[发明专利]带有气体分离的高温双源有机朗肯循环

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求美国专利申请号60/979,718的优先权，其在此被整体引入以作为参考。

技术领域

本发明的领域是有机朗肯涡轮动力循环。更具体地，是一循环，该循环经优化，同时使用相似等级的中温和低温热源，以有效地获取电力，以及一循环，其包括从工质中分离反应产物。

背景技术

在上世纪，大量用于从单一热源生产机械能和电能的朗肯循环已获得了高度发展。在过去的四十年，为了提高低温热源(可以从大多数地热资源中获得，通常在360K到450K范围内)，以及中温热源(可以从集光型太阳能(CSP)中获得，通常在480K到730K范围内)的经济使用，大量朗肯循环的变化方式已经被阐述及评价。

许多地热项目已经使用了有机工质，例如异丁烷，因为它在典型的冷凝温度(～300K)下具有相当高的蒸汽压，并且在典型的炉温(～400K)下具有相对低的汽化潜热。有些已经使用了多组分流体，包括丙烷/乙烷混合物，还有些已经使用了合成制冷剂，例如R-22B1、CHBrF₂或氨(NH₃)。

对于中温热源来说，近来已经使用了级联式循环，其中较高沸点的流体，例如苯、水或者甲苯，被加热到最高使用温度；冷凝器，通常接近430K，驱动蒸发器以在回路中使用较低沸点的流体例如异丁烷。通常，在各回路中的压力比大约是10，并且也常利用回热，因为在这些流体中膨胀器温度比(T_R＝T_IT/T_OT，涡轮进口温度除以涡轮出口温度)仅仅为大约1.15-因为在通常的膨胀器条件下，C_p和C_v的比值γ低于1.1。其他的循环则使用了氨和水的混合物，在整个过程中，混合物在循环中有些时点是混合的，而在其他时点则是分离的，这样原理上使得主要的热能转化发生，虽然复杂性、质量和成本显著增加，但温度差异较小，从而提高了效率。这些已被命名为有机朗肯循环(ORC)，以区别于常规的水蒸汽循环。

近期趋向于选择较高峰值温度的流体，这促使人们选择芳香烃作为流体，例如苯和甲苯，因为它们不易受脱氢反应影响。然而，它们在环境温度下的蒸汽压低，需要使用昂贵的级联式循环来避免负压体系(这导致空气和湿气通过不可避免的微细裂缝进入)。

有关化学稳定性的广泛误解包括下述观念，即较高的沸点通常与高热稳定性相互关联，而且温度上限主要由流体选择决定。我们在此公开用于将轻质烷烃的实际温度上限增加200-350K的方法，所述方法主要源于结合(a)调节氢气的产生、(b)最小化高温停留时间、(c)使催化活性表面失活、(d)结合在线的薄膜分离工艺、(e)增加冷凝压力、和(f)选择更适宜的流体混合物。

对于使用巳知工质的单一热源来说，工质的汽化潜热和液相与气相之间的比热差异，使得其不可能达到完全优化(接近第二定律极限)。当使用二元热源时，这些问题可能被有效地解决。我们在此公开了一种获得更高总效率的方法，所述方法结合使用中温能源(例如CSP)和低温能源，例如地热、工业废热、低温太阳能集光器、低成本的平板式太阳能集热器、或者海洋温度梯度。

一种最近的CSP ORC实例。

近来(2005)关于太阳能贮槽领域级联式ORC的经济分析(Prabhu，US-NREL/SR-550-39433，2006)显示，仅5MW_PE的电源设备的安装费用就要超过$3/W_PE，其中W_PE是最高电能产量。大多数情况下，这种成本尺度超出了经济可行性-尤其对于太阳能来说，其平均功率通常不到峰值功率的28％。在本研究中，大约三分之二的成本为安装成本。对663K的辐射源温度本研究中预测的最高峰净ORC效率为30.5％，这虽然比近来其它的一些ORC例子中列举的数据高50％，但仍然只是第二定律理论极限值的大约55％，并有300K的下降。然而，因为从正午后ORC和集热器效率降低，全年的平均效率通常为8-18％。

将成本降低一个数量级，需要使得电源设备够紧凑，以使得在工厂检查以后，能将其拆分成相当数量的易分离的组件并很容易地用卡车从工厂转运到野外的地点。在上述的研究中，5MW电源设备使用面积大约5,000m²。这样一个大电源设备的工厂化生产是完全不可能的。其尺寸需要减少一到两个数量级。

高温双源ORC(HT-DORC)概况。