[发明专利]一种基于二氧化碳基纳米混相高导磁流体的低温余热发电系统

说明书

本发明公开了一种基于二氧化碳基纳米混相高导磁流体的低温余热发电系统；该系统能提高低温余热利用效率，回收利用更低温度范围内的工业废热，并直接将热能转化为电能，去除“热能‑机械能‑电能”能量转化模式的中间转化环节；该系统具备更高效的能量转化率，更低的低温余热利用范围，更简单紧凑的结构设计，除了能利用水泥、钢铁、热电、陶瓷和有色金属等领域的低品味热源发电，也能利用太阳能、地热能和海水热能等新能源发电。

技术领域

本发明涉及低温余热发电领域，尤其涉及一种基于二氧化碳基纳米混相高导磁流体的低温余热发电系统。

背景技术

目前，主流的发电方式为基于煤炭和天然气等化石燃料的火电，但化石燃料作为一种非可再生能源，终有耗尽的一天。目前，一种非常有前景的方案是利用低品位热源来发电。工业废热排放大的行业如水泥、钢铁、热电、陶瓷和有色金属等，这些行业不但是废热的排放大户，而且也是室温气体排放的主要行业。

目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3％、美国的28.6％。我国工业用能中近60～65%的能源转化为余热资源。目前余热利用最多的国家是美国，它的利用率达60%，欧洲的利用率是50%，我们国家只有30%。就废热（余热）利用现状来看，我国还有很大的利用空间。目前国内工业企业的350℃以下的低温余热占余热总量的60%以上，因其利用价值较低，回收技术相对落后，回收率和回收价值低，且投资收回期长（6～7年）而被大多数企业放弃。

我国的水泥、钢铁和陶瓷等高耗能产业发展迅速，带动了高、中温余热发电的快速发展，已经形成了比较完备的产业，但低温余热发电则刚刚开始。随着世界范围内的能源紧缺，各国正致力于节能和减排，力争可持续地发展。基于能源紧缺的这样一个事实，低温余热利用的问题成了越来越重要的能源努力方向，各国都在加强这方面的投入和研究，希望获得更大和更多的收益。

目前，低温余热发电技术主要包括以下几种：

1、有机工质循环发电系统

有机工质循环发电系统是区别于传统的以水（蒸汽）为循环工质的发电系统，采用有机工质（如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷和异丁烷等）作为循环工质的发电系统，由于有机工质在较低的温度下就能气化产生较高的压力，推动涡轮机（透平机）做功，故有机工质循环发电系统可以在烟气温度200℃左右，水温在80℃左右实现有利用价值的发电。这项技术在发达国家就是比较先进的应用技术，近年来我国有的企业通过引进吸收，也掌握了这项技术，也有较优秀的产品在国内外应用。

2、斯特林热气机循环发电系统

斯特林热气机循环发电系统是利用低温余热发电的废热回收装置，可回收100℃至300℃的废热，能达到20%的发电效率。从数据来看，其发电效率优于目前市场的低温蒸汽循环发电系统和有机工质发电系统的发电效率，该系统在100℃的废热条件下发电效率达7.3%，150℃的条件下发电效率达13.7%，200℃的条件下发电效率达18.4%，250℃的条件下发电效率达22.1%，300℃的条件下发电效率达25.0%。在这样的废热温度条件下能达到这样的发电效率是目前可以看到的最好的水平，达到了从低温热能转化为电能的先进的技术水平。在低温到中等温度（100～300℃）范围内，斯特林发动机是将低级别热能传化成机械或电力的最佳选择。

3、超临界二氧化碳循环发电系统

超临界二氧化碳发电系统是超临界二氧化碳液体为郎肯循环系统的工质，以二氧化碳透平专用涡轮机为核心技术的最新余热发电技术。此发电系统在余热发电方面有较宽泛的应用优势，各项技术指标都优于在用的水蒸汽浪肯循环系统和当前最先进的有机浪肯循环系统，特别是在发电效率和设备体积方面有着明显的优势。超临界二氧化碳热机是一种平台技术，效率可达30%。应用范围包括燃气轮机、固定式动力发电机组、工业废热回收、太阳能热量、地热和混合内燃机等的循环热能。当前，由于机械加工与密封等方面的技术限制，我国在超临界二氧化碳透平循环发电方面还处于试验研发阶段。