CN102817656A - 一种利用半水煤气低温余热发电的设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用半水煤气低温余热发电的设备与方法，通过采用低温发电机组代替原有工艺中的冷却换热器，低温余热发电机组为至少一组，采用余热梯次多级回收，针对不同品质的余热选择不同的有机工质，提高发电设备与工艺生产线的匹配度，尽可能的减少初投资。本发明的设备利用220℃-70℃这个温度区间内的低温热源，采用特定工质循环产生高品位电能，可将电力自用或上网，并且本发明的方法可对被冷却后的半水煤气温度进行灵活控制以满足工艺需求，很好地解决了现有大型化工企业低温余热回收利用率低和只针对工艺末端废热余热的回收而不能有效回收生产工艺过程中低温余热的缺点，缓解了目前工业生产用电紧张的局面。
Description
技术领域
本发明涉及一种气态物质余热回收并发电的方法及其装置，特别是指应用于工艺生产中，需要冷却的气态物质例如半水煤气或者精馏工艺中，需要冷却的气态物质的余热回收利用。
背景技术
进入“十二五”以来，节能被提到了一个前所未有的层次。工业余热的回收利用在节能的舞台上扮演着愈来愈重要的角色。以工业余热为例，人类所利用的热能中有50％最终以低品位废热的形式直接排放。工业余热一般分为600℃以上的高温余热，600℃-230℃的中温余热和230℃以下的低温余热。近几年来，用于回收烟气和废水高温余热和中温余热发电的技术得到了广范的推广，并取得了很好的经济环境效益。但是现有技术和设备针对低温余热的回收利用存在着效率低，运行不稳定等缺点，而且目前大多数的余热回收技术和设备只是针对废热余热进行回收利用，如烟气，工业废水，冲渣水等。而很少对工艺生产过程中产生的余热加以回收利用，如工艺生产中的半水煤气。水煤气发生炉产出的半水煤气往往具有很高的温度，并且含有水蒸气，水蒸气在冷凝过程中可以放出大量的潜热，具有很高的回收利用价值。这些工艺过程中的低温余热未得到有效利用，原因是因为其利用存在效率低，经济性不高的缺点；再者对于生产工艺中的余热进行回收，很可能影响到后续工艺的进行。
以某化工厂为例，煤气发生炉出口半水煤气的温度在220℃左右，其采用余热锅炉回收一部分热量后，温度降至150℃，然后利用冷却水冷却至40℃，有些化工厂甚至对220℃水煤气的余热都不进行回收，直接用冷却水冷却至特定温度，对此又要特地配备冷却塔，利用将冷却水携带的热量散发到大气。造成这种现状的原因是工艺生产中，低温余热属于低品位热，回收经济效益不高。而且工艺流程对被冷却后气体的温度是有要求的，比如以前述化工厂为例，要求把水煤气冷却到40℃以下，一般的余热回收设备对这部分的余热利用率低，且不能灵活地控制被冷却后气体的温度，使进行余热回收后的气体温度不符合工艺要求而不能直接用于后续工艺生产中。
另一方面，电能是高品位能源，随着我国经济的高速发展，我国工业对电力资源的需求越来越大，尤其是近几年来，电力资源的供给出现了供不应求的局面，甚至有的地区对高用电的企业实行了用电限制。或多或少的给企业造成经济上的损失。若能将生产工艺中大量的余热利用起来，转化成电力输出再供给企业自用或并网，将缓解企业因用电增加的成本，形成资源利用的良好循环。越来越多的企业都已经引入了余热发电技术，但是对于150℃以下的余热发电，目前仍存在技术难度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用半水煤气低温余热发电的设备与方法，解决现有大型化工企业余热利用率低及电力紧张的双重问题。
