CN104445481B - 一种余热电水联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余热电水联产系统，包括低温朗肯循环发电系统和乏汽海水淡化系统。本发明利用钢铁、水泥、石化等企业排放的大量废蒸汽、烟气等实现一次余热发电，二次余热进行海水淡化的能源梯级利用系统，本系统特点是利用水柱高度建立真空环境和毛细力抽吸海水补液的低温海水淡化技术与低温朗肯循环发电相结合。其中，海水淡化系统中，浓盐水排放利用虹吸作用，海水补液利用毛细抽力，淡化系统的运行不需任何额外泵功输入。该技术方案用海水淡化蒸发器取代传统朗肯循环冷凝器，将朗肯循环低温乏汽进一步回收利用，不仅实现电水联产，而且弥补余热发电系统中热效率低的问题，节能减排。

Description

一种余热电水联产系统

技术领域

本发明涉及一种余热电水联产系统，属于余热利用与节能减排领域。

背景技术

海水淡化提供了一种不受限制且稳定的淡水补充途径,是解决天然淡水资源缺乏的最具前景的方法之一。无论是热法还是反渗透，都是以消耗高品位能源作为代价来换取淡水，对电力有依赖性。就目前来讲，其仍属于能源密集型产业，日益紧张的能源问题难以应对不断增长的淡水需求。传统海水淡化设备体积过于庞大，初期投资高，能耗大，这一直被视为是海水淡化难以大量使用的主要问题。研究海水淡化与可再生能源耦合技术及余热利用海水淡化新技术是海水淡化发展的热点方向。

钢铁、水泥、石化等企业几乎每天都在持续不断的向大气环境中排放温度低于100～300℃或更低的中低温的废蒸汽、烟气。将企业在生产环节产生的低品位的或废弃的热能转化为高品位电能，这是一项变废为宝的高效节能技术。朗肯循环余热发电技术尽管回收了部分的余热资源，但发电效率低，仅为11%左右，仍有大量热量通过冷凝器被冷却水带离，造成能量的白白流失。造成这种情况的主要原因是经过余热发电后，汽轮机出口乏汽的能量品味很低，现有的海水淡化设备无法利用这部分低品位热能。

目前，也有一些海水淡化装置同汽轮机乏汽相结合的，但由于使用的海水淡化技术自身限制，需要调整汽轮发电机组负荷，在汽轮机中间段抽汽并引入海水淡化蒸发器。这种与发电机组相结合的电水联产方法，牺牲了原有发电系统的发电效率，得不偿失。传统的热法海水淡化技术，包括低温多效和多级闪蒸技术，其运行温度通常在70-110℃，对汽轮机末级的实际低温乏汽(约35℃-50℃)显得无能为力。中国专利201210384935.5中提出了一种利用余热进行电水联产的装置，但其海水蒸发侧的真空通过真空泵产生、海水补充和浓盐水排放都是通过泵输运的，该过程仍然消耗了大量电功。另外专利NO.201010162214.0中也提出可以通过利用30-60℃乏汽来进行海水淡化，尽管在这个过程中，作者使用了环路热管毛细驱动来进行海水补充，借助毛细抽力利用减压装置实现海水负压，这种装置运行稳定性差，实际运行中仍需借助真空泵辅助形成真空，并且其浓盐水排放需要使用泵功，在高能耗海水淡化产业中推广性仍具难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不需要泵功的余热电水联产系统。该系统利用钢铁、水泥、石化等能源密集型企业行业排放的大量废蒸汽，实现能源梯级利用，利用一次热能发电，二次热能进行海水淡化。

本系统特点是利用水柱高度建立自然真空和毛细力抽吸海水补液的低温海水淡化技术与低温朗肯循环发电相结合，其中，海水淡化系统中，浓盐水排放利用虹吸作用，海水补液利用毛细抽力，淡化系统的运行不需额外泵功输入。该技术方案不仅弥补了传统低温余热发电系统中热效率低的问题，而且回收利用了汽轮机出口低温乏汽热量制取淡水，实现能源梯级利用，电水联产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低温余热电水联产系统，包括热交换器，热交换器依次与汽轮机、海水淡化蒸发器、加压泵通过管道相连构成回路，汽轮机与发电机相连；所述海水淡化蒸发器内部设有多孔介质，多孔介质与导热肋相连，导热肋的基底与海水淡化蒸发器外壳形成空间为冷凝腔，供汽轮机出来的乏汽进出，多孔介质与海水淡化蒸发器外壳形成空间为海水腔，海水腔一端与海水管线连接，另一端与盐水管线连接，导热肋中间间隔通道为淡水蒸汽通道，淡水蒸汽通道与海水淡化蒸发器外部的冷凝器连接，冷凝器出口与淡水管线连接。

