CN208106509U - 一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统 - Google Patents

一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气‑超临界二氧化碳联合发电系统，属于冶金能源发电技术领域。本实用新型的系统包括风能采集单元、燃气轮机发电单元、钢渣热能回收单元和循环发电单元，循环发电单元包括预压缩机、主压缩机、低温回热器和高温回热器，主压缩机、低温回热器和高温回热器构成布雷顿循环，所述低温回热器和高温回热器之间设有预压缩机。本实用新型将发电后的CO2工质进行换热，换热后的CO2工质进行预压缩布雷顿循环恢复超临界状态，CO2工质在进入低温回热器前已被预压缩机压缩，则使得低温回热器高压与低压两侧压差减小，避免夹点问题的产生，使得系统的循环效果更好，发电效率更高。

Description

一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统
技术领域
本实用新型属于冶金能源发电技术领域，具体涉及一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统。
背景技术
钢渣是炼钢过程中产生的废渣，其产量约为粗钢产量的12％-15％，按我国2012年粗钢产量7.5亿吨计算，总渣量约在9000-11250万吨。而且每年仍以数百万吨的排渣量递增，而大量钢渣堆积成渣山，不仅污染环境，而且还占用大量土地，若不综合利用，将影响钢铁工业的可持续发展。因此，钢渣的资源综合利用问题逐渐引起了我国钢铁同仁的重视。炼钢过程中排出的钢渣温度达1450℃-1650℃，蕴含热量2000MJ/t，属于高品质余热资源，极具开发利用价值。然而国内对于钢渣热量的回收利用方面研究很少，钢渣余热回收利用技术还很不成熟，如何在钢渣处理过程中对钢渣热量进行回收，并且与二氧化碳应用相结合的研究或者报道，在钢铁企业领域尚未出现。
从80年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，使燃气轮机得到了非常迅速的发展，燃气轮机及其联合循环在世界电力工业中的地位也发生了明显的变化，据不完全统计，全世界现有燃气轮机及其联合循环的装机总容量已经超过4亿kW。
目前的布雷顿循环多以理想气体为介质，CO2具有良好的传热和热力学特性，无毒且具有较好的稳定性，并且其临界温度(31.1℃)和临界压力(7.38MPa)相对较低，易达到超临界状态，其在飞机、轮船的动力系统及热泵系统等已经获得应用。如果用CO2替代水作为火力发电介质，形成S-CO2布雷顿循环系统，在火电系统中效率可达50％以上。结合超临界二氧化碳布雷顿循环的优点及燃气轮机的特点，燃机联合超临界二氧化碳布雷顿循环发电，循环效率更高，机动性好，经济效益更高。
经检索，发明创造的名称为：一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统 (申请号：201410494094.2，申请公布日：2015.03.11)。该申请案公开了一种利用太阳能的热量与和超临界二氧化碳布雷顿循环发电相互结合，可以提高能源利用率，是一种不可多得的发电新思路，但是太阳能有很大局限性，天气不好，阴雨天的时候会对发电产生一定的影响，使得调节系统的稳定成为一个问题。
此外发明创造名称为：一种利用熔融钢渣热能发电装置和方法(申请号：201310728691.2，申请公布日2014.04.02)。该申请案公开了一种利用熔融钢渣热能与朗肯循环相结合的发电系统，通过对闷渣蒸汽余热的回收和利用实现ORC低温发电，充分利用钢渣的热能转化为电能。但朗肯循环轮机系统效率较低，设备占用空间大，投资成本高。
将钢渣热能、燃气与超临界二氧化碳相结合的联合发电系统，解决了太阳能不能连续稳定供给热量及熔融钢渣热能与朗肯循环相结合的发电系统循环效率低、投资成本高的问题的同时，不仅充分利用了钢渣热能，而且与超临界二氧化碳布雷顿循环的联合发电，使系统循环效率更高，设备结构紧凑，经济效益更高。
