CN106439762B - 一种利用钢渣余热发电的工艺方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用钢渣余热发电的工艺方法和装置，基于钢渣辊压破碎‑有压热闷技术装备，将钢渣在罐式有压热闷过程中热闷罐周期排放的不连续低压含尘蒸汽转化为稳定输出的清洁热水，以热水为热源驱动ORC发电机组发电。本发明优点是方法上实现了钢渣余热的有效利用，技术上实现了不连续的含尘废蒸汽向连续性的热水资源转换，为余热利用提供有利条件，对降低钢铁企业综合能耗及控制污染物排放具有重要意义。

Description

一种利用钢渣余热发电的工艺方法和装置
技术领域
本发明涉及一种余热发电的工艺方法和装置，特别是一种利用钢渣余热发电的工艺方法和装置。
背景技术
每生产1吨钢约产生0.12～0.14吨的钢渣，2015年我国钢渣产生量约为1亿吨，钢渣余热利用几乎为0，造成巨大的能量浪费。
钢渣辊压破碎-余热自解有压热闷工艺技术，在我国首次实现了钢渣处理的连续化、设备化和自动化，其处理过程主要分两步：约1400℃的高温熔融钢渣进入辊压破碎区，在辊压破碎的同时打水冷却，过程中产生大量低压蒸汽。经过辊压破碎冷却后的钢渣约700℃；约700℃的钢渣进入有压热闷罐，在密闭的环境下间断式打水冷却，完成钢渣粉化，渣、钢分离等过程，生产过程中产生大量低压饱和蒸汽，为余热利用提供了有利条件，但热闷蒸汽具有低压，含尘，不连续的特点，难以直接利用。
ORC(Organic Rankine Cycle,有机朗肯循环)发电技术是利用有机工质沸点低的特点，以其代替水蒸汽作为循环工质进行发电的技术，实现了低温热源的发电利用。
因此，将热闷蒸汽转换成连续的低温热源，利用ORC(Organic Rankine Cycle,有机朗肯循环)发电技术即可实现钢渣余热的有效利用，从而实现钢渣由能量化向能源化的转变，意义重大。
发明内容
本发明涉及一种利用钢渣余热发电的工艺方法，是基于钢渣辊压破碎-有压热闷技术装备，将钢渣在罐式有压热闷过程中热闷罐周期排放的不连续低压含尘蒸汽转化为稳定输出的清洁热水，以热水为热源驱动ORC(Organic Rankine Cycle,有机朗肯循环)发电机组发电。具体步骤如下：
(1)将钢渣余热产生装置，优选为钢渣有压热闷罐在有压热闷过程中周期排放的不连续低压含尘蒸汽引入汽水换热器；
(2)循环后的冷水从汽水换热器的回水口输入，流经汽水换热器的换热区与所述蒸汽换热，所述蒸汽冷凝，冷水升温，最终混合形成热水落下，在汽水换热器的蓄热区聚集，通过汽水换热器的供水口用来提供连续的热水资源；
(3)利用步骤(2)的热水资源驱动ORC发电机组，用于发电；
(4)发电后，热水降温成步骤(2)中所述的冷水循环返回，并再次从所述回水口输入与所述蒸汽换热，形成循环。
其中，所述蒸汽中携带的粉尘会变成污泥沉积在汽水换热器底部，在汽水换热器底部设排污口，并设阀门，定时利用热水冲刷排污，排污同时维持钢渣余热发电的工艺系统水平衡。
其中，汽水换热器为直接接触式，冷水流经换热区与所述蒸汽直接接触，最终混合形成热水，实现了余热的全收集。
其中，汽水换热器包括具有回水口、蒸汽入口、换热区、蓄热区、供水口、排污口，回水口设置在汽水换热器的顶部，用于将所述冷水引入汽水换热器，换热区设置在回水口的下部，蒸汽入口设置在换热区的下部，与钢渣余热产生装置的蒸汽出口连接，用于将所述蒸汽引入汽水换热器，汽水换热器为直接接触式，冷水流经换热区与所述蒸汽直接接触，最终混合形成热水，蓄热区设置在蒸汽入口的下部，热水落下，在蓄热区聚集，供水口位于蓄热区，用来提供连续的热水资源；排污口设置在汽水换热器的底部。
