熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統的製作方法

2023-05-14 00:40:01

專利名稱：熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，屬於能源與環境技術領域。
背景技術：
目前，中低溫煙氣餘熱發電系統採用鍋爐的上升管和下降管進行換熱，其在使用一定時間後，會因與煙氣的長時間接觸而發生腐蝕和破裂，使有機工質洩露到煙道中，導致有機工質的浪費和換熱效率的下降，而鍋爐的上升管和下降管的更換非常困難，不利於系統的正常運行和成本控制。熱管是熱管換熱器的最基本元件，從其外觀來看，通常是一根有翅片或無翅片的普通圓管，其主要結構特點表現在管內。熱管由管殼、毛細多孔材料(管芯)和蒸汽腔(蒸汽通道)所組成。從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發段、絕熱段和冷凝段三部分。工作時， 蒸發段因受熱而使其毛細材料中的工作液體蒸發，蒸汽流向冷凝段，在這裡由於受到冷卻使蒸汽凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力作用流回蒸發段。如此循環不已，熱量由熱管的一端傳至另一端。由於汽化潛熱大，所以在極小的溫差下就能把大量的熱量從熱管的蒸發段傳至冷凝段。熱管的管芯是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網或纖維、布等以襯裡形式緊貼內壁以減少接觸熱阻，襯裡也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。性能優良的管芯應具有①足夠大的毛細抽吸壓頭；③較小的液體流動阻力，既有較高的滲透率；③ 良好的傳熱特性，即有較小的徑向熱阻。因而，管芯的結構有很多種，大致可分為以下幾類 1I1葶貼管壁的單層及多層網芯；②燒結粉末管芯，它是由一定目數的金屬粉末或金屬絲網燒結在管內壁面而成；③軸向槽道式管芯，它是在管殼內壁開軸向細槽，以提供毛細壓頭及液體回流通道，槽的截面形狀可有矩形，梯形等多種；④組合管芯。一般管芯往往不能同時兼顧毛細抽吸力及滲透率，組合管芯既能兼顧毛細力和滲透率，從而獲得高的軸向傳熱能力，而且大多數管芯的徑向熱阻甚小。他基本上把管芯分成兩部分，一部分起毛細抽吸作用，一部分起液體回流通道作用。熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導熱係數，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤溼毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用並產生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發段破壞毛細結構。由於熱管結構和工作液工作的優點，若將其用於替代鍋爐的上升管和下降管，不僅可以大大提高鍋爐的工作效率，使蒸汽溫度更高，而且能夠避免煙道內有機工質管子因長期受煙氣衝刷而腐蝕破裂、導致有機工質洩露和換熱效率下降等問題
發明內容
