CN110857843A - 一种焦炉余热斯特林发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦炉余热斯特林发电系统，包括炼焦设备和斯特林发电机，所述斯特林发电机设有热端和冷端，所述热端伸入所述炼焦设备进行热量交换，所述冷端连接有冷却装置。本发明能够对焦炉余热高效利用进行发电。

Description

一种焦炉余热斯特林发电系统

技术领域

本发明涉及余热发电利用领域，具体涉及一种焦炉余热斯特林发电系统。

背景技术

中国是世界第一焦炭生产和消费大国，焦炭产能高达近7亿吨，2016年实际产能4.4亿吨，焦炭产能过剩严重，由于焦化是高能耗、高排放型行业，节能减排压力很大。2016年焦化行业焦化工序能耗在122kgce(kg标准煤)/t焦炭，其中焦炉的能耗约占工序能耗的70％～80％。

根据国内外大中型焦炉热工研究表明，从焦炉炭化室推出的950～1050℃红焦带出的显热(高温余热)占焦炉支出热约37.52％。目前大多数焦化企业(尤其是独立的焦化企业)都采用传统的湿法熄焦技术，即用水直接喷洒红热焦炭的方式进行熄焦，这种熄焦方式不但使红焦携带的显热无法回收，也造成能源严重浪费，而且在熄焦过程中产生大量的废水、废气，大气污染非常严重。目前回收红焦显热最为成熟的技术就是干熄焦技术。所谓干熄焦(CDQ)，是相对湿熄焦而言的，是指采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法，惰性气体吸热后与水换热生产蒸汽，在通过高温高压蒸汽进行发电。

650～700℃的荒煤气带出热(中温余热)占焦炉支出热约33.76％。其中，水分带出的热量占焦炉煤气支出热约51.84％。目前普遍的做法是：先在桥管和集气管喷洒循环氨水与荒煤气直接接触，靠循环氨水大量气化，使荒煤气急剧降温至80～85℃；降温后的荒煤气在初冷器中再用冷却水间接冷却至25℃，氨水经冷却和除焦油后循环使用。在该工艺过程中，荒煤气中所含有的大量热能被冷却氨水带走，冷却后的氨水通过蒸发脱氨后排放，在消耗大量氨水增加生产成本的同时，荒煤气余热资源无法回收而损失掉。因此，荒煤气带出显热的回收，对焦化厂节能降耗提高经济效益具有非常重要的作用。而上升管余热利用是一种有效的生产蒸汽并发电的技术。

综述所述，目前的大部分炼焦厂的红焦和荒煤气余热利用不充分，即使是较为先进的干熄焦技术和上升管技术，都需要制取蒸汽，再利用蒸汽轮机朗肯循环发电，其发电效率超不过35％。

尤其需要说明的是，开发一种能够利用炼焦工艺中的余热进行高效发电的系统，将不仅有利于炼焦工艺中的余热回收，同时有利于优化炼焦工艺中的能源利用模式和能源利用效率。

发明内容

针对现有焦炉余热利用不足和效率不高的缺陷，本发明旨在提供一种焦炉余热斯特林发电系统，可以实现焦炉余热直接发电。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种焦炉余热斯特林发电系统，包括炼焦设备、干熄炉和斯特林发电机，所述斯特林发电机设有热端和冷端，所述热端伸入所述炼焦设备进行热量交换，所述冷端连接有冷却装置。

进一步的，所述斯特林发电机布置在所述炼焦设备的炉壁部分，和/或炉顶部分，和/或烟气排放烟道中。进一步的，还包括焦炉余热回收吸热模块，所述焦炉余热回收吸热模块布置于所述炼焦设备的炉壁部分或炉顶部分或烟气排放烟道中的至少一种，所述焦炉余热回收吸热模块吸收所述炼焦设备的热量，并将热量传递至所述热端。

进一步的，所述炼焦设备包括干熄炉，所述斯特林发电机布置在所述干熄炉的炉壁部分，和/或布置在所述干熄炉的炉顶部分，和/或布置在所述干熄炉的高温惰性气体流道中，和/或布置在与所述干熄炉连通的外部烟气通道中。

进一步的，还包括焦炉余热回收吸热模块，所述焦炉余热回收吸热模块布置在所述干熄炉的炉壁部分，和/或布置在所述干熄炉的炉顶部分，和/或布置在所述干熄炉的高温惰性气体流道中，和/或布置在与所述干熄炉连通的外部烟气通道中，所述焦炉余热回收吸热模块吸收所述干熄炉和/或高温惰性气体和/或烟气的热量，并将热量传递至所述热端。

