CN102183152A - 钢铁企业伴生能源联合循环发电系统及发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，包括燃料气制备子系统、化学链燃烧子系统和热气-蒸汽联合循环发电子系统。本发明还公开了采用该发电系统的发电方法，由高炉煤气和/或焦炉煤气中提取出的混合气作为燃料反应器的供应气，载氧体在燃料反应器中与燃料气发生还原反应，生成CO2和水蒸气，载氧体还原产物通过返料通道，在空气反应器中再生；空气反应器和燃料反应器排气及冷却机热废气进入热气-蒸汽联合循环发电系统发电。该发电系统不仅可以缓解当前钢铁企业CO2减排压力，而且可使钢铁企业余热余能得以发挥其最大潜能，发电方法简单易操作。
Description
技术领域
本发明主要涉及冶金和钢铁等企业余热余能回收利用领域，特别涉及一种钢铁企业伴生能源联合循环发电系统及发电方法。
背景技术
我国钢铁工业的能源消耗占全国总能耗的10％～15％，其中炼铁工序(烧结、高炉)对钢铁企业的整体能耗和粉尘、SO2、CO2等污染物的排放影响很大，约占50％以上。炼铁生产过程产生大量的二次能源和余热余能。炼铁产生的煤气，相当于总能耗的20％～25％，炼焦、烧结与高炉产生的余热余能相当于总能耗的12％～15％。若能将煤气有效利用，余热余能充分回收，则利用和回收的能量可达总能耗的1/3。
钢铁企业伴生能源种类繁多，包括高炉煤气、焦炉煤气、烧结烟气、冷却机热废气及高炉渣显热等。高炉煤气(blast furnace gas，BFG)是炼铁过程产生的伴生气，因其受热值低、含尘含水量大、压力波动大等因素的影响，在钢铁企业中难以适应生产的需要。而随着全烧高炉煤气锅炉发电、燃气蒸汽联合循环发电和高温蓄热燃烧等技术的出现，为高炉煤气的有效利用提供了良好的途径。焦炉煤气(coke oven gas，COG)是在炼焦过程中产出焦炭和焦油的同时所得到的可燃气体，是炼焦过程的副产品，因其热值较高，故可用作燃料、制备化工原料(如制取氢气、甲醇等)、直接还原铁等。烧结机主烟道气和冷却机热废气是烧结工序中产生的伴生余热，其基本特点为：热源品质整体较低，热废气温度波动大，热源的连续性难以保证。早在20世纪80年中期，日本烧结厂的余热回收技术已得到广泛应用。2005年，马钢第二炼铁总厂在两台300m2烧结机上建成了国内第一套余热发电系统并网发电。2007年，济钢第二烧结厂320m2烧结机余热发电工程运行投产。高炉渣显热属高品质余热，其出炉温度在1400～1550℃之间，每吨渣含(1260～1880)×103kJ的显热，相当于60kg标准煤的热值。炉渣热能回收方法可概括为两大类：介质换热法和化学反应法。前者是利用高炉渣与介质接触或辐射进行热交换，然后利用高温介质能量发电或它用，其主要有日本的内冷转鼓法、转轮粒化法、风淬法及英国的离心转盘法等；后者是利用高炉渣显热能量促使化学反应进行，以回收利用高炉渣余热。我国高炉渣余热回收利用仅限于冲渣水余热供暖，且受时间和地域限制，在夏季和无取暖设施的南方地区，其推广应用难以展开。
由CO2等温室气体引发的全球气候变化已成为国际社会关注的焦点，其中CO2减排应成为钢铁企业必须关注和解决的重大环境问题。从全球来看，工业生产所产生的CO2占全球排放量的20％以上，而钢铁生产产生的CO2占工业总排放的15％～20％。近年来，CO2捕捉和存储(carbon dioxide capture and storage，CCS)技术在电力行业已受到广泛关注，而其在钢铁行业所受的关注程度也正在提升。目前，实现温室气体减排的主要手段包括调整能源结构、提高能源利用效率及能源系统分离并回收CO2。而当前，CO2分离的焦点集中在“零排放”上，忽视了其带来的巨大能耗及对经济和政策的影响。以大型燃煤电厂为例，600MW、1000MW等级的机组，利用超超临界蒸汽参数，其效率为43％～45％，若采用尾部烟气脱除CO2，效率将下降11个百分点。因此，CO2减排的革新技术应当是建立在系统创新基础上的低能耗甚至是“零能耗”的分离CO2。以“零能耗”的思路取代“零排放”是CO2减排的主要途径。化学链燃烧的能源环境系统是能源科学与环境科学交叉的新兴领域，它具有零能耗分离CO2和提高系统效率的特点，被认为是同时解决能源利用与环境协调问题的重要突破口。