本發明的目的是提供一種熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統， 採用熱管替代鍋爐的上升管和下降管，解決因鍋爐換熱管道替換困難和煙氣腐蝕而導致的換熱效率下降、有機工質浪費等問題。解決本發明的技術問題所採用的方案是熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，包括熱管換熱系統，有機工質朗肯循環迴路，中低溫煙氣排煙管路，供熱熱水迴路和冷卻水迴路；熱管換熱系統由熱管2、煙氣換熱器3和鍋筒1構成，熱管2下端蒸發段置於煙氣換熱器3中、上端冷凝段置於鍋筒1中；有機工質朗肯循環迴路由儲液罐17、 加壓泵13、排氣回熱加熱器8、有機工質循環泵4、鍋筒1、透平5、三通調節閥7、熱水加熱器 9、凝結器11、以及將它們連接的管道構成，加壓泵13經管道連接於儲液罐17出口與排氣回熱加熱器8內換熱管入口之間，循環泵4經管道連接於排氣回熱加熱器8內換熱管出口與鍋筒1入口之間，鍋筒1上部經管道與透平5進口連接，透平5出口經三通調節閥7分別與排氣回熱加熱器8進氣口和熱水加熱器9進氣口連接，凝結器11的進氣口和出氣口經管道分別與熱水加熱器9出氣口和儲液罐17入口連接；中低溫煙氣排煙管路由煙氣換熱器3、 熱水預熱器14、排煙風機16、以及將它們連接的管道構成，煙氣換熱器3入口接中低溫煙氣管道、出口經管道接熱水預熱器14進氣口，熱水預熱器14出氣口經排煙風機16和管道與煙囪連接；供熱熱水迴路由熱水預熱器14內換熱管、回水泵15、熱用戶、熱水加熱器9內換熱管、以及將它們依次連接的管道構成；冷卻水迴路由冷卻塔10、冷卻水循環泵12、凝結器 11、以及將它們連接的管道構成，冷卻水循環泵12經管道連於凝結器11內換熱管入口和冷卻塔10底部出口之間，凝結器11內換熱管出口與冷卻塔10上端布水管連接。所述有機朗肯循環工質為甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(似90)、五氟丙烷 (R245fa)、戊烷(R601)、異戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、異丁烷(R600a)、四氟乙烷(R13^)中的任一種或幾種的任意混合物，根據實際需要具體選擇。所述熱管2為兩相熱虹吸管，其蒸發段和冷凝段上設有強化傳熱的翅片。熱虹吸管的長度、數量和其上翅片的數量，均根據實際需要具體確定。所述熱管內工作液的數量為其內腔體積的15 30%，具體根據實際需要確定，工作液為軟化脫鹽水。本發明依據有機朗肯循環系統選定的工質種類，按需要的發電容量及供熱負荷配備並安裝鍋筒、熱管、煙氣換熱器、有機工質循環泵、工質加壓泵、排氣回熱加熱器、透平、勵磁發電機、供熱水加熱器、凝結器、熱水預熱器、排煙風機、冷卻塔等設備及其管路與配件； 根據有機朗肯循環的管路容積計算循環工質的充注量，將循環工質計量充入循環管路中。本發明的工作原理是熱管2的下段(蒸發段)置於煙氣換熱器3中，使得從鍋爐引過來的中低溫煙氣的熱量傳給熱管的蒸發段，熱管2中的工作液被加熱蒸發，流向熱管2的上段(冷凝段)，在熱管2冷凝段將其熱量傳給鍋筒1中的循環有機工質，之後熱管2中的工作液被冷卻又流回蒸發段；從儲液罐17出來的液體工質經工質加壓泵13加壓至蒸發壓力， 進入排氣回熱加熱器8中預熱，預熱後的低溫有機工質，經有機工質循環泵4加壓進入鍋筒 1與熱管2冷凝段進行熱交換，使低溫有機工質被加熱蒸發，有機工質在鍋筒1中進行汽水分離，有機工質蒸汽就從鍋筒1的上部流出，送入透平(膨脹機)5做功輸出軸功，驅動勵磁發電機6發電，乏汽則經分流三通調節閥7分兩路一路進排氣回熱加熱器8預熱從儲液罐 17出來經工質加壓泵13加壓至蒸發壓力來的液態工質、另外一路直接與從排氣回熱加熱器8出來的工質蒸氣混合進入供熱水加熱器9加熱循環熱水，之後進入凝結器11冷凝，流入工質儲液罐17，完成一次循環；把鍋爐中低溫煙氣引入熱管2的下段(蒸發段)進行熱交換，之後進入熱水預熱器14對回水預熱，最後經排煙風機16加壓排至煙 ；從熱用戶來的回水經回水泵15輸送至熱水預熱器14預熱，之後進入熱水加熱器9完成熱水的加熱過程； 從冷卻塔10來的冷卻水經冷卻水循環泵12輸送至有機朗肯循環的凝結器11，完成對循環工質乏汽的凝結，之後返回冷卻塔10布水管，經冷卻後集於塔底集水盤，完成一個循環。通過透平乏汽管路上設置的分流三通調節閥7，可根據用戶對供熱負荷的需求調節有機朗肯循環的排氣回熱量。本系統採用熱管替代鍋爐的上升管和下降管，且熱管為蒸發段和冷凝段都加有翅片的兩相熱虹吸管，具有以下有益效果