进一步的，还包括布置在所述炼焦设备的炉顶部分的上升管换热器，所述上升管换热器能够收集焦炉荒煤气的余热。

进一步的，所述上升管换热器中设有传热介质，所述传热介质为惰性气体、熔盐、导热油、相变金属、水、传热气体中的任意一种。

进一步的，所述上升管换热器中设有传热介质，所述传热介质将荒煤气余热传递到所述斯特林发电机的热端，从而驱动所述斯特林发电机进行发电。

进一步的，所述冷却装置为空气冷却装置或水冷装置中的任意一种。

进一步的，所述冷端与供热循环水回水的管路连接。

进一步的，所述冷端设有冷却循环模块。

进一步的，所述冷却循环模块与烟气低温冷却水的管路连接。

本发明的有益效果在于：

首先，斯特林发电机为卡诺循环，其发电效率高于利用蒸汽的朗肯循环发电效率；此外，斯特林发电机为外燃机，对烟气工质要求不高，可适应不同安装位置和高温环境，因此可以直接伸入炼焦设备中进行取热，通过直接采用斯特林发电机对焦炉余热进行利用，不仅提供了一种有效的余热利用途径，同时保证了斯特林发电机具有较高的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的第一实施流程图；

图2为本发明实施例的第二实施流程图；

图3为本发明实施例1的焦炉余热斯特林发电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例2的焦炉余热斯特林发电系统的结构示意图；

图5为本发明实施例3的焦炉余热斯特林发电系统的结构示意图；

图6为本发明实施例4的焦炉余热斯特林发电系统的第一结构示意图；

图7为本发明实施例4的焦炉余热斯特林发电系统的第二结构示意图；

图8为本发明实施例5的焦炉余热斯特林发电系统的结构示意图；

图9为本发明实施例6的焦炉余热斯特林发电系统的结构示意图。

为进一步清楚地说明本发明的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明。

附图标记说明：

1-斯特林发电机，2-焦炉余热回收吸热模块，3-炼焦设备，4-干熄炉，5-烟气排放烟道，6-烟囱，7-提升机，8-风机，91-一次除尘装置，92-二次除尘装置，10-惰性气体，11-冷端，12-热端，13-上升管换热器，14-低温熔盐输入端，15-高温熔盐输出端，16-低温熔盐输出端，17-惰性气体输入端，18-惰性气体输出端，P-发电输出，WI-冷却水进入端，WO-冷却水输出端，A-入炉煤，B-红焦，C-焦炭，D-焦炉煤气。

通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段，达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明实施例提供了一种焦炉余热斯特林发电系统，包括炼焦设备3和斯特林发电机1，所述斯特林发电机1设有热端12和冷端11，所述热端12伸入所述炼焦设备3进行热量交换，所述冷端11连接有冷却装置。所述斯特林发电机1布置在所述炼焦设备3的炉壁部分，和/或炉顶部分，和/或烟气排放烟道5中。

本发明实施例将炼焦余热提供给斯特林发电机，不仅提供了一种有效的余热利用途径，并保证了斯特林发电机具有较高的效率。

在本发明的部分实施方式中，所述炼焦设备3连接有干熄炉4，炉煤A被输送进入炼焦设备3，经过炼焦过程成为红焦B，所述红焦B进入所述干熄炉4进行降温熄焦，成为焦炭C。所述斯特林发电机1布置在所述干熄炉4的炉壁部分，和/或布置在所述干熄炉4的炉顶部分，和/或布置在所述干熄炉4的高温惰性气体流道中，和/或布置在与所述干熄炉4连通的外部烟气通道中。

如2所示，在本发明的部分实施方式中，所述焦炉余热斯特林发电系统还包括焦炉余热回收吸热模块2，所述焦炉余热回收吸热模块2布置于所述炼焦设备3的炉壁部分或炉顶部分或烟气排放烟道5中的至少一种，或布置在所述干熄炉4的炉壁部分，和/或布置在所述干熄炉4的炉顶部分，和/或布置在所述干熄炉4的高温惰性气体流道中，和/或布置在与所述干熄炉4连通的外部烟气通道中，所述焦炉余热回收吸热模块2吸收所述炼焦设备3和/或所述干熄炉4和/或高温惰性气体和/或烟气的热量，并将热量传递至所述热端12。

在本发明的部分实施方式中，所述焦炉余热斯特林发电系统还包括布置在所述炼焦设备3的炉顶部分的上升管换热器13，所述上升管换热器13能够收集焦炉荒煤气的余热。所述上升管换热器13中设有传热介质，所述传热介质为惰性气体、熔盐、导热油、相变金属、水、传热气体中的任意一种。所述传热介质将荒煤气余热传递到所述斯特林发电机1的热端12，从而驱动所述斯特林发电机1进行发电。