实用新型内容
1.实用新型要解决的技术问题
本实用新型的目的在于解决现有的超临界二氧化碳动力发电系统中二氧化碳循环效率低的问题，提供一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，将钢渣热能和燃气燃烧后的热能换热给超临界CO2工质，CO2工质做工进行发电，发电后的CO2工质进行换热，换热后的CO2工质进行预压缩布雷顿循环恢复超临界状态，CO2工质在进入低温回热器前已被预压缩机压缩，则使得低温回热器高压与低压两侧压差减小，避免夹点问题的产生，使得系统的循环效率大大提高。
2.技术方案
为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，包括风能采集单元、燃气轮机发电单元、钢渣热能回收单元和循环发电单元，风能采集单元与燃气轮机发电单元通过管道连接，所述钢渣热能回收单元和循环发电单元通过管道连接，所述燃气轮机发电单元和循环发电单元通过管道连接，所述循环发电单元包括预压缩机、主压缩机、低温回热器和高温回热器，主压缩机、低温回热器和高温回热器构成布雷顿循环，所述低温回热器和高温回热器之间设有预压缩机。
优选地，所述风能采集单元包括风力机组和空气压缩机，所述风力机组和空气压缩机通过变速传动装置连接，该风能采集单元用于将风能转化成动能进行空气压缩。
优选地，所述燃气轮机发电单元包括燃烧器、燃气透平和燃气轮发电机，所述燃烧器与空气压缩机连通，所述燃气轮机发电单元将空气压缩机压缩的空气与燃料进行燃烧发电，并得到高温废气，所述燃气透平的出口分别与燃气轮发电机和第二换热器连接。
优选地，所述钢渣热能回收单元包括闷渣装置、蒸汽加压装置、蒸汽水化池和第一换热器，所述闷渣装置通过蒸汽收集管道与蒸汽加压装置相连，所述蒸汽加压装置通过管道与蒸汽水化池连通，所述蒸汽水化池与第一换热器通过管道相连。
优选地，所述循环发电单元还包括发电机和超临界二氧化碳透平，所述超临界二氧化碳透平通过传动轴与发电机相连并带动发电机发电，所述超临界二氧化碳透平的出口通过管道与高温回热器的Ⅱ高温侧入口连接，高温回热器的Ⅱ高温侧出口与预压缩机入口通过管道连接，预压缩机出口与低温回热器的Ⅰ高温侧入口连接，低温回热器的Ⅰ高温侧出口与预冷器入口通过管道连接，预冷器出口与主压缩机入口通过管道连接，主压缩机出口与Ⅰ低温侧入口连接，低温回热器与高温回热器的Ⅱ低温侧入口通过管道连接，Ⅱ低温侧出口通过管道相连有第一换热器。
优选地，主压缩机的功率为Wpr1，预压缩机的功率为Wpr2，Wpr1：Wpr2＝3.6～14。
3.有益效果
采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，将钢渣热能和燃气燃烧后的热能换热给超临界CO2工质，CO2工质做工进行发电，发电后的CO2工质进行换热，换热后的CO2工质进行预压缩布雷顿循环恢复超临界状态，CO2工质在进入低温回热器前已被预压缩机压缩，则使得低温回热器高压与低压两侧压差减小，避免夹点问题的产生；
(2)本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，将钢渣热能、燃气与超临界二氧化碳相结合的联合发电系统，解决了太阳能不能连续稳定供给热量及熔融钢渣热能与朗肯循环相结合的发电系统循环效率低、投资成本高的问题，更加节能环保；
(3)本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，低温回热器与高温回热器独立开来，使得回热器中热侧流体与冷测流体的压力和比热容相对均匀，有效避免了“夹点”问题，循环效果更好，系统的发电效率更高。
附图说明
图1为本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统的结构示意图；
图2为本实用新型的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统的方法流程图。