剖析钢铁企业伴生能源回收利用现状后，不难发现：虽然钢铁企业伴生能源均不同程度地被回收利用，但是禁锢于传统回收技术与方法，各项伴生能源因分散回收利用，其效果不显著，且未从钢铁企业整体角度考虑，需要考虑如何将不同种类不同品位的钢铁企业伴生能源高效、综合、梯级利用，从而摆脱传统钢铁企业余热余能回收方法的束缚。
发明内容
本发明提供了一种钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其不仅可以缓解当前钢铁企业CO2减排的压力，而且可使钢铁企业余热余能发挥出最大潜能，能够充分利用钢铁企业余热余能。
本发明还提供了一种基于化学链燃烧的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统的发电方法，该方法易于控制，便于应用。
一种钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，包括燃料气制备子系统、化学链燃烧子系统和热气-蒸汽联合循环发电子系统；
所述的燃料气制备子系统包括用于处理高炉煤气和/或焦炉煤气的燃料气处理装置及燃料气混合器；所述的燃料气处理装置包括依次通过管道连接的压缩设备、净化设备、变压吸附设备和负变压吸附设备；其中，所述的变压吸附设备设有用于导出变压吸附设备分离出的气体的第一出口以及用于导出变压吸附设备中剩余气体的第二出口，第一出口与燃料气混合器的入口连通，第二出口与负变压吸附设备的入口连通，负变压吸附设备的出口与燃料气混合器的入口连通；
所述的化学链燃烧子系统包括燃料反应器、空气压缩机、空气反应器、载氧体给料通道、载氧体返料通道和载氧体循环密封装置；其中，载氧体给料通道一端与空气反应器连通，另一端与燃料反应器连通；载氧体循环密封装置一端通过载氧体返料通道与燃料反应器连通，另一端通过载氧体返料通道与空气反应器连通；
所述的热气-蒸汽联合循环发电子系统包括第一热气体透平、第二热气体透平、蒸汽透平、余热锅炉及发电机；其中，所述的余热锅炉中设有用绝热隔板隔开的第一换热空间和第二换热空间；
所述的燃料反应器的入口与燃料气混合器的出口连通，燃料反应器的出口与第二热气体透平连通，第二热气体透平的出口与第二换热空间的入口连通；空气反应器的入口与空气压缩机的出口连通，空气反应器的出口与第一热气体透平连通，第一热气体透平的出口与第一换热空间的入口连通；第一换热空间的蒸汽出口和第二换热空间的蒸汽出口均与蒸汽透平的入口连通，蒸汽透平的出口连接凝汽器；
所述的空气压缩机与第一热气体透平、第二热气体透平、蒸汽透平及发电机分别通过第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器及第四联轴器依次连接。
所述的燃料气处理装置可根据实际需要如待处理的燃料气的来源以及处理量设置一套或多套，可包括一套或多套用于处理高炉煤气的燃料气处理装置，以及一套或多套用于处理焦炉煤气的燃料气处理装置。
所述的空气压缩机、第一热气体透平、第二热气体透平、蒸汽透平及发电机优选同轴布置，以简化设备构成，节省投资，同时避免能量反复转换，提高机组热效率。
所述的载氧体循环密封装置采用N2密封，以防止燃料反应器中生成的CO2和水蒸汽的混合气与空气反应器中的空气掺混。
