CN105695649A - 基于高炉炼铁的分布式能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高炉炼铁的分布式能源系统，主要根据高炉炼铁区域实际用能情况对冷、热、电、功等多种能源形式进行联合供应而进行的设计。本发明通过煤气透平来利用煤气余压推动高炉鼓风机做功，通过燃气轮机来利用高炉煤气的燃烧化学能并联合蒸汽轮机共同驱动煤气压缩机和空气压缩机，多余的做功转换为电能；以水为换热介质对高炉炉渣显热、热风炉烟气余热和燃气轮机余热锅炉排烟余热进行回收，制取高温热水，并结合热水型吸收式制冷机组，既可对外提供热源，又可提供冷源，提高了系统的能源综合利用率，实现了系统热力学的性能优化。

Description

基于高炉炼铁的分布式能源系统

技术领域

本发明涉及一种基于高炉炼铁的分布式能源系统。

背景技术

“能源、环境、发展”是当今人类面临的三大主题，能源的合理开发与利用是环境友好和人类可持续发展的重要保证。在过去30多年的经济快速发展中，以煤为主的能源结构所造成的环境污染和生态问题已对我国的可持续发展造成了巨大压力。煤炭在开采、运输和利用环节会造成对土地资源的破坏、对水资源的破坏和大气污染。如何改善能源消费结构，最大限度地减少环境污染是实现可持续发展战略所面临的关键问题。

为应对全球气候变化，我国计划到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放要比2005年下降40％～45％，其中节能提高能效的贡献率要达到85％以上，这也给节能减排带来了巨大挑战。

在能源供应日益紧张的今天，节能降耗、合理利用资源、提高能源利用效率已成为人们普遍关注的问题，也是我国能源发展的根本途径。为了提高能源利用效率，迫切需要将高品质的电与低品质的冷、热三种能量需求有机统一，冷热电分布式能源系统正是在能源结构调整中涌现出来的提高能源利用效率的一种最佳利用方式，它是安装在用户端的高效冷热电联供系统，是在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。

分布式能源能综合利用效率达到70％～90％，节能率达到20％～40％，实现了科学用能和能源梯级利用，符合节能环保和建设节约型社会要求。分布式能源是解决我国能源与环境问题、大力推进节能减排和科学用能的重要技术途径，它兼具能源效率高、安全、经济、环境友好等特点，是构建未来新一代能源系统的关键技术。

钢铁工业是我国的基础产业之一，是国民经济的支柱性产业，其在整个国民经济中起着举足轻重的作用。钢铁工业生产流程是一个庞大、复杂的能源循环系统，在该系统的各生产工序中，存在着大量的能源需求用户，且这些用户存在用能大、用能条件参差不齐、用户点分散等特点。长期以来，钢铁厂一直以各生产工艺本身的优化升级、工艺设备容量及规模的提升为主要发展目标，对于热能综合利用的重视程度远远低于其他工业领域，造成了钢铁行业能源利用的重大浪费，甚至影响了钢铁工业的发展和进步速度。因此，对于钢铁厂各生产工序的用能进行整合规划，构建一套合理的分布式能源利用系统，具有重要的经济效益和社会价值。

在钢铁冶炼流程中，高炉炼铁工序是主要的工艺生产环节。炼铁工序存在许多能源用户，而这些用户又多是“各自为阵”，布局较为分散，高炉煤气的产生、收集、利用等环节均存在用能不充分、系统不合理的特点，如果能对这些用能系统按照“按需分配、能量对口、梯级利用”的原则进行合理布局，实现科学用能、优化用能，必然能产生可观的收益，为钢铁工业的结构调整、优化升级产生重要的推动作用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种以高炉为基础的能源梯级利用并根据高炉炼铁区域实际用能情况对冷、热、电、功等多种能源形式进行联合供应的基于高炉炼铁的分布式能源系统。