示意图中的标号说明：
100、风能采集单元；110、风力机组；120、变速传动装置；130、空气压缩机；
200、燃气轮机发电单元；210、燃烧器；220、燃气透平；230、燃气轮发电机；
300、钢渣热能回收单元；310、闷渣装置；320、蒸汽收集管道；330、蒸汽加压装置；340、蒸汽水化池；350、第一换热器；
400、循环发电单元；410、发电机；420、超临界二氧化碳透平；430、预压缩机；440、主压缩机；450、预冷器；460、低温回热器；461、Ⅰ高温侧入口；462、Ⅰ高温侧出口；463、Ⅰ低温侧入口；464、Ⅰ低温侧出口；470、高温回热器；471、Ⅱ高温侧出口；472、Ⅱ高温侧入口；473、Ⅱ低温侧入口；474、Ⅱ低温侧出口；480、第二换热器。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述，附图中给出了本实用新型的若干实施例，但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
参照附图1所示，本实施例的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，包括风能采集单元100、燃气轮机发电单元200、钢渣热能回收单元300和循环发电单元400，风能采集单元100与燃气轮机发电单元200通过管道连接，所述钢渣热能回收单元300和循环发电单元400通过管道连接，所述燃气轮机发电单元200和循环发电单元400通过管道连接，所述循环发电单元400包括预压缩机430、主压缩机440、低温回热器460和高温回热器 470，主压缩机440、低温回热器460和高温回热器470构成布雷顿循环，所述低温回热器460 和高温回热器470之间设有预压缩机430。
本实施的风能采集单元100包括风力机组110和空气压缩机130，风力机组110和空气压缩机130通过变速传动装置120连接，燃气轮机发电单元200包括燃烧器210、燃气透平220和燃气轮发电机230，燃烧器210与空气压缩机130连通，燃气透平220分别与燃气轮发电机230和第二换热器480连接。钢渣热能回收单元300包括闷渣装置310、蒸汽加压装置 330、蒸汽水化池340和第一换热器350，闷渣装置310通过蒸汽收集管道320与蒸汽加压装置330相连，蒸汽加压装置330通过管道与蒸汽水化池340连通，蒸汽水化池340与第一换热器350通过管道相连。
本实施例的循环发电单元400包括发电机410、超临界二氧化碳透平420、预压缩机430、主压缩机440、低温回热器460和高温回热器470，所述超临界二氧化碳透平420通过传动轴与发电机410相连并带动发电机410发电，所述超临界二氧化碳透平420的出口通过管道与高温回热器470的Ⅱ高温侧入口472连接，高温回热器470的Ⅱ高温侧出口471与预压缩机 430入口通过管道连接，预压缩机430出口与低温回热器460的Ⅰ高温侧入口461连接，低温回热器460的Ⅰ高温侧出口462与预冷器450入口通过管道连接，预冷器450出口与主压缩机440入口通过管道连接，主压缩机440出口与Ⅰ低温侧入口463连接，低温回热器460 的Ⅰ低温侧出口464与高温回热器470的Ⅱ低温侧入口473通过管道连接，Ⅱ低温侧出口474 通过管道相连有第一换热器350。主压缩机440的功率为Wpr1，预压缩机430的功率为Wpr2， Wpr1：Wpr2＝3.6～14。
本实用新型的系统的工作流程如下：风能采集单元100的风力机组110通过变速传动装置120带动空气压缩机130进行压缩空气，压缩后的空气进入燃气轮机发电单元200的燃烧器210内，促进燃烧器210内燃料进行燃烧，燃烧器210燃烧后的高温气体通过燃气透平220 带动燃气轮发电机230转动进行发电，发电后的高温气体进入第二换热器480。