所述的空气反应器设有用于引入高炉渣显热的入口，以进一步利用高炉渣显热，促使化学反应发生。
所述的燃料反应器设有用于引入高炉渣显热的入口，以进一步利用高炉渣显热，促使化学反应发生。
为了进一步循环利用能源，优选：
所述的余热锅炉的第二换热空间连有用于回收余热锅炉第二换热空间排出的CO2的CO2回收装置；
所述的CO2回收装置包括冷凝器、CO2压缩机和CO2储气罐；冷凝器的入口与余热锅炉的第二换热空间的出口通过管道相连，冷凝器底部出口用于排出液态水，冷凝器顶部出口与CO2压缩机的入口连接，CO2压缩机的出口与CO2储气罐相连。
所述的热气-蒸汽联合循环发电子系统包括用于将所述的蒸汽透平中做功后的蒸汽回收循环至余热锅炉的蒸汽透平水循环装置；
所述的蒸汽透平水循环装置包括凝汽器、凝结水泵、除氧器和给水泵，凝汽器的入口与蒸汽透平的出口相连，凝汽器的出口与凝结水泵的入口相连，凝结水泵的出口与除氧器的入口相连，除氧器的出口与给水泵的入口相连，给水泵的出口与余热锅炉的第一换热空间和第二换热空间的进水口相连，使蒸汽透平中做功后的蒸汽再次进入循环系统。
所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，还可以包括烧结烟气处理子系统；
所述的烧结烟气处理子系统包括烧结机、除尘装置、引风机、破碎机、带风机的冷却机和冷却热废气集气罩；其中，除尘装置的入口与烧结机相连，除尘装置的出口与引风机的入口连接，引风机的出口通过管道引至烧结机的矿料入口，破碎机布置在烧结机的尾部，破碎机的尾部布置有带风机的冷却机，冷却机的上方布置有冷却热废气(热空气)集气罩，冷却热废气集气罩通过管道与余热锅炉的第一换热空间相连。
利用所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统的发电方法，包括以下步骤：
(1)将高炉煤气和/或焦炉煤气依次通过压缩设备、净化设备和变压吸附设备处理后分离出H2或者H2和CH4，分离出的H2或者H2和CH4直接通入燃料气混合器，剩余气体通过负变压吸附设备分离得到CO，得到的CO通入到燃料气混合器，得到由H2和CO组成或者由H2、CH4和CO组成的燃料气；
(2)将载氧体和来自燃料气混合器的燃料气在燃料反应器中发生化学反应，得到载氧体还原后的还原产物，并生成CO2和水蒸气；还原产物在自身重力作用下通过载氧体返料通道及载氧体循环密封装置进入空气反应器；净化后的空气经空气压缩机压缩后进入空气反应器，与还原产物发生化学反应，得到再生的载氧体；空气反应器中再生的载氧体随气流通过载氧体给料通道再次进入燃料反应器，与燃料气发生化学反应，如此往复；
(3)由空气反应器排出的气体，包括N2和未反应的O2，进入第一热气体透平膨胀做功后，将空气反应器侧循环中的热气体(即经过第一热气体透平膨胀做功后的气体)排入余热锅炉的第一换热空间；由燃料反应器排出的CO2和水蒸气的混合气，进入第二热气体透平膨胀做功后，将燃料反应器侧循环中的热气体(即经过第二热气体透平膨胀做功后的混合气)排入余热锅炉的第二换热空间，第一热气体透平和第二热气体透平膨胀做功推动发电机发电；
(4)给水在余热锅炉的第一换热空间和第二换热空间中，与第一换热空间和第二换热空间中的热气体换热后，产生两股不同温度及压力的蒸汽，进入蒸汽透平膨胀做功，推动发电机发电。
所述的载氧体为金属氧化物；所述的金属氧化物优选为Fe2O3颗粒，其粒径优选为1.0mm～2.0mm。
所述的发电方法还包括以下步骤：
所述的第二换热空间中放热后的气体，进入冷凝器冷却；冷凝器底部出口排出液态水，顶部出口排出CO2，排出的CO2经CO2压缩机压缩后，进入CO2储气罐封存；