本发明还涉及一种利用蒸汽余热发电的工艺方法，包括如下工艺步骤：
(1)将所述蒸汽引入汽水换热器；
(2)循环后的冷水从汽水换热器回水口输入，流经换热区与所述蒸汽换热，所述蒸汽冷凝，冷水升温，最终混合形成热水落下，在蓄热区聚集，通过汽水换热器的供水口用来提供连续的热水资源；
(3)利用步骤(2)的热水资源驱动ORC发电机组，用于发电；
(4)发电后，热水降温成步骤(2)中所述的冷水返回，并再次从汽水换热器回水口输入与所述蒸汽换热，形成循环。
其中，蒸汽为低压，含尘，不连续的蒸汽，优选为蒸汽为钢渣有压热闷罐在有压热闷过程中周期排放的不连续低压含尘蒸汽。
本发明还涉及一种利用钢渣余热发电的装置，其包括：钢渣余热产生装置、汽水换热器以及ORC发电机组，其中钢渣余热产生装置与汽水换热器连接，用于将流入汽水换热器中的冷水的加热，以提供连续的热水资源，汽水换热器和ORC发电机组相连，用于将热水资源提供给ORC发电机组以发电，发电后，将热水降温成冷水返回，并再次从汽水换热器输入与所述蒸汽换热，形成循环。
其中，钢渣余热产生装置优选为有压热闷罐，其提供不连续、低压、含尘的所述蒸汽到汽水换热器；优选所述装置还包括水泵，用于将热水泵送到ORC发电机组。
其中，汽水换热器包括具有回水口、蒸汽入口、换热区、蓄热区、供水口、排污口，回水口设置在汽水换热器的顶部，用于将所述冷水引入汽水换热器，换热区设置在回水口的下部，蒸汽入口设置在换热区的下部，与钢渣余热产生装置的蒸汽出口连接，用于将所述蒸汽引入汽水换热器，汽水换热器为直接接触式，冷水流经换热区与所述蒸汽直接接触，最终混合形成热水，蓄热区设置在蒸汽入口的下部，热水落下，在蓄热区聚集，供水口位于蓄热区，用来提供连续的热水资源；排污口设置在汽水换热器的底部。
其中，所述蒸汽中携带的粉尘会变成污泥沉积在汽水换热器底部，在汽水换热器底部设排污口，并设阀门，定时利用热水冲刷排污，排污同时维持钢渣余热发电的工艺系统水平衡。
其中，热闷蒸汽具有低压，含尘，不连续的特点。
其中，汽水换热器为直接接触式，即蒸汽与水直接接触，最终混合形成热水，实现了余热的全收集。
其中，利用热水冲刷排污，排污同时维持工艺系统水平衡。
其中，本方法适用但不局限于利用钢渣有压热闷排放的废蒸汽余热发电，一切具有低压，含尘，不连续的特点的蒸气余热，均可利用本工艺方法发电利用。
本发明优点是方法上实现了钢渣余热的有效利用，技术上实现了不连续的含尘废蒸汽向连续性的热水资源转换，为余热利用提供有利条件，对降低钢铁企业综合能耗及控制污染物排放具有重要意义。
附图说明
图1钢渣余热发电工艺方法示意图；
图2汽水换热器结构示意图。
具体实施方式
一种钢渣余热发电工艺方法示意图如图1所示，附图标记所代表的含义如下：1、有压热闷罐；2、热闷蒸汽；3、汽水换热器；4、水泵；5、供水；6、回水；7、ORC发电机组；8、排污管。图2为汽水换热器结构示意图，附图标记所代表的含义如下：3-1、蒸汽入口；3-2、换热区；3-3、回水口；3-4、蓄热区；3-5、供水口；3-6、排污口。
