ORC制取压缩空气的装置及方法.pdf

本发明涉及中低温余热回收利用技术，旨在提供一种ORC制取压缩空气的装置及方法。该装置包括蒸发器、透平同轴一体机、冷凝器和工质泵；透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，前者用于膨胀做功，后者用于制取压缩空气；透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；各设备通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口与透平膨胀机的工质入口相接，透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端。本发明实现ORC回收利用中低温余热，并直接制取压缩空气，提高了余热能源的回收效率。机组更小巧、制造成本更低、运行更安全。

权利要求书
1.  一种ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器；其特征在于，该装置还包括：透 平同轴一体机、冷凝器和工质泵；
所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做 功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平 压缩机设有空气入口和压缩空气出口；
各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器 的工质出口与透平膨胀机的工质入口相接，透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵 的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷 凝器。

3.  利用权利要求1所述装置实现ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，包括：
1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压后送入蒸发器，吸收来自80～300℃的中 低温余热的能量，有机工质相变为5～10bar、60～80℃的蒸汽，再被导入透平膨胀机； 透平膨胀机做功的同时，驱与其直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，实现输出压缩 空气；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，再向 冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中低温余热是指：烟气、蒸汽 或热水。

5.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有机工质是氟利昂或硅油。

6.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述冷源是空气或水：如果采用空 冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。

说明书ORC制取压缩空气的装置及方法
技术领域
本发明涉及中低温余热回收利用技术领域，尤其是涉及一种ORC制取压缩空气的装 置及方法。
背景技术
压缩空气是仅次于电力的普及能源之一，是流程工业应用最广泛的第四大能源，占 了中国全社会总能源消耗的10～15％。目前，压缩空气的普遍制取方式是电动机拖动压 缩机或汽轮机拖动压缩机。
在钢铁、有色金属、石油化工、建材、轻工等诸多行业中，生产企业有着大量低品 位余热，包括烟气、蒸汽和热水等，这些热量品位低、数量大、分布散，基本不能为生 产再利用。目前，中低温余热回收技术方面，ORC发电因其良好的机动性、高度的安全 性和对维护保养的要求比较低等优点而非常热门，但发的电因为品质差(属于垃圾电， 含谐波，会影响工业生产的稳定)，高可靠性要求的流程工业不愿意使用这些垃圾电。 如果制取压缩空气，通过稳压阀/减压阀后直接并入压缩空气管道，就比较简单。
目前，国内外没有发现利用ORC来制取压缩空气的应用，本发明带来全新的压缩空 气节能理念，利用免费的工业中低温余热来制取压缩空气。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种ORC制取压缩空气 的装置及方法。本发明旨在于改善传统ORC发电的能源效率低、系统不稳定的现实，并 针对当前工业生产过程中压缩空气需求量大的现状，巧妙利用ORC直接制取压缩空气。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器；该装置还包括：透平同轴一体机、 冷凝器和工质泵，各设备之间通过管线实现连接；所述透平同轴一体机由透平膨胀机和 透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中， 透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；
各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器 的工质出口与透平膨胀机的工质入口相接，透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵 的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端。
本发明中，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。
本发明还提供了利用前述装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括：
1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压后送入蒸发器，吸收来自80～300℃的中 低温余热的能量，有机工质相变为5～10bar、60～80℃的蒸汽，再被导入透平膨胀机； 透平膨胀机做功的同时，驱与其直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，实现输出压缩 空气；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，再向 冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。
本发明中，所述中低温余热是指：烟气、蒸汽或热水。
本发明中，所述冷源是指空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用 水冷冷凝器，冷源为水。
本发明中，所述的有机工质是氟利昂。在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工 质，例如硅油，二氧化碳等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.ORC实现中低温余热回收利用，并直接制取压缩空气，提高了余热能源的回收效 率。
2.机组更小巧、制造成本更低、运行更安全。假如10台机组并联接入压缩空气管 网，原来的电拖动压缩机(2～3台)可以停下来，因为并联多台，运行更加可靠安全。
附图说明
图1为本发明的ORC制取压缩空气的装置示意图；
图2为透平同轴一体机示意图；
图中标记为：蒸发器1，热源入口端2，热源出口端3，(蒸发器)工质出口4，(蒸 发器)工质入口5，透平同轴一体机6，(透平膨胀机)工质入口7，(透平膨胀机)工 质出口8，压缩空气9，冷凝器10，(冷凝器)工质入口11，(冷凝器)工质出口12， 工质泵13，透平压缩机14，透平膨胀机15，普通空气16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明中的ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器1、透平同轴一体机6、冷凝器 10和工质泵13；冷凝器10可以采用是空冷或水冷的冷凝器。
所述透平同轴一体机6由透平膨胀机15和透平压缩机14同轴直联，透平膨胀机15 用于膨胀做功，透平压缩机14用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机15设有工质入口 7和工质出口8，透平压缩机14设有空气入口和压缩空气出口。
透平同轴一体机6工作时，透平膨胀机15和透平压缩机14同轴等速相连，避免了 不同轴传动的机械效率损失，提高了制取压缩空气的整体效率。
各设备之间通过管线实现连接：工质泵13的出口端与蒸发器1的工质入口5相接， 蒸发器1的工质出口4与透平膨胀机15的工质入口7相接；透平膨胀机15的工质出口 8经冷凝器10接至工质泵13的入口端；蒸发器1上设有热源入口端2和热源出口端3。
本发明中的装置设控制系统，不仅实现与装置相关的电气和仪表的基本控制，而且 通过在管路上设置传感器，通过控制调节阀的开度，达到提高透平膨胀机15的最佳工 况效果和系统的稳定可靠性。透平同轴一体机6设润滑油系统。
本发明中，利用前述装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括：
1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压后送入蒸发器1，吸收来自80～300℃的中 低温余热的能量，有机工质相变为蒸汽，再被导入透平膨胀机15；透平膨胀机15做功 的同时，驱与其直联的透平压缩机14对普通空气进行压缩，实现输出压缩空气；透平 膨胀机15做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器10，再向冷源 放热后冷凝为液态，返回工质泵13入口，以此实现往复循环。
本发明中，中低温余热是指烟气、蒸汽或热水；冷源是指空气或水：如果采用空冷 冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水；有机工质是氟利昂，在一些特 殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。