CN105928372B - 一种回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统，由烧结过程间歇性热源、蓄热系统和有机工质朗肯循环发电系统组成。烧结机烟气和环冷机冷却废气经并联连接后组成烧结过程间歇性热源；烧结机烟气和环冷机冷却废气经除尘之后将热量通过烟气余能利用换热器传递给蓄热装置，烧结机烟气和环冷机冷却废气从烟气余能利用换热器出来后温度降低，用于烧结料预热和热风点火；蓄热系统中包含辅助加热器，蓄热系统通过蒸发器将热量传递给有机工质朗肯循环发电系统，有机工质在膨胀机内膨胀做功带动发电机发电。本发明能够有效解决烧结过程热源温度低及间歇性余能利用难度大的问题，实现了烧结过程间歇性余能资源分级回收与梯级利用。

Description

一种回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统

技术领域

本发明涉及一种回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统，属于钢铁厂余能发电技术和节能减排领域。

背景技术

根据中国钢铁工业协会统计：在2000年到2009年间，我国生铁产量以每年18.5％的平均速度增长。到2010年，我国产钢6.27亿吨，占世界钢产量的44.3％，到2013年，我国钢产量达到了7.17亿吨，继续占据世界第一位。钢铁生产消耗了大量的能源和载能工质，其能耗占我们国民经济总能耗的15％左右，其中“铁前”工序(包括烧结/球团和焦化等工序)能耗约占所有工序总能耗的26％，仅次于炼铁工序(占总能耗的64％)。因此，烧结/球团工艺的节能降耗在整个钢铁工业节能降耗中具有重要意义。在烧结工序中，有50％的热能被烧结烟气和冷却废气带走(其中烧结机主烟道烟气余能占整个烧结工序能耗的13％-23％，环冷机产生的冷却废气余能占烧结工序能耗的19％-35％)。因此，合理利用烧结过程烟气和冷却过程废气对整个钢铁生产过程来说至关重要。目前，烧结工艺余能回收利用主要有三种方式：一是经过净化后作为烧结过程点火的助燃空气或用于预热烧结混合料，以降低燃耗；二是通过热管装置或者余热锅炉产生蒸汽，并入全厂蒸汽管网，替代部分燃煤锅炉；三是通入余热锅炉产生蒸汽用于驱动汽轮机发电，其发电机组按余热锅炉的形式可分为四种，即：单压余热发电、双压余热发电、闪蒸余热发电和补燃余热发电。而现实中我国烧结工序余能利用率还不足30％。烧结过程由于其固有特点，其余能利用主要有以下两个难点：

(1)热源温度低。烧结过程的烟气及冷却废气流量很大，但传统意义上150℃以下的低温段和部分中温段余能没有利用价值，而且还要受到烧结机落矿温度和环冷机漏风率的影响，导致可利用的余能资源属于中低温余能，质量不高且回收难度大。

(2)热源不稳定。目前，回收烧结过程余能主要采用水蒸汽朗肯循环发电系统，其发电系统对主蒸汽的品质要求很严，而烧结过程热力系统非常不稳定，废气温度波动范围在±100℃以上，具有间歇性特征，造成主蒸汽温度的波动超标，迫使余能电站频繁停机，严重威胁汽轮机的安全性、稳定性和寿命。

基于以上原因，应当设法提高烧结余能资源的稳定性以及系统的回收效率，然而现有的烧结余能利用系统中，汽轮机对于发电机组的热源稳定性有很高的要求，若温度无法达到要求则会直接威胁到机组的安全运行。另外，热源的中断也会造成机组的频繁甩炉，严重影响到发电设备的使用寿命。鉴于烧结过程余能利用的两大难点，有必要重新设计余能利用系统，提高系统对于烧结过程间歇性余能的适用性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种回收烧结过程间歇性余能的有机工质朗肯循环发电系统，通过蓄热装置将烧结过程间歇性热源的热量传递给有机工质朗肯循环发电系统，对烧结过程余能有更好的利用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