如图1和2所示，一种利用钢渣余热发电的装置，其包括：有压热闷罐1、汽水换热器3以及ORC发电机组7，其中有压热闷罐1与汽水换热器3连接，其将热闷蒸汽2输送到汽水换热器3，用于将流入汽水换热器3中的冷水的加热，以提供连续的热水资源，汽水换热器3和ORC发电机组7相连，用于将热水资源提供给ORC(Organic Rankine Cycle,有机朗肯循环)发电机组7以发电，发电后，将热水降温成冷水返回，并再次从汽水换热器3的冷水回水口3-3输入与所述蒸汽换热，形成循环。热闷蒸汽2为不连续、低压、含尘的蒸汽；所述装置还包括水泵4，其与汽水换热器3连接，用于将热水泵送到ORC发电机组7。汽水换热器3包括具有冷水回水口3-3、蒸汽入口3-1、换热区3-2、蓄热区3-4、供水口3-5、排污口3-6，冷水回水口3-3设置在汽水换热器3的顶部，用于将所述冷水引入汽水换热器3，换热区3-2设置在冷水回水口3-3的下部，蒸汽入口3-1设置在换热区3-2的下部，与有压热闷罐1的蒸汽出口连接，用于将所述热闷蒸汽2引入汽水换热器3，汽水换热器为直接接触式，冷水流经换热区3-2与所述热闷蒸汽2直接接触，最终混合形成热水，蓄热区3-4设置在蒸汽入口3-1的下部，热水落下，在蓄热区3-4聚集，供水口3-5位于蓄热区，用来提供连续的热水资源；排污口3-6设置在汽水换热器3的底部。所述蒸汽中携带的粉尘会变成污泥沉积在汽水换热器底部，在汽水换热器底部设排污口3-6，并设阀门，定时利用热水冲刷排污，排污同时维持钢渣余热发电的工艺系统水平衡，即热闷蒸汽冷凝成水后会使系统循环水量增加，需要定时排放，维持循环水量一定。蓄热区3-4的底部为锥形，便于排污物的聚集排出。
其中，ORC发电机组可以为本领域任何ORC发电机组，只要能够实现利用热水进行发电即可。优选，ORC发电机组包括蒸发器7-1、预热器7-4、ORC汽轮机7-2、冷凝器7-3；热水首先优选通过水泵4被送入到蒸发器7-1内对经预热后的发电工质，优选为氟利昂进行加热，蒸发器7-1内与发电工质换热后的热水再进入到预热器7-4内对冷凝后的发电工质进行预热；经蒸发器7-1和预热器7-4换热后的热水温度降低后变成冷水再返回到汽水换热器3中循环使用，而发电工质吸热后气化膨胀进入到ORC汽轮机7-2中做功发电，发电工质之后进入到冷凝器7-3中被冷却成液体，再优选通过工质泵送入到预热器7-4中预热，而后发电工质重新进入到蒸发器7-1中吸热气化，如此反复，从而可实现连续发电。
汽水换热器3通过热水管道与水泵4、蒸发器7-1、预热器7-4依次连接，组成一套热水流通系统，具体为汽水换热器3中的过热水经水泵4加压后被首先送入到蒸汽器7-1中，之后再流入到预热器7-4中，换热后变成冷水从汽水换热器3顶部循环返回，与逆流而来的蒸汽换热。预热器7-4、蒸发器7-1、ORC汽轮发电机组7-2、冷凝器7-3之间通过工质管道依次串联在一起，组成一套发电工质流通系统，具体为工质泵将冷凝器7-3中的液态工质加压后送入到预热器7-4中经初步预热后，再流进蒸发器7-1内被加热气化膨胀，之后流入到ORC汽轮机7-2内做功发电，做功后的工质再自流进入到冷凝器7-3内被冷却成液态，如此反复；冷凝器7-3与冷却系统(未图示)进、回水管道相连，组成一套工质冷却系统。
具体包括如下步骤：(1)将钢渣在罐式有压热闷过程中热闷罐周期排放的不连续低压含尘蒸汽(以下简称热闷蒸汽)引入汽水换热器；(2)循环后的冷水从汽水换热器顶部输入，流经换热区与热闷蒸汽直接接触换热，热闷蒸汽冷凝，冷水升温，最终混合形成热水落下，在蓄热区聚集，供水口3-5位于蓄热区，用来提供连续的热水资源，见图二；(3)用步骤(2)的热水资源驱动ORC发电机组，用于发电；(4)发电后，热水降温成步骤(1)中的冷水返回，并再次从汽水换热器顶部输入与热闷蒸汽换热，形成循环；(5)热闷蒸汽中携带的粉尘会变成污泥沉积在汽水换热器底部，因此在汽水换热器底部设排污口，并设阀门，定时利用热水冲刷排污，排污同时维持工艺系统水平衡。
