CN107941028B - 具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统 - Google Patents

具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统。包括烧结矿余热回收设备、余热锅炉、冷却塔、凝汽器和省煤器等；还包括由蒸发器、膨胀机、第二发电机、回热器和冷凝器构成的有机朗肯循环发电系统。烧结冷却废气首先进入蒸发器中，与有机介质换热后进入省煤器内加热锅炉给水，最后进入烧结矿余热回收装置内作为冷却介质循环使用；换热后的有机工质进入膨胀机内做功发电，经回热器进入冷凝器内冷凝，最后经工质泵加压至蒸发器内循环使用；从冷却塔出来的冷却水在冷凝器内冷却有机工质后，在冷却水泵的作用下重新回到冷却塔内循环利用。本发明实现了烧结冷却废气余热的深度回收利用，进一步提高烧结矿余热发电量。

Description

具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统
技术领域
本发明涉及余热回收利用领域，具体涉及具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统。
背景技术
目前，烧结工序能源消耗占我国钢铁企业的能源消耗总量的10%~15%，但烧结工序的平均能耗却比国外发达国家高出19%以上，其主要原因是烧结过程余热利用率低，不足30%。在烧结过程余热资源的组成中，烧结矿余热资源占65%~71%，因此，如何高效回收利用烧结矿余热资源对降低钢铁企业的吨钢能耗和提高余热余能利用率都具有重要意义。
在我国钢铁企业中，烧结矿显热的回收主要是通过鼓风式环形冷却机实现的。针对当前环形冷却机而言，其结构形式、结构和操作参数的设计，仅能回收环冷机高温段出口的冷却废气余热用于动力发电。除烧结环冷机外，烧结矿竖罐也是一种烧结矿余热回收设备，其具有余热回收率高和出口热载体品质较高等优点。目前，与烧结矿环冷机或余热回收竖罐配套的余热锅炉排烟温度在150℃左右，将余热锅炉出口冷却废气通入省煤器内加热锅炉给水后的温度也在100℃以上，若直接采用烟气再循环技术将省煤器出口的冷却废气通入烧结矿余热回收设备内，这将会减小设备内气固之间的换热温差，导致余热回收设备出口烧结矿温度增加，同时降低烧结矿的余热回收率；若将省煤器出口的冷却废气直接排空也会造成能源的浪费。
针对烧结余热锅炉出口冷却废气不存在低温露点腐蚀这一特点，本发明提出了具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，并在系统中增加了回热装置，进一步深度回收利用烧结冷却废气的显热，对提高我国钢铁企业余热余能利用率和推动工业节能减排都具有十分重要意义。
发明内容
为了解决目前烧结余热锅炉出口冷却废气余热未被利用而造成能源浪费的问题，进一步深度回收利用烧结冷却废气显热，提高烧结矿余热发电量，本发明提供一种具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统。
一种具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统包括烧结矿余热回收设备1、余热锅炉2、汽轮机3、第一发电机4、凝汽器5、冷却塔6、给水水泵7、省煤器8、凝汽水泵9和鼓风机10；
烧结矿余热回收设备1的冷却废气出口连通着余热锅炉2的烟气进口，余热锅炉2的水蒸气出口连通着汽轮机3的蒸汽进口，汽轮机3的蒸汽出口连通着凝汽器5的第一进水口，凝汽器5的第一出水口连通着省煤器8的冷却水进口；凝汽器5的第二进水口通过串联的凝汽水泵9连通着三通管的第一端口，凝汽器5的第二出水口连通着冷却塔6的第一进水口，三通管的第二端口连通着冷却塔6的冷却水出口；省煤器8的冷却水出口通过串联的给水水泵7连通着余热锅炉2的冷却水进口，省煤器8的烟气出口通过串联的鼓风机10连通着烧结矿余热回收设备1的冷却废气进口。所述的烧结矿余热回收设备1是烧结矿环冷机高温段或竖式冷却设备，烧结矿余热回收设备1的冷却废气出口与余热锅炉2的烟气进口之间设置有除尘装置，省煤器8的冷却水出口与余热锅炉2的冷却水进口之间设置有除氧装置。
还包括蒸发器11、膨胀机12、第二发电机13、回热器14和冷凝器15；