本发明的技术方案如下：一种利用半水煤气低温余热发电的设备，煤气发生炉出口经管路连接低温发电机组，低温余热发电机组为至少一组，每组均包括：干式壳管蒸发器、双螺杆膨胀机、盘管式回热器、壳管式冷凝器、三相同步发电机及工质泵；所述干式壳管蒸发器进口与水煤气发生炉连接，干式壳管蒸发器壳程出口与下一级蒸发器壳程进口连接，最终与后续工艺连接；低温发电机组的循环工质进口与工质泵出口连接，管程出口与双螺杆膨胀机吸气口连接；盘管式回热器管程进口与壳管式冷凝器管程出口连接，盘管式回热器管程出口与工质泵进口连接，盘管式回热器壳程进口与双螺杆膨胀机排气口连接，盘管式回热器壳程出口与壳管式冷凝器管程进口连接；壳管式冷凝器壳程连接冷却水系统。
所述低温余热发电机组为三组。
各级低温发电机组各级蒸发器壳程以串联的方式连接，每级蒸发器设有旁通，每个旁通设置有调节阀，各级低温发电机组的冷凝器并联连接，低温发电机组其他部件相互独立不连接。
第一级蒸发器的出口与第二级蒸发器出口联通，第二级蒸发器出口与第三级蒸发器的出口联通，每级蒸发器设有旁通，每个旁通设置调节阀，所述冷却水系统包括冷却水塔和冷却水泵，冷却水的进口和出口分别与设备各级冷凝器进口、出口连接，在各级冷凝器进口处设置调节阀门，各级机组的冷凝器并连连接，独立运行，低温发电机组其他部件相互独立不连接。
一种利用半水煤气低温余热发电的方法，半水煤气在煤气发生炉出口经管路进入第一级蒸发器壳程，与管程内的有机工质换热，通过调节各级蒸发器进口处的阀门和蒸发器出口处旁通的阀门控制半水煤气流量来实现温度控制。
所述有机工质是根据不同的蒸发器半水煤气的进口温度选择的，对应不同的温度区间，选定不同物理化学性质的有机工质。本专利温度控制有三个区间，分别是经过第一级蒸发器温度由230℃降为150℃。可选用有机工质R113等。经过第二级蒸发器，温度由150℃降为90℃。可选有机工质为R123等。经过第三级蒸发器温度低于90℃，可选用有机工质R152等。蒸发器的级数可以根据余热的品味灵活安排，这样就使本发明可以对温度介于230℃和90℃的余热进行高效率的回收，同时减少了本发明所指装置的造价。
本发明的有益效果是：本发明采用余热梯次多级回收，针对不同品质的余热选择不同的有机工质，提高发电设备与工艺生产线的匹配度，尽可能的减少初投资。余热的回收范围为230℃-70℃，并且能较精确的控制机组出口处半水煤气的温度，在对原来工艺没有不利影响的情况下，提供380V，50Hz的工业用电，提高能源的利用效率。低温发电机组针对90℃-70℃左右的余热回收时发电效率可以达到5％以上，对于品味更高的余热，发电效率会高于5％。
以某化工厂为例，其工厂生产工艺中产生的半水煤气温度为220℃，工艺要求冷却到40℃。原来半水煤气的冷却方法是采用冷却水降温，浪费了大量余热能源。采用本方案后，在保证半水煤气冷却后温度达到要求的40℃和不给原来工艺增加额外负荷的前提下，低温余热发电量可以达到1.1×107kW·h/年，年减少CO2排放8000吨，可见本发明具有很高的经济与环境效益。
本发明的设备利用220℃-70℃这个温度区间内的低温热源，采用特定工质循环产生高品位电能，可将电力自用或上网，并且本发明的方法可对被冷却后的半水煤气温度进行灵活控制以满足工艺需求，很好地解决了现有大型化工企业低温余热回收利用率低和只针对工艺末端废热余热的回收而不能有效回收生产工艺过程中低温余热的缺点，缓解了目前工业生产用电紧张的局面。
附图说明
图1是现有技术工艺流程图；
图2是低温发电机组与原有工艺耦合示意图；
图3是低温余热发电机组示意图；