整个系统包括烧结过程间歇性热源、蓄热系统和有机工质朗肯循环发电系统，具体包括烧结机、环冷机、除尘器、烧结料预热和热风点火装置、烟气余能利用换热器、蓄热装置、辅助加热器、蒸发器、膨胀机、发电机、回热器、冷凝器和增压泵；烧结过程间歇性热源包括烧结机产生的烟气和环冷机产生的冷却废气；烧结机产生的烟气和环冷机产生的冷却废气通入除尘器之后连接至烟气余能利用换热器的烟气侧进口，烟气余能利用换热器的烟气侧出口连接至烧结料预热和热风点火装置；烟气余能利用换热器的水侧出口连接至蓄热装置的进口，烟气余能利用换热器的水侧进口连接至蓄热装置的出口；蓄热系统中，蓄热装置的出口通入辅助加热器后连接至蒸发器的进口；有机工质朗肯循环发电系统中，膨胀机的出口连接至回热器高温侧的入口，回热器高温侧的出口连接至冷凝器的入口，增压泵的出口连接至回热器低温侧的进口，回热器低温侧的出口连接至蒸发器的进口。

烧结机和环冷机通过并联的形式连接。

蓄热装置采用显热蓄热或潜热蓄热。

烟气余能利用换热器采用强化换热管作为传热元件，烧结机产生的烟气和环冷机产生的冷却废气连接至强化换热管外侧，水连接至强化换热管内侧。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)有机工质的沸点低，与常规的水蒸汽朗肯循环相比具有系统简单紧凑、转速低、效率高、耐低温、循环压力高，在膨胀机膨胀过程中工质不会进入两相区等优点。

(2)本发明的蓄热系统可有效解决烧结过程间歇性余能利用难度大的问题。当烧结机产生的烟气与环冷机产生的冷却废气提供的能量大于有机工质朗肯循环发电系统的负荷量时，即烧结过程热源提供的热量足够供给负荷，还有能量结余，这部分剩余的能量就以热能的形式储存在蓄热装置中，此时蓄热装置的出口介质温度不断增大，其负载能量也增大；反之，当烧结过程热源由于故障停机或计划停机停止供应能量时，蓄热装置温度会逐渐减小，此时整个有机工质朗肯循环发电系统的能量将由蓄热装置供应能量；在极端条件下，烧结过程间歇性热源长时间中断后，蓄热装置中介质的温度低于参考值，此时蓄热系统中的辅助加热器还可以解决极端条件下热源热量不足的问题，也可避免因热源的中断而造成机组的频繁甩炉。因此，本发明的蓄热系统可保证整个系统持续正常运行。

(3)本发明的余能利用系统实现了烧结过程间歇性余能资源分级回收与梯级利用。烧结机产生的烟气和环冷机产生的冷却废气将能量传递给烟气余能利用换热器后，其温度还较高，因此根据余能梯级利用的原则，通入烧结机机头给烧结原料预热，或者通入点火器实现热风点火，以上两种措施都可以有效降低燃料消耗，这种利用方式使得烧结过程综合余能利用率显著提升。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的效果分析图。

其中：1-烧结机，2-环冷机，3-除尘器，4-烧结料预热和热风点火装置，5-烟气余能利用换热器，6-蓄热装置，7-辅助加热器，8-蒸发器，9-膨胀机，10-发电机，11-回热器，12-冷凝器，13-增压泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参照图1所示，本发明提出一种回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统，该系统包括烧结机1、环冷机2、除尘器3、烧结料预热和热风点火装置4、烟气余能利用换热器5、蓄热装置6、辅助加热器7、蒸发器8、膨胀机9、发电机10、回热器11、冷凝器12和增压泵13。其中烧结机1产生的烟气和环冷机2产生的冷却废气通过并联的形式连接后，经过除尘器3除尘之后将热量通过烟气余能利用换热器5传递给蓄热装置6，蓄热装置6采用显热蓄热或潜热蓄热；烧结机1产生的烟气和环冷机2产生的冷却废气从烟气余能利用换热器5出来之后温度降低，用于烧结机1上烧结料预热和热风点火4；蓄热系统中包含辅助加热器7，用来解决极端条件下热源热量供应不足的问题；蓄热装置6通过蒸发器8将热量传递给有机工质朗肯循环发电系统，有机工质朗肯循环发电系统主要由蒸发器8、膨胀机9、发电机10、回热器11、冷凝器12和增压泵13等组成，蓄热装置6中的介质在蒸发器8中将有机工质蒸发成膨胀机9的入口状态，有机工质在膨胀机9进口处于过热蒸汽状态，有机工质进入膨胀机9膨胀做功带动发电机10发电，有机工质膨胀后排气进入回热器11，用于减少蒸发器8的加热负荷和冷凝器12的冷却负荷，在冷凝器12中，有机工质被冷凝为凝结压力下的液体，再被增压泵13加压到蒸发压力下的过冷液体状态，经过回热器11后进入蒸发器8加热；烟气余能利用换热器5采用强化换热管作为传热元件，烧结机1产生的烟气和环冷机2产生的冷却废气流经强化换热管外侧，水流经其强化换热管内侧吸收烧结机1产生的烟气和环冷机2产生的冷却废气的热量，水温升高的同时使烧结烟气和冷却废气温度下降，用于热风点火和烧结料预热5。