来自烧结机的烧结烟气，经除尘装置除尘后，在引风机的抽吸作用下，送入烧结机的矿料入口，预热矿料；预热后的热烧结矿从烧结机的尾部落下，经破碎机破碎后，再到冷却机上进行冷却；冷却后产生的热废气(热空气)经热废气集气罩收集后引入余热锅炉的第一换热空间，在第一换热空间中放热后的气体，经烟囱排入大气；
进入蒸汽透平膨胀做功后的蒸汽由蒸汽透平排出后，进入凝汽器冷凝；从凝汽器出来的凝结水，在凝结水泵的抽吸作用下，进入除氧器；经除氧后的给水，在给水泵的输送下，分别进入处在余热锅炉不同换热空间中的蒸发器；给水与换热空间中的热烟气换热后，生成两股不同温度及压力的蒸汽，进入蒸汽透平膨胀做功，推动发电机发电，循环使用。
所述的发电方法中还引入钢铁企业伴生能源中的高炉渣显热，对空气反应器和燃料反应器中的反应进行加热。
所述的空气反应器内温度一般为900℃～1100℃，其出口气体压力一般为0.85MPa～0.95MPa；所述的燃料反应器内温度一般为800℃～1000℃，其出口气体压力一般为0.7MPa～0.8MPa。
本发明所用的高炉煤气、焦炉煤气、高炉渣显热和烧结余热为钢铁企业的伴生能源。
本发明与现有技术相比具有如下显著进步和积极效果：
1)伴生煤气提纯富化，实现低能耗制备燃料气
焦炉煤气中含H2、CH4及CO，可利用变压吸附法提取；高炉煤气中含H2及CO，亦可提取。提取出的由H2和CO组成或者由H2、CH4和CO组成的燃料气可作为化学链燃烧系统中燃料反应器的供应气。因为变压吸附法制备燃料气过程仅发生物理变化，所以过程中能量损失较传统煤基合成气法和天然气基合成气法要少。
2)伴生煤气化学链燃烧，实现低能耗分离CO2
引入化学链燃烧技术，载氧体(如Fe2O3颗粒)将空气中的氧传递到燃料(由高炉煤气和/或焦炉煤气提取出的由H2和CO组成或者由H2、CH4和CO组成的混合气)中，实现了燃料与空气间接接触的无火焰燃烧，使得燃料反应器中生成的CO2和水蒸气混合物不含空气中的N2，故而，无需较大的财务开销和能量损耗，通过冷凝和压缩处理后，易将燃料反应器排气中的CO2和水蒸气分离。
附图说明
图1为本发明钢铁企业伴生能源联合循环发电系统流程图；
图中：1a、1b为压缩设备，2a、2b为净化设备，3a、3b为变压吸附设备，4a、4b为负变压吸附设备，5为燃料气混合器，6为燃料反应器，7为空气压缩机，8为空气反应器，9a、9b为热气体透平，10为余热锅炉，11为烧结机，12为除尘装置，13为引风机，14为破碎机，15为带风机的冷却机，16为冷却热废气集气罩，17为蒸汽透平，18为发电机，19为凝汽器，20为凝结水泵，21为除氧器，22为给水泵，23为冷凝器，24为CO2压缩机，25为CO2储气罐，26为绝热隔板，27a、27b、27c、27d为联轴器，28为载氧体循环密封装置，29为载氧体给料通道，30为载氧体返料通道。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于化学链燃烧的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，包括燃料气制备子系统、化学链燃烧子系统、烧结烟气处理子系统和热气-蒸汽联合循环发电子系统。
燃料气制备子系统包括用于处理高炉煤气的燃料气处理装置、用于处理焦炉煤气的燃料气处理装置及燃料气混合器5。
用于处理高炉煤气的燃料气处理装置包括依次连接的高炉煤气的压缩设备1a、高炉煤气的净化设备2a、高炉煤气的变压吸附设备3a和高炉煤气的负变压吸附设备4a；具体连接方式为：高炉煤气的压缩设备1a的出口通过管道与高炉煤气的净化设备2a的入口连通，高炉煤气的净化设备2a的出口通过管道与高炉煤气的变压吸附设备3a的入口连通；高炉煤气的变压吸附设备3a设有用于导出高炉煤气的变压吸附设备3a分离出的气体的第一出口以及用于导出高炉煤气的变压吸附设备3a中剩余气体的第二出口，第一出口通过管道与燃料气混合器5的入口连通，第二出口通过管道与高炉煤气的负变压吸附设备4a的入口连通，高炉煤气的负变压吸附设备4a的出口通过管道与燃料气混合器5的入口连通。
