專利名稱：基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統及工藝，是一種生物質高效利用發電系統的新方法與技術，屬于能源與環境技術領域。
背景技術：
熱管的管芯是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網或纖維、布等以襯里形式緊貼內壁以減少接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。性能優良的管芯應具有①足夠大的毛細抽吸壓頭；②較小的液體流動阻力，既有較高的滲透率；③良好的傳熱特性，即有較小的徑向熱阻。因而，管芯的結構有很多種，大致可分為以下幾類① 緊貼管壁的單層及多層網芯；②燒結粉末管芯，它是由一定目數的金屬粉末或金屬絲網燒結在管內壁面而成；③軸向槽道式管芯，它是在管殼內壁開軸向細槽，以提供毛細壓頭及液體回流通道，槽的截面形狀可有矩形，梯形等多種；④組合管芯。一般管芯往往不能同時兼顧毛細抽吸力及滲透率，組合管芯既能兼顧毛細力和滲透率，從而獲得高的軸向傳熱能力， 而且大多數管芯的徑向熱阻甚小。他基本上把管芯分成兩部分，一部分起毛細抽吸作用，一部分起液體回流通道作用。熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系數，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用并產生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發段破壞毛細結構。正因為熱管的結構和工作液工作的特殊性能等這些優點，我們考慮把其和鍋爐的上升管和下降管替換掉，看是否能大大提高鍋爐的工作效率，使蒸汽溫度更高，而且能夠避免煙道內有機工質管子因長期受到煙氣沖刷和腐蝕而破裂，造成有機工質泄露到煙道中， 致使有機工質的浪費，我們展開了討論和研究。電力生產在工農業生產中扮演著越來越重要的角色，可以說電力供應是整個社會發展的瓶頸。一個世紀以來，電力工業都是嚴重地依賴于煤等化石燃料，雖然近年來隨著超臨界朗肯循環等技術的應用，煤電效率逐步提高(現在世界上最新技術已經能達到近50% 的熱效率)，但電力工業依然是二氧化碳及二氧化硫嚴重環境污染物主要的排放源，同時隨著石化燃料的枯竭，開采的成本和難度會越來越大，因此加大對新能源開發的力度，從而逐漸減輕國民生產及生活過程對石化燃料的依賴程度，是人類必然面臨的唯一選擇。生物質資源主要指農業及林產業廢棄物、畜牧養殖業糞便及城市含有可燃成分的固體廢物。我國有豐富的生物質資源，據統計我國農村僅稻草丟棄量便高達7億噸(熱值約10. 2X 1015kJ)，林產業廢棄物近2億噸(熱值約3. IX 1015kJ)，尚有大量的稻殼、秸稈等農業廢棄物。若這些廢棄物不合理加以回收利用，便會成為環害物質。當前生物質能利用技術主要有直接燃燒，燃燒產生的熱和蒸汽可用于發電，或向用戶供熱；沼氣技術，生物質產生的沼氣可用作生活燃氣及發電；生物質氣化技術，氣化生產的可燃氣可用于炊事、采暖和農作物烘干，還可用作內燃機、燃氣輪機等動力裝置的燃料，輸出電力或動力；生物質熱解技術，分為干餾制水煤氣、制炭和快速熱解制生物油技術；生物質液化技術。總的來看， 農業及林產業生物質在生長過程中需吸收(X)2進行光合作用，這類生物質的能源利用與轉化系統不會造成地球大氣中(X)2總量的增加，因此，生物質能利用技術的研究已成為國際社會新能源技術研究的熱點。目前，生物質的潔凈燃燒技術，如農村沼氣技術、秸稈氣化技術等已趨成熟，而且相關產品正逐步實現定型市場化。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統及發電工藝，該系統采用熱管替代鍋爐的上升管和下降管，主要解決了三個問題①熱管替換方便，可以避免換熱管因為長年與燃氣及煙氣接觸發生腐蝕，不容易換掉，而影響換熱效率的缺點；②采用熱管可以提高換熱效率；③采用熱管可以避免煙道內有機工質管子因長期受到燃氣及煙氣沖刷和腐蝕而破裂，造成有機工質泄露到煙道中，致使有機工質的浪費。該系統可安全可靠的和高效率的將生物質熱能轉換為高品位的電能，且提供用于生活熱水等所需熱能。