为达到上述目的，本发明一种基于高炉炼铁的分布式能源系统，包括高炉，所述高炉的进风口通过管道依次连接设置有热风炉、高炉鼓风机，所述高炉的炉顶煤气出口通过煤气管道依次连接有煤气净化装置、煤气透平、煤气柜、煤气压缩机、燃气轮机燃烧室，所述燃气轮机燃烧室的烟气出口通过烟道依次串联有燃气轮机、余热锅炉、第一烟气-水换热器、第一烟囱；所述燃气轮机燃烧室的空气进口设置有空气压缩机，所述余热锅炉的蒸汽出口通过蒸汽管道连接有蒸汽轮机；

所述煤气压缩机与所述蒸汽轮机、发电机、所述空气压缩机、所述燃气轮机顺次相连，所述蒸汽轮机和所述燃气轮机共同拖动所述煤气压缩机和所述空气压缩机做功，所述蒸汽轮机和所述燃气轮机共同带动所述发电机运转发电；所述煤气透平与高炉鼓风机连接，所述煤气透平驱动所述高炉鼓风机做功；

所述热风炉的烟气出口通过烟气管道依次串联有第二烟气-水换热器、第二烟囱；

所述高炉出渣口设置有通过水来吸收高温炉渣显热的高炉炉渣余热回收装置；

所述第一烟气-水换热器的水侧出口、第二烟气-水换热器的水侧出口、高炉炉渣余热回收装置的水侧出口连接到同一热水母管上，所述热水母管分为两路干管对外供应热水，一路与采暖用户相连，另一路与热水型吸收式制冷机组相连，所述热水型吸收式制冷机组出口冷冻水管道分为两路对外供应冷冻水，一路与制冷用户相连，另一路与空气脱湿装置相连，所述空气脱湿装置的出口冷空气管道分为两路，一路与所述高炉鼓风机相连，另一路与所述空气压缩机相连。

进一步地，所述高炉鼓风机还连接有电动机；所述电动机与所述煤气透平共同驱动所述高炉鼓风机做功。

进一步地，所述煤气透平通过变速离合器与所述高炉鼓风机相连，所述高炉鼓风机通过第一齿轮箱与所述电动机相连。

进一步地，所述煤气压缩机通过第二齿轮箱与所述蒸汽轮机连接。

进一步地，所述热水型吸收式制冷机组与所述空气脱湿装置间的冷冻水连接管路上设置有用以克服管路阻力的循环水泵。

进一步地，所述蒸汽轮机与所述余热锅炉的进水口之间沿汽水流程依次串联有凝汽器、凝结水泵，其中，所述凝结水泵将所述凝汽器的出口凝结水加压后送至所述余热锅炉。

进一步地，所述余热锅炉包括低压段锅筒、高压段锅筒以及沿烟气流程顺次排列的高压段过热器、高压段蒸发器、低压段过热器、高压段省煤器、低压段蒸发器和低压段省煤器；

其中，所述低压段锅筒与所述低压段蒸发器之间设置有将水从所述低压段锅筒引入到所述低压段蒸发器的低压段下降管，所述低压段蒸发器与所述低压段锅筒之间设置有将汽水混合物从所述低压段蒸发器引入到所述低压段锅筒的低压段上升管，所述低压段锅筒的饱和蒸汽出口与所述低压段过热器相接；

所述低压段锅筒与所述高压段省煤器之间设置有将水从低压段锅筒引入高压段省煤器的高压段给水管，所述高压段省煤器与所述高压段锅筒连通，所述高压段锅筒与所述高压段蒸发器之间设置有将水从所述高压段锅筒引入到所述高压段蒸发器的高压段下降管，所述高压段蒸发器与所述高压段锅筒之间设置有将汽水混合物从所述高压段蒸发器引入到所述高压段锅筒的高压段上升管，所述高压段锅筒的饱和蒸汽出口与所述高压段过热器相接；

所述高压段给水管上设置有给水泵。

进一步地，所述蒸汽轮机为补汽式汽轮机，所述余热锅炉的高压段蒸汽出口与所述补汽式汽轮机的主汽口通过蒸汽管道相连，所述余热锅炉的低压段蒸汽出口与所述补汽式汽轮机的补汽口通过蒸汽管道相连。