(1)熱管替換方便，可以避免換熱管因長年與煙氣接觸發生腐蝕，不容易換掉，而影響換熱效率的缺點；
(2)強化了煙氣、有機工質和熱管內水的傳熱，提高了換熱效率，使有機工質能夠很有效地達到蒸發標準。(3)可以避免煙道內有機工質管子因長期受到煙氣衝刷和腐蝕而破裂，造成有機工質洩露到煙道中，致使有機工質的浪費。(4)可安全可靠和高效率地將中低溫煙氣餘熱轉換為高品位的電能，並可以同時提供用於生活熱水等所需熱能；
(5)極大地降低了熱電聯供過程環害物質C0X、SOx的產生與排放；
(6)便於實現個性化的分布式熱電聯供系統，整個系統對熱能的利用比較充分，滿足現代化的工藝要求。


圖1為本發明系統示意圖。圖中各標號為1-鍋筒；2-兩相熱虹吸管；3-煙氣換熱器；4-有機工質循環泵； 5-透平(或膨脹機)；6-勵磁發電機；7-分流三通調節閥；8-排氣回熱加熱器；9-熱水加熱器；10-冷卻塔；11-凝結器；12-冷卻水循環泵；13-工質加壓泵；14-熱水預熱器；15-回水泵；16-排煙風機；17-儲液罐。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例，對本發明作進一步闡述，但本發明的保護範圍不限於所述內容。實施例1 某鋼鐵廠高線三段式步進加熱爐，建一熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱熱電聯供戶式系統，電機輸出功率為10Kw，供應45 50°C衛生熱水6001/d。本熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，包括替代熱管換熱系統，有機工質朗肯循環迴路，中低溫煙氣排煙管路，供熱熱水迴路和冷卻水迴路；熱管換熱系統由熱管2、煙氣換熱器3和鍋筒1構成，熱管2下端蒸發段置於煙氣換熱器3中、上端冷凝段置於鍋筒1中；有機工質朗肯循環迴路由儲液罐17、加壓泵13、排氣回熱加熱器8、有機工質循環泵4、鍋筒1、透平5、三通調節閥7、熱水加熱器9、凝結器11、以及將它們連接的管道構成，加壓泵13經管道連接於儲液罐17出口與排氣回熱加熱器8內換熱管入口之間， 循環泵4經管道連接於排氣回熱加熱器8內換熱管出口與鍋筒1入口之間，鍋筒1上部經管道與透平5進口連接，透平5出口經三通調節閥7分別與排氣回熱加熱器8進氣口和熱水加熱器9進氣口連接，凝結器11的進氣口和出氣口經管道分別與熱水加熱器9出氣口和儲液罐17入口連接；中低溫煙氣排煙管路由煙氣換熱器3、熱水預熱器14、排煙風機16、以及將它們連接的管道構成，煙氣換熱器3入口接中低溫煙氣管道、出口經管道接熱水預熱器14進氣口，熱水預熱器14出氣口經排煙風機16和管道與煙 連接；供熱熱水迴路由熱水預熱器14內換熱管、回水泵15、熱用戶、熱水加熱器9內換熱管、以及將它們依次連接的管道構成；冷卻水迴路由冷卻塔10、冷卻水循環泵12、凝結器11、以及將它們連接的管道構成，冷卻水循環泵12經管道連於凝結器11內換熱管入口和冷卻塔10底部出口之間，凝結器11內換熱管出口與冷卻塔10上端布水管連接。本系統熱管2中的工作液為汽化潛熱和導熱係數較高、飽和壓力及沸點適度、粘度較低、穩定性良好、且有較大表面張力和潤溼毛細結構能力的軟化脫鹽水。根據煙氣量 50000kg/h、溫度57;3K、Cplkg/ (kj. K)，熱管2採用長5m的兩相熱虹吸管共950根，每根熱虹吸管上、下段上分別有40片強化傳熱翅片，管內灌有20%V (熱管體積)的軟化脫鹽水。