所述蒸发器11的工质出口连通着膨胀机12的进口，膨胀机12的出口连通着回热器14的第一进口，回热器14的第一出口连通着冷凝器15的工质进口，冷凝器15的工质出口通过串联的工质泵16连通着回热器14的第二进口，回热器14的第二出口连通着蒸发器11的工质进口；所述冷却塔6的冷却水出口连通着三通管的第二端口，冷凝器15的冷却水进口连通着三通管的第三端口，冷凝器15的冷却水出口通过串联的冷却水泵17连通着冷却塔6的第二进水口；所述蒸发器11的烟气进口连通着余热锅炉2的烟气出口，蒸发器11的烟气出口连通着省煤器8的烟气进口；所述膨胀机12的叶轮连接着第二发电机13的转子；
所述蒸发器11、膨胀机12、第二发电机13、回热器14、冷凝器15和工质泵16构成有机朗肯循环发电系统；
工作时，从余热锅炉2烟气出口排出的冷却废气首先进入到蒸发器11内，将有机工质加热成饱和或过热的高压蒸汽，然后进入到省煤器8内加热锅炉给水，最后在鼓风机10的作用下进入到烧结余热回收设备1内循环使用；饱和或过热工质蒸汽进入到膨胀机12内膨胀做功，推动第二发电机13发电，膨胀后的有机介质乏汽通过回热器14后进入到冷凝器15内，与冷却水换热后成为低温低压的饱和或过冷液体，然后在工质泵16的作用下进入回热器14内进行预热，最后重新进入蒸发器11内进行循环使用；一部分从冷却塔6出来的冷却水在凝汽水泵9作用下被送入凝汽器5内冷却从汽轮机尾部排出的乏汽，然后重新回到冷却塔6内循环使用，另一部分冷却水则进入冷凝器15内冷却有机工质，然后在冷却水泵17的作用下返回冷却塔6内循环使用。
进一步限定的技术方案如下：
所述有机朗肯循环发电系统内的循环工质为低沸点有机工质，采用亚临界循环，蒸发器11工质出口的有机工质为饱和或过热蒸汽，冷凝器15工质出口的有机工质为饱和或过冷液体。
所述蒸发器11、回热器14和冷凝器15均为间壁式换热器。
所述蒸发器11和回热器14为管翅式换热器。
所述冷凝器15为管壳式或板式换热器。
所述膨胀机12为向心透平或螺杆式膨胀机。
所述第二发电机13为异步发电机，便于系统控制。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
（1）本发明通过增设有机朗肯循环发电系统，实现了梯级回收利用烧结余热锅炉出口冷却废气的显热，提高了烧结矿余热回收率和吨矿发电量，对提高钢铁企业余热余能利用率和推动企业绿色发展具有重要意义。
（2）本发明将烟气再循环技术与有机朗肯循环发电技术进行有效结合，实现了有机朗肯循环系统的热电联供，提高了烧结余热锅炉的运行效率和冷却废气的余热利用率，同时也实现了冷却废气、冷却水和有机工质的高效循环利用。
（3）本发明在满足余热锅炉给水温度的情况下，可将烧结冷却废气的余热利用率提高10%~15%，同时使烧结矿余热回收设备的吨矿发电量增加6%~8%。
附图说明
图1为本发明的烧结余热发电系统工作原理图。
图1中序号：1-烧结矿余热回收设备，2-余热锅炉，3-汽轮机，4-第一发电机，5-凝汽器，6-冷却塔，7-给水水泵，8-省煤器，9-凝汽水泵，10-鼓风机，11-蒸发器，12-膨胀机，13-第二发电机，14-回热器，15-冷凝器，16-工质泵，17-冷却水泵，18-热烧结矿进口，19-冷烧结矿出口。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例
参见图1，一种具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统包括烧结矿余热回收设备1、余热锅炉2、汽轮机3、第一发电机4、凝汽器5、冷却塔6、给水水泵7、省煤器8、凝汽水泵9和鼓风机10；
烧结矿余热回收设备1上有热烧结矿进口18和冷烧结矿出口19；
烧结矿余热回收设备1的冷却废气出口连通着余热锅炉2的烟气进口，余热锅炉2的水蒸气出口连通着汽轮机3的蒸汽进口，汽轮机3的蒸汽出口连通着凝汽器5的第一进水口，凝汽器5的第一出水口连通着省煤器8的冷却水进口；凝汽器5的第二进水口通过串联的凝汽水泵9连通着三通管的第一端口，凝汽器5的第二出水口连通着冷却塔6的第一进水口，三通管的第二端口连通着冷却塔6的冷却水出口；省煤器8的冷却水出口通过串联的给水水泵7连通着余热锅炉2的冷却水进口，省煤器8的烟气出口通过串联的鼓风机10连通着烧结矿余热回收设备1的冷却废气进口。烧结矿余热回收设备1是烧结矿环冷机高温段或竖式冷却设备，烧结矿余热回收设备1的冷却废气出口与余热锅炉2的烟气进口之间设置有除尘装置；省煤器8的冷却水出口与余热锅炉2的冷却水进口之间设置有除氧装置。
