CN116517655A - 耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统 - Google Patents
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Abstract
耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，属于余热利用技术领域，包括压缩空气余热热能单元、空气储能发电单元、电解烟气余热发电单元，所述压缩空气余热热能单元中，空气一路供给用户，另一路经二次升压、二次冷却后储存；所述空气储能发电单元释放储存的空气，加热、发电降压后供给用户；所述压缩空气余热热能单元通过冷却水与电解烟气余热发电单元进行热量交换，空气储能发电单元吸收电解烟气余热发电单元中有机质热量，电解烟气余热发电单元利用电解烟气余热对有机质进行加热，有机质蒸汽进行发电。本发明能够提高电解烟气余热利用效率,实现余热的梯级利用，实现电解铝厂压缩空气系统深度调峰，减少放空。
Description
技术领域
本发明属于余热利用技术领域，尤其涉及一种耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统。
背景技术
电解铝厂是压缩空气用气大户，以50万吨产能的电解铝厂为例，压缩空气用量达到1200Nm3/min，主要用在电解槽打壳下料、电解烟气脱硫、收尘等工段，压缩空气用气特点为负荷波动大，往往是夜间压缩空气负荷低，白天压缩空气负荷高，夜间存在压缩空气放空现象。空压机的压缩过程产生的压缩热通过冷却水带到冷却塔，散发到大气中，这两种情况都造成能源的大大浪费。
铝电解烟气以二氧化碳为主要成分，以氟化物、二氧化硫、粉尘为主要污染物。电解槽出口烟气温度一般为110~140℃，大量的热能随着电解烟气的排放散失到空气中。目前，对于电解烟气的余热利用主要采用设置热交换器，将回收的热量用于取暖和洗浴，热量没有得到充分的利用。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，能够提高电解烟气余热利用效率；配合空压机余热热能实现余热的梯级利用；利用压缩空气储能，可以实现电解铝厂压缩空气系统深度调峰，减少放空。
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，包括压缩空气余热热能单元、空气储能发电单元、电解烟气余热发电单元，所述压缩空气余热热能单元中，空气经初次升压，一次冷却，一路供给用户，另一路经二次升压、二次冷却后储存；所述空气储能发电单元释放储存的空气，加热、发电降压后供给用户；所述压缩空气余热热能单元通过冷却水与电解烟气余热发电单元进行热量交换，空气储能发电单元吸收电解烟气余热发电单元中有机质热量，电解烟气余热发电单元利用电解烟气余热对有机质进行加热，有机质蒸汽进行发电。
进一步地，所述压缩空气余热热能单元包括中压空压机、1#空气冷却器、高压空压机、2#空气冷却器、高压储气罐，所述中压空压机输出端与1#空气冷却器相连，所述1#空气冷却器输出端分成两路，一路与电解铝厂用户相连，另一路与高压空压机的输入端相连；所述高压空压机输出端与2#空气冷却器相连；所述2#空气冷却器输出端与高压储气罐相连；所述1#空气冷却器与电解烟气余热发电单元中的换热器相连；所述2#空气冷却器与电解烟气余热发电单元中的换热器相连。
进一步地，所述空气储能发电单元使压缩空气余热热能单元储存的高压空气进入空气加热器，空气加热器的输出端与空气透平输入端相连，所述空气透平与1#发电机相连，空气透平的空气出口与1#空气冷却器的输出端相连，所述空气加热器与电解烟气余热发电单元中的冷却器相连。
进一步地，所述电解烟气余热发电单元包括有机质蒸发器，有机质蒸发器与有机质透平的输入端相连，所述有机质透平与2#发电机相连；所述有机质透平的有机质出口与空气储能发电单元的空气加热器相连，空气储能发电单元的空气加热器的管程侧出口与有机质冷凝器相连，所述有机质冷凝器与有机质储存箱相连；所述有机质储存箱与有机质泵相连；所述有机质泵与1#换热器相连；所述1#换热器相连与2#换热器相连；所述2#换热器与有机质蒸发器相连。
进一步地，所述电解烟气余热发电单元的电解烟气来自于电解槽，电解烟气进入有机质蒸发器中，电解烟气设有旁通管路，有机质蒸发器烟气出口与风机相连，风机与烟囱相连。
进一步地，所述1#空气冷却器、2#空气冷却器设有与外界循环水连通的旁路。
进一步地，所述有机质蒸发器设有烟气旁路系统。
进一步地，所述有机质蒸发器有机质走管程，烟气走壳程，烟气有机质在有机质蒸发器中变成有机质蒸汽，压强为1.0MPa，在有机质透平做功后降压至0.15MPa。
进一步地，所述1#空气冷却器、2#空气冷却器的冷却介质为循环水，循环水连通1#空气冷却器与电解烟气余热发电单元的换热器，以及2#空气冷却器与电解烟气余热发电单元的另一换热器。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，能够提高电解烟气余热利用效率；配合空压机余热热能实现余热的梯级利用；利用压缩空气储能，可以实现电解铝厂压缩空气系统深度调峰，减少放空。
