一种泥浆低温余热发电及冷却降温一体化系统

技术领域

本发明属于余热回收领域，特别涉及一种利用需要对泥浆进行冷却并同时将泥浆余热发电的设备。本系统采用低温有机朗肯循环(ORC)机组和特殊设计的泥浆换热器，将泥浆降温冷却需求和余热发电进行耦合，实现一机两用，既提高能源利用率，又降低碳排放。

背景技术

余热资源属于二次能源，是一次能源或可燃物料转换后的产物，或是燃料在完成某一工艺过程后所剩下的热量。我国工业用能领域排放大量余热，其中有一半是低品位的中低温热源，即200℃以下的烟气和100℃以下的液体、乏汽等。由于品位低，可利用温差小，回收利用较为困难。受低温余热回收的技术经济性制约，这部分余热目前很少被回收利用，大多被直接排放到环境中，进而造成能量浪费和环境污染。

当前不少化工工业生产场景中会产生出大量的热量，需要依靠水携带和散出，而这些余热载体有的呈现泥浆状态，但和普通泥浆不同，这些工业产生的泥浆会包含水、油、固相物以及各种必要的处理剂。为了保证系统安全稳定、长期可靠运行，需要将泥浆进行冷却，避免温度过高，进而继续吸收生产过程多余的热量，此时泥浆需要循环使用。根据冯壕辛等人的《高温钻井液高效冷却系统设计与模拟研究》可知，目前在国内类似场景往往利用泥浆冷却器或电制冷设备，通过消耗大量电能将热量直接散入外界环境中，没有考虑将泥浆中的余热回收利用，造成了明显的能源消耗和资源浪费，不利于节能减排和生产成本的控制。在考虑节能减排的同时也要考虑工业企业本身的实际需求，有必要结合冷却过程对泥浆余热进行回收利用，实现泥浆降温的同时发电，做到净零能耗降温和低碳生产。

本发明为泥浆设计特制换热器在降低生产过程泥浆温度的同时，提取其中的热量供ORC机组发电，由于泥浆降温属于硬性指标，因此当ORC机组中余热回收换热器降温程度不足时采用串联冷却器进一步降温。本发明考虑到设备需要在企业不同厂区和位置的应用，因此设备采用集装箱撬装式模块化设计。

发明内容

本发明的目的在于提出一种化工等工业行业泥浆余热回收发电及降温一体化撬装设备，同时实现泥浆冷却和余热发电，最大限度利用泥浆中携带的热量。泥浆粘性大、杂质多、密度大、腐蚀性高、易堵塞和易磨损的特性，还含有必要添加剂及油水混合物，因此需要先通过特殊设计的换热器提取热量，然后ORC机组利用该部分热量发电，发电量供系统自用的同时，如有富余，还可为井场其他设备提供能源，如泥浆泵和冷却水泵等，进而提高了能源利用率。

当泥浆温度较高时，不能全部回收或全部回收余热时设备尺寸较大而经济性较低时，本发明只回收部分高温段余热，剩余部分通过串联冷却器降温从而实现大幅温降，同时尽量减少外部电耗。因此本发明分为两种方案，一种方案是当泥浆温度不到90℃时，可利用高温段余热进行发电，此时经过发电后的泥浆温度可降低20℃，已经可以达到降温要求，第二种方案是当泥浆温度90℃以上时，只回收部分余热发电，发电后的泥浆温度仍较高，此时为满足温降要求，需对泥浆采用串联冷却器进一步降温，串联冷却器会消耗一定的ORC发电量或ORC发电量不足时也会消耗一定外部电量。

本发明的技术方案：

一种泥浆低温余热发电及冷却降温一体化系统，当工业泥浆温度不到90℃时，可回收高温段有用余热进行发电，并满足温降需求；该泥浆低温余热发电及冷却降温一体化系统包括热管换热器1、蒸发器2、预热换热器3、膨胀机4、发电机5、发电及并网控制柜6、冷却塔7、冷却水循环泵8、工质泵9、热水循环泵10、清水水箱11、蓄电池控制器12、蓄电池组13、清水泵14和污水水箱15；

