[发明专利]回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及中低温热源利用技术领域，特别是一种以氨水混合物为工质的回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法。

背景技术

中低温热源来源广，数量大，在大力倡导节能减排的今天，得到了广泛的重视。中低温热源主要包括两大部分：第一是工业生产中排放的余热，比如冶金、化工、建材、机械、电力等行业中的各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，由于我国工业能耗约占全国总能耗的三分之二，而50％以上以中低温废热的形式排放掉，因此回收利用这部分热量具有巨大的节能潜力；第二部分是太阳能、地热等中低温可再生能源，随着我国能源结构的调整，可再生能源所占的比例将会越来越大。加强对这些中低温热源的利用，将减少对化石能源的消耗，达到节能减排的效果。

除了直接的热利用(比如干燥、采暖、加热等)，中低温热源还可以用于发电或制冷。近年来采用混合工质进行功冷联供的系统得到了更广泛的关注，该类系统主要采用氨水二元混合物为工质，通过动力子循环和吸收式制冷子循环的有机整合，实现了对热源的高效利用。

美国的Goswami等提出一个基于氨水吸收式制冷循环的功冷联供系统，用蒸气透平取代氨水吸收式制冷循环中的冷凝器和节流阀，将塔顶产出的高压蒸气用于驱动透平做功，再利用透平的低温排气制冷，实现了功冷联供。但由于参与做功和制冷的工质量过少，而且制冷过程主要利用的是低温蒸气的显热，所以制冷量相对较小。

日本Waseda University的Amano等将氨水动力循环和吸收式制冷循环结合，实现功冷联供。该循环从氨水动力循环向制冷循环的精馏塔入口引入浓度较高的溶液，以减小精馏耗热。该循环被用于一个先进联产系统(advanced cogeneration system，ACGS)，上游是燃气轮机和蒸汽轮机联合循环，蒸汽轮机排汽压力约为6bar，作为底部氨水循环的热源。

我国北京化工大学的郑丹星等在Kalina循环的基础上提出一个功冷联供系统，该循环用精馏塔(包含塔顶冷凝器和塔釜再沸器)取代Kalina循环中的闪蒸器，并在精馏塔和高压吸收器之间加入节流阀和蒸发器用于实现制冷功能。但该循环中透平排气热量回收不彻底，排热损失较大。

中国科学院工程热物理研究所的张娜等人在氨水吸收式制冷基础上，加入动力循环所需部件(高压泵、余热锅炉、透平等)，提出了并联型和串联型氨水工质的功冷联供系统来利用排烟热量。所谓“并联”是指动力工质与制冷工质分别来自于精馏塔塔釜和塔顶，是两个独立的利用过程。并联循环中由于动力子循环的工质是塔釜稀溶液，因此浓度较低，透平背压也可以较低，有利于出功，但稀溶液蒸发过程温度变化较小，对烟气换热过程的温度匹配改善程度较低。所谓“串联”是指同一股工质先用于动力循环，再用于制冷循环。串联循环中动力子循环的工质是来自于吸收器的浓溶液，浓度较高，蒸发过程温度变化较大，可以与显热热源进行良好的温度匹配，但透平排气压力较高，不利于出功。在此基础上作者又提出了混联和浓度可调型系统，提高了系统性能，但也使系统更加复杂且难以实现精确的调节控制。

西安交通大学的Wang等对Zhang的并联循环进行简化，因此系统更简单、安全。但该循环中仍存在系统排热温度高的问题。为了提高系统制冷性能，Wang等将喷射器引入该循环，形成了吸收-喷射复合式功冷联供系统。Ma等还研究了适于高温余热资源的氨水工质冷热电联产系统，并将其应用于燃料电池-燃气轮机联合循环的下游，回收利用526℃的燃机排烟热量。

印度Karunya University的Jawahar等在氨水GAX(generator absorber exchange)制冷循环中增加一个透平通路(包括过热器和透平)，与冷凝器、节流阀和蒸发器并联，形成功冷联供系统。该循环通过调节蒸汽分流比，可以实现任意功冷比例的连续调节，但做功和制冷所用的工质都来自于高压GAX换热器产生的蒸气，因此二者也互相限制。

现有的功冷联供循环技术通过做功和制冷子循环的有机整合来梯级利用驱动热源热量，但对循环内部热量的回收利用以及两个子循环之间工质的物质交换并没有给予足够重视。且目前的混合工质循环大多以发电为主，制冷量相对较少，功冷比例不易调节。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有中低温热源驱动的功冷联供系统的缺点，本发明提出了一种回收工质有效成分制冷的功冷联产系统及方法，通过对做功子循环和吸收式制冷子循环进行有机整合，来解决对循环内部热量的回收利用以及动力子循环排气中有效成分没有回收利用等问题。