闷渣装置310将钢渣中的热量用于加热水，产生水蒸气进入蒸汽收集管道320，蒸汽收集管道320将水蒸气输送给蒸汽加压装置330，蒸汽加压装置330对水蒸气进行加压，加压后的水蒸气进入蒸汽水化池340，经蒸汽水化池340的水通过管路送入第一换热器350，将蒸汽水化放出的热量传递给第一换热器中350的CO2工质，CO2工质加热后通过管道进入第二换热器480，与燃气轮机发电单元200产生的高温气体进行换热，温度进一步升高，二次加热后的高温CO2工质通过管道进入超临界二氧化碳透平420推动发电机410发电，超临界二氧化碳透平420出口压力为5MPa。
发电后的CO2工质通过Ⅱ高温侧入口472进入高温回热器470换热降温，Ⅱ高温侧入口 472处CO2工质温度为600℃，然后CO2工质从Ⅱ高温侧出口471流出进入预压缩机430进行预压缩，Ⅱ高温侧出口471处CO2工质温度为335，预压缩机430入口和出口压力分别在5MPa和9Mpa，预压缩机430入口工质温度为335℃；压缩后的CO2工质通过Ⅰ高温侧入口 461进入低温回热器460内进行二次换热，Ⅰ高温侧入口461处CO2工质温度为450℃，二次换热后的CO2工质从Ⅰ高温侧出口462流出进入预冷器450进行预冷，Ⅰ高温侧出口462处 CO2工质温度为295℃，预冷后的CO2工质达到临界温度，约为32℃。
预冷后的CO2工质进入主压缩机440内进行二次压缩，主压缩机440入口处CO2工质达到临界温度，约为32℃；主压缩机440入口和出口压力分别在9MPa和30MPa；二次压缩后的CO2工质通过Ⅰ低温侧入口463进入低温回热器460，Ⅰ低温侧入口463处CO2工质温度为60℃，在低温回热器460内进行一次回热，一次回热后的CO2工质从Ⅰ低温侧出口464流出通过Ⅱ低温侧入口473进入高温回热器470，Ⅰ低温侧出口464处CO2工质温度为115℃， CO2工质在高温回热器470进行二次回热，二次回热后的CO2工质从Ⅱ低温侧出口474流出，Ⅱ低温侧出口474处CO2工质温度为275℃，二次回热后的CO2工质进入第一换热器350内，完成一次循环。
本实施的系统的操作方法为将钢渣热能和燃气燃烧后的热能
换热给S-CO2工质，S-CO2工质做工进行发电，发电后的CO2工质进行换热，换热后的CO2工质进行预压缩布雷顿循环恢复超临界状态。
优选地，所述方法具体步骤如下：
(1)一次加热，将钢渣的热量换热给S-CO2工质进行一次加热；
(2)二次加热，将燃气燃烧后的热量换热给S-CO2工质进行二次加热；
(3)发电，二次加热后的CO2工质带动发电机进行发电；
(4)恢复状态，包括换热阶段和回热阶段，
换热阶段：发电后的CO2工质进行换热，换热后的CO2工质预压缩后进行二次换热，二次换热后的CO2工质预冷降温，预冷后的CO2工质恢复超临界状态；
回热阶段：预冷降温后的CO2工质进行二次压缩，压缩CO2工质进行二次回热升温，完成循环。
优选地，所述步骤(4)中的换热阶段具体为：发电后的CO2工质通过Ⅱ高温侧入口472 进入高温回热器470换热降温，然后CO2工质从Ⅱ高温侧出口471流出进入预压缩机430进行预压缩，压缩后的CO2工质通过Ⅰ高温侧入口461进入低温回热器460内进行二次换热，二次换热后的CO2工质从Ⅰ高温侧出口462流出进入预冷器450进行预冷。
所述步骤(4)中回热阶段的具体为：预冷后的CO2工质进入主压缩机440内进行二次压缩，二次压缩后的CO2工质通过Ⅰ低温侧入口463进入低温回热器460，在低温回热器460内进行一次回热，一次回热后的CO2工质从Ⅰ低温侧出口464流出通过Ⅱ低温侧入口473进入高温回热器470，CO2工质在高温回热器470进行二次回热，二次回热后的CO2工质从Ⅱ低温侧出口474流出恢复超临界状态。