熱管 2內的水在蒸發段吸收中低溫煙氣的熱量而使其毛細材料中的水蒸發，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段與鍋筒1的有機工質進行熱交換，由於受到冷卻使蒸汽凝結成液體，工作液體水再沿多孔材料靠毛細力作用流回蒸發段。本系統有機朗肯循環工質採用三氟二氯乙烷(R123)；鍋筒1的壁厚為16mm、直徑為1200mm ；膨脹機5採用ITlO螺杆式膨脹機，淨輸出功率為10Kw，進口工質壓力為1. OMPa, 溫度110°C;排氣回熱加熱器8、熱水加熱器9、凝結器11均採用板式換熱器；工質加壓泵13 採用高壓屏蔽泵。按儲液罐17出口一有機工質加壓泵13-排氣回熱加熱器8—有機工質循環泵4一鍋筒1-透平(膨脹機)5—勵磁發電機6—排氣回熱加熱器8—熱水加熱器 9一凝結器11-儲液罐17進口的順序，用紫銅管及相關配件將各裝置連接，形成有機朗肯循環工質迴路。本系統供熱水迴路採用Pra熱水管，按回水泵15出口一熱水預熱器14一熱水加熱器9一回水泵15進口的順序，用無縫鋼管及相關配件將各裝置連接，形成供熱水迴路。 冷卻塔10選用冷卻水循環流量為20m3/h的低溫型冷卻塔LBCM-20，冷卻水循環泵選用 12KQL50/100-1. 1/2型號，冷卻水管路，按冷卻塔10出口一冷卻水循環泵12—凝結器11一冷卻塔10進口的順序，採用無縫鋼管及相關配件將各裝置連接，形成冷卻水迴路。本系統通過中低溫煙氣管道，把鍋爐中低溫煙氣引入熱管2的下端(蒸發段)進行熱交換，之後進入熱水預熱器14對回水預熱，最後經排煙風機16加壓排至煙 ，形成中低溫煙氣排煙管路。中低溫煙氣排煙管道用2mm熱軋鋼板焊接而成，煙囪為直徑300mm的鋼製結構，按煙氣換熱器3—熱水預熱器14一排煙風機16—煙囪的順序，安裝煙氣管路。本系統所有設備配件按圖1連接，安裝完成後，進行管道的氮氣吹掃，對有機朗肯循環系統抽真空，並分別按要求向相應管路內充入R123及自來水。實施例2 本熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統與實施例1相同，所採用的有機朗肯循環工質為丙烷(似90)，兩相熱虹吸管長4. 5m、共1000根、每根上下段上分別有32片強化傳熱翅片，熱虹吸管內灌有25%V (熱管體積)的軟化脫鹽水。
實施例3 本熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統與實施例1相同，所採用的有機朗肯循環工質為甲苯、戊烷(R601)、四氟乙烷(R13^)，分別按30%、25%、 45%的體積比混合而成，兩相熱虹吸管長5. 5m、共900根、每根上下段上分別有48片強化傳熱翅片，熱虹吸管內灌有30%V (熱管體積)的軟化脫鹽水。實施例4:本熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統與實施例1 相同，所採用的有機朗肯循環工質為甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(似90)、五氟丙烷 (R245fa)、戊烷(R601)、異戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、異丁燒(R600a)、四氟乙燒(R134a)，分別按 10%、15%、5%、6%、8%、11%、5%、7%、5%、18%、10% 的體積比混合而成，兩相熱虹吸管長細、共1100根、每根上下段上分別有對片強化傳熱翅片，熱虹吸管內灌有15%V (熱管體積)的軟化脫鹽水。
權利要求
