CN110374704B - 基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统，该系统包括第一循环回路、第二循环回路以及第三循环回路，包括分解反应器、膨胀机、发电机、回热器、合成反应器和换热器。本发明还提供了该系统的工作方法，反应物在分解反应器中吸收热量后分解，生成的高温高压气体进入膨胀机中做功并推动发动机运转发电，做完功的乏气回热后进入合成反应器发生合成反应并溶于传送液体形成溶液，经液力回收装置中加压泵升压后回到分解反应器，完成循环。本发明通过利用不同压力和温度条件下进行的可逆化学反应实现低品位热能驱动发电，循环工质为自然工质，经济环保，通过设置回热器、换热器和液力回收装置等余能回收装置实现对余热、余压的回收利用，减少系统能耗、提高系统效率。

Description

基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统及工作方法

技术领域

本发明属于低品位热能利用技术领域，具体涉及一种基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统及工作方法。

背景技术

随着全球人口总量的不断增加及经济的持续发展，人类的能源需求日益增长。然而，能源短缺和能源利用过程中产生的环境问题却日益凸显，节能环保成为全球的共同主题。根据目前的能源利用状况，低品位热能没有得到有效利用，提高低品位热能利用率是改善能源紧缺局面的关键环节，近些年受到越来越多的关注。

低品位热能一般指温度低于200℃的热能，通常包括在冶金、电力、化工、食品等生产过程中排放的工业余热，以及部分可再生能源，如太阳能、地热能等。特别是150℃以下的热能利用效率更低，非常难以利用。因此发展低品位热能驱动发电技术，能够利用低品位能源进行热功转换进行发电，在提高低品位热能利用率的同时，不对环境产生污染，对改善我国能源结构、实现节能减排和综合利用能源具有重要的理论和现实意义。

有机朗肯循环是在朗肯循环中采用沸点较低的有机工质代替水蒸气作为循环工质进行热电转换的循环，在低品位能源利用上，驱动热源温度一般都需要200℃甚至更高，是目前受到广泛关注的低品位热能驱动发电系统之一。尽管对有机朗肯循环的研究已有很多，但仍存在不足之处，如热功转化效率低、部分工质可能会加剧温室效应和臭氧层破坏，影响生态环境。当热源温度低于150℃时，有机朗肯循环效率更低，甚至发电量还抵不上系统泵的耗电量。因此，开发对环境更友好、低位热能利用率更高的新循环，是发展低品位热能驱动发电技术的关键问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统，该系统能够解决低品位热驱动的有机朗肯循环效率低、对环境产生不利影响的问题；同时，本发明还提供了该发电系统的工作方法。

技术方案：本发明所述的一种基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统，包括第一循环回路、第二循环回路以及第三循环回路；

所述第一循环回路包括分解反应器，所述分解反应器的气体出口与膨胀机的进口连接，所述膨胀机的出口与回热器的高温侧进口连接，所述分解反应器内设置有低品位热源管路，所述膨胀机与发电机轴连；

所述第二循环回路包括合成反应器，所述合成反应器的气体进口与所述回热器的高温侧出口连接，所述合成反应器溶液出口与加压泵的进口连接，所述加压泵的出口与回热器的低温侧进口连接，所述回热器的低温侧出口与换热器的低温侧进口连接，所述换热器的低温侧出口与所述分解反应器的溶液进口连接，所述合成反应器中设有冷却水管路；

所述第三循环回路为传送液体从分解反应器的液体出口流经换热器进入液力透平，反应液从液力透平的液体出口进入合成反应器。

优选地，所述加压泵与液力透平通过辅助电机轴连。

优选地，所述分解反应器气体出口处设置波形板。

优选地，所述反应物为可以在一定条件下发生分解和合成反应的物质，且分解反应产物至少有一种为气体。

本发明中所述的气体为上述反应物发生分解反应的产物。优选地，本发明中选用的反应物为氨基甲酸铵，当本发明中的反应物为氨基甲酸铵时，本发明发电循环工质为自然工质CO₂和NH₃。

所述传送液体为可以溶解所述反应物以及非气体产物，不与分解反应生成的气体反应、在所需工作温度下不会发生热解、挥发或影响反应进行的液体。

若反应物为氨基甲酸铵，则传送液体可以是有机醇，如丙二醇或乙二醇中的一种或两者的混合物。

上述基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统的工作方法，包括以下步骤：

(a)在分解反应器中，传送液体中溶解的反应物，吸收了来自低品位热源管路输入的热量后发生分解反应，生成的气体经波形板去除夹杂的传送液体后进入膨胀机膨胀做功并推动发电机运转发电，产生的低压排气在回热器中释放余热后送入合成反应器；