上升管换热器是炼焦生产中余热回收的主要设备，其既能够对荒煤气进行传输，又能够进行换热，通过吸收上升管内的荒煤气余热，进行余热的回收利用。本发明将上升管换热器交换所得的热量提供给斯特林发电机，提供了一种利用上升管余热提高斯特林发电机效率的有效途径。

在本发明的部分实施方式中，所述冷端11设有空冷装置或水冷装置中的任意一种，所述斯特林发电机1的冷端11采用空冷或水冷，造成温差，保证斯特林发电机1的高效运行。

在本发明的部分实施方式中，所述冷端11设有冷却循环模块，所述冷却循环模块与烟气低温冷却水的管路连接。或者，所述冷端11与供热循环水回水的管路连接，冷端11释放的热量用于厂区供热或生活热水。

在本发明实施例中，通过在所述冷端11设置所述冷却循环模块，进一步提高了所述斯特林发电机1的发电效率，并且通过将冷端11释放的热量进行合理利用，优化了整个发电系统的能源利用模式，提高了能源利用效率。

实施例1炼焦设备

如图3所示，本发明实施例提供了一种焦炉余热斯特林发电系统，包括炼焦设备3和斯特林发电机1。所述斯特林发电机1设有热端12和冷端11。所述炼焦设备3连接有干熄炉4，炉煤A被输送进入炼焦设备3，经过炼焦过程成为红焦B，所述红焦B进入干熄炉4进行降温熄焦，成为焦炭C。炼焦过程中产生的荒煤气D经过最终冷却回收，炼焦设备3产生的最终烟气由烟囱6排出。所述斯特林发电机1装配在所述炼焦设备3的炉顶、或焦炉荒煤气烟道、焦炉烟气排烟烟道、干熄炉4中的任意一种或几种位置上。

具体的，所述斯特林发电机1的热端12可以安装于下列四个位置中的任意一个或几个位置组合：

位置1：热端12直接伸入所述炼焦设备3的侧面四周炉壁部分、炉顶部分中的至少一种，从而吸收所述炼焦设备3的热量。所述斯特林发电机1实现发电输出P对区域电网或耗电设施进行供电。

位置2：热端12直接伸入所述荒煤气的烟道中，从而吸收所述荒煤气的热量。所述斯特林发电机1实现发电输出P对区域电网或耗电设施进行供电。

位置3：热端12直接伸入所述干熄炉4中，从而吸收干熄焦工艺中的热量。所述斯特林发电机1实现发电输出P对区域电网或耗电设施进行供电。

位置4：热端12直接伸入所述炼焦设备3的最终烟气排气烟道中，从而吸收所述最终烟气进入烟囱前的热量。所述斯特林发电机1实现发电输出P对区域电网或耗电设施进行供电。

实施例2炼焦设备

如图4所示，本发明实施例提供了一种焦炉余热斯特林发电系统，与实施例1的区别在于，本发明实施例所述热端12直接伸入所述炼焦设备3的炉顶部分，在本实施例提供的焦炉余热斯特林发电系统中，冷却水由冷却水进入端WI进入，流经所述冷端11后由冷却水输出端W0输出。处于外部的斯特林发电机1的所述冷端11利用冷却水冷却，

从而增大斯特林发电机热端12和冷端11的温差，提高发电效率。

实施例3

如图5所示，本发明实施例提供了一种焦炉余热斯特林发电系统，与实施例1的区别在于，本发明实施例所述热端12伸入荒煤气烟道5或焦炉最终烟气排气烟道内部吸热。所述烟气排放烟道或荒煤气烟道5与所述炼焦设备3相互连通，用于将荒煤气或烟气排出的通道，将所述斯特林发电机1设置于所述烟气排放烟道或荒煤气烟道5的内部，使得所述热端12直接吸收高温烟气或高温荒煤气的热量，用于发电。

实施例4

如图6、7所示，本实施例提供了一种结合干熄焦工艺中取热的焦炉余热斯特林发电系统，将斯特林发电机的热端12伸入干熄炉4的高温惰性气体流道内部吸热。处于外部的斯特林发电机1的冷端11利用空气冷却或利用冷却水冷却。红焦B通过提升机7被送入炉温约1000℃的干熄炉4。所述干熄炉4的外部设有一次除尘装置91和二次除尘装置92。惰性气体10由惰性气体输入端17进入干熄炉4内与红焦B进行表面接触式换热，随后从惰性气体输出端18输出，流入斯特林发电机1进行热交换。斯特林发电机1的热端12与约800℃的高温惰性气体进行换热。冷却水由冷却水进入端WI进入，流经所述冷端11后由冷却水输出端WO输出。经过热交换的惰性气体经过所述一次除尘装置91和二次除尘装置92，通过风机8，被重新输入干熄炉4。