本发明基于高炉炼铁的分布式能源系统对高炉炼铁区域各种形式的能源及用户进行合理规划，首先通过煤气透平对高炉炉顶煤气的压力能和热能进行回收利用，替代传统的减压阀组，利用煤气余压推动炼铁区域主要耗能大户高炉鼓风机做功；进一步通过燃气轮机来利用高炉煤气的化学能，并通过余热锅炉来回收燃气轮机排出的烟气余热，余热锅炉产生的蒸汽用于冲转蒸汽轮机，并联合燃气轮机共同驱动煤气压缩机和空气压缩机等燃气轮机辅机，多余的做功通过发电机转换为电能；此外，针对高炉炉渣显热、热风炉烟气余热、燃气轮机余热锅炉排烟余热等长期被忽视的废热资源，以水为换热介质进行回收，制取高温热水，结合热水型吸收式制冷机组，即可对外提供热源，又可提供冷源。本发明实现了对高炉炼铁区域能源用户的优化集成，在能源梯级利用基础上对冷、热、电、功等多种能源形式进行联合供应，实现了系统热力学的性能改善，系统全工况能源输出与用户动态需求的集成匹配。

附图说明

图1是实施例1基于高炉炼铁的分布式能源系统示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1所示，本实施例基于高炉炼铁的分布式能源系统包括高炉1，煤气净化装置2，煤气透平3，煤气柜4，煤气压缩机5，燃烧室6，空气压缩机7，燃气轮机8，余热锅炉9，第一烟气-水换热器10，第一烟囱11，变速离合器12、高炉鼓风机13，第一齿轮箱14，电动机15，第二齿轮箱16，蒸汽轮机17，发电机18，凝汽器19，凝结水泵20，热水型吸收式制冷机组21，空气脱湿装置22，循环水泵23，热风炉24，第二烟气-水换热器25，第二烟囱26，高炉炉渣余热回收装置27，热水母管28。其中：

所述高炉1与煤气净化装置2、煤气透平3、煤气柜4、煤气压缩机5通过煤气管道依次相连，所述煤气净化装置2对高炉出来的初始煤气进行净化，净化后的有压煤气进入所述煤气透平3，通过余压驱动煤气透平3做功，做完功的煤气进入煤气柜4进行缓存，然后送入煤气压缩机5。

所述煤气压缩机5的煤气出口与所述燃烧室6的煤气进口相接，所述空气压缩机7的空气出口与所述燃烧室6的空气进口相接，所述煤气压缩机5将煤气加压至一定压力，所述空气压缩机7将空气加压至一定压力，所述煤气压缩机5的出口煤气和所述空气压缩机7的出口空气混入燃烧室6进行化学燃烧，产生的高温烟气进入所述燃气轮机8，驱动燃气轮机8进行做功。

所述燃气轮机8与所述余热锅炉9、第一烟气-水换热器10、第一烟囱11通过烟气管道依次串联相接，燃气轮机8出口排出的高温烟气依次经过所述余热锅炉9和第一烟气-水换热器10吸热降温后通过所述第一烟囱11排入大气。

所述煤气透平3与所述变速离合器12、高炉鼓风机13、第一齿轮箱14、电动机15顺次相接，所述煤气透平3通过变速离合器12与高炉鼓风机13相连，所述高炉鼓风机13通过所述第一齿轮箱14与所述电动机15相接，所述煤气透平3与所述电动机15共同驱动所述高炉鼓风机13做功。

所述余热锅炉9通过蒸汽管道与所述蒸汽轮机17相连，所述余热锅炉9产生的蒸汽进入蒸汽轮机17，冲转所述蒸汽轮机17进行做功。所述煤气压缩机5与所述第二齿轮箱16、蒸汽轮机17、发电机18、空气压缩机7、燃气轮机8顺次相连，所述蒸汽轮机17和所述燃气轮机8为驱动源，拖动所述煤气压缩机5和所述空气压缩机7做功，并带动所述发电机18运转发电。

