统包括
冷却塔14、冷却水泵15和连接管道,冷却塔14冷却水出口通
过冷却水泵15连接凝结器16。
[0007] 所述高温级有机朗肯循环系统中循环工质采用六甲基二
硅氧烷、八甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基戊硅氧烷、十四甲基六硅氧烷、苯、
甲苯、乙苯、正丙苯、丁苯、环己烷中一种纯工质或其中任意两种及以上工质组成的混合溶液。
[0008] 所述低温级有机朗肯循环系统中采用五氟丙烷(R245fa)、氟利昂(R123)、丙烷(R290)、四氟乙烷(R134a)、R143a、
丁烷中一种纯工质或其中两种任意比例及以上工质组成的混合溶液,且加入Cu-Al2O3混合
纳米粒子形成纳米循环工质。
[0009] 所述空气预热器4、导热油预热器6、蒸发器7、预热器8、高温级回热器11、凝结器16、低温级回热器16和冷凝蒸发器19均采用
板式换热器。
[0010] 该系统的工作原理为:1、燃烧和导热油循环系统:燃烧空气在送风机3里被加压后,经空气预热器4预热,送入生物质导热油链条炉5,导热油预热器6中的导热油进入到生物质导热油链条炉5中吸收生物质燃料燃烧释放的热量然后依次进入到蒸发器7中加热有机工质形成蒸汽、预热器
8中预热有机工质,降温后的导热油通过导热油循环泵21重新回到导热油预热器6中完成循环,同时生物质导热油链条炉5产生的烟气预热导热油预热器6中的导热油后通过排烟风机1排出;
2、高温级有机朗肯循环系统:蒸发器7中加热有机工质形成蒸汽后流入高温级透平9中膨胀做功,高温级透平9
输出轴功,一部分带动发电机Ⅰ10转动发电,另一部分带动高温级工质加压泵20加压高温级有机工质,从高温级透平9出来后的乏汽进入高温级回热器11释放热量预热从高温级工质加压泵20出来的有机工质,然后进入冷凝蒸发器19冷凝成液体,接着从冷凝蒸发器19出来后经过高温级工质加压泵20加压后进入高温级回热器11吸收乏汽的热量升温后进入预热器8吸收导热油的热量后,进入蒸发器7使有机工质成为可以做功的蒸汽,完成高温级循环;
3、低温级有机朗肯循环系统:冷凝蒸发器19中吸收了高温级有机工质的热量的低温级有机工质蒸汽进入低温级透平12膨胀做功,低温级透平12输出轴功,一部分带动发电机Ⅱ13转动发电,另一部分带动低温级工质加压泵17加压低温级有机工质,从低温级透平12出来后的乏汽进入低温级回热器18释放热量预热从低温级工质加压泵17出来的有机工质,然后进入凝结器16冷凝成为液体,接着从凝结器16出来后经过低温级工质加压泵17加压后进入低温级回热器11吸收乏汽的热量升温后进入冷凝蒸发器19吸收高温级乏汽的热量使有机工质成为可以做功的蒸汽,完成低温级循环;
4、冷却水循环系统:从冷却塔14出来的冷却水经冷却水泵15输送至凝结器16对低温级有机朗肯循环回路中的工质进行冷凝,之后返回冷却塔14的布水管,经过冷却后进入塔底集水盘,完成一个循环。
[0011] 本发明的有益效果是:(1)采用的燃烧工质为生物质燃料,降低了有害物质COX、SOX的产生与排放;
(2)采用了复叠式有机朗肯循环,实现了生物质燃料的梯级利用,提高了能量的利用率,同时也实现了生物质与有机朗肯循环的有机结合;
(3)该系统装置结构紧凑简单,制造成本低,燃烧稳定且运行安全可靠;
(4)本发明适合对一些不宜集中供电或电力供应不足地区提供电力,如山区、牧区、零星岛屿、散居农家、偏远地质公园、对供电安全要求极高的军事基地等。
附图说明
[0013] 图中:1-排烟风机,2-烟囱,3-送风机,4-空气预热器,5-生物质导热油链条炉,6-导热油预热器,7-蒸发器,8-预热器,9-高温级透平,10-发电机Ⅰ,11-高温级回热器,
12-低温级透平,13-发电机Ⅱ,14-冷却塔,15-冷却水泵,16-凝结器,17-低温级工质加压泵,18-低温级回热器,19-冷凝蒸发器,20-高温级工质加压泵,21-导热油循环泵。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
[0015]
实施例1如图1所示,该复叠式有机朗肯循环系统,该系统包括燃烧和导热油循环系统、高温级有机朗肯循环系统、低温级有机朗肯循环系统和冷却水循环系统;