附图说明
图1是本申请用于耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统的示意图。
图中：1、中压空压机；2、1#空气冷却器；3、高压空压机；4、2#空气冷却器；5、高压储气罐；6、空气加热器；7、空气透平；8、1#发电机；9、有机质蒸发器；10、有机质透平；11、2#发电机；12、有机质冷凝器；13、有机质储存箱；14、有机质泵；15、1#换热器；16、2#换热器；17、1#空气冷却器循环泵；18、2#空气冷却器循环泵19、风机；20、烟囱； V1~V7阀门。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供了一种耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，包括压缩空气余热热能单元、空气储能发电单元、电解烟气余热发电单元，所述压缩空气余热热能单元中，空气经初次升压，一次冷却，一路供给用户，另一路经二次升压、二次冷却后储存；所述空气储能发电单元释放储存的空气，加热、发电降压后供给用户；所述压缩空气余热热能单元通过冷却水与电解烟气余热发电单元进行热量交换，空气储能发电单元吸收电解烟气余热发电单元中有机质热量，电解烟气余热发电单元利用电解烟气余热对有机质进行加热，有机质蒸汽进行发电。
压缩空气余热单元所述空气吸入中压空压机中升压，中压空压机后设置空气冷却器，空气冷却器的冷却介质为循环水，循环水吸收压缩空气的热量后，进入换热器中与电解烟气余热发电单元的有机质间接换热后，有机质升温，循环水降温后循环使用。压缩空气经空气冷却器降温后一路供给用户，另一路降温后的压缩空气进入高压空压机继续提高压力，经空气冷却器冷却后进入高压储气罐中储存。空气冷却器的冷却介质也为循环水，循环水吸收压缩空气的热量后，进入电解烟气余热发电单元换热器中与有机质间接换热后，有机质升温，循环水降温后循环使用。
空气储能发电单元所述用电用气高峰时，释放高压储气罐中空气的压力能进行发电，压缩空气在进入空气透平之前，设置预热装置空气加热器，提高压缩空气温度，增加做功能力。空气加热器加热介质为来自电解烟气余热发电单元的有机质；空气经空气透平降温降压后，并入厂区压缩空气管网，供给电解铝厂用户，空气透平拖动发电机进行发电。
电解烟气余热发电单元所述有机质侧：所述有机质在蒸发器中与电解烟气进行换热升温后变成有机质蒸汽，有机质蒸汽进入有机质透平中拖动发电机进行发电，有机质在透平中温度压力降低为变为低压蒸汽，低压蒸汽有机质进入空气储能发电单元的空气加热器装置中，空气加热器装置中空气被升温，有机质被降温，在空气加热器后设置有机质冷凝器（终冷），有机质冷凝器的冷却介质为外部循环水，在循环水的冷却下有机质完全变成液态，被储存到有机质储存箱中。有机质通过有机质泵进入换热器进行预热，有机质与循环水换热，循环水与压缩空气余热换热，循环水为热传递的媒介，间接的将压缩空气余热进行利用。预热后的有机质进入换热器中再一次被加热，有机质再经过预热过程，最终进入主加热装置有机质蒸发器，即吸收电解烟气余热，进入下一循环。
电解烟气余热发电单元所述烟气侧,电解槽释放的烟气经收集后进入有机质蒸发器中，电解烟气被降温后，经风机，排入烟囱中。有机质蒸发器设有电解烟气的旁路，当电解烟气余热发电单元事故时，启动电解烟气旁路阀，电解烟气经风机排入烟囱中。
具体地，如图1所示，本发明提供了一种耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，包括中压空压机1、1#空气冷却器2、高压空压机3、2#空气冷却器4、高压储气罐5、空气加热器6、空气透平7、1#发电机8、有机质蒸发器9、有机质透平10、2#发电机11、有机质冷凝器12、有机质储存箱13、有机质泵14、1#换热器15、2#换热器16、1#空气冷却器循环泵17、2#空气冷却器循环泵18、风机19、烟囱20、 V1~V7阀门。
压缩空气余热热能单元：所述中压空压机1输出端与 1#空气冷却器2相连；所述1#空气冷却器 2输出端分成两路，一路直接为电解铝厂用户提供中压压缩空气，一路与高压空压机3的输入端相连；所述高压空压机3输出端与2#空气冷却器4相连；所述2#空气冷却器4与高压储气罐5相连；所述1#空气冷却器通过1#空气冷却器循环泵17与2#换热器16相连；所述2#空气冷却器通过2#空气冷却器循环泵18与1#换热器15相连。