所述蒸汽轮机17与所述凝汽器19、凝结水泵20、余热锅炉9沿汽水流程依次串联相接，所述蒸汽轮机17的排汽进入所述凝汽器19中变成凝结水，然后经凝结水泵20加压后送至所述余热锅炉9中进行换热，产生的蒸汽返回至所述蒸汽轮机17进行做功，进而实现汽水系统的闭式循环。

所述空气脱湿装置22与所述高炉鼓风机13、热风炉24、高炉1通过风管依次相连，所述空气脱湿装置22将空气中的水分通过冷却除湿后送入所述高炉鼓风机13，所述高炉鼓风机13将空气压缩至一定压力后送至所述热风炉24进行加热，所述热风炉出口的高温热风进入所述高炉1，为所述高炉1提供冶炼所需有压热风。

所述热风炉24与所述第二烟气-水换热器25、第二烟囱26通过烟气管道依次串联相接，所述热风炉24排出的烟气经过所述第二烟气-水换热器25吸热降温后通过所述第二烟囱26排入大气。

所述高炉1与高炉炉渣余热回收装置27相连，所述高炉炉渣余热回收装置27通过水来吸收高温炉渣的显热，产生高温热水；所述第一烟气-水换热器10以水为换热介质对所述余热锅炉9的出口烟气中的余热进行回收利用，产生高温热水；所述第二烟气-水换热器21以水为换热介质对所述热风炉24的出口烟气中的余热进行回收利用，产生高温热水；所述第一烟气-水换热器10的水侧出口、第二烟气-水换热器21的水侧出口、高炉炉渣余热回收装置27的水侧出口均与所述热水母管28相连，所述第一烟气-水换热器10、第二烟气-水换热器21、高炉炉渣余热回收装置27的出口热水汇入热水母管28；所述热水母管28分为两路干管对外供应热水，一路与采暖用户相接，为采暖用户提供热源，另一路与所述热水型吸收式制冷机组21相连，为所述热水型吸收式制冷机组21提供驱动热源；所述热水型吸收式制冷机组21出口冷冻水管道分为两路对外供应冷冻水，一路与所述空气脱湿装置22相连，为所述空气脱湿装置22提供冷源，另一路与制冷用户相接，为制冷用户提供冷源；所述空气脱湿装置22的出口冷空气管道分为两路，一路与所述高炉鼓风机13相连，为所述高炉鼓风机13提供除湿后的空气，另一路与所述空气压缩机7相连，为所述空气压缩机7提供冷却后的空气。

所述循环水泵23设置在热水型吸收式制冷机组21与空气脱湿装置22间的冷冻水连接管路上，用以克服管路阻力。

本实施例基于高炉炼铁的分布式能源系统具有以下优点：

1)通过对高炉炼铁区域的能源用户进行优化布局，在能源梯级利用基础上对冷、热、电、功等多种能源形式进行联合供应，实现了系统热力学的性能改善以及系统全工况能源输出与用户动态需求的集成匹配，大大提高了系统的能源综合利用效率。

2)将高炉炼铁区域用户的实际需求和现有条件协调相容，将现有的能源一资源配置条件与相应的能源技术相耦合，减少了中间环节的损耗，实现了能源、资源利用率的最大化和最优化。

3)通过煤气透平来回收高炉炉顶煤气的余压能量，并且联合电动机共同驱动高炉鼓风机，与传统的单纯电动机驱动高炉鼓风机的方式相比可大大减少高炉鼓风机的耗电量，产生良好的经济效益。

4)采用煤气-蒸汽联合循环来利用高炉煤气，通过燃气轮机和蒸汽轮机联合驱动煤气压缩机、空气压缩机和发电机，整套装置布置紧凑，并且具有很好的热经济性，机组整体效率相对于传统的煤气锅炉加汽轮发电机组的组合方式要高出许多。

5)综合利用高炉炼铁区域的废热资源，包括燃气轮机余热锅炉的烟气余热、高炉热风炉的烟气余热和高炉炉渣的显热，设置的余热回收装置均可在不影响工艺生产的条件下回收热量，余热回收产生的高温热水一方面可为冬季采暖用户提供热源，另一方面可作为吸收式制冷机组的驱动热源，生产出冷冻水，而吸收式制冷机组产生的冷冻水一方面可作为空气冷却脱湿装置的冷源，另一方面又可为夏季制冷用户提供冷源，实现了冷热源的联合供应。