其中1-煤气发生炉，2-冷却换热器，3-冷却塔，4-冷却水泵，5-低温发电机组，6-第一级蒸发器，7-双螺杆膨胀机，8-盘管式回热器，9-壳管式冷凝器，10-三相同步发电机，11-工质泵，12-调节阀，13-第二级蒸发器，14-第三级蒸发器，a-水煤气进口，b-水煤气出口，c-冷却水进口，d-冷却水出口，A-第一级低温余热发电机组，B-第二级低温余热发电机组，C-第三级低温余热发电机组，D-符合工艺要求温度的水煤气。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的设备与方法做详细说明。
如图1所示，原有工艺中半水煤气(220℃)在煤气发生炉出口经管路进入冷却换热器，热量被冷却水带走，半水煤气被冷却至工艺要求温度，进入后续工艺流程。而冷却水又进入冷却塔，将携带的热量散发至大气。
本发明为了利用半水煤气的余热，以产生电力，采用低温发电机组5代替原有工艺中的冷却换热器2，连接示意图如图2所示。本机组直接替代原来工艺中的冷却换热器，并继续使用原工艺中冷却水泵及冷却塔，不用再针对低温发电机组重新布置冷却水系统。具有施工方便，节约初投资的优点。
利用半水煤气生产工艺过程中的低温余热发电的耦合系统设备包括至少一级低温余热发电机组，当要求被冷却半水煤气温降较大时可以采用二级或者更多级低温余热发电机组。每级低温余热发电机组的构成部件的连接方式亦可见图3，水煤气发生炉1产生的半水煤气进入干式壳管蒸发器6的壳程，其进口a与水煤气发生炉1连接，壳程出口与下一级蒸发器13壳程进口连接，最终经出口b与后续工艺连接。低温发电机组的循环工质进入蒸发器管程，其进口与工质泵11出口连接，管程出口与双螺杆膨胀机7吸气口连接。盘管式回热器8管程进口与壳管式冷凝器9管程出口连接，管程出口与工质泵11进口连接，壳程进口与双螺杆膨胀机7排气口连接，壳程出口与壳管式冷凝器9管程进口连接。壳管式冷凝器9壳程连接原有工艺的冷却水系统。
各级低温发电机组只有各级蒸发器壳程以串联的方式连接。如图3所示，每级蒸发器设有旁通，分别把第一级蒸发器6的出口与第二级蒸发器13出口联通，第二级蒸发器13出口与第三级蒸发器14的出口联通，每个旁通设置调节阀12，用来调节进入各蒸发器的水煤气流量，已达到控制半水煤气出口b温度。其他构成部件相互独立，不连接。冷却水系统采用原有系统中的冷却水塔3，冷却水泵4，冷却水的进口和出口分别与设备各级冷凝器进口c，出口d连接。在各级冷凝器进口c处设置调节阀门，用来调节水量。各级机组的冷凝器是并连连接，独立运行的。相互之间没有干扰。设备内工质根据所要回收利用余热的温度品质选用不同性质的有机物，已达到尽可能高提高发电效率，减少机组制造成本的目的。同时，提高了低温发电机组与原有工艺的匹配性。
本发明利用有机朗肯循环原理，采用多级低温余热发电机组，梯级吸收利用水煤气余热。所谓有机朗肯循环就是指用低沸点的有机物代替朗肯循环中的水，利用有机物高压蒸汽推动膨胀机或汽轮机做功。
有机工质在本发明介绍的低温余热发电机组内的流向：有机工质在干式壳管式蒸发器6内与半水煤气换热蒸发，变为高压蒸汽。然后进入双螺杆膨胀机7绝热膨胀，螺杆机带动发电机10转动，有机工质进入盘管式回热器8壳程与回热器管程有机工质换热，然后进入壳管式冷凝器9，与冷却水换热被冷却水冷凝为液态有机工质，然后由工质泵抽送到盘管式回热器8管程，最后进入干式壳管蒸发器6，完成一个循环。
将本发明应用于某化工厂，共设置三级发电机组，经过一级低温发电机组时，煤气温度从230℃左右降至150℃左右，经过第二级低温发电机组时水煤气温度从150℃降至90℃左右，经过第三级低温发电机组时，水煤气温度从90℃左右降至40℃左右。