实施例1，(1)将钢渣在罐式有压热闷过程中热闷罐周期排放的不连续低压含尘饱和蒸汽(以下简称热闷蒸汽)引入汽水换热器，蒸汽平均压力0.2MPa(表压)，蒸汽平均流量2.8t/h；(2)循环后的冷水温度平均为75℃，从汽水换热器顶部输入，流经换热区与热闷蒸汽直接接触换热，热闷蒸汽冷凝，冷水升温，最终混合形成热水落下，热水平均温度为95℃，热水平均流量58t/h，在蓄热区聚集，供水口3-5位于蓄热区，用来提供连续的热水资源；(3)用步骤(2)的热水资源驱动ORC发电机组，用于发电，发电量平均104kWh；(4)发电后，热水降温成步骤(1)中的冷水返回，并再次从汽水换热器顶部输入与热闷蒸汽换热，形成循环；(5)汽水换热器底部设排污口每小时开一次冲刷排污，平均排水量2.8t，同时维持工艺系统水平衡。
实施例2，(1)将钢渣在罐式有压热闷过程中热闷罐周期排放的不连续低压含尘饱和蒸汽(以下简称热闷蒸汽)引入汽水换热器，蒸汽平均压力0.2MPa(表压)，蒸汽平均流量3.0t/h；(2)循环后的冷水温度平均为85℃，从汽水换热器顶部输入，流经换热区与热闷蒸汽直接接触换热，热闷蒸汽冷凝，冷水升温，最终混合形成热水落下，热水平均温度为105℃，热水平均流量60t/h，在蓄热区聚集，供水口3-5位于蓄热区，用来提供连续的热水资源；(3)用步骤(2)的热水资源驱动ORC发电机组，用于发电，发电量平均120kWh；(4)发电后，热水降温成步骤(1)中的冷水返回，并再次从汽水换热器顶部输入与热闷蒸汽换热，形成循环；(5)汽水换热器底部设排污口每小时开一次冲刷排污，平均排水量3.0t，同时维持工艺系统水平衡。

Claims (5)

1.一种利用钢渣余热发电的工艺方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
(1)将有压热闷罐(1)在有压热闷过程中周期排放的热闷蒸汽(2)引入汽水换热器(3)；
(2)循环后的冷水从汽水换热器(3)的回水口(3-3)输入，流经汽水换热器(3)的换热区(3-2)与所述蒸汽换热，所述蒸汽冷凝，冷水升温，最终混合形成热水落下，在汽水换热器(3)的蓄热区(3-4)聚集，通过汽水换热器(3)的供水口(3-5)用来提供连续的热水资源；
(3)利用步骤(2)的热水资源驱动ORC发电机组，用于发电；
(4)发电后，热水降温成步骤(2)中所述的冷水循环返回，并再次从所述回水口输入与所述蒸汽换热，形成循环；
汽水换热器(3)通过热水管道与水泵(4)、ORC发电机组的蒸发器(7-1)、ORC发电机组的预热器(7-4)依次连接，组成一套热水流通系统；热水管道包括第一热水管道、第二热水管道和第三热水管道，在蒸发器(7-1)和预热器(7-4)之间设置有第二热水管道，汽水换热器(3)和蒸发器(7-1)之间通过第一热水管道连通，蒸发器(7-1)和预热器(7-4)之间通过第二热水管道连通，预热器(7-4)与汽水换热器(3)之间通过第三热水管道连通；具体为汽水换热器(3)中的过热水经水泵(4)加压后通过第一管道被首先送入到蒸发器(7-1)中对经预热后的发电工质进行加热，蒸发器(7-1)内与发电工质换热后的热水之后再通过第二管道流入到预热器(7-4)中对冷凝后的工质进行预热，换热后变成的水通过第三热水管道从汽水换热器(3)顶部循环返回，与逆流而来的蒸汽换热；