6)空气脱湿装置的出口脱湿空气分为两路，一路供应给高炉，可降低高炉焦比，稳定高炉炉况，提高高炉产能；另一路作为燃气轮机空气压缩机的进气，正好利用了脱湿装置采用间接冷却脱湿的特点，无需单独设置燃气轮机进气冷却装置即可实现燃气轮机的进气冷却，提高燃气轮机的出力。

实施例2

本实施例基于高炉炼铁的分布式能源系统是在实施例1的基础上提供一种具体的余热锅炉结构。

所述余热锅炉9包括由低压段省煤器901、低压段锅筒902、低压段蒸发器903、给水泵904、高压段省煤器905、低压段过热器906、高压段锅筒907、高压段蒸发器908、高压段过热器909及相应连接管组成，其中，所述高压段过热器909、高压段蒸发器908、低压段过热器906、高压段省煤器905、低压段蒸发器903、和低压段省煤器901在余热锅炉内沿烟气流程顺次排列。所述低压段锅筒902与所述低压段蒸发器903之间设置有将水从所述低压段锅筒902引入所述低压段蒸发器903的低压段下降管，所述低压段蒸发器903与所述低压段锅筒902之间设置有将汽水混合物从所述低压段蒸发器903引入所述低压段锅筒902的低压段上升管，所述低压段锅筒902的饱和蒸汽出口与低压段过热器906相接；

所述低压段锅筒902与所述高压段省煤器905之间设置有将水从低压段锅筒902引入高压段省煤器905的高压段给水管，并在高压段给水管上设置有给水泵，所述高压段省煤器905与所述高压段锅筒907连通，所述高压段锅筒907与所述高压段蒸发器908之间设置有将水从所述高压段锅筒907引入所述高压段蒸发器908的高压段下降管，所述高压段蒸发器908与所述高压段锅筒907之间设置有将汽水混合物从所述高压段蒸发器908引入所述高压段锅筒907的高压段上升管，所述高压段锅筒907的饱和蒸汽出口与高压段过热器909相接。

所述余热锅炉的蒸汽的形成过程具体如下：

所述凝结水泵20来的凝结水经低压段省煤器管屏加热后进入低压段锅筒902，低压段锅筒902中的水经低压段下降管引入低压段蒸发器903，低压段蒸发器903吸热产生的汽水混合物通过低压段上升管进入到低压段锅筒902内，完成低压段汽水循环过程；低压段锅筒902出口的饱和蒸汽进入低压段过热器906加热成低压段过热蒸汽；所述低压段锅筒902中的饱和水通过通过高压段给水管引至给水泵904进口，通过给水泵904加压后引入高压段省煤器905，经高压段省煤器管屏加热后进入高压段锅筒907，高压段锅筒907中的水经高压段下降管引入高压段蒸发器908，高压段蒸发器908产生的汽水混合物通过高压段上升管进入到高压段锅筒907内，完成高压段汽水循环过程；高压段锅筒907出口的饱和蒸汽进入高压段过热器909加热成高压段过热蒸汽。

与本实施采用的余热锅炉9的结构相对应所述蒸汽轮机采用补汽式汽轮机。所述余热锅炉产生的高压段过热蒸汽作为主蒸汽进入所述补汽式汽轮机的主汽口，所述余热锅炉产生的低压段过热蒸汽作为补汽进入所述补汽式汽轮机的补汽口。

本实施例基于高炉炼铁的分布式能源系统除具有与实施例1相同的有益效果外，同时由于余热锅炉采用双压系统，与常规单压余热锅炉相比能更大程度地利用燃气轮机排出的烟气余热，提高蒸汽产量，增大机组的发电功率。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：包括高炉，所述高炉的进风口通过管道依次连接设置有热风炉、高炉鼓风机，所述高炉的炉顶煤气出口通过煤气管道依次连接有煤气净化装置、煤气透平、煤气柜、煤气压缩机、燃气轮机燃烧室，所述燃气轮机燃烧室的烟气出口通过烟道依次串联有燃气轮机、余热锅炉、第一烟气-水换热器、第一烟囱；所述燃气轮机燃烧室的空气进口设置有空气压缩机，所述余热锅炉的蒸汽出口通过蒸汽管道连接有蒸汽轮机；

