專利名稱：帶有氣體分離的高溫雙源有機朗肯循環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域是有機朗肯渦輪動力循環(huán)。更具體地，是一循環(huán)，該循環(huán)經優(yōu)化，同時使用相似等級的中溫和低溫熱源，以有效地獲取電力，以及一循環(huán)，其包括從工質中分離反應產物。
背景技術：
在上世紀，大量用于從單一熱源生產機械能和電能的朗肯循環(huán)已獲得了高度發(fā)展。在過去的四十年，為了提高低溫熱源(可以從大多數(shù)地熱資源中獲得，通常在360K到 450K范圍內)，以及中溫熱源(可以從集光型太陽能(CSP)中獲得，通常在480K到730K范圍內)的經濟使用，大量朗肯循環(huán)的變化方式已經被闡述及評價。許多地熱項目已經使用了有機工質，例如異丁烷，因為它在典型的冷凝溫度( 300K)下具有相當高的蒸汽壓，并且在典型的爐溫( 400K)下具有相對低的汽化潛熱。 有些已經使用了多組分流體，包括丙烷/乙烷混合物，還有些已經使用了合成制冷劑，例如 R-22B1、CHBrF2 或氨(NH3)。對于中溫熱源來說，近來已經使用了級聯(lián)式循環(huán)，其中較高沸點的流體，例如苯、 水或者甲苯，被加熱到最高使用溫度；冷凝器，通常接近430K，驅動蒸發(fā)器以在回路中使用較低沸點的流體例如異丁烷。通常，在各回路中的壓力比大約是10，并且也常利用回熱，因為在這些流體中膨脹器溫度比(TK = TitAot，渦輪進口溫度除以渦輪出口溫度)僅僅為大約1. 15-因為在通常的膨脹器條件下，(；和Cv的比值γ低于1. 1。其他的循環(huán)則使用了氨和水的混合物，在整個過程中，混合物在循環(huán)中有些時點是混合的，而在其他時點則是分離的，這樣原理上使得主要的熱能轉化發(fā)生，雖然復雜性、質量和成本顯著增加，但溫度差異較小，從而提高了效率。這些已被命名為有機朗肯循環(huán)(ORC)，以區(qū)別于常規(guī)的水蒸汽循環(huán)。近期趨向于選擇較高峰值溫度的流體，這促使人們選擇芳香烴作為流體，例如苯和甲苯，因為它們不易受脫氫反應影響。然而，它們在環(huán)境溫度下的蒸汽壓低，需要使用昂貴的級聯(lián)式循環(huán)來避免負壓體系(這導致空氣和濕氣通過不可避免的微細裂縫進入)。有關化學穩(wěn)定性的廣泛誤解包括下述觀念，即較高的沸點通常與高熱穩(wěn)定性相互關聯(lián)，而且溫度上限主要由流體選擇決定。我們在此公開用于將輕質烷烴的實際溫度上限增加200-350K的方法，所述方法主要源于結合(a)調節(jié)氫氣的產生、(b)最小化高溫停留時間、(c)使催化活性表面失活、(d)結合在線的薄膜分離工藝、(e)增加冷凝壓力、和(f) 選擇更適宜的流體混合物。對于使用巳知工質的單一熱源來說，工質的汽化潛熱和液相與氣相之間的比熱差異，使得其不可能達到完全優(yōu)化(接近第二定律極限)。當使用二元熱源時，這些問題可能被有效地解決。我們在此公開了一種獲得更高總效率的方法，所述方法結合使用中溫能源 (例如CSP)和低溫能源，例如地熱、工業(yè)廢熱、低溫太陽能集光器、低成本的平板式太陽能集熱器、或者海洋溫度梯度。一種最近的CSP ORC實例。近來(2005)關于太陽能貯槽領域級聯(lián)式ORC的經濟分析(Prabhu，US-NREL/ SR-550-39433, 2006)顯示，僅5MWPE的電源設備的安裝費用就要超過$3/WPE，其中Wpe是最高電能產量。大多數(shù)情況下，這種成本尺度超出了經濟可行性-尤其對于太陽能來說，其平均功率通常不到峰值功率的28%。在本研究中，大約三分之二的成本為安裝成本。對663K的輻射源溫度本研究中預測的最高峰凈ORC效率為30. 5%，這雖然比近來其它的一些ORC例子中列舉的數(shù)據(jù)高50%，但仍然只是第二定律理論極限值的大約55%，并有300K的下降。 然而，因為從正午后ORC和集熱器效率降低，全年的平均效率通常為8-18%。將成本降低一個數(shù)量級，需要使得電源設備夠緊湊，以使得在工廠檢查以后，能將其拆分成相當數(shù)量的易分離的組件并很容易地用卡車從工廠轉運到野外的地點。