(b)分解反应器中分离出的传送液体，在换热器中换热后，进入液力透平做功，降至所需压力后送入合成反应器；

(c)气体进入合成反应器后，发生合成反应，反应过程中放出的热量被冷却水管路带走，生成的反应物溶于来自液力透平的传送液体形成混合溶液；

(d)混合溶液被加压泵加压后送入回热器与来自膨胀机的排气进行换热，然后进入换热器与来自分解反应器的传送液体进一步换热，最后送入分解反应器，完成循环。

所述加压泵与液力透平通过辅助电机轴连，若来自分解反应器的传送液体在液力透平中降至所需压力所做的功，大于或等于将合成反应器出口的混合溶液加压至所需压力所消耗的功，则辅助电机不工作；反之，则辅助电机工作，以此来补偿将混合溶液加压至所需压力的不足部分。

有益效果：(1)本发明采用可逆化学反应热效应作为新原理，可利用低品位热能驱动发电，节能效果显著；(2)本发明根据热源条件选择合适的工质，可以在指定工况条件下吸收热量发生分解反应生成高压混合气体推动膨胀机做功，适用温度范围更广，可利用更低品位的热能；(3)本发明系统采用自然工质，对生物界无害，对环境更加友好，有利于缓解人工合成工质大量使用对环境造成的影响；(4)本发明系统中设置了回热器、换热器和液力回收装置等余能利用装置，可以有效回收利用余热、余压，减少系统能耗，提高运行效率。

附图说明

图1为本发明基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进一步阐述。

如图1所示，本发明所述的基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统，所述系统1包括第一循环回路10、第二循环回路20以及第三循环回路30。

第一循环回路10为系统1的气体循环回路，包括分解反应器101，分解反应器101的气体出口与膨胀机102的进口连接，膨胀机102的出口与回热器103的高温侧进口连接，回热器103的高温侧出口与第二循环回路20连接，分解反应器101内设置有低品位热源管路104，膨胀机102与发电机105轴连，分解反应器101混合气体出口处设置波形板106。

分解反应器中的反应物在低品位热源管路104中通入的热源加热条件下分解反应产物为气体，生成的高温高压反应气体从分解反应器101的气体出口进入膨胀机102中，膨胀机102推动发电机105做功，随后低压排气通过回热器103进一步吸收热量后，进入第二循环回路20中。

第二循环回路20为反应液循环回路，包括合成反应器201，合成反应器201的气体进口与回热器103的高温侧出口连接，经过回热器103换热的低压排气进入合成反应器201中，反应器201中溶液出口与加压泵202的进口连接，加压泵202的出口与回热器103的低温侧进口连接，回热器103的低温侧出口与换热器203的低温侧进口连接，换热器203的低温侧出口与分解反应器101的溶液进口连接，合成反应器201中设有冷却水管路204。

第三循环回路30为传送液体循环回路，回路包含分解反应器101、换热器203以及液力透平301，具体连接关系为：分解反应器101的液体出口与换热器203的高温侧进口连接，换热器203高温侧出口与液力透平301进口连接，从分解反应器101的液体出口流出的传送液体经过换热器203，随后进入液力透平301，液力透平301将从分解反应器101流出的传送液体压力降至合成反应压力，经过降压的传送液体从液力透平301的液体出口进入合成反应器201，作为合成反应的反应体系溶液。

本发明中还设置了电辅助驱动液力回收系统40，液力回收系统用于回收从分解反应器中分离出的高压传送液体的压力能，将其用于合成反应器201中混合溶液的增压，避免将其直接降压引起的压力能损失。本实施例中电辅助驱动液力回收系统40由加压泵202、液力透平301以及辅助电机302组成，加压泵202与液力透平301通过辅助电机302轴连。若来自分解反应器101的传送液体在液力透平301中降至所需压力所做的功，大于或等于将合成反应器201出口的混合溶液加压至所需压力所消耗的功，则辅助电机302不工作；反之，则通过辅助电机来补偿将混合溶液加压至所需压力不足的部分。

本实施例提供的基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上还可以布置阀门、仪表等设备。系统中还可以包括辅助设施、电气系统、控制系统等。

本实施例中采用氨基甲酸铵(NH₂COONH₄)作为反应物，氨基甲酸铵是化学工业中合成尿素的中间产物，白色正方晶系，柱状、板状或片状结晶性粉末，可以溶于有机醇如乙二醇或丙二醇等物质，在一定条件下能够发生分解和合成反应，反应方程式如下：

氨基甲酸铵的分解和合成反应是可逆的，反应过程中吸收或放出热量，此反应与温度和压力密切相关，可以通过控制反应器压力或者温度使反应正向或逆向进行，从而实现在高温下吸热分解生成高温高压的二氧化碳与氨气混合气体推动汽轮机做功、低温低压下气体发生合成反应生成氨基甲酸铵溶于传送溶液并被加压，从而完成循环。

分解反应器101中设有的低品位热源管路104，为分解反应器101提供所需的热量，氨基甲酸铵在分解反应器101中吸热产生的高温高压二氧化碳和氨气混合气体推动汽轮机做功。本实施例采用的传送溶液为丙二醇，丙二醇无毒，沸点为188.2℃，可以溶解氨基甲酸铵并有利于其分解，可以解决实际系统中堵塞的问题。