解決本發明的技術問題所采用的方案是本發明的熱電聯供系統包括五個回路首先是熱管2的下端(蒸發段)置于生物質燃氣燃燒室3中，生物質燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管的蒸發段，熱管2中的工質被加熱蒸發，流向熱管的上端(冷凝段)，在熱管冷凝段將其熱量傳給鍋筒1中的循環有機工質，之后熱管中的工質被冷卻又流回蒸發段；第二是有機朗肯循環的工質循環回路，從儲液器出來的液體工質經工質加壓泵13加壓至蒸發壓力，進入排氣回熱加熱器8中預熱，預熱后的低溫有機工質，經有機工質循環泵4加壓進入鍋筒1與熱管2冷凝段進行熱交換，使低溫有機工質加熱蒸發，有機工質在鍋筒1進行汽水分離，有機工質蒸汽就從鍋筒1上部流出，送入透平(膨脹機)5做功輸出軸功，驅動勵磁發電機6發電，乏汽經分流三通調節閥分兩路 一路進排氣回熱加熱器8預熱從儲液器出來經工質加壓泵13加壓至蒸發壓力來的液態工質，另外一路直接與從排氣回熱加熱器8出來的工質蒸氣混合進入供熱水加熱器9加熱循環熱水，之后進入凝結器11冷凝，流入工質儲液罐，這樣就完成了一次循環；第三個回路是生物質燃氣燃燒室及排煙管路如下將生物質燃氣送入生物質燃氣燃燒室中進行燃燒，燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管2的下端(蒸發段)與熱管中的工質進行熱交換，把燃燒后產生的煙氣引出，進入熱水預熱器14對回水預熱，最后經排煙風機16加壓排至煙 ；第四從熱用戶來的回水經回水泵15輸送至熱水預熱器14預熱，之后進入熱水加熱器9完成熱水的加熱過程；第五個回路是有機朗肯循環冷卻水回路，從冷卻塔10來的冷卻水經冷卻水循環泵12輸送至有機朗肯循環的凝結器11，完成對循環工質乏汽的凝結，之后返回冷卻塔10 布水管，經冷卻后集于塔底集水盤，完成一個循環。該發電系統熱管流體使用水，灌入20% V(熱管體積)的軟化脫鹽水。該發電系統采用熱管替代鍋爐的上升管和下降管，主要解決了三個問題①熱管替換方便，可以避免換熱管因為長年與燃氣及煙氣接觸發生腐蝕，不容易換掉，而影響換熱效率的缺點；②采用熱管可以提高換熱效率；③采用熱管可以避免煙道內有機工質管子因長期受到燃氣及煙氣沖刷和腐蝕而破裂，造成有機工質泄露到煙道中，致使有機工質的浪費。
該發電系統采用的熱管為兩相熱虹吸管，且其蒸發段和冷凝段都加有翅片，強化了煙氣、有機工質和熱管內水的傳熱，使有機工質能夠很有效的達到蒸發標準。該系統采用生物質燃氣燃燒室，生物質燃氣燃燒室使用生物質燃料(或由生物質制成的燃料，如生物柴油、生物質氣化可燃氣)、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、 煤氣、二甲醚；該發電系統的有機朗肯循環使用甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、戊烷(R601)、異戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、 異丁烷(R600a)、四氟乙烷(R134a)及由這9種純工質組成的混合工質作循環工質；該發電系統在透平乏汽管路上設置了分流三通調節閥，可根據用戶對供熱負荷的需求調節有機朗肯循環的排氣回熱量。本發明的發電工藝為(1)根據有機朗肯循環系統所選定的工質種類，按需要的發電容量及供熱負荷配備并安裝好鍋筒、熱管、生物質燃氣燃燒室、有機工質循環泵、工質加壓泵、排氣回熱加熱器、透平、勵磁發電機、供熱水加熱器、凝結器、熱水預熱器、排煙風機、冷卻塔等設備及其管路與配件；(2)根據有機朗肯循環的管路容積計算循環工質的充注量，將循環工質計量充入循環管路中。工作原理為熱管2的下端(蒸發段)置于生物質燃氣燃燒室3中，生物質燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管的蒸發段，熱管2中的工質被加熱蒸發，流向熱管的上端(冷凝段)，在熱管冷凝段將其熱量傳給鍋筒1中的循環有機工質，之后熱管中的工質被冷卻又流回蒸發段；從儲液器出來的液體工質經工質加壓泵13加壓至蒸發壓力，進入排氣回熱加熱器8中預熱， 預熱后的低溫有機工質，經有機工質循環泵4加壓進入鍋筒1與熱管2冷凝段進行熱交換， 使低溫有機工質加熱蒸發，有機工質在鍋筒1進行汽水分離，有機工質蒸汽就從鍋筒1上部流出，送入透平(膨脹機)5做功輸出軸功，驅動勵磁發電機6發電，乏汽經分流三通調節閥分兩路一路進排氣回熱加熱器8預熱從儲液器出來經工質加壓泵13加壓至蒸發壓力來的液態工質，另外一路直接與從排氣回熱加熱器8出來的工質蒸氣混合進入供熱水加熱器 9加熱循環熱水，之后進入凝結器11冷凝，流入工質儲液罐，這樣就完成了一次循環；將生物質燃氣送入生物質燃氣燃燒室中進行燃燒，燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管2的下端(蒸發段)與熱管中的工質進行熱交換，把燃燒后產生的煙氣引出，進入熱水預熱器14對回水預熱，最后經排煙風機16加壓排至煙@ ；從熱用戶來的回水經回水泵15輸送至熱水預熱器 14預熱，之后進入熱水加熱器9完成熱水的加熱過程；從冷卻塔10來的冷卻水經冷卻水循環泵12輸送至有機朗肯循環的凝結器11，完成對循環工質乏汽的凝結，之后返回冷卻塔10 布水管，經冷卻后集于塔底集水盤，完成一個循環。