煤气发生炉产生的第一级蒸发器6上的半水煤气进口进入蒸发器壳程，与管程内的有机工质换热，被冷却。如果第一级蒸发器1出口处半水煤气温度明显低于150℃(注：明显低于是指温度偏离预期温度超过10℃)，则通过调节旁通阀门12，增加旁通管路中半水煤气流量，使第二级蒸发器13半水煤气出口温度接近90℃，如果第一级蒸发器6出口处温度高于150℃，则关小水煤气进口处阀门，减少进入蒸发器内的流量，使第一级蒸发器出口温度降低直至稳定在150℃左右。第二级蒸发器7和第三级蒸发器出口温度控制如上，即通过调节蒸发器进口处的阀门和蒸发器出口处旁通的阀门来实现温度控制。需要说明的是第一级蒸发器6和第二级蒸发器13出口温度控制精度大概为±10℃。
在半水煤气出口流量为25000m3/h，压力为0.5MPa，出口温度为220℃的情况下，本发明方案与原有半水煤气的冷却方案相比，在保证半水煤气冷却后温度达到要求的40℃和不给原来工艺增加额外负荷的前提下，以发电效率5％计，低温余热发电量可以达到1.1×107kW·h/年，年减少CO2排放约8000吨，可见本发明具有很高的经济与环境效益。
Claims (6)
1.一种利用半水煤气低温余热发电的设备，其特征在于，煤气发生炉出口经管路连接低温发电机组，低温余热发电机组为至少一组，每组均包括：干式壳管蒸发器、双螺杆膨胀机、盘管式回热器、壳管式冷凝器、三相同步发电机及工质泵；所述干式壳管蒸发器进口与水煤气发生炉连接，干式壳管蒸发器壳程出口与下一级蒸发器壳程进口连接，最终与后续工艺连接；低温发电机组的循环工质进口与工质泵出口连接，管程出口与双螺杆膨胀机吸气口连接；盘管式回热器管程进口与壳管式冷凝器管程出口连接，盘管式回热器管程出口与工质泵进口连接，盘管式回热器壳程进口与双螺杆膨胀机排气口连接，盘管式回热器壳程出口与壳管式冷凝器管程进口连接；壳管式冷凝器壳程连接冷却水系统。
2.根据权利要求1所述的利用半水煤气低温余热发电的设备，其特征在于，所述低温余热发电机组为三组。
3.根据权利要求1或2所述的利用半水煤气低温余热发电的设备，其特征在于，各级低温发电机组各级蒸发器壳程以串联的方式连接，每级蒸发器设有旁通，每个旁通设置有调节阀，各级低温发电机组的冷凝器并联连接，低温发电机组其他部件相互独立不连接。
4.根据权利要求2所述的利用半水煤气低温余热发电的设备，其特征在于，第一级蒸发器的出口与第二级蒸发器出口联通，第二级蒸发器出口与第三级蒸发器的出口联通，每级蒸发器设有旁通，每个旁通设置调节阀，所述冷却水系统包括冷却水塔和冷却水泵，冷却水的进口和出口分别与设备各级冷凝器进口、出口连接，在各级冷凝器进口处设置调节阀门，各级机组的冷凝器并连连接，独立运行，低温发电机组其他部件相互独立不连接。
5.一种利用权利要求1所述设备利用半水煤气低温余热发电的方法，其特征在于，半水煤气在煤气发生炉出口经管路进入第一级蒸发器壳程，与管程内的有机工质换热，通过调节各级蒸发器进口处的阀门和蒸发器出口处旁通的阀门控制半水煤气流量来实现温度控制。
6.根据权利要求5所述利用半水煤气低温余热发电的方法，其特征在于，所述有机工质根据蒸发器内半水煤气的温度采用不同热力学性质的有机工质，分别是经过第一级蒸发器温度由230℃降为150℃，选用有机工质R113；经过第二级蒸发器，温度由150℃降为90℃，选有机工质为R123；经过第三级蒸发器温度低于90℃，选用有机工质R152。
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| Title |
|---|
| 陈继辉: "低沸点工质纯低温煤气余热发电技术浅析", 《2010年全国能源环保生产技术会议文集》 * |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121212 |