本发明中低沸点工质为R245fa和R123等热力学性能、环保性和安全性较好的有机工质，有机工质在膨胀机9进口处于过热蒸汽状态，有机工质朗肯循环发电系统的热效率相比常规的水蒸汽朗肯循环系统较高。

图2所示为本发明中回收烧结过程间歇性余能的有效输出能量、蓄热装置6的温度和有机工质朗肯循环发电系统负载能量的变化趋势。图中方形点表示烧结过程余能的有效输出能量，圆形点表示有机工质朗肯循环发电系统的负载能量，三角形点表示蓄热装置6内介质的温度。当烧结过程热源提供的有效能量大于有机工质朗肯循环发电系统负荷量时，即烧结过程热源提供的热量足够供给负荷，还有能量结余。这部分剩余的能量就以热能的形式储存在蓄热装置6中，此时蓄热装置6的出口介质温度不断增大，其负载能量也增大；反之，当烧结过程热源停止供应能量时，则蓄热装置6温度会逐渐减小，此时整个有机工质朗肯循环发电系统的能量将由蓄热装置6中的能量供应，可知蓄热装置6在烧结热源停止供应若干小时后仍然可以为有机工质朗肯循环发电系统提供有效运转能量，蓄热作用明显；在极端条件下，烧结过程间歇性热源长时间中断后，蓄热装置6中介质的温度低于参考值，此时蓄热系统中的辅助加热器7还可以解决极端条件下热源热量不足的问题，也可避免因热源的中断而造成机组的频繁甩炉。这说明本发明所述回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统在烧结机1停机时可保证有机工质朗肯循环发电系统运转良好，可有效解决现存烧结余能利用中所存在的热源温度低与热源不稳定的难题。

Claims (2)

1.一种回收烧结过程余能的有机工质朗肯循环发电系统，其特征在于：整个系统包括烧结过程间歇性热源、蓄热系统和有机工质朗肯循环发电系统，具体包括烧结机(1)、环冷机(2)、除尘器(3)、烧结料预热和热风点火装置(4)、烟气余能利用换热器(5)、蓄热装置(6)、辅助加热器(7)、蒸发器(8)、膨胀机(9)、发电机(10)、回热器(11)、冷凝器(12)和增压泵(13)；烧结过程间歇性热源包括烧结机(1)产生的烟气和环冷机(2)产生的冷却废气；烧结机(1)产生的烟气和环冷机(2)产生的冷却废气通入除尘器(3)之后连接至烟气余能利用换热器(5)的烟气侧进口，烟气余能利用换热器(5)的烟气侧出口连接至烧结料预热和热风点火装置(4)；烟气余能利用换热器(5)的水侧出口连接至蓄热装置(6)的进口，烟气余能利用换热器(5)的水侧进口连接至蓄热装置(6)的出口；蓄热系统中，蓄热装置(6)的出口通入辅助加热器(7)后连接至蒸发器(8)的进口；有机工质朗肯循环发电系统中，膨胀机(9)的出口连接至回热器(11)高温侧的入口，回热器(11)高温侧的出口连接至冷凝器(12)的入口，增压泵(13)的出口连接至回热器(11)低温侧的进口，回热器(11)低温侧的出口连接至蒸发器(8)的进口。

2.根据权利要求1所述的回收烧结过程间歇性余能的有机工质朗肯循环发电系统，其特征在于：烧结机(1)和环冷机(2)通过并联的形式连接。