具体实现过程如下：

工业泥浆进入到热管换热器1中进行换热，把热量传递给水，水和工业泥浆不直接接触；换完热后的工业泥浆温降到达20℃时，直接回到生产现场的泥浆罐中；由热管换热器1出来的热水直接进入到蒸发器2中，用于将由预热换热器3中出来的液态制冷剂加热至气态，同时压力升高；换完热的热水由蒸发器2出来后进入到预热换热器3，此时热水和制冷剂仍有较大的温差，热水将部分热量转递给刚由工质泵9送至预热换热器3中的制冷剂，做到最大限度的利用热量；由预热换热器3出来后的热水经热水循环泵10加压送至热管换热器1中，开始新的一轮热水循环；制冷剂在预热换热器3中先开始预热，然后进入到蒸发器2，经热水加热后发生相变，变为高温高压的气态，再进入到膨胀机4，进行绝热膨胀，对外做功，推动发电机5开始发电；发电及并网控制柜6控制发出的电量，供以下设备用电，包括冷却塔7中的风机、冷却水循环泵8、工质循环泵9、热水循环泵10、蓄电池控制器12和蓄电池组13；在膨胀机4中做完功的制冷剂压力变低，进入到冷却塔7进行冷却作业；冷却塔7采用风冷与水冷相结合的冷却方式，制冷剂在管道中，不与外界接触；冷却塔7顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到装有制冷剂的管道进行降温；冷却水循环泵8将冷却水由冷却塔7底部输送到冷却塔顶部，加压喷射到管道上，同风机一起降温；冷却完的制冷剂变为低温低压的液态，经工质泵9加压送至预热换热器3中，开始新一轮的制冷剂循环。

当工业泥浆温度90℃以上时，只回收部分余热发电，以提高效率，为满足温降要求，需对工业泥浆采用串联冷却器进一步降温；该泥浆低温余热发电及冷却降温一体化系统包括热管换热器1、蒸发器2、预热换热器3、膨胀机4、发电机5、发电及并网控制柜6、冷却塔7、冷却水循环泵8、工质泵9、热水循环泵10、清水水箱11、蓄电池控制器12、蓄电池组13、清水泵14、污水水箱15、泥浆冷却器16和泥浆冷却泵17；

具体实现过程如下：

工业泥浆进入到热管换热器1中进行换热，把热量传递给水，水和工业泥浆不直接接触；换完热的工业泥浆进入到泥浆冷却器16，泥浆冷却器16同时采用风冷与水冷两种方式对工业泥浆进行二次降温，泥浆冷却器16顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到管道表面上进行降温；泥浆冷却泵17将冷却水由泥浆冷却器16底部输送到泥浆冷却器16顶部，加压喷射到管道上，同风机一起降温；当工业泥浆达到温降要求时，由泥浆冷却器16出来后回到生产现场的泥浆罐中；由热管换热器1出来的热水直接进入到蒸发器2中，用于将由预热换热器3中出来的液态制冷剂加热至气态，同时压力升高；换完热的热水由蒸发器2出来后进入到预热换热器3，此时热水和制冷剂仍有较大的温差，热水将部分热量转递给刚由工质泵9送至预热换热器3中的制冷剂，做到最大限度的利用热量；由预热换热器3出来后的热水经热水循环泵10加压送至热管换热器1中，开始新的一轮热水循环；制冷剂在预热换热器3中先开始预热，然后进入到蒸发器2，经热水加热后发生相变，变为高温高压的气态，再进入到膨胀机4，进行绝热膨胀，对外做功，推动发电机5开始发电；发电及并网控制柜6控制发出的电量，供以下设备用电，包括冷却塔7中的风机、冷却水循环泵8、工质泵9、热水循环泵10、蓄电池控制器12和蓄电池组13、泥浆冷却器16中的风机和泥浆冷却泵17；在膨胀机4中做完功的制冷剂压力变低，进入到冷却塔7进行冷却作业；冷却塔7采用风冷与水冷相结合的冷却方式，制冷剂在管道中，不与外界接触；冷却塔7顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到装有制冷剂的管道进行降温；冷却水循环泵8将冷却水由冷却塔7底部输送到冷却塔顶部，加压喷射到管道上，同风机一起降温；冷却完的制冷剂变为低温低压的液态，经工质泵9加压送至预热换热器3中，开始新一轮的制冷剂循环。

进一步，对热管换热器1进行清洗作业，清洗时，蓄电池控制器12控制蓄电池组13为清水泵14供电，清水泵14将清水水箱11中的水加压送至热管换热器1中，进行清洗作业；清洗完后，打开污水阀，污水流到污水水箱15，污水水箱15用于存储污水；若系统长时间不运行时，需要将热管换热器1充满清水，封闭污水阀，预防锈蚀；待再次运行时，需要先打开污水阀，将热管换热器1中的存水放空。

