[实用新型]转换系统、废热回收装置及工业水泥设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及废热回收(waste heat recovery)的领域，并且特别涉及用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统、用于将废热转换为轴功率的废热回收装置以及带有该转换系统的工业水泥设备。 

背景技术

工业过程通常产生废热，例如，通过气体冷凝物或冷却流体产生废热，或废热包含在来自水泥、化学品、玻璃、纸或钢制造过程、来自废物焚化过程或来自内燃机(如燃气轮机或往复式发动机)中的燃料燃烧的排气(exhaust gas)或冷却空气中。这种废热通常被排放到大气。但是，为了提高工业过程的整体效率而不增加排放物的输出，通常采用用于回收废热的底循环(bottoming cycle)。底循环通常需要高排气温度，不过需要较低排气温度的底循环的实例是有机朗肯循环(ORC)。ORC通过使用带有与热源相称的沸腾温度的有机工作流体从低温废热源中产生轴功率。 

该闭合的朗肯循环包括用于蒸发工作流体的蒸发器或锅炉、被供以来自蒸发器的蒸气以驱动发电机或其它负载的涡轮、用于冷凝来自涡轮的排放蒸气的冷凝器以及用于使冷凝的工作流体循环到蒸发器的器械(例如泵)。这种朗肯循环系统用于产生电功率。举例来说，专利US 6,880,344描述了一种闭合的朗肯循环，其可高效地使用来自往复式发动机系统或燃气涡轮发动机系统中的多个源的废热。 

文件WO 2008/074637公开了一种用于将来自废热源的废热转换为轴功率的系统，该系统包括闭合的朗肯循环系统，该朗肯循环系统包括用于蒸发工作流体并通过废热加热的蒸发器、由蒸发的工作流体 驱动且连接到轴上的涡轮以及在涡轮与蒸发器之间以流体的方式互相连接(interconnect)的冷凝器。在蒸发器处的废热温度低于350℃，且蒸发的工作流体的压力不超过8bar。适合这些条件的工作流体(如称为R-245fa的工作流体)是有机、无毒且氟化的。结果，氟化的流体可逸散。流体在化学上是稳定的并且是温室气体，即，其促进气候变化，并因此可能受制于环境法规。最终，对于系统可能需要专用和高成本的措施来避免工作流体残余物逸散到大气。 

实用新型内容

本实用新型的目的是缩小基于有机朗肯循环ORC的废热转换系统的覆盖面积(footprint)。通过根据独立权利要求的用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统、用于将废热转换为轴功率的废热回收装置以及带有该转换系统的工业水泥设备来实现该目的。 

根据本实用新型的一个实施例，提供一种用于将来自废热源的废热转换为轴功率的转换系统，该转换系统具有闭合的朗肯循环系统，该朗肯循环系统包括：通过废热加热的蒸发器；连接到轴上且由在蒸发器中蒸发的ORC工作流体驱动的涡轮；在涡轮和蒸发器之间以流体的方式互相连接的冷凝器；布置在冷凝器和蒸发器之间的泵；带有涡轮和泵的底层模块；以及带有冷凝器的顶层模块，在运行的转换系统中，该顶层模块布置在底层模块之上。 

所提出的转换系统的模块化设计使得能够在工厂场地进行大量的预制并且在运输到运行场地之前对单独的模块进行预先测试。将顶层模块安装在底层模块的顶部缩小了系统的覆盖面积，即所需的地面面积，并且通常有助于紧凑的设计。底层模块置放在地平面，因此有资格的人员可容易地接近其构件以便进行维护和修理。在就重力而言顶层模块安装在其它模块之上或顶部的情况下，循环通过冷凝器的被加热的冷却空气可借助于自然对流上升到开口而不会由其它工艺构件阻挡。 

在优选的实施例中，底层模块还包括可能需要维护的机电构件，例如联接到轴上的发电机。 

优选地，带有标准模块的转换系统也可形成发电设备或发电设备的一部分，并且可通过变更将热源连接到转换系统上的中间回路而使发电设备适合每一种废热源。 

在优选实施例中，顶层模块可具有可标准化且可模块化地彼此相邻布置在水平面中的冷凝器。 

优选地，可根据所需的转换功率和/或由热源所产生的废热的量以模块化的方式更换该转换系统的涡轮和泵。 

在有利的实施例中，ORC工作流体是有机、无毒且未氟化的。回到不带有氟的ORC工作流体减少了环境方面的担忧而无需专门的泄漏预防，并因此有利于公众接受该废热转换系统。 

优选地，ORC工作流体包括纯碳氢化合物如异丁烷(C₄H₁₀)和戊烷(C₅H₁₂)或其组合。这种ORC工作流体以气相和液相在高于环境压力的压力下在朗肯循环中循环。这改善了自行起动(black-start)能力，因为不必在涡轮之后产生真空以起动系统。