与淡水管线连接的淡水储罐中液面距离冷凝器高差为10米，运行过程中淡水管线一直充满水，利用淡水管线水柱高度维持蒸汽通道、蒸汽管路和冷凝器中的真空环境，进而降低海水淡化蒸发温度，而不必像传统海水淡化技术中使用真空泵建立真空。在海水淡化蒸发器中，海水管线和盐水管线连接在海水腔进出口，海水腔中充满海水。

与海水管线连接的海水储罐液面比与盐水管线连接的盐水储罐液面高。如，与海水管线连接的海水储罐液面与海水腔顶部距离为9.5米，而与盐水管线连接的盐水储罐中液面与海水腔顶部距离为10米。这样，海水储罐和盐水储罐中存在液位高差为0.5米，可利用该液位差进而驱动浓盐水排放，避免了浓盐水排放泵功的输入。通过调节海水储罐与盐水储罐的液位差大小，可以调节盐水的排放速率。

上述低温余热电水联产系统包括发电系统和海水淡化系统。

发电系统包括热交换器，汽轮机，发电机，海水淡化蒸发器，加压泵。热交换器内低温废热与朗肯循环工质进行热交换，循环工质在热交换器内发生相变；相变后的高压蒸汽冲刷汽轮机叶片，进而带动发电机进行发电；发电过程中海水淡化蒸发器是冷凝器的角色，在冷凝腔内将乏汽工质冷凝成液态。加压泵将液态工质抽送至热交换器，完成一个循环。

海水淡化系统包括海水淡化蒸发器，冷凝器，海水管线，盐水管线，淡水管线。壳体与多孔介质中间空间形成海水腔，海水腔通过海水管线进水。多孔介质一侧与海水直接接触，另一侧通过导热肋与低温乏汽换热，导热肋中间槽道为蒸汽通道可让产生的蒸汽通过。

海水淡化蒸发器中冷凝腔与朗肯循环汽轮机乏汽出口连接，通过导热肋与多孔介质进行热交换，此过程可以将朗肯循环乏汽冷凝成液态，同时使海水蒸发产生淡水蒸汽。淡水蒸汽在冷凝器中冷凝为液态，冷凝器为普通水冷冷凝器或空冷冷凝器；冷凝器与海水淡化蒸发器通过管道相连；淡水管线与冷凝器相连，引出淡水。

相比传统技术本系统的优越性在于：

（1）根据经典托里拆利实验，环境温度25℃时1个大气压能托起的水柱高度为10米。利用10米水柱高度在海水淡化蒸发器中建立与环境温度对应的饱和真空度，该真空度下海水的沸点等于环境温度。只需对海水施加略高于环境温度的热量，就可以实现海水淡化。本专利同时提出了一种可利用略高于环境温度热源的超低温海水淡化技术。

（2）多孔介质能够利用毛细抽吸力将海水从海水腔源源不断抽吸到多孔介质与导热肋接触面。朗肯循环中汽轮机乏汽与海水淡化蒸发器换热，利用乏汽蒸汽冷凝潜热通过导热肋与多孔介质中海水换热，加热海水产生淡水蒸汽。一方面提高了传统朗肯循环热效率低的问题，并且通过将低温海水淡化技术同朗肯循环结合，实现了废热的一次发电，二次产水。

（3）在海水淡化蒸发器中，利用海水箱与盐水箱的水位差排放浓盐水，而不需要额外泵功。并可以通过调节水位高差，进而调节浓盐水的排放速率.