1.一種熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，其特徵在於包括熱管換熱系統，有機工質朗肯循環迴路，中低溫煙氣排煙管路，供熱熱水迴路和冷卻水迴路；熱管換熱系統由熱管(2)、煙氣換熱器(3)和鍋筒(1)構成，熱管(2)下端蒸發段置於煙氣換熱器(3)中、上端冷凝段置於鍋筒1中；有機工質朗肯循環迴路由儲液罐(17)、加壓泵(13)、 排氣回熱加熱器(8)、有機工質循環泵(4)、鍋筒(1)、透平(5)、三通調節閥(7)、熱水加熱器 (9)、凝結器(11)、以及將它們連接的管道構成，加壓泵(13)經管道連接於儲液罐(17)出口與排氣回熱加熱器(8 )內換熱管入口之間，循環泵(4 )經管道連接於排氣回熱加熱器(8 )內換熱管出口與鍋筒(1)入口之間，鍋筒(1)上部經管道與透平(5)進口連接，透平(5)出口經三通調節閥(7 )分別與排氣回熱加熱器(8 )進氣口和熱水加熱器(9 )進氣口連接，凝結器 (11)的進氣口和出氣口經管道分別與熱水加熱器(9)出氣口和儲液罐(17)入口連接；中低溫煙氣排煙管路由煙氣換熱器(3)、熱水預熱器(14)、排煙風機(16)、以及將它們連接的管道構成，煙氣換熱器(3)入口接中低溫煙氣管道、出口經管道接熱水預熱器(14)進氣口， 熱水預熱器(14)出氣口經排煙風機(16)和管道與煙 連接；供熱熱水迴路由熱水預熱器 (14)內換熱管、回水泵(15)、熱用戶、熱水加熱器(9)內換熱管、以及將它們依次連接的管道構成；冷卻水迴路由冷卻塔(10)、冷卻水循環泵(12)、凝結器(11)、以及將它們連接的管道構成，冷卻水循環泵(12)經管道連於凝結器(11)內換熱管入口和冷卻塔(10)底部出口之間，凝結器(11)內換熱管出口與冷卻塔(10)上端布水管連接。
2.根據權利要求1所述的熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，其特徵是有機工質為甲苯、三氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷、戊烷、異戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、異丁烷、四氟乙烷中的任一種或幾種的任意混合物。
3.根據權利要求1所述的熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，其特徵是熱管(2)為兩相熱虹吸管，其蒸發段和冷凝段上設有強化傳熱的翅片。
4.根據權利要求3所述的熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，其特徵是熱管(2)內工作液的數量為熱管內腔體積的15 30%。
5.根據權利要求3所述的熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，其特徵是熱管(2)內的工作液為軟化脫鹽水。
全文摘要
本發明提供一種熱管換熱有機介質朗肯循環中低溫煙氣餘熱發電系統，屬於能源與環境技術領域。包括熱管換熱系統、有機朗肯循環的工質循環迴路、中低溫煙氣排煙管路、供熱熱水迴路和冷卻水迴路，採用熱管替代鍋爐的上升管及下降管，熱管換熱系統由熱管、煙氣換熱器和鍋筒構成，熱管下端蒸發段置於煙氣換熱器中、上端冷凝段置於鍋筒中，使用甲苯、三氟二氯乙烷、丙烷、五氟丙烷等作循環工質，熱管流體使20%熱管體積的軟化脫鹽水。具有換熱效率高、熱管替換方便、可避免換熱管腐蝕和不易換掉而影響換熱效率和工質洩露等優點，可根據熱用戶對供熱負荷的需求調節有機朗肯循環的排氣回熱量。
文檔編號F01K27/02GK102401590SQ201110371030
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者張竹明, 王 華, 王輝濤, 葛眾, 陳蓉 申請人:昆明理工大學