热管换热器1适配于化工企业泥浆的独特的属性，尤其是油基含水和固体颗粒物的三相非均匀体系，颗粒物在该类体系中受到一定排斥，对材料具有明显磨损，固形物含量高达45％以上，必须采用足够耐磨蚀的材质，除此之外，固形物含量的增大，黏度增加，严重增加了换热器内部堵塞的风险，对于换热器流道和换热形式的选择及特殊设计提出了极高的要求。除此之外，换热器还需要满足防腐要求，保证橡胶密封不能接触泥浆，还需要采用耐受泥浆高氯离子浓度的材质。其两端的介质分别为泥浆和水，两介质不直接接触，只是通过热管换热器1将泥浆中的热量提取出来，加热热水，通过热水为后续的设备提供能量。热管换热器1换完热后的泥浆温降到达20℃，直接回到泥浆罐中，进入化工企业后续生产环节。

进一步，热管换热器，包括换热器箱体、中间孔板、热管和折流板；

换热器箱体分为上下结构，上下结构通过中间孔板隔开；上层结构为冷侧，循环介质为清水，清水通过清水入口流入，通过清水入口流出；下层结构为热侧，循环介质为工业泥浆，工业泥浆通过泥浆入口流入，通过泥浆出口流出；上层结构和下层结构中的循环介质不直接接触，且流向相反；

中间孔板上的孔用于安装热管，二者间密封固定；

热管的两端口封闭，其上半部分为翅片管，位于上层结构内；其下半部分为光管，位于下层结构内；

折流板设置于换热器箱体；

吹扫孔位于下层结构所在的换热器箱体表面；

排污孔位于换热器箱体的最下部。

进一步，折流板和换热器箱体的底板之间预留8mm空隙，用于泥浆排出。

换热器箱体的材质为Q235钢材质，热管的材质采用Q235钢铝复合材质。

换热器箱体带有80mm的岩棉保温。

换热器箱体的底板和中间孔板倾斜布置，倾斜角度为3°。

热管与中间孔板采用焊接加螺纹的连接方式。

每组折流板中间预留两排吹扫孔。

蒸发器2两端的介质为热水和制冷剂，由热管换热器1出来的热水进入到蒸发器2中，将由预热换热器3中出来的制冷剂加热至气态，同时压力升高。

预热换热器3两端的介质为热水和制冷剂，由蒸发器2中出来的热水温度较高，通过预热换热器3将热量转递给制冷剂，提高热量利用率，最大限度的利用热量。

膨胀机4是做功的主要设备，由蒸发器2中出来的高温高压的气态制冷剂在膨胀机4中绝热膨胀，对外做功，做完功后压力降低。

发电机5在膨胀机4的带动下，开始进行发电作业，发出的电能受发电及并网控制柜6的控制，提供电力给冷却塔7中的风机、冷却水循环泵8、工质泵9、热水循环泵10、蓄电池控制器12、蓄电池组13、泥浆冷却器16中的风机和泥浆冷却泵17。

冷却塔7是风冷与水冷相结合的，由膨胀机4出来的制冷剂进入到冷却塔7中，制冷剂在管道中，不与外界接触。冷却塔7顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到装有制冷剂管道的表面，进行降温作业。

冷却水循环泵8将冷却水由冷却塔底部输送到冷却塔顶部，加压喷射到管道上，同风机一起为制冷剂降温。

工质泵9将低温低压的液态制冷剂加压送至预热换热器3中，考虑到制冷器的特殊性，对工质泵9的密封性有很高的要求。

热水循环泵10将由预热换热器3中出来的水加压送至热管换热器1中，为热水循环提供动力。

清水水箱11是为了清洗热管换热器1，其大小依据热管换热器1决定。考虑应用场合的生产作业可能不是连续的，在短暂不作业的这几天时，需要清洗或吹扫热管换热器1，主要为了防止其堵塞和腐蚀，保持换热效率。

蓄电池控制器12与蓄电池组13相连接，主要作用是控制蓄电池组13的蓄电与放电。当设备不作业时，需要打开蓄电池控制器12控制蓄电池组13放电，为清水泵14提供电能，清水泵14将清水水箱11中的水加压送至热管换热器1中，进行清洗作业。清洗完后，打开污水阀，将污水排放到污水水箱15，污水水箱15用于存储污水。

当泥浆余热不能全部回收或全部回收时设备尺寸较大而经济性较低时，可只回收部分高温段余热。此时，采用方案二，由特殊设计热管换热器1换完热后的泥浆进入到泥浆冷却器16。

泥浆冷却器16的冷却方式也是风冷和水冷相结合式。由热管换热器1出来的泥浆温降达不到20℃，满足不了后续工艺要求，则需要进入泥浆冷却器16进行降温作业。泥浆冷却器16采用的是热管式冷却器，泥浆不与外界接触。泥浆冷却器16顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到管道表面上进行降温。