空气吸入中压空压机1中，空气压缩后温度升高，不能满足电解铝厂生产用户的要求，中压空压机1后设置1#空气冷却器2，1#空气冷却器2的冷却介质为循环水，循环水吸收压缩空气的热量后，进入2#换热器16中与电解烟气余热发电单元的有机质间接换热后，有机质升温，循环水降温后循环使用。压缩空气经1#空气冷却器2降温后一路供给用户，另一路降温后的压缩空气进入高压空压机3继续提高压力，经2#空气冷却器4冷却后进入高压储气罐5中储存。2#空气冷却器4的冷却介质也为循环水，循环水吸收压缩空气的热量后，进入1#换热器15中与电解烟气余热发电单元的有机质间接换热后，有机质升温，循环水降温后循环使用。
空气储能发电单元：所述高压储气罐5与空气加热器6相连；所述空气加热器的输出端与空气透平7输入端相连；所述空气透平7与1#发电机8相连；空气透平7的空气出口与1#空气冷却器2的输出端相连；所述空气加热器6与烟气余热发电单元中有机质冷却器10相连。
用电用气高峰时，释放高压储气罐5中高压压缩空气的压力能进行发电，高压储气罐5中的高压压缩空气再进入空气透平7之前，设置预热装置空气加热器6，进而提高压缩空气温度，提高做功能力。空气加热器6加热介质为来自电解烟气余热发电单元的有机质进行换热；空气经空气透平7降温降压后，并入厂区压缩空气管网，供给电解铝厂用户，空气透平7拖动1#发电机8进行发电。
电解烟气余热发电单元：
有机质侧 ：所述有机质蒸发器9与有机质透平10的输入端相连；所述有机质透平10与2#发电机11相连；所述有机质透平10的有机质出口与空气储能发电单元的空气加热器6相连；所述空气加热器6管程侧出口与有机质冷凝器12相连；所述有机质冷凝器12与有机质储存箱13相连；所述有机质储存箱13与有机质泵14相连；所述有机质泵14与1#换热器15相连；所述1#换热器15相连与2#换热器16相连；所述2#换热器16与有机质蒸发器9相连。
所述有机质在蒸发器9中与电解烟气进行换热升温后变成有机质蒸汽，有机质蒸汽进入有机质透平9中拖动2#发电机11进行发电，有机质在透平9中有机质蒸汽热能转化为机械能后，温度压力降低为变为低压蒸汽，低压蒸汽有机质进入空气储能发电单元的空气加热器6装置中，空气加热器6装置中空气被升温，有机质被降温，为了完全将有机质蒸汽降温液态的有机质，在空气加热器6后设置有机质冷凝器12，有机质冷凝器12的冷却介质为外部循环水，在循环水的冷却下有机质完全变成液态，被储存到有机质储存箱13中。有机质通过有机质泵14进入1#换热器15进行预热，有机质与循环水换热，有机质升温，循环水降温；循环水与压缩空气余热换热，循环水升温，压缩空气降温，循环水为热传递的媒介，间接的将压缩空气余热进行利用 。预热后的有机质进入2#换热器16中再一次被加热，有机质再经过预热过程，最终进入主加热装置有机质蒸发器9，即吸收电解烟气余热，进入下一循环。
烟气侧：电解烟气来自于电解槽，电解烟气进入有机质蒸发器9中，电解烟气设有旁通管路，有机质蒸发器9烟气出口与风机19相连；风机19与烟囱20相连。
电解槽释放的烟气经收集后进入有机质蒸发器9中，电解烟气被降温后，经风机19，排入烟囱20中。有机质蒸发器9设有电解烟气的旁路，当电解烟气余热发电单元事故时，启动电解烟气旁路阀V7，电解烟气经风机19排入烟囱20中。
具体的当每天的用气负荷低谷时，为了减少低压空压机1的放空。避免能源浪费，需要进行压缩空气的储能，启动高压空压机3、同时启动冷却水循环泵17，冷却水与高温压缩空气在空气冷却器4中换热，高压的压缩空气温度降低 ，体积减少，有利于减小高压储气罐5的容积。同时冷却水吸收高温空气的热量后，通过1#换热器16将热量传递给有机质，对有机质进行预热，冷却水降温后循环使用。
具体的当用电用气高峰时，高压储气罐5释放压缩空气进行压缩空气储能的利用过程中，为了提高空气透平7的做功能力，通过与有机质透平9排出的有机质在空气加热器6中换热，提高压缩空气温度的同时，也是对有机质进行冷却。高压压缩空气进行预热后，进入空气透平7中拖动发电机8进行发电，发电后的高压压缩空气变成中压的压缩空气~0.6MPa从空气透平排出，接入原压缩空气管网系统中，送给用户在这个过程中压缩空气的储能转化为电能，减少了厂用电同时也补充了压缩空气的不足。
具体的当电解烟气余热发电单元出现故障，有机质不能在1#换热器和2#换热器中与冷却水进行换热，为了保证压缩空气热能利用单元压缩空气系统的正常运行，关闭V3、V4、V5、V6，外界循环水直接冷却高温压缩空气。
具体的有机质透平后的有机质设有预冷段，预冷介质来自压缩空气储能发电单元的压缩空气，预冷有效的减少有机质冷却用水的用量。
具体的有机质蒸发器有机质走管程，烟气走壳程；烟气有机质在蒸发器中变成有机质蒸汽~1.0MPa，在有机质透平做功后降压后~0.15MPa。
具体的有机质蒸发器设有烟气旁路系统，当系统事故时，有效的切断，电解烟气通过引风机从烟囱中排除，不影响工艺的生产。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员对上述实施例进行改动、修改、替换和变型均属于本发明的范围内。
Claims (9)