在上述的研究中，5MW電源設備使用面積大約5，000m2。這樣一個大電源設備的工廠化生產是完全不可能的。其尺寸需要減少一到兩個數(shù)量級。高溫雙源ORC (HT-DORC)概況。當前的發(fā)明有兩個主要部分(1) 一種方法是有效利用兩種單獨的熱源(一個較低溫和一個較高溫)的熱能以獲得顯著增高的總效率和降低系統(tǒng)成本；和(2) —種方法， 其實質為擴大典型的工質(在 270K時蒸汽壓大于0. IMPa,以及在500K時導熱系數(shù)大于 0. 035W/m-K的那些工質)的溫度上限，主要通過調節(jié)氫氣的釋放以及最小化高溫停留時間。關于雙源的特征，在實際使用中，該新方法在朗肯循環(huán)中利用回熱(因為部分受限于工質的熱力學特性)，但是低溫熱源提供了大部分汽化熱和部分液體預熱的熱量，同時中溫或者高溫熱源提供了最后的過熱。高度回熱的DORC有三個主要的優(yōu)點。按照通常的重要性降低的次序，分別是(1)沸點溫度可以被大大降低，而不會對高溫(更昂貴的)熱源的使用效率產生負面影響(假設沸點焓來源于低成本的熱源)。這樣就可以使用在冷凝器溫度下具有較高導熱系數(shù)和蒸汽壓的流體，從而可以降低膨脹器、回流換熱器(recuperator)和冷凝器的尺寸和成本。(2)僅僅需要一個膨脹器渦輪便可接近理論效率極限，并且減小了它的尺寸(源于更高的冷凝器壓力和更低的工質分子量)。(3)可選擇工質混合物和壓力以使得所有換熱器中的溫差在循環(huán)中各個時點都可
以完全最小化。最佳的工質將(a)在最低的冷凝器夜間溫度(一般在250K到285K之間)下，具有至少0. IMpa的蒸汽壓，(b)在過熱器中具有良好的化學穩(wěn)定性，(c)在接近低溫熱源的溫度時處于亞臨界狀態(tài)，(d)安全環(huán)保，(e)在汽相條件下具有高導熱系數(shù)，(f)具有高自燃溫度，以及(g)具有高Y。先前大多數(shù)關于選擇最佳流體的討論主要僅集中于上述標準中的一種，或集中于另外一種-T-S圖中飽和蒸汽線的斜率，而現(xiàn)在這在DORC中是不相干的。
減小ORC的尺寸和成本。用于降低成本的最重要創(chuàng)新是從單一的熱力學回路和單一渦輪膨脹器(到目前為止是現(xiàn)有的ORC中最昂貴的單一組件)中得到最大的收益，同時仍能完全最小化所有換熱器中的溫差。雖然冷凝器壓力仍然高于0. IMpa，但在過去級聯(lián)回路就已經被選用以避免發(fā)生脫氫反應。這要比最佳地處理化學穩(wěn)定性問題好得多。第二個最重要的變化是增加冷凝器壓力。這對于減少冷凝器和回流換熱器的尺寸是必不可少的，其中相對壓力損失比例與壓力的平方成反比。增加冷凝器壓力對于提高工質的化學穩(wěn)定性和簡化從蒸汽中分離輕質氣體(H2、CH4、C2H6，等等)也是有益的，我們證實這對于顯著地提高溫度極限是必要的。使用較高的冷凝器壓力、較低的壓力比、及提高的HT 回熱，將使得DORC需要的單個膨脹器渦輪的成本降低一個數(shù)量級。用于降低電源設備尺寸和成本的第三個最重要要求是使用超緊湊的回流換熱器。 二十年來，比參考例更緊湊超過一個數(shù)量級的氣_氣回流換熱器設計已廣為人知。對于太陽能CSP來說，提高高溫熱源的使用效率實際上是減少總的系統(tǒng)成本的最重要的因素，因為太陽能領域的成本通常是ORC成本的三倍。隨著適度溫度的增加，DORC使得這個效率接近兩倍。太陽能集光器已經獲得超過1500K的溫度，因此集電極溫度顯著增加(與660K相比)而不存在輻射損失的大量增加應該是比較容易的。然而，用于從太陽能領域傳輸熱量的流體必須具有更高的沸點，并且流體的化學穩(wěn)定性必須被顯著地提高。本發(fā)明將給出這些問題的解決方法。最后，有必要提高非設計性能，以便大幅度減少蓄熱成本。改善非設計性能的措施已被公開。反應產物的移除。在常規(guī)的ORC中，因為增加的渦輪輸出焓是不可用的，因此由冷凝器中的不可凝氣體分壓引起的膨脹率損失對膨脹器軸功率和效率具有很不利的影響。