所述煤气压缩机与所述蒸汽轮机、发电机、所述空气压缩机、所述燃气轮机顺次相连，所述蒸汽轮机和所述燃气轮机共同拖动所述煤气压缩机和所述空气压缩机做功，所述蒸汽轮机和所述燃气轮机共同带动所述发电机运转发电；所述煤气透平与高炉鼓风机连接，所述煤气透平驱动所述高炉鼓风机做功；

所述热风炉的烟气出口通过烟气管道依次串联有第二烟气-水换热器、第二烟囱；

所述高炉出渣口设置有通过水来吸收高温炉渣显热的高炉炉渣余热回收装置；

所述第一烟气-水换热器的水侧出口、第二烟气-水换热器的水侧出口、高炉炉渣余热回收装置的水侧出口连接到同一热水母管上，所述热水母管分为两路干管对外供应热水，一路与采暖用户相连，另一路与热水型吸收式制冷机组相连，所述热水型吸收式制冷机组出口冷冻水管道分为两路对外供应冷冻水，一路与制冷用户相连，另一路与空气脱湿装置相连，所述空气脱湿装置的出口冷空气管道分为两路，一路与所述高炉鼓风机相连，另一路与所述空气压缩机相连。

2.根据权利要求1所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述高炉鼓风机还连接有电动机；所述电动机与所述煤气透平共同驱动所述高炉鼓风机做功。

3.根据权利要求2所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述煤气透平通过变速离合器与所述高炉鼓风机相连，所述高炉鼓风机通过第一齿轮箱与所述电动机相连。

4.根据权利要求1所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述煤气压缩机通过第二齿轮箱与所述蒸汽轮机连接。

5.根据权利要求1所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述热水型吸收式制冷机组与所述空气脱湿装置间的冷冻水连接管路上设置有用以克服管路阻力的循环水泵。

6.根据权利要求1所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述蒸汽轮机与所述余热锅炉的进水口之间沿汽水流程依次串联有凝汽器、凝结水泵，其中，所述凝结水泵将所述凝汽器的出口凝结水加压后送至所述余热锅炉。

7.根据权利要求6所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述余热锅炉包括低压段锅筒、高压段锅筒以及沿烟气流程顺次排列的高压段过热器、高压段蒸发器、低压段过热器、高压段省煤器、低压段蒸发器和低压段省煤器；

其中，所述低压段锅筒与所述低压段蒸发器之间设置有将水从所述低压段锅筒引入到所述低压段蒸发器的低压段下降管，所述低压段蒸发器与所述低压段锅筒之间设置有将汽水混合物从所述低压段蒸发器引入到所述低压段锅筒的低压段上升管，所述低压段锅筒的饱和蒸汽出口与所述低压段过热器相接；

所述低压段锅筒与所述高压段省煤器之间设置有将水从低压段锅筒引入高压段省煤器的高压段给水管，所述高压段省煤器与所述高压段锅筒连通，所述高压段锅筒与所述高压段蒸发器之间设置有将水从所述高压段锅筒引入到所述高压段蒸发器的高压段下降管，所述高压段蒸发器与所述高压段锅筒之间设置有将汽水混合物从所述高压段蒸发器引入到所述高压段锅筒的高压段上升管，所述高压段锅筒的饱和蒸汽出口与所述高压段过热器相接；

所述高压段给水管上设置有给水泵。

8.根据权利要求7所述的基于高炉炼铁的分布式能源系统，其特征在于：所述蒸汽轮机为补汽式汽轮机，所述余热锅炉的高压段蒸汽出口与所述补汽式汽轮机的主汽口通过蒸汽管道相连，所述余热锅炉的低压段蒸汽出口与所述补汽式汽轮机的补汽口通过蒸汽管道相连。