包括风能采集单元100、燃气轮机发电单元200、钢渣热能回收单元300和循环发电单元 400，风能采集单元100与燃气轮机发电单元200通过管道连接，所述钢渣热能回收单元300 和循环发电单元400通过管道连接，燃气轮机发电单元200和循环发电单元400通过管道连接，风能采集单元100用于将风能转化成动能进行空气压缩，燃气轮机发电单元200将风能采集单元100压缩的空气与燃料进行燃烧发电，并得到高温废气，钢渣热能回收单元300用于将钢渣的热能回收输送给循环发电单元400进行发电。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围；因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：包括风能采集单元(100)、燃气轮机发电单元(200)、钢渣热能回收单元(300)和循环发电单元(400)，风能采集单元(100)与燃气轮机发电单元(200)通过管道连接，所述钢渣热能回收单元(300)和循环发电单元(400)通过管道连接，所述燃气轮机发电单元(200)和循环发电单元(400)通过管道连接，所述循环发电单元(400)包括预压缩机(430)、主压缩机(440)、低温回热器(460)和高温回热器(470)，主压缩机(440)、低温回热器(460)和高温回热器(470)构成布雷顿循环，所述低温回热器(460)和高温回热器(470)之间设有预压缩机(430)。
2.根据权利要求1所述的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：所述风能采集单元(100)包括风力机组(110)和空气压缩机(130)，所述风力机组(110)和空气压缩机(130)通过变速传动装置(120)连接，该风能采集单元(100)用于将风能转化成动能进行空气压缩。
3.根据权利要求1所述的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：所述燃气轮机发电单元(200)包括燃烧器(210)、燃气透平(220)和燃气轮发电机(230)，所述燃烧器(210)与空气压缩机(130)连通，所述燃气轮机发电单元(200)将空气压缩机(130)压缩的空气与燃料进行燃烧发电，并得到高温废气，所述燃气透平(220)的出口分别与燃气轮发电机(230)和第二换热器(480)连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：所述钢渣热能回收单元(300)包括闷渣装置(310)、蒸汽加压装置(330)、蒸汽水化池(340)和第一换热器(350)，所述闷渣装置(310)通过蒸汽收集管道(320)与蒸汽加压装置(330)相连，所述蒸汽加压装置(330)通过管道与蒸汽水化池(340)连通，所述蒸汽水化池(340)与第一换热器(350)通过管道相连。
5.根据权利要求1所述的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：所述循环发电单元(400)还包括发电机(410)和超临界二氧化碳透平(420)，所述超临界二氧化碳透平(420)通过传动轴与发电机(410)相连并带动发电机(410)发电，所述超临界二氧化碳透平(420)的出口通过管道与高温回热器(470)的Ⅱ高温侧入口(472)连接，高温回热器(470)的Ⅱ高温侧出口(471)与预压缩机(430)入口通过管道连接，预压缩机(430)出口与低温回热器(460)的Ⅰ高温侧入口(461)连接，低温回热器(460)的Ⅰ高温侧出口(462)与预冷器(450)入口通过管道连接，预冷器(450)出口与主压缩机(440)入口通过管道连接，主压缩机(440)出口与Ⅰ低温侧入口(463)连接，低温回热器(460)的Ⅰ低温侧出口(464)与高温回热器(470)的Ⅱ低温侧入口(473)通过管道连接，Ⅱ低温侧出口(474)通过管道相连有第一换热器(350)。
6.根据权利要求5所述的一种利用钢渣热能、燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，其特征在于：主压缩机(440)的功率为Wpr1，预压缩机(430)的功率为Wpr2，Wpr1：Wpr2＝3.6～14。
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