（4）利用海水淡化蒸发器将这两个过程有机结合在一起，朗肯循环的热效率一般在10%-16%，仍然有大量热能（30-45℃）在冷凝器中白白流失，本系统可真正有效利用上述热量，进行海水淡化。使热能利用更充分。

附图说明

图1，本发明系统结构示意图。1-低温废热，2-热交换器，3-汽轮机，4-发电机，5-海水淡化蒸发器，6-加压泵，7-导热肋，8-多孔介质，9-冷凝器，10-海水管线，11-盐水管线，12-淡水管线，13-蒸汽通道，14-冷凝腔，15-海水腔，16-海水储罐，17-盐水储罐，18-淡水储罐。

图2，实施例1运行过程中温度曲线图。

具体实施方式：

请参阅图1，一种低温余热电水联产系统，包括热交换器2，热交换器2依次与汽轮机3、海水淡化蒸发器5、加压泵6、热交换器2通过管道相连构成回路，汽轮机3与发电机4相连；所述海水淡化蒸发器5内部设有多孔介质8，多孔介质8与导热肋7相连，导热肋7的基底与海水淡化蒸发器5外壳形成空间为冷凝腔14，供汽轮机3出来的乏汽进出，多孔介质8与海水淡化蒸发器5外壳形成空间为海水腔15，海水腔15一端与海水管线10连接，另一端与盐水管线11连接，导热肋中间槽道形成的蒸汽通道与海水淡化蒸发器5外部的冷凝器14相连，冷凝器14出口与淡水管线12连接。

其中，淡水储罐液面与冷凝器间高差为10米，盐水储罐液面与海水腔顶部间高度为10米，而海水储罐液面与海水腔顶部间高度为9.5米。利用海水储罐与盐水储罐间水位液面差，排放浓盐水，而不需要泵功。

热交换器依次与汽轮机，海水淡化蒸发器，循环泵等通过管路相连并构成回路；发电机与汽轮机相连。热交换器内工厂废热与循环工质进行热交换，循环工质在热交换器内发生相变；相变后的高压蒸汽冲刷汽轮机叶片，带动汽轮机转动，从而带动发电机进行发电；发电过程中海水淡化蒸发器是冷凝器的角色，将乏汽工质冷凝成液态。循环泵将液态工质抽送至热交换器；完成一个循环。

海水淡化系统包括海水淡化蒸发器5，冷凝器9，海水管线10，盐水管线11，淡水管线12。

蒸发器包括壳体，壳体内设有多孔介质，壳体与多孔介质中间形成海水腔。导热肋基底与海水淡化蒸发器壳体形成冷凝腔，汽轮机出口低温乏汽冷凝热在冷凝腔中释放冷凝热。多孔介质一侧与海水直接接触，另一侧通过导热肋与低温乏汽换热，导热肋中间槽道为蒸汽通道可让蒸汽通过。其中多孔介质可利用毛细抽力代替高品位压力驱动海水进入其孔道，保证海水补充。

上述淡水蒸汽腔外壳接有淡水蒸汽管道；上述冷凝腔可让乏汽工质直接流过，释放乏汽冷凝热与导热肋进行换热；冷凝器为普通水冷冷凝器或空冷冷凝器；冷凝器与淡水蒸汽管道相连。

实际工作过程如下：

工作时，发电系统的工质在热交换器2中被工厂低温废热1加热，相变形成高压蒸汽，高压蒸汽冲刷汽轮机3叶片，带动发电机4发电。蒸汽经过汽轮机后进入海水淡化蒸发器5中，与多孔介质8中的海水进行热交换，进而冷却为液态，在泵6的作用下再次输送到热交换器2中，完成整个朗肯发电循环。海水通过海水管线10进入海水腔，在多孔抽吸力的作用下进入多孔介质孔道，被导热肋7传来的热量加热发生相变形成水蒸气，并通过导热肋7上的间隔槽道进入冷凝器9凝结为液态淡水。而未被蒸发的浓盐水，在虹吸作用驱动力下通过盐水管线11排出。

实施例1

在实验室开发了一套多孔介质有效蒸发面积为50cm²，导热肋及基底和蒸发器壳体材料为铜的实验样机，使用含盐量17g/L的NaCl溶液模拟“海水”，利用水冷冷凝器来冷凝淡水蒸汽。设置海水储罐和盐水储罐液面与海水腔顶部间竖直高度分别为9.5米和10米，淡水储罐液面与冷凝器间竖直高度为10米。实验中，使用电加热棒模拟汽轮机出口的乏汽热源，通过热电偶记录了加热棒温度、海水蒸汽温度、冷凝器进出口温度和环境温度。

