CN105863760B - 一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统及方法 - Google Patents

一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统及方法，本系统包括熔炼炉、主烟气管路、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀、I级蓄热装置、第一烟气旁路、第二烟气旁路、II级蓄热装置、第四流量控制阀、第五流量控制阀、第六流量控制阀、烟囱、引风机、电除尘器、发电机、汽轮机、给水泵、余热锅炉。本发明通过利用石墨传热能力强，蓄、放热速度快和蓄热密度高的特点，通过换热过程中旁路切换有效解决了熔炼炉出口烟气温度波动大导致余热回收难度大的问题，实现稳定余热锅炉进口烟气温度的目的，有利于提高余热发电稳定性和效率。本发明现有冶金、炼钢等行业中余热发电装置的节能改造方面具有重要的工业应用价值。

Description

一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统，属于工业节能、余热利用技术领域。
背景技术
目前，我国大多数冶金、钢铁企业的耗能高，能源利用率较低，除了生产工艺相对落后、产业结构不合理等因素外，主要是由于熔炼炉熔炼过程中的排烟温度普遍在800℃以上，排烟时将带出大量余热，在进入余热回收装置前烟气余热损失较大，且烟气等余热载体的显热也不能有效储存，余热资源没有得到有效利用，导致余热回收利用率低，如果能充分回收利用排烟余热，将带来十分可观的节能与经济效益，因此尽可能地回收熔炼过程中产生烟气的显热余热是提高能源利用率的重要途径。
虽然熔炼炉烟气余热具有极大的回收利用潜力，但由于冶金、炼钢等行业生产过程中存在周期性，熔炼炉通常为间歇性作业，出口烟气温度极不稳定，常呈现出较大幅度的波动，余热输出不稳定，因此，极大地增加了其有效回收利用的难度；此外，对于工业余热资源回收系统而言，入口烟气温度频繁的波动将造成恶劣的运行环境，余热回收系统相关部件使用寿命大幅缩减，因此要求设备可靠性高，有较宽的运行参数范围以适应烟温的波动，这不仅增加了余热回收系统的设计与布置难度，还进一步提高了烟气余热回收的成本，因此，针对上述问题，采取必要的措施稳定余热回收系统的入口温度以提高能量综合利用效率，改善余热利用系统设备的运行环境，具有极为重大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统，包括熔炼炉、主烟气管路、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀、I级蓄热装置、第一烟气旁路、第二烟气旁路、II级蓄热装置、第四流量控制阀、第五流量控制阀、第六流量控制阀、烟囱、引风机、电除尘器、发电机、汽轮机、给水泵、余热锅炉；熔炼炉、I级蓄热装置、II级蓄热装置、余热锅炉、电除尘器、引风机、烟囱经主烟气管路顺次连接构成烟气侧主通路；第一烟气旁路和第二烟气旁路的始端依次与熔炼炉与I级蓄热装置之间的主烟气管路相连，第一烟气旁路和第二烟气旁路的末端依次与II级蓄热装置和余热锅炉之间的主烟气管路相连，第二流量控制阀安装在第一烟气旁路始端与第二烟气旁路始端之间的主烟气管路上，第五流量控制阀安装在第一烟气旁路末端与第二烟气旁路末端之间的主烟气管路上，第一流量控制阀与第三流量控制阀分别安装在第一烟气旁路始端与第二烟气旁路始端，第四流量控制阀与第六流量控制阀分别安装在第一烟气旁路末端与第二烟气旁路末端；给水泵、余热锅炉、汽轮机依次连接构成蒸汽侧通路；汽轮机与发电机相连。