泥浆冷却泵17将冷却水由泥浆冷却器16底部输送到其顶部，加压喷射到管道上，同风机一起降温。

本发明的有益效果：本发明提出一种化工等工业企业泥浆余热回收发电及降温一体化技术，在满足要求的泥浆温降的前提下，能回收其余热，利用余热通过ORC机组进行发电，且发出的电量能基本满足整个系统自身用电量，如有多出的电量还可以供场区其他用电设备。本发明优化设计，可将ORC模块机组整合在集装箱内做成可移动撬装机组模块，灵活方便。

现有的冷却降温系统全部使用冷却塔对泥浆进行降温处理，既耗费大量的电能，增加成本，又浪费余热，造成资源浪费。本发明既能回收余热，提高能源利用率，减少碳排放，是对“双碳”目标的助力，提高企业生产效率，增加效益。

附图说明

图1为一种泥浆低温余热发电及冷却降温一体化技术的流程图。

图2为泥浆余热品位较高时，图1泥浆低温余热发电及冷却降温一体化技术的改进。

图3为一种适用于工业泥浆余热利用的热管换热器的外形图。

图中：1热管换热器；2蒸发器；3预热换热器；4膨胀机；5发电机；6发电及并网控制柜；7冷却塔；8冷却水循环泵；9工质泵；10热水循环泵；11清水水箱；12蓄电池控制器；13蓄电池组；14清水泵；15污水水箱；16泥浆冷却器；17泥浆冷却泵。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种泥浆余热回收发电及降温一体化撬装设备系统，整个系统循环介质有三种，分别为泥浆、热水、制冷剂。其中制冷剂可根据发电效率要求进行选择，包括R245fa、R1234yf，在场景符合要求时也可以采用氨。

由固控设备出来的工业泥浆进入到热管换热器1进行换热，把热量传递给热水，二者不直接接触。换完热后的泥浆温降到达20℃时，直接回到生产现场的泥浆罐中，进入下一工艺流程，开始新一轮的循环。若泥浆余热不能全部回收或全部回收时不符合经济性时，换完热的工业泥浆进入到泥浆冷却器16。泥浆冷却器16同时采用风冷与水冷两种方式对泥浆进行二次降温，泥浆冷却器16顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到管道表面上进行降温。泥浆冷却泵17将冷却水由冷却器16底部输送到泥浆冷却器16顶部，加压喷射到管道上，同风机一起降温。当泥浆达到温降要求时，由泥浆冷却器16出来后回到泥浆罐中，进入下一工艺流程，开始新一轮的循环。

刚由热管换热器1换完热出来的热水直接进入到蒸发器2中，将由预热换热器3中出来的制冷剂加热至气态，同时压力升高。换完热的热水温度还较高，为了提高热量利用效率，热水由蒸发器2出来后进入到预热换热器3，此时热水和制冷剂有较大的温差，热水将部分热量转递给刚由工质泵9送至预热换热器3中的制冷剂，做到最大限度的利用热量。由预热换热器3出来后的热水经热水循环泵10加压送至热管换热器1中，开始新的一轮热水循环。

制冷剂在预热换热器3中先开始预热，然后进入到蒸发器2，经热水加热后发生相变，变为高温高压的气态，再进入到膨胀机4，进行绝热膨胀，对外做功，推动发电机5开始发电。发电及并网控制柜6控制发出的电量，供以下设备用电，包括冷却塔4中的风机、冷却水循环泵8、工质泵9、热水循环泵10、蓄电池控制器12、蓄电池组13、泥浆冷却器16中的风机和泥浆冷却泵17。在膨胀机4中做完功的制冷剂压力变低，进入到冷却塔7进行冷却作业。冷却塔7采用风冷与水冷相结合的冷却方式，制冷剂在管道中，不与外界接触。冷却塔7顶部配备风机，开启后将低温的空气吹送到装有制冷剂的管道进行降温。冷却水循环泵8将冷却水由冷却塔底部输送到冷却塔顶部，加压喷射到管道上，同风机一起降温。冷却完的制冷剂变为低温低压的液态，经工质泵9加压送至预热换热器3中，开始新一轮的制冷剂循环。

清洗设备是在整个系统短时间或者长时间不运行时，对热管换热器1进行清洗作业，防止其堵塞和腐蚀，保持换热效率。清洗时，蓄电池控制器12控制蓄电池组13为清水泵14供电，清水泵14将清水水箱11中的水加压送至热管换热器1中，进行清洗作业。清洗完后，打开污水阀，污水流到污水水箱15，污水水箱15用于存储污水。若系统长时间不运行时，需要将热管换热器1充满清水，封闭阀门，预防锈蚀。待再次运行时，需要先打开污水阀，将热管换热器1中的存水放空。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。