在合成反应器中二氧化碳和氨气合成反应生成的氨基甲酸铵被传送液体吸收形成混合溶液，经过加压、换热后送入分解反应器，从而实现工质的循环，合成反应器201中设有冷却水管路，将合成反应器中产生的热量排出。

上述基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统的工作方法为：

在分解反应器101中，溶解在丙二醇溶液中的氨基甲酸铵在吸热后发生分解反应，生成高温高压的二氧化碳、氨气混合气体，反应过程压力为1.8MPa，温度为120℃，反应热主要由低品位热源管路104输入；高温高压的混合气体经过设置在分解反应器101顶端的波形板106后去除夹杂在其中的丙二醇溶液，进入膨胀机102膨胀做功并推动发电机105运转发电，产生的低压排气在回热器103中释放余热后送入合成反应器201；

分解反应器101中分离出的丙二醇溶液，在换热器203中换热后，进入液力透平301做功，降至所需压力后送入合成反应器201；

在合成反应器201中，混合气体二氧化碳与氨气发生合成反应，生成的反应物溶于来自液力透平301的丙二醇溶液形成混合溶液，反应过程中放出的热量被冷却水管路204带走，冷却水采用环境温度水，例如：30℃，反应过程压力为冷却水温下氨基甲酸铵对应的分解压力0.018MPa；混合溶液被加压泵202加压后送入回热器103与来自膨胀机102的排气进行换热，然后进入换热器203与来自分解反应器101的丙二醇溶液进一步换热，最后送入分解反应器101，如此循环。

在本实施例中，来自分解反应器101的丙二醇溶液在液力透平301中降至合成反应压力所做的功，刚好足够将合成反应器201出口的溶有氨基甲酸铵的丙二醇混合溶液加压至分解反应压力，因此辅助电机302不工作；若系统中所选的传送液体不同，则可能导致液力透平301所输出的功不足，这种情况下辅助电机302需要开启，以补偿将混合溶液加压至所需压力不足的部分。

由以上参数估算得到基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统的发电效率可达18.4％，进一步完善系统流程可使发电效率进一步提高，由此可见，此系统在低品位热能驱动发电的应用上具有一定的前景。

Claims (2)

1.一种基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统的工作方法，所述系统（1）包括第一循环回路（10）、第二循环回路（20）以及第三循环回路（30）；所述第一循环回路（10）包括分解反应器（101），所述分解反应器（101）的气体出口与膨胀机（102）的进口连接，所述膨胀机（102）的出口与回热器（103）的高温侧进口连接，所述分解反应器（101）内设置有低品位热源管路（104），所述膨胀机（102）与发电机（105）轴连，所述分解反应器（101）气体出口处设置波形板（106）；所述第二循环回路（20）包括合成反应器（201），所述合成反应器（201）的气体进口与所述回热器（103）的高温侧出口连接，所述合成反应器（201）溶液出口与加压泵（202）的进口连接，所述加压泵（202）的出口与回热器（103）的低温侧进口连接，所述回热器（103）的低温侧出口与换热器（203）的低温侧进口连接，所述换热器（203）的低温侧出口与所述分解反应器（101）的溶液进口连接，所述合成反应器（201）中设有冷却水管路（204）；所述第三循环回路（30）为传送液体从分解反应器（101）的液体出口流经换热器（203）进入液力透平（301），反应液从液力透平（301）的液体出口进入合成反应器（201）；所述加压泵（202）与液力透平（301）通过辅助电机（302）轴连；

所述工作方法包括以下步骤：

（a）在分解反应器（101）中，溶解在丙二醇溶液中的氨基甲酸铵在吸热后发生分解反应，生成高温高压的二氧化碳、氨气混合气体，反应热由低品位热源管路（104）输入；高温高压的混合气体经过设置在分解反应器（101）顶端的波形板（106）后去除夹杂在其中的丙二醇溶液，进入膨胀机（102）膨胀做功并推动发电机（105）运转发电，产生的低压排气在回热器（103）中释放余热后送入合成反应器（201）；

（b）分解反应器（101）中分离出的丙二醇溶液，在换热器（203）中换热后，进入液力透平（301）做功，降至所需压力后送入合成反应器（201）；

（c）在合成反应器（201）中，混合气体二氧化碳与氨气发生合成反应，生成的反应物溶于来自液力透平301的丙二醇溶液形成混合溶液；反应过程中放出的热量被冷却水管路（204）带走，混合溶液被加压泵（202）加压后送入回热器（103）与来自膨胀机（102）的排气进行换热，然后进入换热器（203）与来自分解反应器（101）的丙二醇溶液进一步换热，最后送入分解反应器（101），完成循环。

2.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应的低品位热能驱动发电系统的工作方法，其特征在于：若来自分解反应器（101）的传送液体在液力透平（301）中降至所需压力所做的功，大于或等于将合成反应器（201）出口的混合溶液加压至所需压力所消耗的功，则辅助电机（302）不工作；反之，则辅助电机工作，以此来补偿将混合溶液加压至所需压力不足的部分。

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