所述的I级蓄热装置与II级蓄热装置具有相同的结构特征，具体包括烟气进口流道、烟气进口流道扩口、烟气进口管板、烟气换热管、石墨蓄热体、石墨蓄热体通孔、烟气出口管板、烟气出口流道缩口、烟气出口流道；烟气进口流道、烟气进口流道扩口、烟气进口管板、石墨蓄热体、烟气出口管板、烟气出口流道缩口、烟气出口流道顺次相连，石墨蓄热体上设有石墨蓄热体通孔，烟气换热管与石墨蓄热体的石墨蓄热体通孔利用过渡或间隙配合方式连接，采用间隙配合方式时配合间隙采用膨胀石墨填充；烟气换热管与石墨蓄热体通孔关于石墨蓄热体的几何中心轴呈中心对称布置。所述的余热锅炉内应装配过热器。
一种利用所述的系统的基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电方法,步骤如下:当熔炼炉排烟温度超过余热锅炉入口烟温设定上限值时，第一流量控制阀、第三流量控制阀、第四流量控制阀与第六流量控制阀关闭，第二流量控制阀和第五流量控制阀开启，高温烟气经主烟气管路、I级蓄热装置和II级蓄热装置构成的烟气主通路中进行蓄热换热，一方面将烟气温度降低到设计温度范围，另一方面将部分热量储存起来；当熔炼炉排烟温度低于余热锅炉入口烟温设定下限值时，第一流量控制阀、第三流量控制阀、第四流量控制阀与第六流量控制阀开启，第二流量控制阀和第五流量控制阀关闭，烟气经由主烟气管路、第一烟气旁路、II级蓄热装置、I级蓄热装置、第二烟气旁路构成的旁路换热系统，通过I级蓄热装置和II级蓄热装置将低温烟气加热到锅炉烟气设计的温度区间，从而保证熔炼炉不同排烟阶段的温度均维持在余热锅炉设计的范围之内，进而保证余热锅炉内的过热器能够正常安全工作，加热给水产生过热蒸汽，进而产生稳定的热功率，推动汽轮机带动发电机发电。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明利用石墨传热能力强，蓄、放热速度快的特点与系统管路阀门之间的来回切换有效解决了熔炼炉出口烟气温度波动大导致余热回收难度大的问题，实现了对间歇性烟气“削峰填谷”平稳输出的目的。
(2)本发明通过将蓄热技术稳定输出烟气参数后，可以提高余热锅炉的稳定性，增加过热器的利用，进而余热锅炉发电系统的发电效率，提高烟气余热利用率。
附图说明
图1是蓄热式熔炼炉烟气余热发电系统结构示意图；
图2是蓄热式熔炼炉烟气余热发电系统I级蓄热装置结构简图；
图3是蓄热式熔炼炉烟气余热发电系统I级蓄热装置的A-A截面图；
图中：熔炼炉1、烟气进口主管路2、第一流量控制阀3a、第二流量控制阀3b、第三流量控制阀3c、I级蓄热装置4、第一烟气旁路5、第二烟气旁路6、II级蓄热装置7、第四流量控制阀8a、第五流量控制阀8b、第六流量控制阀8c、烟囱9、引风机10、电除尘器11、发电机12、汽轮机13、给水泵14、余热锅炉15、烟气进口流道16、烟气进口流道扩口17、烟气进口管板18、烟气换热管19、石墨蓄热体20、石墨蓄热体通孔21、烟气出口管板22、烟气出口流道缩口23、烟气出口流道24。
具体实施方式
如图1-3所示，一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统，包括熔炼炉1、主烟气管路2、第一流量控制阀3a、第二流量控制阀3b、第三流量控制阀3c、I级蓄热装置4、第一烟气旁路5、第二烟气旁路6、II级蓄热装置7、第四流量控制阀8a、第五流量控制阀8b、第六流量控制阀8c、烟囱9、引风机10、电除尘器11、发电机12、汽轮机13、给水泵14、余热锅炉15；熔炼炉1、I级蓄热装置4、II级蓄热装置7、余热锅炉15、电除尘器11、引风机10、烟囱9经主烟气管路2顺次连接构成烟气侧主通路；第一烟气旁路5和第二烟气旁路6的始端依次与熔炼炉1与I级蓄热装置4之间的主烟气管路2相连，第一烟气旁路5和第二烟气旁路6的末端依次与II级蓄热装置7和余热锅炉15之间的主烟气管路2相连，第二流量控制阀3b安装在第一烟气旁路5始端与第二烟气旁路6始端之间的主烟气管路2上，第五流量控制阀8b安装在第一烟气旁路5末端与第二烟气旁路6末端之间的主烟气管路2上，第一流量控制阀3a与第三流量控制阀3c分别安装在第一烟气旁路5始端与第二烟气旁路6始端，第四流量控制阀8a与第六流量控制阀8c分别安装在第一烟气旁路5末端与第二烟气旁路6末端；给水泵14、余热锅炉15、汽轮机13依次连接构成蒸汽侧通路；汽轮机13与发电机12相连。