本發明的有益效果是(1)該系統可安全可靠的和高效率的將生物質熱能轉換為高品位的電能，且提供用于生活熱水等所需熱能；(2)極大地降低了熱電聯供過程環害物質C0X、SOx的產生與排放；(3)便于實現個性化的分布式熱電聯供系統，整個系統對熱能的利用比較充分，滿足現代化的工藝要求。


圖1為本發明技術方案的工藝流程圖。圖中各編號的名稱為鍋筒1、兩相熱虹吸管2、生物質燃氣燃燒室3、有機工質循環泵4、透平(或膨脹機)5、勵磁發電機6、分流三通調節閥7、排氣回熱加熱器8、熱水加熱器9、冷卻塔10、凝結器11、冷卻水循環泵12、工質加壓泵13、熱水預熱器14、回水泵15、排煙風機16。
具體實施例方式在昆明地區某農村建一基于有機介質朗肯循環的生物質能熱電聯供戶式系統，電機輸出功率為10Kw，供應45 50°C衛生熱水6001/d。熱管為兩相熱虹吸管，并且蒸發段和冷凝段都加有翅片，強化傳熱；熱管的工作液為汽化潛熱較高、導熱系數，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩定性，且有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力的水。生物質燃料采用秸稈氣化爐所產可燃氣，根據每天需要燃氣量為50000kg計算得出，需要5m長、950根兩相熱虹吸管，且往管內灌入20% V(熱管體積)的軟化脫鹽水。熱管的內的水在蒸發段吸收中低溫煙氣的熱量而使其毛細材料中的水蒸發，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段與鍋筒的有機工質進行熱交換，由于受到冷卻使蒸汽凝結成液體，工作液體水再沿多孔材料靠毛細力作用流回蒸發段。有機朗肯循環工質用三氟二氯乙烷(R123)，鍋筒為壁厚16mm和直徑1200mm，膨脹機采用ITio螺桿式膨脹機，凈輸出功率為10KW，膨脹機進口工質壓力為l.OMPa，溫度 110°C，排氣回熱加熱器、熱水加熱器、凝結器均采用板式換熱器，工質加壓泵采用高壓屏蔽泵。按儲液罐出口一有機工質加壓泵13-排氣回熱加熱器8—有機工質循環泵4一鍋筒
I-透平(膨脹機)5—勵磁發電機6—排氣回熱加熱器8—熱水加熱器9一凝結器11-儲液罐進口的順序用紫銅管將有機朗肯循環的工質回路及所需配件安裝好。供熱水回路采用PI3R熱水管，按回水泵15出口一熱水預熱器14-熱水加熱器 9-回水泵15進口的順序將供熱水回路及所需配件安裝好。選用冷卻水循環流量為20m3/h的低溫型冷卻塔LBCM-20，冷卻水循環泵型號為 KQL50/100-1. 1/2，冷卻水管路采用無縫鋼管，按冷卻塔10出口 -冷卻水循環泵12-凝結器
II-冷卻塔10進口的順序將冷卻水回路及所需配件安裝好。采用生物質燃氣燃燒室，生物質燃氣燃燒室使用生物質燃料(或由生物質制成的燃料，如生物柴油、生物質氣化可燃氣)、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、煤氣、二甲醚；將生物質燃氣送入生物質燃氣燃燒室中進行燃燒，燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管2 的下端(蒸發段)與熱管中的工質進行熱交換，把燃燒后產生的煙氣引出，進入熱水預熱器 14對回水預熱，最后經排煙風機16加壓排至煙囪；中低溫煙氣排煙管道用2mm熱軋鋼板焊接而成，用直徑為300mm的鋼制煙囪。按煙氣換熱器3—熱水預熱器14-排煙風機16-煙@的順序將煙氣管路安裝好。以上所有設備設備配件按圖1連接，安裝完成后，進行管道的氮氣吹掃，對有機朗肯循環系統抽真空。并分別按要求向相應管路內充入R123及自來水。
權利要求