用于处理焦炉煤气的燃料气处理装置包括依次连接的焦炉煤气的压缩设备1b、焦炉煤气的净化设备2b、焦炉煤气的变压吸附设备3b和焦炉煤气的负变压吸附设备4b；具体连接方式为：焦炉煤气的压缩设备1b的出口通过管道与焦炉煤气的净化设备2b的入口连通，焦炉煤气的净化设备2b的出口通过管道与焦炉煤气的变压吸附设备3b的入口连通，焦炉煤气的变压吸附设备3b设有用于导出焦炉煤气的变压吸附设备3b分离出的气体的第一出口以及用于导出焦炉煤气的变压吸附设备3b中剩余气体的第二出口，第一出口和第二出口通过管道与燃料气混合器5的入口连通，第二出口通过管道与焦炉煤气的负变压吸附设备4b的入口连通，负变压吸附设备4b的出口通过管道与燃料气混合器5的入口连通。
化学链燃烧子系统包括燃料反应器6、空气压缩机7、空气反应器8和载氧体循环密封装置28、载氧体给料通道29及载氧体返料通道30。
热气-蒸汽联合循环发电子系统包括第一热气体透平9a、第二热气体透平9b、蒸汽透平17、余热锅炉10、用于将蒸汽透平17中做功后的蒸汽回收循环至余热锅炉10的蒸汽透平水循环装置及发电机18；其中，余热锅炉10中设有用绝热隔板26隔开的第一换热空间和第二换热空间，余热锅炉10的第二换热空间连有用于回收余热锅炉10第二换热空间排出的CO2的二氧化碳回收装置；
燃料反应器6的入口与燃料气混合器5的出口连通，燃料反应器6的出口与第二热气体透平9b连通，第二热气体透平9b的出口与第二换热空间的入口连通；空气反应器8的入口与空气压缩机7出口连通，空气反应器8的出口与第一热气体透平9a连通，第一热气体透平9a的出口与第一换热空间的入口连通；第一换热空间的蒸汽出口和第二换热空间的蒸汽出口均与蒸汽透平17的入口连通，蒸汽透平17的出口连接凝汽器19；燃料反应器6与空气反应器8间设有载氧体给料通道29，载氧体循环密封装置28一端通过载氧体返料通道30与燃料反应器6连通，另一端通过载氧体返料通道30与空气反应器8连通。空气反应器8和燃料反应器6均设有用于引入高炉渣显热的入口。
载氧体循环密封装置28采用N2密封。
二氧化碳回收装置包括冷凝器23、二氧化碳压缩机24和二氧化碳储气罐25；冷凝器23的入口与余热锅炉10的第二换热空间的出口通过管道相连，冷凝器23底部出口用于排出液态水，冷凝器23顶部出口与CO2压缩机24的入口连接，CO2压缩机24的出口与CO2储气罐25相连。
蒸汽透平水循环装置包括凝汽器19、凝结水泵20、除氧器21和给水泵22，凝汽器19的入口与蒸汽透平17的出口相连，凝汽器19的出口与凝结水泵20的入口相连，凝结水泵20的出口与除氧器21的入口相连，除氧器21的出口与给水泵22的入口相连，给水泵22的出口与余热锅炉10的第一换热空间和第二换热空间的进水口相连，使蒸汽透平17中做功后的蒸汽再进入循环系统。
烧结烟气处理子系统包括烧结机11、除尘装置12、引风机13、破碎机14、带风机的冷却机15和冷却热废气集气罩16；其中，除尘装置12的入口与烧结机11相连，除尘装置12的出口与引风机13的入口连接，引风机13的出口通过管道引至烧结机11的矿料入口，破碎机14布置在烧结机11的尾部，破碎机14的尾部布置有带风机的冷却机15，冷却机15的上方布置有冷却热废气(热空气)集气罩16，冷却热废气集气罩16通过管道与余热锅炉10的第一换热空间相连。
化学链燃烧子系统中空气压缩机7和热气-蒸汽联合循环发电子系统中第一热气体透平9a、第二热气体透平9b、蒸汽透平17及发电机18通过第一联轴器27a、第二联轴器27b、第三联轴器27c及第四联轴器27d依次连接并同轴布置。
本发明发电系统的发电方法流程如下：