在DORC中，將能很有效地使用超過沸點的回熱(正如下文所述)，提高的渦輪出口溫度意味著需要更少的最終過熱。因此，熱源的使用效率幾乎不受冷凝器中的高H2分壓的影響。對于給定的輸出功率來說，必須增加工質的質量流速，并且膨脹器必須在較低的膨脹率下持續(xù)有效地工作；但是這些都是次要的技術問題。雖然仍優(yōu)選在冷凝器中維持相對低的H2分壓，但足夠高的H2 分壓是可接受的，這使得在DORC中分離輕質氣體反應產品變得切實可行。已公開了數(shù)種從工質中實現(xiàn)反應產品(輕質和重質)移除的方法。DORC 的應用。很多非常重要的(和被忽視的)例子中，大量的低溫和中溫余熱可同時使用。在 500K到650K，費-托合成(FTS)反應器排熱達成百上千兆瓦，而在較低的溫度下，在冷凝器中排出較少的熱量。風-電解-燃料FTS工藝是另一個未決專利申請的主題。其中，在 400K到440K，以及或許最后直到500K，大于FTS反應的熱量也被從水電解中排出。優(yōu)良的太陽能資源經常出現(xiàn)在許多良好的地熱資源附近。在此情況下，通過使用具有驅動蒸發(fā)器的地熱資源(或許接近400K)并結合有650K到820K的集中太陽能過熱器的D0RC，可以利用更多的經濟資源?，F(xiàn)有的地熱ORC通常獲得10-14%的熱效率，現(xiàn)有的集中太陽能ORC通常獲得20-32%的效率。異丁烷DORC的效率能夠超過總熱量輸入(低溫加中溫)的電轉化效率的27%，電力輸出可以超過更昂貴的、中溫(CSP)部分貢獻的55%。
一些海灣的垂直海洋熱梯度在150m深度內可達25°C (雖然通常梯度更小)，在所謂的海洋熱能轉化(OTEC)中，已有一些人嘗試使用各式各樣的ORC以利用這些梯度產生電能。這些嘗試僅獲得到3%的熱效率，因此缺乏經濟實用性。然而大多數(shù)情況下，發(fā)現(xiàn)這些海洋熱梯度的地方，局部的太陽能資源也很優(yōu)良。因此，可以通過使用具有285K冷凝溫度(稍微超過深水海灣溫度)、300K爐溫(稍微低于表面水溫)、和在 750Κ的集中太陽能過熱器的DORC來制造更加經濟的發(fā)動機。低溫的蒸發(fā)器熱可獲得中溫太陽能轉化率的約50%，或者獲得約占總熱量輸入轉化率的10%。平板式太陽能集熱器和低溫太陽能集光器提供低質量的太陽熱能，其每GJ的成本比來源于高溫CSP的中溫能量的成本低得多。對于可再生的電力供應來說，在350-480Κ 提供沸點焓的平板型集熱器或者低溫太陽能集光器，加上在650-800Κ提供最后過熱的 CSP，可以比任何其他的現(xiàn)有太陽能方案獲得更高的經濟效益。在位于地熱資源附近的聯(lián)合循環(huán)化石燃料電源設備，DORC將提供更高的效率。蒸汽冷凝溫度可以更高，可能為400-450Κ，以減少這種由化石燃料渦輪排氣加熱的蒸汽循環(huán)的成本。蒸汽冷凝器可以向DORC提供中溫熱能，同時地熱提供低溫熱能。

發(fā)明內容
本發(fā)明公開了一種雙源有機朗肯循環(huán)(DORC)，當熱能同時從兩個熱源獲得時，使用單一的主要回路就能夠極大地提高低溫(300-500Κ)和中溫(500-850Κ)熱源向電能的轉化。工質優(yōu)選為在最低冷凝溫度下具有超過0. IMPa的蒸汽壓，平均分子量低于70，臨界溫度接近低溫熱源，并且主要由異丁烷組成的流體。在接近環(huán)境溫度( 300Κ)和低側壓 (0. 1到0. 7MPa)條件下，冷凝而且稍微過冷的工質被(1)泵壓到高側壓(0. 5-5MPa)，(2)在低溫(LT)回流換熱器中預熱，(3)使用低溫熱源沸騰，(4)使用膨脹器渦輪排氣蒸汽焓，在高溫(HT)回流換熱器中過熱至接近于膨脹器渦輪排氣的溫度，(5)使用中溫熱源，進一步過熱至渦輪進口溫度(Tit)，(6)通過渦輪膨脹器膨脹至低側壓，(7)通過HT回流換熱器冷卻，⑶通過LT回流換熱器冷卻，(9)大部分在冷凝器中被液化和輕微過冷，并且(10)冷凝部分返回到泵中以重復這個循環(huán)。次要部分，大部分為H2的不可凝氣體，被周期性或連續(xù)地從可冷凝的蒸汽中分離，并且重質烴被周期性地或者連續(xù)地從蒸發(fā)器中排出。典型流體的可用溫度范圍可通過下列方式顯著提高(1)調節(jié)來源于次要部分烷烴脫氫反應的氫氣排放；(2)周期性或者連續(xù)地從流體中除去不需要得到的重質反應產物；(3)將流體處于高溫下的時間部分最小化；和(4)使用大部分為異丁烷、小部分為丙烷、苯和異戊烷的混合物作為工質。