1.一種基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統，其特征是該系統包括熱管系統，有機朗肯循環的工質循環回路，生物質燃氣燃燒室及排煙管路，供熱熱水回路，有機朗肯循環的冷卻水回路。熱管系統熱管( 的下端即蒸發段置于生物質燃氣燃燒室C3)中，生物質燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管的蒸發段，熱管O)中的工質被加熱蒸發，流向熱管的上端即冷凝段，在熱管冷凝段將其熱量傳給鍋筒(1)中的循環有機工質，之后熱管中的工質被冷卻又流回蒸發段。有機朗肯循環的工質循環回路如下從儲液器出來的液體工質經工質加壓泵(13)加壓至蒸發壓力，進入排氣回熱加熱器⑶中預熱，預熱后的低溫有機工質，經有機工質循環泵(4)加壓進入鍋筒(1)與熱管( 冷凝段進行熱交換，使低溫有機工質加熱蒸發，有機工質在鍋筒(1)進行汽水分離，有機工質蒸汽就從鍋筒(1)上部流出，送入透平即膨脹機(5) 做功輸出軸功，驅動勵磁發電機(6)發電，乏汽經分流三通調節閥分兩路一路進排氣回熱加熱器(8)預熱從儲液器出來經工質加壓泵(1 加壓至蒸發壓力來的液態工質，另外一路直接與從排氣回熱加熱器(8)出來的工質蒸氣混合進入供熱水加熱器(9)加熱循環熱水， 之后進入凝結器(11)冷凝，流入工質儲液罐，這樣就完成了一次循環。生物質燃氣燃燒室及排煙管路如下將生物質燃氣送入生物質燃氣燃燒室中進行燃燒，燃氣燃燒產生的熱量傳給熱管O)的下端即蒸發段與熱管中的工質進行熱交換，把燃燒后產生的煙氣引出，進入熱水預熱器(14)對回水預熱，最后經排煙風機(16)加壓排至煙囪；供熱熱水回路為從熱用戶來的回水經回水泵(1 輸送至熱水預熱器(14)預熱，之后進入熱水加熱器(9)完成熱水的加熱過程；有機朗肯循環的冷卻水回路為從冷卻塔(10)來的冷卻水經冷卻水循環泵(1 輸送至有機朗肯循環的凝結器(11)，完成對循環工質乏汽的凝結，之后返回冷卻塔(10)布水管，經冷卻后集于塔底集水盤，完成一個循環。
2.如權利要求1所述的基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統，其特征是生物質燃氣燃燒室使用生物質燃料或由生物質制成的燃料、生物柴油、生物質氣化可燃氣、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、煤氣或二甲醚。
3.如權利要求1所述的基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統，其特征是該系統有機朗肯循環使用甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、戊烷 (R601)、異戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、異丁烷(R600a)、四氟乙烷(R134a)及由這11種純工質組成的混合工質作循環工質。
4.如權利要求1所述的基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統，其特征是該系統熱管流體使用灌入20% V即熱管體積的軟化脫鹽水。
5.如權利要求1所述的基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統，其特征是該系統采用的熱管為兩相熱虹吸管，并且蒸發段和冷凝段都加有翅片，強化傳熱。
6.如權利要求1所述的基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統，其特征是該系統采用熱管替代鍋爐的上升管和下降管。
全文摘要
本發明涉及基于有機介質朗肯循環的生物質熱能發電系統及發電工藝，系統包括熱管系統，有機朗肯循環的工質循環回路，生物質燃氣燃燒室及排煙管路，供熱熱水回路，冷卻水回路。采用熱管替代鍋爐的上升管及下降管；采用生物質燃氣燃燒室，生物質燃氣燃燒室使用二甲醚、重油、生物質或由生物質制成的低品位廉價燃料；使用甲苯、三氟二氯乙烷(R123)、丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)等作循環工質。本發明采用熱管替代鍋爐的上升管和下降管，主要解決了三個問題①熱管替換方便；②采用熱管可以提高換熱效率；③采用熱管可以避免煙道內有機工質管子因長期受到燃氣及煙氣沖刷和腐蝕而破裂，造成有機工質泄漏到煙道中，導致有機工質的浪費。
文檔編號F01K25/00GK102168588SQ201110068350
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者張竹明, 王 華, 王輝濤, 葛眾, 陳蓉 申請人:昆明理工大學