为了达到系统启动运行的条件，需要预先利用水柱高度建立真空。系统充液通过以下步骤完成，方案一: 通过阀门接口向海水淡化蒸发器中海水腔和冷凝器中注入足量的水后关闭阀门接口，其中海水腔注入“海水”，冷凝器中注入淡水。让水沿着三根管路往下流，在大气压力作用下，此时水柱高度形成，三根管线冲充液液体，并在海水淡化蒸发器中形成真空。方案二: 利用真空泵为海水淡化蒸汽器建立一个足够大的低压，使三根管线在相应水箱中吸入液体。其中海水管线和盐水管线吸收海水，而淡水管线吸入淡水，当管线中充满液体后，即可关闭真空泵。整个运行过程中，再无其它泵功输入。

实验室测试结果显示，热源温度34℃时，淡水产量约为20 g/h，产水含盐量低于30mg/L，水质远超过国标规定饮用水含盐量应低于500 mg/L的标准。图2中温度从上到下依次是热源温度、蒸汽温度、冷凝器进口温度、冷凝器出口温度、环境温度。图中数据展示了在乏汽温度低至34℃时，海水淡化各测点的温度响应行为。测试结果说明了即使汽轮机出口乏汽温度只有34℃，仍然可以稳定的作为海水淡化蒸发器热源，而对于其它海水淡化方法，却对此热源无能为力，只能通过设置巨大的冷凝设备任其白白流失。实验数据证明了将本专利提出的海水淡化系统与低温朗肯发电循环结合的可行性。

实施例2：

根据罗向龙等人在节能技术期刊上发表的“R245fa 朗肯循环余热发电系统火用分析”的相关数据推导出本发明系统如下工作实例。当工厂的蒸汽余热约为110℃蒸汽流入热交换器与工质R245fa进行热交换，将R245fa加热成高压蒸汽，高压蒸汽冲刷汽轮机叶片，带动发电机发电。而此时蒸汽经过汽轮机发电后温度约为36℃，乏汽进入海水淡化蒸发器中，与多孔介质中的海水通过导热肋片进行热交换而冷却为液态，液态R245fa在泵的作用下再次输送到热交换器中，并完成整个低温朗肯发电循环。海水通过进水管道进入海水腔，多孔介质能够利用毛细抽吸力将与多孔介质接触的海水源源不断抽吸到导热肋接触的蒸发侧，此时海水的在沸点约等于环境温度，当36℃的乏汽通过导热肋加热海水时，海水在蒸发侧沸腾形成淡水蒸汽，通过肋片间隔布置形成的蒸汽通道汇聚后流入冷凝器凝结为淡水。而浓盐水的排放，利用海水储罐和盐水储罐间水位高差，通过虹吸作用排出。

Claims (3)

1.一种余热电水联产系统，包括热交换器（2），热交换器（2）依次与汽轮机（3）、海水淡化蒸发器（5）、加压泵（6）、热交换器（2）通过管道相连构成回路，汽轮机（3）与发电机（4）相连；所述海水淡化蒸发器（5）内部设有多孔介质（8），多孔介质（8）与导热肋（7）相连，导热肋（7）的基底与海水淡化蒸发器（5）外壳形成空间为冷凝腔（14），供汽轮机（3）出来的乏汽进出，多孔介质（8）与海水淡化蒸发器（5）外壳形成空间为海水腔（15），海水腔（15）一端与海水管线（10）连接，另一端与盐水管线（11）连接，导热肋中间槽道形成的蒸汽通道与海水淡化蒸发器（5）外部的冷凝器（9）相连，冷凝器（9）出口与淡水管线（12）连接，与淡水管线(12)连接的淡水储罐(18)中液面距离冷凝器(9)高差为10米。

2.根据权利要求1所述余热电水联产系统，其特征在于，冷凝器(9)为水冷冷凝器或空冷冷凝器。

3.根据权利要求1所述余热电水联产系统，其特征在于，与海水管线(10)连接的海水储罐(16)液面比与盐水管线(11)连接的盐水储罐(17)液面高。