实施例5

如图8所示，本实施例提供了一种结合干熄焦工艺取热和熔盐换热的焦炉余热斯特林发电系统，本实施例将斯特林发电机1与熔盐换热进行结合，利用熔盐与干熄焦炉的高温惰性气体或烟气进行换热，换热后的高温熔盐与斯特林发电机的热端12进行换热。熔盐由低温熔盐输入端14进入干熄炉4和惰性气体或烟气的流道与其进行换热，随后从高温熔盐输出端15输出，流入斯特林发电机1进行热交换。

实施例6(上升管结合斯特林)

实施例6

如图9所示，本发明实施例提供了一种结合了上升管取热的焦炉余热斯特林发电系统，上升管换热器13布置于炼焦设备3的炉顶部分，斯特林发电机1的热端12与所述上升管换热器13进行热量交换，处于外部的斯特林发电机1的所述冷端11连接有冷却装置。冷却水由冷却水进入端WI进入，流经所述冷端11后由冷却水输出端WO输出。所述冷端11利用冷却水冷却，从而增大斯特林发电机热端12和冷端11的温差，提高发电效率。其中所述上升管换热器13中的传热介质为熔盐，低温熔盐由低温熔盐输入端14进入，流经上升管换热器13成为高温熔盐，并由高温熔盐输出端15输出，随后，高温熔盐流入斯特林发电机1经过热交换成为低温熔盐，并由低温熔盐输出端16输出。

在本发明实施例中，通过直接采用所述斯特林发电机1对所述上升管换热器13的上升管余热进行利用，在所述上升管换热器13的余热进行有效利用的基础上，同时使得所述斯特林发电机1具有较高的发电效率。此外，通过设置冷却循环模块，使得冷却水由冷却水进入端WI进入，流经所述冷端11后由冷却水输出端WO输出，提高了所述斯特林发电机1的热端12和冷端11之间的温度差，进一步提高了所述斯特林发电机1的发电效率。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，包括炼焦设备(3)和斯特林发电机(1)，所述斯特林发电机(1)设有热端(12)和冷端(11)，所述热端(12)伸入所述炼焦设备(3)进行热量交换，所述冷端(11)连接有冷却装置。

2.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述斯特林发电机(1)布置在所述炼焦设备(3)的炉壁部分，和/或炉顶部分，和/或烟气排放烟道(5)中。

3.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述炼焦设备(3)包括干熄炉(4)，所述斯特林发电机(1)布置在所述干熄炉(4)的炉壁部分，和/或布置在所述干熄炉(4)的炉顶部分，和/或布置在所述干熄炉(4)的高温惰性气体流道中，和/或布置在与所述干熄炉(4)连通的外部烟气通道中。

4.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，还包括焦炉余热回收吸热模块(2)，所述焦炉余热回收吸热模块(2)布置于所述炼焦设备(3)的炉壁部分或炉顶部分或烟气排放烟道(5)中的至少一种，所述焦炉余热回收吸热模块(2)吸收所述炼焦设备(3)的热量，并将热量传递至所述热端(12)。

5.根据权利要求3所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，还包括焦炉余热回收吸热模块(2)，所述焦炉余热回收吸热模块(2)布置在所述干熄炉(4)的炉壁部分，和/或布置在所述干熄炉(4)的炉顶部分，和/或布置在所述干熄炉(4)的高温惰性气体流道中，和/或布置在与所述干熄炉(4)连通的外部烟气通道中，所述焦炉余热回收吸热模块(2)吸收所述干熄炉(4)和/或高温惰性气体和/或烟气的热量，并将热量传递至所述热端(12)。

6.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，还包括布置在所述炼焦设备(3)的炉顶部分的上升管换热器(13)，所述上升管换热器(13)能够收集焦炉荒煤气的余热。

7.根据权利要求6所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述上升管换热器(13)中设有传热介质，所述传热介质为惰性气体、熔盐、导热油、相变金属、水、传热气体中的任意一种。

8.根据权利要求6所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述上升管换热器(13)中设有传热介质，所述传热介质将荒煤气余热传递到所述斯特林发电机(1)的热端(12)，从而驱动所述斯特林发电机(1)进行发电。

9.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述冷却装置为空气冷却装置或水冷装置中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述冷端(11)与供热循环水回水的管路连接。

11.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述冷端(11)设有冷却循环模块。

12.根据权利要求1所述的焦炉余热斯特林发电系统，其特征在于，所述冷却循环模块与烟气低温冷却水的管路连接。

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