还包括蒸发器11、膨胀机12、第二发电机13、回热器14和冷凝器15；蒸发器11、回热器14和冷凝器15均为间壁式换热器；其中蒸发器11和回热器14为管翅式换热器；冷凝器15为管壳式或板式换热器。膨胀机12为向心透平或螺杆式膨胀机。第二发电机13为异步发电机，便于系统控制。
蒸发器11的工质出口连通着膨胀机12的进口，膨胀机12的出口连通着回热器14的第一进口，回热器14的第一出口连通着冷凝器15的工质进口，冷凝器15的工质出口通过串联的工质泵16连通着回热器14的第二进口，回热器14的第二出口连通着蒸发器11的工质进口；所述冷却塔6的冷却水出口连通着三通管的第二端口，冷凝器15的冷却水进口连通着三通管的第三端口，冷凝器15的冷却水出口通过串联的冷却水泵17连通着冷却塔6的第二进水口；所述蒸发器11的烟气进口连通着余热锅炉2的烟气出口，蒸发器11的烟气出口连通着省煤器8的烟气进口；所述膨胀机12的叶轮连接着第二发电机13的转子；
蒸发器11、膨胀机12、第二发电机13、回热器14、冷凝器15和工质泵16构成有机朗肯循环发电系统。有机朗肯循环发电系统内的循环工质为低沸点有机工质，采用亚临界循环，蒸发器11工质出口的有机工质为饱和或过热蒸汽，冷凝器15工质出口的有机工质为饱和或过冷液体。
本发明的工作原理说明如下：从烧结矿余热回收设备1烟气出口排出的高温冷却废气经除尘后进入余热锅炉2内将锅炉给水加热成高温高压的过热蒸汽，余热锅炉2产生的过热蒸汽随后进入汽轮机3内膨胀做功，推动第一发电机4发电，膨胀后的乏汽从汽轮机3尾部排出，然后进入凝汽器5内被冷却为液态水，随后进入省煤器8内进行预热，最后在给水水泵7的作用下进入到余热锅炉2内作为锅炉给水循环使用；从余热锅炉2烟气出口排出的冷却废气首先进入到蒸发器11内，将有机工质加热成饱和或过热的高压蒸汽，然后进入到省煤器8内加热锅炉给水，换热后的冷却废气在鼓风机10的作用下进入到烧结余热回收设备1内循环使用；被加热的饱和或过热工质蒸汽随后进入到膨胀机12内膨胀做功，推动第二发电机13发电，膨胀后的有机介质乏汽通过回热器14后进入到冷凝器15内，与冷却水换热后成为低温低压的饱和或过冷液体，然后在工质泵16的作用下进入回热器14内进行预热，最后重新进入蒸发器11内进行循环使用；一部分从冷却塔6出来的冷却水在凝汽水泵9的作用下被送入凝汽器5内冷却从汽轮机尾部排出的乏汽，随后进入冷却塔6内作为循环水继续使用，另一部分则进入冷凝器15内冷却有机朗肯循环的有机工质，换热后的冷却水在冷却水泵17的作用下直接进入冷却塔6内作为冷却水循环使用。
参见表1，以360m2烧结机对应的余热回收竖罐为例，对烧结余热锅炉出口冷却废气的回收利用进行解析计算。有机朗肯循环发电系统内的循环工质采用对环境无害的低沸点有机工质，采用亚临界循环，蒸发器出口的有机工质蒸汽为饱和蒸汽，冷凝器出口的有机工质为饱和液体。从表1可以看出，锅炉出口的冷却废气经过蒸发器换热后温度会降至100℃以下，再通过省煤器换热后温度会降至65. 4℃，冷却废气的余热利用率会提高10%左右，此时将冷却废气进行循环利用也会提高余热回收装置出口冷却废气的品质，进而提高余热锅炉的发电量。由表1还可以看出，有机朗肯循环中增加回热装置会使得循环热效率有所增加，达到15.6%。另外，有机朗肯循环的发电量为1120kW，折合成吨矿发电量为2.05kWh，使得余热回收竖罐的吨矿发电量增加6%~8%。由此可见，采用有机朗肯循环技术和烟气再循环技术回收烧结冷却废气的显热，不仅能够提高冷却废气的余热利用率，还会提高余热回收装置的吨矿发电量，对提高企业的余热余能利用率和推动工业节能减排都具有十分重要意义。

Claims (7)

1.具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，包括烧结矿余热回收设备（1）、余热锅炉（2）、汽轮机（3）、第一发电机（4）、凝汽器（5），冷却塔（6）、给水水泵（7）、省煤器（8），凝汽水泵（9）和鼓风机（10）；