汽水换热器(3)包括回水口(3-3)、蒸汽入口(3-1)、换热区(3-2)、蓄热区(3-4)、供水口(3-5)、排污口(3-6)，回水口(3-3)设置在汽水换热器的顶部，用于将所述冷水引入汽水换热器，换热区(3-2)设置在回水口(3-3)的下部，蒸汽入口(3-1)设置在换热区(3-2)的下部，与有压热闷罐(1)的蒸汽出口连接，用于将所述蒸汽引入汽水换热器，汽水换热器为直接接触式，冷水流经换热区与所述蒸汽直接接触，最终混合形成热水，蓄热区(3-4)设置在蒸汽入口(3-1)的下部，热水落下，在蓄热区聚集，供水口(3-5)位于蓄热区(3-4)，用来提供连续的热水资源；排污口(3-6)设置在汽水换热器(3)的底部。
2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述蒸汽(2)中携带的粉尘会变成污泥沉积在汽水换热器底部，在汽水换热器底部设排污口(3-6)，并设阀门，定时利用热水冲刷排污，排污同时维持钢渣余热发电的工艺系统水平衡。
3.根据权利要求1-2之一所述的工艺方法，其特征在于，汽水换热器(3)为直接接触式，冷水流经换热区(3-2)与所述蒸汽直接接触，最终混合形成热水，实现了余热的全收集。
4.一种利用钢渣余热发电的装置，其包括：有压热闷罐(1)、汽水换热器(3)以及ORC发电机组(7)，其中有压热闷罐(1)与汽水换热器(3)连接，有压热闷罐(1)在有压热闷过程中周期排放的热闷蒸汽(2)引入汽水换热器(3)，用于将流入汽水换热器中的冷水加热，以提供连续的热水资源，汽水换热器(3)和ORC发电机组(7)相连，用于将热水资源提供给ORC发电机组(7)以发电，发电后，将热水降温成冷水返回，并再次从汽水换热器输入与所述蒸汽换热，形成循环；汽水换热器(3)通过热水管道与水泵(4)、ORC发电机组的蒸发器(7-1)、ORC发电机组的预热器(7-4)依次连接，组成一套热水流通系统；热水管道包括第一热水管道、第二热水管道和第三热水管道，在蒸发器(7-1)和预热器(7-4)之间设置有第二热水管道，汽水换热器(3)和蒸发器(7-1)之间通过第一热水管道连通，蒸发器(7-1)和预热器(7-4)之间通过第二热水管道连通，预热器(7-4)与汽水换热器之间通过第三热水管道连通；具体为汽水换热器(3)中的过热水经水泵(4)加压后通过第一管道被首先送入到蒸发器(7-1)中对经预热后的发电工质进行加热，蒸发器(7-1)内与发电工质换热后的热水之后再通过第二管道流入到预热器(7-4)中对冷凝后的工质进行预热，换热后变成的水通过第三热水管道从汽水换热器(3)顶部循环返回，与逆流而来的蒸汽换热，汽水换热器(3)包括回水口(3-3)、蒸汽入口(3-1)、换热区(3-2)、蓄热区(3-4)、供水口(3-5)、排污口(3-6)，回水口(3-3)设置在汽水换热器的顶部，用于将所述冷水引入汽水换热器，换热区(3-2)设置在回水口(3-3)的下部，蒸汽入口(3-1)设置在换热区(3-2)的下部，与有压热闷罐(1)的蒸汽出口连接，用于将所述蒸汽引入汽水换热器，汽水换热器为直接接触式，冷水流经换热区与所述蒸汽直接接触，最终混合形成热水，蓄热区(3-4)设置在蒸汽入口(3-1)的下部，热水落下，在蓄热区聚集，供水口(3-5)位于蓄热区(3-4)，用来提供连续的热水资源；排污口(3-6)设置在汽水换热器(3)的底部。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述蒸汽中携带的粉尘会变成污泥沉积在汽水换热器底部，在汽水换热器底部设排污口，并设阀门，定时利用热水冲刷排污，排污同时维持钢渣余热发电的工艺系统水平衡。
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