1)高炉煤气经高炉煤气的压缩设备1a、高炉煤气的净化设备2a和高炉煤气的变压吸附设备3a处理后，可提取出H2；经高炉煤气的变压吸附设备3a分离出H2后的剩余气体(主要是N2和CO)进入高炉煤气的负变压吸附设备4a中，经高炉煤气的负变压吸附设备4a分离出CO；从高炉煤气中提取出的H2及CO进入燃料气混合器5；
焦炉煤气经焦炉煤气的压缩设备1b、焦炉煤气的净化设备2b和焦炉煤气的变压吸附设备3b处理后，可提取出H2和CH4；经焦炉煤气的变压吸附设备3b分离出CH4和H2后的剩余气体，进入焦炉煤气的负变压吸附设备4b中，经焦炉煤气的负变压吸附设备4b分离出CO；从焦炉煤气中提取出的H2、CH4及CO亦进入燃料气混合器5；
进入燃料气混合器5中的气体经混合得到H2、CH4和CO的混合气；
2)载氧体(Fe2O3颗粒，其粒径约为1.5mm)和来自燃料气混合器5的燃料气(H2、CH4和CO的混合气)，在燃料反应器6中发生化学反应，载氧体被还原，并生成CO2和水蒸气；载氧体还原后的还原产物(Fe3O4、FeO及单质Fe的混合物)在自身重力作用下通过载氧体返料通道30及载氧体循环密封装置28进入空气反应器8；净化后的空气经空气压缩机7压缩后，进入空气反应器8，与来自燃料反应器6的载氧体的还原产物发生化学反应，使其重新生成载氧体(Fe2O3颗粒)；空气反应器8中再生的载氧体(Fe2O3颗粒)随气流通过载氧体给料通道29再次进入燃料反应器6，与燃料气发生化学反应，如此往复；高炉渣显热分别引入空气反应器8和燃料反应器6，促使化学反应发生；在整个燃烧反应过程中，空气反应器8内温度约为1000℃，其出口气体压力约为0.80MPa，燃料反应器6内温度约为900℃，其出口气体压力约为0.75MPa，燃料气与空气无需直接接触，由载氧体将空气中的氧传递到燃料气中，因此，燃料反应器6中生成的CO2和水蒸气的混合气不含空气中的N2。
3)由空气反应器8排出的气体，包括N2和未反应的O2，进入第一热气体透平9a膨胀做功后，将空气反应器8侧循环中的热气体(经过第一热气体透平膨胀做功后的气体)排入余热锅炉10的第一换热空间；来自烧结机11的烧结烟气，经除尘装置12除尘后，在引风机13的抽吸作用下，送入烧结机11矿料入口，预热矿料；热烧结矿从烧结机11的尾部落下，经破碎机14破碎后，再到冷却机15上进行冷却；冷却后产生的热废气(热空气)，通过热废气集气罩16收集后，引入空气反应器8侧循环中余热锅炉10的第一换热空间；在第一换热空间中放热后的气体，经烟囱排入大气；
由燃料反应器6排出的CO2和水蒸气的混合气，进入第二热气体透平9b膨胀做功后，将燃料反应器6侧循环中的热气体(即经过第二热气体透平膨胀做功后的混合气)排入余热锅炉10的第二换热空间；在第二换热空间中放热后的气体，进入冷凝器23冷却；液态水从冷凝器23底部出口排出，从冷凝器23顶部出口排出的CO2，经CO2压缩机24压缩后，进入CO2储气罐25封存；第一热气体透平9a和第二热气体透平9b膨胀做功，推动发电机18发电；
4)给水在余热锅炉10的第一换热空间和第二换热空间中，与热气体换热后，产生两股不同温度及压力的蒸汽，进入蒸汽透平17膨胀做功，并推动发电机18发电；做功后的蒸汽称为乏汽，由蒸汽透平17排出后，进入凝汽器19冷凝；从凝汽器19出来的凝结水，在凝结水泵20的抽吸作用下，进入除氧器21；经除氧后的给水，在给水泵22的输送下，分别进入处在余热锅炉10不同换热空间中的蒸发器；给水与换热空间中的热烟气换热后，生成两股不同温度及压力的蒸汽，进入蒸汽透平17膨胀做功，并推动发电机18发电；如此循环使用。
若以某钢铁厂伴生高炉煤气供应量175t/h、焦炉煤气供应量0.8t/h计，采用本发明中所述的联合循环系统，较同等条件下带有尾气脱除CO2装置的燃气蒸汽联合循环系统效率高出约5～10个百分点；若按1度电折合0.123kg标煤，节约1度电可减排0.997kg CO2，机组每年至少运行8000h计，则每年可节约标煤约4.53万吨，减排CO2约71.4万吨。