1.耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：包括压缩空气余热热能单元、空气储能发电单元、电解烟气余热发电单元，所述压缩空气余热热能单元中，空气经初次升压，一次冷却，一路供给用户，另一路经二次升压、二次冷却后储存；所述空气储能发电单元释放储存的空气，加热、发电降压后供给用户；所述压缩空气余热热能单元通过冷却水与电解烟气余热发电单元进行热量交换，空气储能发电单元吸收电解烟气余热发电单元中有机质热量，电解烟气余热发电单元利用电解烟气余热对有机质进行加热，有机质蒸汽进行发电。
2.根据权利要求1所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述压缩空气余热热能单元包括中压空压机（1）、1#空气冷却器（2）、高压空压机（3）、2#空气冷却器（4）、高压储气罐（5），所述中压空压机（1）输出端与1#空气冷却器（2）相连，所述1#空气冷却器（2）输出端分成两路，一路与电解铝厂用户相连，另一路与高压空压机（3）的输入端相连；所述高压空压机（3）输出端与2#空气冷却器（4）相连；所述2#空气冷却器（4）输出端与高压储气罐（5）相连；所述1#空气冷却器（2）与电解烟气余热发电单元中的换热器相连；所述2#空气冷却器（4）与电解烟气余热发电单元中的换热器相连。
3.根据权利要求1所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述空气储能发电单元使压缩空气余热热能单元储存的高压空气进入空气加热器（6），空气加热器（6）的输出端与空气透平（7）输入端相连，所述空气透平（7）与1#发电机（8）相连，空气透平（7）的空气出口与1#空气冷却器（2）的输出端相连，所述空气加热器（6）与电解烟气余热发电单元中的冷却器相连。
4.根据权利要求1所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述电解烟气余热发电单元包括有机质蒸发器（9），有机质蒸发器（9）与有机质透平（10）的输入端相连，所述有机质透平（10）与2#发电机（11）相连；所述有机质透平（10）的有机质出口与空气储能发电单元的空气加热器相连，空气储能发电单元的空气加热器的管程侧出口与有机质冷凝器（12）相连，所述有机质冷凝器（12）与有机质储存箱（13）相连；所述有机质储存箱（13）与有机质泵（14）相连；所述有机质泵（14）与1#换热器（15）相连；所述1#换热器（15）相连与2#换热器（16）相连；所述2#换热器（16）与有机质蒸发器（9）相连。
5.根据权利要求4所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述电解烟气余热发电单元的电解烟气来自于电解槽，电解烟气进入有机质蒸发器（9）中，电解烟气设有旁通管路，有机质蒸发器（9）烟气出口与风机（19）相连，风机（19）与烟囱（20）相连。
6.根据权利要求2所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述1#空气冷却器（2）、2#空气冷却器（4）设有与外界循环水连通的旁路。
7.根据权利要求5所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述有机质蒸发器（9）设有烟气旁路系统。
8.根据权利要求4所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述有机质蒸发器（9）有机质走管程，烟气走壳程，烟气有机质在有机质蒸发器（9）中变成有机质蒸汽，压强为1.0MPa，在有机质透平（10）做功后降压至0.15MPa。
9.根据权利要求2所述的耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统，其特征在于：所述1#空气冷却器（2）、2#空气冷却器（4）的冷却介质为循环水，循环水连通1#空气冷却器（2）与电解烟气余热发电单元的换热器，以及2#空气冷却器（4）与电解烟气余热发电单元的另一换热器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310409037.9A CN116517655A (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310409037.9A CN116517655A (zh) | 2023-04-18 | 2023-04-18 | 耦合电解烟气余热、压缩空气余热和空气储能的发电系统 |
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| CN116517655A true CN116517655A (zh) | 2023-08-01 |
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Family Applications (1)
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