圖1是雙重回熱HT-DORC的系統(tǒng)流程圖；圖2是雙重回熱HT-DORC的T-S圖。
具體實施例方式流體化學穩(wěn)定性?；瘜W穩(wěn)定性對于DORC性能來說是最主要的限制因素，至少當更高溫熱源是集中的太陽能時。以前超過約480K時丁烷并不被推薦使用，部分原因在于可能有一些濕空氣進入，從而導致有機酸及其他氧化物的形成(銅和水的結合可強烈地催化烷烴氧化)。正如氧化環(huán)境下發(fā)動機油劑中常見到的，重質烷烴常被錯誤地認為更適合用于較高的溫度。沒有空氣進入，圍繞化學穩(wěn)定性問題的焦點已經改變。表1列舉了典型工質成分、一些主要反應產物和一些高沸點有機物的一些性質， 這些成分優(yōu)于以前用作HT太陽能領域到DORC的傳熱流體。另一些通用的ORC工質現(xiàn)在較少合乎需要，源于它們蒸汽壓較低、臨界溫度或者過低或者過高、化學反應性較高、汽態(tài)導熱系數(shù)較低、Y較低、或者臭氧損耗率較高。當調節(jié)脫氫反應并且完全排除空氣和濕氣時， 在沒有催化劑的情況下，化學反應性的較好單一指標之一為最大循環(huán)溫度下的單位質量吉布斯自由能(Gf/g)。作為參考，表1列舉了 700K時的數(shù)據(jù)。雖然這僅僅是一個因素，但這個數(shù)值越小，則該化合物在DORC中將越穩(wěn)定。另一個因素是原子的極性差異，這也是堅持采用純HC作為工質的理由。
權利要求
1.一種雙源有機朗肯循環(huán)D0RC，該循環(huán)用于將來自低溫熱源和中溫熱源的組合熱能轉化為電能，其特征在于在冷凝器中將工質從總壓為P1的低壓冷卻蒸汽冷凝至溫度為T1的低壓冷凝工質，其中 P1大于IOOkPa但小于IMPa, T1高于260K但低于340K,通過將所述低壓冷凝工質泵壓到壓力P2,以產生加壓工質，其中P2大于1. SP1但小于 5MPa,在蒸發(fā)器中，使用來源于所述低溫熱源的熱能，加熱并煮沸至少部分所述加壓冷凝工質，以產生溫度為T5的加壓蒸汽，利用來自于膨脹器排出蒸汽流的熱量，使用高溫HT回流換熱器產生溫度為T6的預熱的蒸汽，其中T6大于T5,利用來源于所述中溫熱源的熱能產生溫度為T7的末級過熱蒸汽，其中T7大于T6,通過渦輪將溫度為T7的所述過熱蒸汽膨脹為溫度為T8、壓力接近P1的低壓熱蒸汽，以產生用于隨后向電能轉化的軸功率，通過所述HT回流換熱器將熱蒸汽冷卻為溫度為T9的溫蒸汽，其中T9大于T5,進一步將所述溫蒸汽冷卻到至少其冷凝溫度，并重復上述循環(huán)。
2.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述冷凝器中，冷凝工質的平均分子質量在45和90之間。
3.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述冷凝器中，利用選擇性薄膜和真空泵從蒸汽混合物中分離不可凝輕質氣體。
4.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于包括用于從所述工質中分離部分重質烴 HHC的裝置，其中，HHC被定義為分子質量大于79且標準沸點大于354K。
5.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述冷凝器中，冷凝工質含有摩爾分數(shù)大于0. 2的異丁烷，摩爾分數(shù)大于0. 01的苯，和摩爾分數(shù)小于0. 05的其他烴，其他烴中碳原子數(shù)大于5。
6.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于包括低溫LT回流換熱器，用于使用來自部分預冷卻的低壓蒸汽流的熱量預熱所述加壓冷凝工質。
7.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于溫度高于(T6+T7)/2的工質相對于全部工質的質量比小于0. 03。