Claims (10)
1.一种钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，包括燃料气制备子系统、化学链燃烧子系统和热气-蒸汽联合循环发电子系统；
所述的燃料气制备子系统包括用于处理高炉煤气和/或焦炉煤气的燃料气处理装置及燃料气混合器；所述的燃料气处理装置包括依次通过管道连接的压缩设备、净化设备、变压吸附设备和负变压吸附设备；其中，所述的变压吸附设备设有用于导出变压吸附设备分离出的气体的第一出口以及用于导出变压吸附设备中剩余气体的第二出口，第一出口与燃料气混合器的入口连通，第二出口与负变压吸附设备的入口连通，负变压吸附设备的出口与燃料气混合器的入口连通；
所述的化学链燃烧子系统包括燃料反应器、空气压缩机、空气反应器、载氧体给料通道、载氧体返料通道和载氧体循环密封装置；其中，载氧体给料通道一端与空气反应器连通，另一端与燃料反应器连通；载氧体循环密封装置一端通过载氧体返料通道与燃料反应器连通，另一端通过载氧体返料通道与空气反应器连通；
所述的热气-蒸汽联合循环发电子系统包括第一热气体透平、第二热气体透平、蒸汽透平、余热锅炉及发电机；其中，所述的余热锅炉中设有用绝热隔板隔开的第一换热空间和第二换热空间；
所述的燃料反应器的入口与燃料气混合器的出口连通，燃料反应器的出口与第二热气体透平连通，第二热气体透平的出口与第二换热空间的入口连通；空气反应器的入口与空气压缩机的出口连通，空气反应器的出口与第一热气体透平连通，第一热气体透平的出口与第一换热空间的入口连通；第一换热空间的蒸汽出口和第二换热空间的蒸汽出口均与蒸汽透平的入口连通，蒸汽透平的出口连接凝汽器；
所述的空气压缩机与第一热气体透平、第二热气体透平、蒸汽透平及发电机分别通过第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器及第四联轴器依次连接。
2.根据权利要求1所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，所述的空气压缩机、第一热气体透平、第二热气体透平、蒸汽透平及发电机同轴布置。
3.根据权利要求1所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，所述的空气反应器设有用于引入高炉渣显热的入口；
所述的燃料反应器设有用于引入高炉渣显热的入口。
4.根据权利要求1所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，所述的载氧体循环密封装置采用N2密封。
5.根据权利要求1所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，所述的余热锅炉的第二换热空间连有用于回收余热锅炉第二换热空间排出的CO2的CO2回收装置；
所述的CO2回收装置包括冷凝器、CO2压缩机和CO2储气罐；
所述的冷凝器的入口与余热锅炉的第二换热空间的出口通过管道相连，冷凝器底部出口用于排出液态水，冷凝器顶部出口与CO2压缩机的入口连接，CO2压缩机的出口与CO2储气罐相连。
6.根据权利要求1所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，所述的热气-蒸汽联合循环发电子系统包括用于将所述的蒸汽透平中做功后的蒸汽回收循环至余热锅炉的蒸汽透平水循环装置；
所述的蒸汽透平水循环装置包括凝汽器、凝结水泵、除氧器和给水泵，凝汽器的入口与蒸汽透平的出口相连，凝汽器的出口与凝结水泵的入口相连，凝结水泵的出口与除氧器的入口相连，除氧器的出口与给水泵的入口相连，给水泵的出口与余热锅炉的第一换热空间和第二换热空间的进水口相连，使蒸汽透平中做功后的蒸汽再次进入循环系统。