所述的I级蓄热装置4与II级蓄热装置7具有相同的结构特征，具体包括烟气进口流道16、烟气进口流道扩口17、烟气进口管板18、烟气换热管19、石墨蓄热体20、石墨蓄热体通孔21、烟气出口管板22、烟气出口流道缩口23、烟气出口流道24；烟气进口流道16、烟气进口流道扩口17、烟气进口管板18、石墨蓄热体20、烟气出口管板22、烟气出口流道缩口23、烟气出口流道24顺次相连，石墨蓄热体20上设有石墨蓄热体通孔21，烟气换热管19与石墨蓄热体20的石墨蓄热体通孔21利用过渡或间隙配合方式连接，采用间隙配合方式时配合间隙采用膨胀石墨填充；烟气换热管19与石墨蓄热体通孔21关于石墨蓄热体20的几何中心轴呈中心对称布置；所述的余热锅炉15内应装配过热器；
基于上述装置的基于间歇性高温烟气的蓄热式余热平稳发电方法，具体步骤如下:当熔炼炉1排烟温度超过余热锅炉15入口烟温设定上限值时，第一流量控制阀3a、第三流量控制阀3c、第四流量控制阀8a与第六流量控制阀8c关闭，第二流量控制阀3b和第五流量控制阀8b开启，高温烟气经主烟气管路2、I级蓄热装置4和II级蓄热装置7构成的烟气主通路中进行蓄热换热，一方面将烟气温度降低到设计温度范围，另一方面将部分热量储存起来；当熔炼炉排烟温度低于余热锅炉15入口烟温设定下限值时，第一流量控制阀3a、第三流量控制阀3c、第四流量控制阀8a与第六流量控制阀8c开启，第二流量控制阀3b和第五流量控制阀8b关闭，烟气经由主烟气管路2、第一烟气旁路5、II级蓄热装置7、I级蓄热装置4、第二烟气旁路6构成的旁路换热系统，通过I级蓄热装置4和II级蓄热装置7将低温烟气加热到锅炉烟气设计的温度区间，从而保证熔炼炉1不同排烟阶段的温度均维持在余热锅炉15设计的范围之内，进而保证余热锅炉15内的过热器能够正常安全工作，加热给水产生过热蒸汽，进而产生稳定的热功率，推动汽轮机13带动发电机12发电。
本发明的具体工作过程如下：
由于熔炼工序过程存在一定的周期性，当熔炼炉处于冶炼作业状态时，熔炼炉出口的烟气温度处于较高区域，此时出口烟温高于平均烟气温度，即超过余热锅炉进口烟温设定上限，此时，系统控制第一流量控制阀、第三流量控制阀、第四流量控制阀与第六流量控制阀关闭，第二流量控制阀、第五流量控制阀开启，烟气通过主烟气管路依次流经I级蓄热装置、II级蓄热装置换热后，蓄热装置的温度得到提高，烟气温度降低到锅炉设计的进口温度区间，随后进入余热锅炉加热给水泵输送进来的补水产生过热蒸汽；当熔炼炉处于加料阶段时，烟气温度较低，低于余热锅炉进口烟温下限，此时系统控制第一流量控制阀、第三流量控制阀、第四流量控制阀与第六流量控制阀开启，第二流量控制阀与第五流量控制阀关闭，较低温度的烟气通过第一烟气旁路、主烟气管路、第二烟气旁路依次流经II级蓄热装置、I级蓄热装置通过与蓄热装置之间的换热，将高温阶段储存的热量释放给低温阶段的烟气，使得烟气温度同样达到余热锅炉进口烟气设定范围，被加热后的烟气最终流入余热锅炉进行换热，加热给水泵输送进来的补水产生过热蒸汽。在整个周期过程中，高温烟气阶段储存的热量等于低温烟气阶段释放的热量，从而保证蓄热与放热的平衡，同时，高温烟气阶段和低温烟气阶段经过蓄热调节后，进入余热锅炉的温度在设计范围内波动，流量也相同，从而保证进入余热锅炉内烟气的温度品位和总热值稳定，进而在保证余热锅炉内过热器的安全运行的前提下，产生稳定蒸发量的过热蒸汽，最终推动汽轮机带动发电机发电，提高汽轮机发电效率。

Claims (3)