所述燃烧和导热油循环系统包括排烟风机1、烟囱2、送风机3、空气预热器4、生物质导热油链条炉5、导热油预热器6和连接管道,送风机3中的燃烧空气出口依次连接空气预热器4、导热油链条炉5,导热油链条炉5连接导热油预热器6进油口,导热油链条炉5烟气出口依次连接导热油预热器6、空气预热器4、排烟风机1和烟囱2;
所述高温级有机朗肯循环系统包括蒸发器7、预热器8、高温级透平9、发电机Ⅰ10、高温级回热器11、冷凝蒸发器19、高温级工质加压泵20和连接管道,导热油链条炉5中的导热油出口连接蒸发器7,蒸发器7经放热的导热油出口连接预热器8后通过导热油循环泵
21返回到导热油预热器6中,蒸发器7中的蒸汽工质连接高温级透平9,高温级透平9连接发电机Ⅰ10,高温级透平9乏气出口连接高温级回热器11、冷凝蒸发器19,高温级透平9部分做功连接高温级工质加压泵20,冷凝蒸发器19中的液体工质出口通过高温级工质加压泵20依次连接预热器8和蒸发器7;
所述低温级有机朗肯循环系统包括低温级透平12、发电机Ⅱ13、凝结器16、低温级工质加压泵17和低温级回热器18,冷凝蒸发器19的低温蒸汽工质出口依次连接低温级透平
12、发电机Ⅱ13,低温级透平12部分功连接低温级工质加压泵17,低温级透平12乏汽出口依次连接低温级回热器18、凝结器16,凝结器16低温液体工质通过低温级工质加压泵17依次连接低温级回热器18和冷凝蒸发器19;
所述冷却水循环系统包括冷却塔14、冷却水泵15和连接管道,冷却塔14冷却水出口通过冷却水泵15连接凝结器16。
[0016] 其中高温级有机朗肯循环系统中循环工质采用六甲基二硅氧烷;所述低温级有机朗肯循环系统中采用五氟丙烷(R245fa)且加入与五氟丙烷(R245fa)
质量比为0.3:0.7的Cu-Al2O3混合纳米粒子形成纳米循环工质;所述空气预热器4、导热油预热器6、蒸发器7、预热器8、高温级回热器11、凝结器16、低温级回热器16和冷凝蒸发器19均采用板式换热器。
[0017] 实施例2如图1所示,该复叠式有机朗肯循环系统,该系统包括燃烧和导热油循环系统、高温级有机朗肯循环系统、低温级有机朗肯循环系统和冷却水循环系统;
所述燃烧和导热油循环系统包括排烟风机1、烟囱2、送风机3、空气预热器4、生物质导热油链条炉5、导热油预热器6和连接管道,送风机3中的燃烧空气出口依次连接空气预热器4、导热油链条炉5,导热油链条炉5连接导热油预热器6进油口,导热油链条炉5烟气出口依次连接导热油预热器6、空气预热器4、排烟风机1和烟囱2;
所述高温级有机朗肯循环系统包括蒸发器7、预热器8、高温级透平9、发电机Ⅰ10、高温级回热器11、冷凝蒸发器19、高温级工质加压泵20和连接管道,导热油链条炉5中的导热油出口连接蒸发器7,蒸发器7经放热的导热油出口连接预热器8后通过导热油循环泵
21返回到导热油预热器6中,蒸发器7中的蒸汽工质连接高温级透平9,高温级透平9连接发电机Ⅰ10,高温级透平9乏气出口连接高温级回热器11、冷凝蒸发器19,高温级透平9部分做功连接高温级工质加压泵20,冷凝蒸发器19中的液体工质出口通过高温级工质加压泵20依次连接预热器8和蒸发器7;
所述低温级有机朗肯循环系统包括低温级透平12、发电机Ⅱ13、凝结器16、低温级工质加压泵17和低温级回热器18,冷凝蒸发器19的低温蒸汽工质出口依次连接低温级透平
12、发电机Ⅱ13,低温级透平12部分功连接低温级工质加压泵17,低温级透平12乏汽出口依次连接低温级回热器18、凝结器16,凝结器16低温液体工质通过低温级工质加压泵17依次连接低温级回热器18和冷凝蒸发器19;
所述冷却水循环系统包括冷却塔14、冷却水泵15和连接管道,冷却塔14冷却水出口通过冷却水泵15连接凝结器16。
[0018] 其中高温级有机朗肯循环系统中循环工质采用质量比为1:1的八甲基环三硅氧烷和八甲基环四硅氧烷组成的混合溶液;所述低温级有机朗肯循环系统中采用质量比为1:1的氟利昂(R123)和丙烷(R290)组成的混合溶液,且加入与混合溶液质量比为0.6:0.4的Cu-Al2O3混合纳米粒子形成纳米循环工质;空气预热器4、导热油预热器6、蒸发器7、预热器8、高温级回热器11、凝结器16、低温级回热器16和冷凝蒸发器19均采用板式换热器。
[0019] 实施例3该复叠式有机朗肯循环系统,该系统包括燃烧和导热油循环系统、高温级有机朗肯循环系统、低温级有机朗肯循环系统和冷却水循环系统;
