專利名稱：超臨界朗肯循環(huán)回收低溫余熱動力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于低溫熱能動力回收的方法，尤其是針對冶金行業(yè)排放 的低溫余熱、太陽能溫差發(fā)電、雙循環(huán)式地熱發(fā)電的資源化利用，屬于資源與環(huán) 境技術領域。
背景技術：
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往伴隨著大量低溫余熱的排放，余熱的排放一方面 使能源利用率降低，同時也對環(huán)境造成熱污染。因此，對低溫余熱的利用應從兩
個方面綜合考慮:一是對余熱最大程度的利用，二是降低最終排放溫度。我國目前 由于通常釆用水作為動力循環(huán)的工質，使低溫余熱朗肯循環(huán)的效率極低，投資卻 很髙。而大量低溫余熱的直接外排，也造成極大的浪費。在發(fā)達國家如日本、以 色列，近年來投入大量的精力研究釆用有機朗肯循環(huán)(ORC)來高效回收低溫余熱 動力,其中最關鍵的技術就是對循環(huán)工質的選擇,但主要是集中在對純工質循環(huán)性 能的研究上(如Rll、 R12、 R13、 R113、 R22、 R112、 R114、 R21、 HC290、 HC600、 HC601、 HC600a、 C02、 R123、 R236fa、 R245fa),所釆用的工質雖然循環(huán)熱效率 較高,但普遍存在余熱最終排放溫度也很高的缺點,造成對余熱綜合利用水平普遍 不高。我國近年來也加大了對低溫余熱利用技術的研究，如魏東紅、顧建明等人 就釆用純工質R245fa(五氟丙烷CF3-CH2-CHF2)作為低溫余熱驅動朗肯循環(huán)的工 質，該工質同樣會造成余熱流最終排放溫度較高、對余熱的綜合利用水平依然不高 的問題。
在同樣使用有機朗肯循環(huán)的雙循環(huán)式地熱發(fā)電系統(tǒng)中,世界上已投入運行的 系統(tǒng)幾乎都使用的是低沸點純工質,如Rll、 R13、 R113等，這些工質除了對余熱 綜合利用率不高之外,還存在對大氣臭氧層有很大的破壞作用,是國際禁用品。因 此,對這類項目還存在著急迫的工質替代問題。
近年來，低沸點混合工質以其特有的優(yōu)點被制冷界廣泛關注和大力研究。在 高于200'C的中低溫余熱動力回收方面，國內(nèi)外都做了一些研究如美國與曰本 研制出一種性能優(yōu)越的二元混合工質氟諾利爾85(三氟乙醇與水的混合工 質:85。/。mo1 CF3CH2OH+15%mol H20)，用于200°C ~ 500°C中低溫余熱動力的回 收。同樣針對此溫度范圍內(nèi)余熱動力的回收,國際上有一些學者提出了以氨與水 的混合物作為循環(huán)工質的卡林納(Kalina)循環(huán),但由于該循環(huán)的構成十分復雜等 因素,導致最終能量轉換效率不理想。總的來看,有機朗肯循環(huán)用于低溫熱能轉換 方面的研究尚處于很初級的階段。由于循環(huán)工質的選擇對動力循環(huán)性能的優(yōu)劣起到?jīng)Q定性的作用，因此對適宜低溫熱能的循環(huán)工質的研究和開發(fā)顯得十分迫切。釆 用干濕流體混合而成的近共沸混合工質實現(xiàn)超臨界朗肯循環(huán),在進一步減少熱交 換器中溫差傳熱不可逆熵增的同時,還可降低透平膨脹終了工質的過熱度,增加透 平輸出凈功,可提高循環(huán)的熱效率，同時使余熱流最終的排放溫度降低,無論從低溫 熱能的利用技術，還是從環(huán)境保護的角度來看，都能起到節(jié)能減排的作用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種超臨界朗肯循環(huán)回收低溫余熱動力 的方法，它釆用二元混合工質，以超臨界朗肯循環(huán)方法回收低溫熱能，使余熱流 的最終排放溫度降低到環(huán)境容許的范圍內(nèi)，適宜利用的低溫熱能較低。
解決本發(fā)明的技術問題所釆用的技術方案是循環(huán)工質釆用丙烷(R290)與八 氟丙烷(R218)配置成的二元混合工質，在超臨界壓力下從加壓泵出口直接加熱到 超臨界狀態(tài),進入有機透平做功，膨脹到由凝結溫度確定的凝結壓力下的蒸汽，再 被冷凝為液體至加壓泵入口循環(huán)使用。
本發(fā)明的二元混合工質是按丙烷組份的摩爾濃度為5% 50%配置，加壓泵 出口的壓力為3.1Mpa 4.5Mpa。
本發(fā)明的上述朗肯循環(huán)回收低溫余熱動力，可適用于回收80X: 200"C的低 溫余熱動力。
本發(fā)明的有益效果是