1.一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统，其特征在于包括熔炼炉（1）、主烟气管路（2）、第一流量控制阀（3a）、第二流量控制阀（3b）、第三流量控制阀（3c）、I级蓄热装置（4）、第一烟气旁路（5）、第二烟气旁路（6）、II级蓄热装置（7）、第四流量控制阀（8a）、第五流量控制阀（8b）、第六流量控制阀（8c）、烟囱（9）、引风机（10）、电除尘器（11）、发电机（12）、汽轮机（13）、给水泵（14）、余热锅炉（15）；熔炼炉（1）、I级蓄热装置（4）、II级蓄热装置（7）、余热锅炉（15）、电除尘器（11）、引风机（10）、烟囱（9）经主烟气管路（2）顺次连接构成烟气侧主通路；第一烟气旁路（5）和第二烟气旁路（6）的始端依次与熔炼炉（1）与I级蓄热装置（4）之间的主烟气管路（2）相连，第一烟气旁路（5）和第二烟气旁路（6）的末端依次与II级蓄热装置（7）和余热锅炉（15）之间的主烟气管路（2）相连，第二流量控制阀（3b）安装在第一烟气旁路（5）始端与第二烟气旁路（6）始端之间的主烟气管路（2）上，第五流量控制阀（8b）安装在第一烟气旁路（5）末端与第二烟气旁路（6）末端之间的主烟气管路（2）上，第一流量控制阀（3a）与第三流量控制阀（3c）分别安装在第一烟气旁路（5）始端与第二烟气旁路（6）始端，第四流量控制阀（8a）与第六流量控制阀（8c）分别安装在第一烟气旁路（5）末端与第二烟气旁路（6）末端；给水泵（14）、余热锅炉（15）、汽轮机（13）依次连接构成蒸汽侧通路；汽轮机（13）与发电机（12）相连；所述的I级蓄热装置（4）与II级蓄热装置（7）具有相同的结构特征，具体包括烟气进口流道（16）、烟气进口流道扩口（17）、烟气进口管板（18）、烟气换热管（19）、石墨蓄热体（20）、石墨蓄热体通孔（21）、烟气出口管板（22）、烟气出口流道缩口（23）、烟气出口流道（24）；烟气进口流道（16）、烟气进口流道扩口（17）、烟气进口管板（18）、石墨蓄热体（20）、烟气出口管板（22）、烟气出口流道缩口（23）、烟气出口流道（24）顺次相连，石墨蓄热体（20）上设有石墨蓄热体通孔（21），烟气换热管（19）与石墨蓄热体（20）的石墨蓄热体通孔（21）利用过渡或间隙配合方式连接，采用间隙配合方式时配合间隙采用膨胀石墨填充；烟气换热管（19）与石墨蓄热体通孔（21）关于石墨蓄热体（20）的几何中心轴呈中心对称布置。
2.根据权利要求1所述的一种基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电系统，其特征在于所述的余热锅炉（15）内应装配过热器。
3.一种利用权利要求1所述的系统的基于间歇性高温烟气的蓄热式余热发电方法，其特征在于：步骤如下:当熔炼炉（1）排烟温度超过余热锅炉（15）入口烟温设定上限值时，第一流量控制阀（3a）、第三流量控制阀（3c）、第四流量控制阀（8a）与第六流量控制阀（8c）关闭，第二流量控制阀（3b）和第五流量控制阀（8b）开启，高温烟气经主烟气管路（2）、I级蓄热装置（4）和II级蓄热装置（7）构成的烟气主通路中进行蓄热换热，一方面将烟气温度降低到设计温度范围，另一方面将部分热量储存起来；当熔炼炉排烟温度低于余热锅炉（15）入口烟温设定下限值时，第一流量控制阀（3a）、第三流量控制阀（3c）、第四流量控制阀（8a）与第六流量控制阀（8c）开启，第二流量控制阀（3b）和第五流量控制阀（8b）关闭，烟气经由主烟气管路（2）、第一烟气旁路（5）、II级蓄热装置（7）、I级蓄热装置（4）、第二烟气旁路（6）构成的旁路换热系统，通过I级蓄热装置（4）和II级蓄热装置（7）将低温烟气加热到锅炉烟气设计的温度区间，从而保证熔炼炉（1）不同排烟阶段的温度均维持在余热锅炉（15）设计的范围之内，进而保证余热锅炉（15）内的过热器能够正常安全工作，加热给水产生过热蒸汽，进而产生稳定的热功率，推动汽轮机（13）带动发电机（12）发电。
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