烧结矿余热回收设备（1）的冷却废气出口连通着余热锅炉（2）的烟气进口，余热锅炉（2）的水蒸气出口连通着汽轮机（3）的蒸汽进口，汽轮机（3）的蒸汽出口连通着凝汽器（5）的第一进水口，凝汽器（5）的第一出水口连通着省煤器（8）的冷却水进口；凝汽器（5）的第二进水口通过串联的凝汽水泵（9）连通着三通管的第一端口，凝汽器（5）的第二出水口连通着冷却塔（6）的第一进水口，三通管的第二端口连通着冷却塔（6）的冷却水出口；省煤器（8）的冷却水出口通过串联的给水水泵（7）连通着余热锅炉（2）的冷却水进口，省煤器（8）的烟气出口通过串联的鼓风机（10）连通着烧结矿余热回收设备（1）的冷却废气进口；所述的烧结矿余热回收设备（1）是烧结矿环冷机高温段或竖式冷却设备，烧结矿余热回收设备（1）的冷却废气出口与余热锅炉（2）的烟气进口之间设置有除尘装置，省煤器（8）的冷却水出口与余热锅炉（2）的冷却水进口之间设置有除氧装置，其特征在于：
还包括蒸发器（11）、膨胀机（12）、第二发电机（13）、回热器（14）和冷凝器（15）；
所述蒸发器（11）的工质出口连通着膨胀机（12）的进口，膨胀机（12）的出口连通着回热器（14）的第一进口，回热器（14）的第一出口连通着冷凝器（15）的工质进口，冷凝器（15）的工质出口通过串联的工质泵（16）连通着回热器（14）的第二进口，回热器（14）的第二出口连通着蒸发器（11）的工质进口；所述冷却塔（6）的冷却水出口连通着三通管的第二端口，冷凝器（15）的冷却水进口连通着三通管的第三端口，冷凝器（15）的冷却水出口通过串联的冷却水泵（17）连通着冷却塔（6）的第二进水口；所述蒸发器（11）的烟气进口连通着余热锅炉（2）的烟气出口，蒸发器（11）的烟气出口连通着省煤器（8）的烟气进口；所述膨胀机（12）的叶轮连接着第二发电机（13）的转子；
所述蒸发器（11）、膨胀机（12）、第二发电机（13）、回热器（14）、冷凝器（15）和工质泵（16）构成有机朗肯循环发电系统；
工作时，从余热锅炉（2）烟气出口排出的冷却废气首先进入到蒸发器（11）内，将有机工质加热成饱和或过热的高压蒸汽，然后进入到省煤器（8）内加热锅炉给水，最后在鼓风机（10）的作用下进入到烧结矿余热回收设备（1）内循环使用；饱和或过热工质蒸汽进入到膨胀机（12）内膨胀做功，推动第二发电机（13）发电，膨胀后的有机介质乏汽通过回热器（14）后进入到冷凝器（15）内，与冷却水换热后成为低温低压的饱和或过冷液体，然后在工质泵（16）的作用下进入回热器（14）内进行预热，最后重新进入蒸发器（11）内进行循环使用；一部分从冷却塔（6）出来的冷却水在凝汽水泵（9）的作用下被送入凝汽器（5）内冷却从汽轮机尾部排出的乏汽，然后重新回到冷却塔（6）内循环使用，另一部分冷却水则进入冷凝器（15）内冷却有机工质，然后在冷却水泵（17）的作用下返回冷却塔（6）内循环使用。
2.根据权利要求1所述的具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，其特征在于：所述有机朗肯循环发电系统内的循环工质为低沸点有机工质，采用亚临界循环，蒸发器（11）工质出口的有机工质为饱和或过热蒸汽，冷凝器（15）工质出口的有机工质为饱和或过冷液体。
3.根据权利要求1或2所述的具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，其特征在于：所述蒸发器（11）、回热器（14）和冷凝器（15）均为间壁式换热器。
4.根据权利要求3所述的具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，其特征在于：所述蒸发器（11）和回热器（14）为管翅式换热器。
5.根据权利要求3所述的具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，其特征在于：所述冷凝器（15）为管壳式或板式换热器。
6.根据权利要求1所述的具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，其特征在于：所述膨胀机（12）为向心透平或螺杆式膨胀机。
7.根据权利要求1所述的具有有机朗肯循环的烧结冷却废气余热发电系统，其特征在于：所述第二发电机（13）为异步发电机，便于系统控制。
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