7.根据权利要求1所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统，其特征在于，包括烧结烟气处理子系统；
所述的烧结烟气处理子系统包括烧结机、除尘装置、引风机、破碎机、带风机的冷却机和冷却热废气集气罩；其中，除尘装置的入口与烧结机相连，除尘装置的出口与引风机的入口连接，引风机的出口通过管道引至烧结机的矿料入口，破碎机布置在烧结机的尾部，破碎机的尾部布置有带风机的冷却机，冷却机的上方布置有冷却热废气集气罩，冷却热废气集气罩通过管道与余热锅炉的第一换热空间相连。
8.利用根据权利要求1-7任一项所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统的发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将高炉煤气和/或焦炉煤气依次通过压缩设备、净化设备和变压吸附设备处理后分离出H2或者H2和CH4，分离出的H2或者H2和CH4直接通入燃料气混合器，剩余气体通过负变压吸附设备分离得到CO，得到的CO通入到燃料气混合器，得到由H2和CO组成或者由H2、CH4和CO组成的燃料气；
(2)将载氧体和来自燃料气混合器的燃料气在燃料反应器中发生化学反应，得到载氧体还原后的还原产物，并生成CO2和水蒸气；还原产物在自身重力作用下通过载氧体返料通道及载氧体循环密封装置进入空气反应器；净化后的空气经空气压缩机压缩后进入空气反应器，与还原产物发生化学反应，得到再生的载氧体；空气反应器中再生的载氧体随气流通过载氧体给料通道再次进入燃料反应器，与燃料气发生化学反应，如此往复；
(3)由空气反应器排出的气体，包括N2和未反应的O2，进入第一热气体透平膨胀做功后，将空气反应器侧循环中的热气体排入余热锅炉的第一换热空间；由燃料反应器排出的CO2和水蒸气的混合气，进入第二热气体透平膨胀做功后，将燃料反应器侧循环中的热气体排入余热锅炉的第二换热空间，第一热气体透平和第二热气体透平膨胀做功推动发电机发电；
(4)给水在余热锅炉的第一换热空间和第二换热空间中，与第一换热空间和第二换热空间中的热气体换热后，产生两股不同温度及压力的蒸汽，进入蒸汽透平膨胀做功，推动发电机发电。
9.根据权利要求8所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统的发电方法，其特征在于，所述的载氧体为金属氧化物；
所述的金属氧化物为Fe2O3颗粒，其粒径为1.0mm～2.0mm。
10.根据权利要求8所述的钢铁企业伴生能源联合循环发电系统的发电方法，其特征在于，所述的第二换热空间中放热后的气体，进入冷凝器冷却；冷凝器底部出口排出液态水，顶部出口排出CO2，排出的CO2经CO2压缩机压缩后，进入CO2储气罐封存；
来自烧结机的烧结烟气，经除尘装置除尘后，在引风机的抽吸作用下，送入烧结机的矿料入口，预热矿料；预热后的热烧结矿从烧结机的尾部落下，经破碎机破碎后，再到冷却机上进行冷却；冷却后产生的热废气经热废气集气罩收集后引入余热锅炉的第一换热空间，在第一换热空间中放热后的气体，经烟囱排入大气；
进入蒸汽透平膨胀做功后的蒸汽由蒸汽透平排出后，进入凝汽器冷凝；从凝汽器出来的凝结水，在凝结水泵的抽吸作用下，进入除氧器；经除氧后的给水，在给水泵的输送下，分别进入处在余热锅炉不同换热空间中的蒸发器；给水与换热空间中的热烟气换热后，生成两股不同温度及压力的蒸汽，进入蒸汽透平膨胀做功，推动发电机发电，循环使用。
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