(1) 對低溫熱能的總利用率提高，對于IO(TC之內(nèi)的低溫熱能，其總利用率比 報道的較優(yōu)工質R245fa提高至少50%以上，余熱最終排放溫度比R245fa降低近 20~40°C;可以將余熱最終排放溫度控制在50 6(TC左右,減輕了余熱對環(huán)境的 熱污染。
(2) 擴大了低溫熱能動力回收的溫度范圍,當余熱入口溫度低至7(TC時，尚能 獲得8%的循環(huán)熱效率；
(3)由于提高了對低溫熱能的總利用率，在發(fā)電功率相同的情況下,降低了單 位產(chǎn)出電量的成本。
圖1為為本發(fā)明運用于低溫余熱發(fā)電時的工藝流程示意圖。 圖中各標號依次表示余熱流入口 1、工質循環(huán)環(huán)路2、有機透平3、凝結 器4、加壓泵5、余熱流出口6、熱交換器7。
具體實施例方式
實施例1某冶煉廠排出的10(TC熱水的排量為100t/h，在凝結溫度定為35'C的條件下， 原釆用Rll工質時,可以獲得356Kw的電力輸出,余熱最終排放溫度為65。C;而釆 用本發(fā)明的技術方案，即R290+R218混合工質的配比為30。/。R290，蒸發(fā)壓力為 3.2Mpa時，進行混合工質的超臨界朗肯循環(huán)，則可以獲得509Kw的電力輸出， 余熱最終的排放溫度為5(TC,輸出電量增加幅度為30.05%。
實施例2:
某地熱發(fā)電生產(chǎn)井出水溫度為95°C，建一個500Kw規(guī)模的發(fā)電站，在凝結 溫度定為35'C的條件下,原采用R245fa工質時，地下水的開釆流量為642.3t/h,地 熱流最終的排放(或回灌)溫度為88°C;而釆用本發(fā)明的技術方案，即R290+R218 混合工質的配比為20%R290，蒸發(fā)壓力為3.15Mpa時，進行混合工質的超臨界 朗肯循環(huán)，則地下水的開釆流量降為136.4t/h,地熱流最終的排放(或回灌)溫度為 62"，地下水開釆量下降約80%,可以大大降低地下水開釆的費用及初始投資。
實施例3:
某冶煉廠高爐35(TC煙氣的排放量經(jīng)測量約40000kg/h,原建一個500Kw的 余熱發(fā)電站,釆用F85,當凝結器進口溫度為25。C,出口溫度為31.7-C，鍋爐內(nèi)蒸發(fā) 壓力為49,2ata,可以獲得500Kw的發(fā)電功率，煙氣最終的排放溫度為161°C;現(xiàn) 改為釆用本發(fā)明的技術方案，即R290+R218混合工質的配比為10%R290，蒸 發(fā)壓力為4.0Mpa時，進行混合工質的超臨界朗肯循環(huán),可以獲得604KW的發(fā)電 功率，煙氣最終的排放溫度為118"C，可以增加發(fā)電功率20%,降低煙氣最終排放 溫度43°C。
上述三實施例都說明，采用本發(fā)明專利技術后，能達到節(jié)能減排增效的目的。
權利要求
1、一種超臨界朗肯循環(huán)回收低溫余熱動力的方法，其特征在于循環(huán)工質采用丙烷與八氟丙烷配置成的二元混合工質，在超臨界壓力下從加壓泵出口直接加熱到超臨界狀態(tài)，進入有機透平做功，膨脹到由凝結溫度確定的凝結壓力下的蒸汽，再被冷凝為液體至加壓泵入口循環(huán)使用。
2、 根據(jù)權利要求l所述的超臨界朗肯循環(huán)回收低溫余熱動力的方法，其特 征在于所述二元混合工質是按丙烷組份的摩爾濃度為5% 50%配置，加壓泵 出口的超臨界壓力為3.1 Mpa 4.5Mpa。
3、 根據(jù)權利要求l所述的超臨界朗肯循環(huán)回收低溫余熱動力的方法，其特 征在于適用于回收80X: 200X:的低溫余熱動力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于低溫熱能動力回收的方法，尤其是針對冶金行業(yè)排放的低溫余熱、太陽能溫差發(fā)電、雙循環(huán)式地熱發(fā)電的資源化利用，屬于資源與環(huán)境技術領域。本發(fā)明的循環(huán)工質采用丙烷與八氟丙烷配置成的二元混合工質，在超臨界壓力下從加壓泵出口直接加熱到超臨界狀態(tài)，進入有機透平做功，膨脹到由凝結溫度確定的凝結壓力下的蒸汽，再被冷凝為液體至加壓泵入口循環(huán)使用。本方法可最大限度地回收低溫熱能中的可用能，同時使低溫熱流(或余熱流)最終排放溫度降低到環(huán)境容許的范圍內(nèi)。
文檔編號F01K27/00GK101298843SQ20081005849
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月5日
發(fā)明者華 王, 王仕博, 王輝濤, 黃曉艷 申請人:昆明理工大學