所述燃烧和导热油循环系统包括排烟风机1、烟囱2、送风机3、空气预热器4、生物质导热油链条炉5、导热油预热器6和连接管道,送风机3中的燃烧空气出口依次连接空气预热器4、导热油链条炉5,导热油链条炉5连接导热油预热器6进油口,导热油链条炉5烟气出口依次连接导热油预热器6、空气预热器4、排烟风机1和烟囱2;
所述高温级有机朗肯循环系统包括蒸发器7、预热器8、高温级透平9、发电机Ⅰ10、高温级回热器11、冷凝蒸发器19、高温级工质加压泵20和连接管道,导热油链条炉5中的导热油出口连接蒸发器7,蒸发器7经放热的导热油出口连接预热器8后通过导热油循环泵
21返回到导热油预热器6中,蒸发器7中的蒸汽工质连接高温级透平9,高温级透平9连接发电机Ⅰ10,高温级透平9乏气出口连接高温级回热器11、冷凝蒸发器19,高温级透平9部分做功连接高温级工质加压泵20,冷凝蒸发器19中的液体工质出口通过高温级工质加压泵20依次连接预热器8和蒸发器7;
所述低温级有机朗肯循环系统包括低温级透平12、发电机Ⅱ13、凝结器16、低温级工质加压泵17和低温级回热器18,冷凝蒸发器19的低温蒸汽工质出口依次连接低温级透平
12、发电机Ⅱ13,低温级透平12部分功连接低温级工质加压泵17,低温级透平12乏汽出口依次连接低温级回热器18、凝结器16,凝结器16低温液体工质通过低温级工质加压泵17依次连接低温级回热器18和冷凝蒸发器19;
所述冷却水循环系统包括冷却塔14、冷却水泵15和连接管道,冷却塔14冷却水出口通过冷却水泵15连接凝结器16。
[0020] 其中高温级有机朗肯循环系统中循环工质采用质量比为1:1:1:1的十甲基戊硅氧烷、十四甲基六硅氧烷、苯、甲苯组成的混合溶液;所述低温级有机朗肯循环系统中采用质量比为1:1的R143a、丁烷组成的混合溶液,且加入与混合溶液质量比为0.6:0.4Cu-Al2O3混合纳米粒子形成纳米循环工质;空气预热器4、导热油预热器6、蒸发器7、预热器8、高温级回热器11、凝结器16、低温级回热器16和冷凝蒸发器19均采用板式换热器。
[0021] 实施例4该复叠式有机朗肯循环系统,该系统包括燃烧和导热油循环系统、高温级有机朗肯循环系统、低温级有机朗肯循环系统和冷却水循环系统;
所述燃烧和导热油循环系统包括排烟风机1、烟囱2、送风机3、空气预热器4、生物质导热油链条炉5、导热油预热器6和连接管道,送风机3中的燃烧空气出口依次连接空气预热器4、导热油链条炉5,导热油链条炉5连接导热油预热器6进油口,导热油链条炉5烟气出口依次连接导热油预热器6、空气预热器4、排烟风机1和烟囱2;
所述高温级有机朗肯循环系统包括蒸发器7、预热器8、高温级透平9、发电机Ⅰ10、高温级回热器11、冷凝蒸发器19、高温级工质加压泵20和连接管道,导热油链条炉5中的导热油出口连接蒸发器7,蒸发器7经放热的导热油出口连接预热器8后通过导热油循环泵
21返回到导热油预热器6中,蒸发器7中的蒸汽工质连接高温级透平9,高温级透平9连接发电机Ⅰ10,高温级透平9乏气出口连接高温级回热器11、冷凝蒸发器19,高温级透平9部分做功连接高温级工质加压泵20,冷凝蒸发器19中的液体工质出口通过高温级工质加压泵20依次连接预热器8和蒸发器7;
所述低温级有机朗肯循环系统包括低温级透平12、发电机Ⅱ13、凝结器16、低温级工质加压泵17和低温级回热器18,冷凝蒸发器19的低温蒸汽工质出口依次连接低温级透平
12、发电机Ⅱ13,低温级透平12部分功连接低温级工质加压泵17,低温级透平12乏汽出口依次连接低温级回热器18、凝结器16,凝结器16低温液体工质通过低温级工质加压泵17依次连接低温级回热器18和冷凝蒸发器19;
所述冷却水循环系统包括冷却塔14、冷却水泵15和连接管道,冷却塔14冷却水出口通过冷却水泵15连接凝结器16。
[0022] 其中高温级有机朗肯循环系统中循环工质采用质量比为1:1:1:1的乙苯、正丙苯、丁苯、环己烷组成的混合溶液;所述低温级有机朗肯循环系统中采用四氟乙烷(R134a),且加入与四氟乙烷质量比为0.6:0.4Cu-Al2O3混合纳米粒子形成纳米循环工质;空气预热器4、导热油预热器6、蒸发器7、预热器8、高温级回热器11、凝结器16、低温级回热器16和冷凝蒸发器19均采用板式换热器。
[0023] 以上结合附图对本发明的具体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,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。