8.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于使用包含砂礫和油的第一儲罐用于低溫顯熱存儲，使用包含砂礫和高沸點液體的第二儲罐用于中溫顯熱存儲。
9.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于低溫熱源選自包含太陽能、地熱、海洋熱能和工業(yè)廢熱的組合。
10.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于接觸所述工質的所述末級過熱器和渦輪的表面包覆有低催化活性的材料薄層。
11.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于在所述蒸發(fā)器中，冷凝工質中的潤滑劑的質量分數(shù)大于0. 003但小于0. 03。
12.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于利用包含至少40%鉛(Pb)的熔融合金將熱量傳遞到所述末級過熱器。
13.如權利要求1所述的D0RC，其特征在于所述冷凝器包含多個平行的錯流翅管式換熱器。
14.如權利要求4所述的D0RC，其特征在于HHC分離工藝包括 從蒸發(fā)器中排出蒸發(fā)器液體，在閃蒸罐中從排出的蒸發(fā)器液體中閃蒸掉低沸點組分，壓縮至少部分被閃蒸的低沸點組分，對來自閃蒸罐的底部產物進行額外的分離過程。
15.如權利要求6所述的D0RC，其特征在于所述LT回流換熱器包括一系列的以逆流方式排列的錯流翅管式換熱器。
16.如權利要求7所述的D0RC，其特征在于 低溫熱源選自包含太陽能和地熱的組合，中溫熱源是集中的太陽能熱， 冷凝工質中異丁烷的摩爾分數(shù)大于0. 5， T5大于370K但小于440K， T7大于650K但小于820K， 工質的臨界溫度大于T5但小于T6, 工質的臨界壓力低于兩倍P2但大于P2,在所述冷凝器中，所述輕質氣體的分壓大于0. (^P1但小于0. 2P10
17.如權利要求8所述的D0RC，其特征在于所述高沸點液體的標準沸點大于660K，自燃溫度大于660K，傾點低于320K，并且包含重要組分，該組分選自包含標準沸點大于660K 的聚苯醚、聚α烯烴、多元醇酯、硅氧烷、碳氟化合物、聚酯和烷基化多環(huán)芳香烴的組合。
18.如權利要求11所述的D0RC，其特征在于所述潤滑劑選自包含烷基苯和聚α烯烴的組合。
19.一種有機朗肯循環(huán)0RC，該循環(huán)用于將來自中溫熱源的熱能轉化成電能，其特征在于將有機工質從低壓冷卻蒸汽冷凝至低壓工作液體，通過將低壓工作液體泵壓至高壓，產生加壓工作液體，從蒸發(fā)器中加熱和煮沸該加壓工作液體以產生高壓蒸汽，通過渦輪將該蒸汽膨脹為低壓蒸汽，以產生用于隨后向電能轉化的軸功率，將熱蒸汽冷卻到接近其冷凝溫度，使用選擇性薄膜和真空泵，從冷卻的蒸汽混合物中分離輕質氣體， 重復上述循環(huán)，所述ORC進一步特征在于包含用于從有機工質中分離重質烴的方法。
全文摘要
在雙源有機朗肯循環(huán)(DORC)中，在接近環(huán)境溫度(～300K)和低側壓(0.1-0.7MPa)條件下，被冷凝及輕微過冷的工質(1)被泵送至高側壓(0.5-5MPa)，(2)在低溫(LT)回流換熱器中預熱，(3)使用低溫熱源加熱至沸騰，(4)使用排氣蒸汽焓，在高溫(HT)回流換熱器中過熱至接近于膨脹器渦輪出口溫度的溫度，(5)使用中溫熱源，進一步地過熱至渦輪進口溫度(TIT)，(6)通過渦輪膨脹器，膨脹至低側壓，(7)通過HT回流換熱器冷卻，(8)通過LT回流換熱器冷卻，(9)大部分在冷凝器中被液化并輕微過冷，和(10)將冷凝部分返回泵中以重復該循環(huán)。
文檔編號F02B39/00GK102317595SQ200780100917
公開日2012年1月11日 申請日期2007年11月25日 優(yōu)先權日2007年10月12日
發(fā)明者大衛(wèi)·F·多蒂 申請人:多蒂科技有限公司