一种储热耦合电炉烟气余热回收发电系统及方法

技术领域

本发明属于余热回收技术领域，涉及一种储热耦合电炉烟气余热回收发电系统及方法。

背景技术

作为碳减排的重点行业之一的钢铁，低碳技术路径主要集中在冶炼工艺突破和系统能效提升，因此以废钢为主要原料的电炉短流程炼钢将在未来钢铁市场逐渐占据主导地位。在电炉短流程炼钢工艺不断优化的前提下下，提升能效利用率和高效资源化利用工序余热是短流程炼钢减碳提效的主要措施。因此，需要深入挖掘电炉烟气余热回收潜力，降低电炉炼钢能耗，为企业降低生产成本。

目前，部分钢铁企业对电炉烟气余热进行了回收利用，主要余热利用技术包含预热废钢+汽化冷却产生蒸汽发电等，但受制于工序周期性工作，所以余热回收机组回收效率不高且不稳定。同时，在限电和错峰工业生产的情况下，以水蒸气为工质动力循环机组无法做到满负荷快速调节，存在大量高温烟气放散问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种储热耦合电炉烟气余热回收发电系统及方法，以实现电炉烟气余热高效资源化回收的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种储热耦合电炉烟气余热回收发电系统，包括与电炉相连的烟气沉降室、与烟气沉降室相连的余热锅炉、与余热锅炉相连的高温储热罐和低温储热罐、与高温储热罐和低温储热罐相连的热交换器，热交换器与涡轮相连，涡轮与发电机组和压气机相连，压气机与二氧化碳罐和热交换器相连，低温储热罐内的储能工质为熔盐、相变材料或导热油；

余热锅炉利用电炉的烟气余热加热来自低温储热罐内的储能工质，加热后的高温储能工质在高温储热罐内储能，高温储能工质在热交换器内释放热量加热动力循环工质超临界二氧化碳，放热后的储能工质进入低温储热罐内进行储存，热交换器内被加热的超临界二氧化碳进入涡轮内做功带动涡轮高速旋转，涡轮带动发电机组转动发电，排出涡轮的超临界二氧化碳经压气机增压后进入热交换器换热。

可选地，在连接涡轮和压气机之间的管路上连接有余热回收支路，余热回收支路包括顺次连接的回热器、高效换热器和预冷器，回热器与涡轮相连，预冷器与压气机相连，高效换热器与为电炉冶炼提供工艺用氧的氧气罐相连；在涡轮内做功后的超临界二氧化碳在回热器回热后进入高效换热器与来自氧气罐内的氧气换热降温后进入预冷器预冷，预冷至适宜温度后进入压气机压缩为超临界状态。

可选地，所述二氧化碳罐为液态二氧化碳罐，连接在连接预冷器和压气机之间的管路上。

可选地，在连接涡轮和压气机之间的管路上连接有二氧化碳低压储罐，以作为事故用储罐。

可选地，在连接电炉和余热锅炉之间的管路上连接有废钢预热烟道。

可选地，所述发电机组为启发一体式发电机，能够自启动和对外供电。

可选地，所述热交换器为紧凑型微通道换热器，回热器为印刷电路板式换热器，压气机为轴流式或离心式压缩机，涡轮为轴流式轮机，高效换热器为紧凑型微通道换热器或电路板换热器，预冷器为紧凑型微通道换热器。

一种储热耦合电炉烟气余热回收发电方法，提供如上述所述的储热耦合电炉烟气余热回收发电系统，包括以下工作模式：

(1)冶炼期模式：

电炉产生大量的高温烟气进入余热锅炉，储能工质在余热锅炉吸收热量后储存在高温储热罐内，高温储热罐处于储热过程，发电机组定负荷运行；

(2)出钢期模式：

电炉产生少量的中温烟气进入余热锅炉，储能工质在余热锅炉吸收热量后进入高温储热罐内，高温储热罐处于放热过程，发电机组定负荷运行；

(3)调峰储能期模式：

电网低谷或平峰时段，电炉产生大量高温烟气或少量的中温烟气进入余热锅炉，储能工质在余热锅炉吸收热量后进入高温储热罐内，高温储热罐处于储热过程，发电机组低负荷运行或停机；

(4)调峰放能期模式：

电网高峰时段，电炉产生大量高温烟气或少量的中温烟气进入余热锅炉，储能工质在余热锅炉吸收热量后进入高温储热罐内，高温储热罐的高温储能工质进入热交换器加热动力循环工质，发电机组满负荷运行。

本发明的有益效果在于：

(1)采用超临界二氧化碳为动力循环工质，改变了常规余热回收系统的动力循环工质，增加了余热回收系统的稳定性和灵活性，也可提高余热回收效率；

(2)包括热交换器、涡轮、回热器、高效换热器、预冷器和压气机的超临界二氧化碳动力循环单元结构紧凑，有效减少了设备数量及占地面积，降低了建设投资费用；

(3)超临界二氧化碳动力循环机组，可快速的启停，可实现0～100％全负荷调峰，能满足电炉调峰生产；

(4)包括余热锅炉、高温储热罐、低温储热罐和热交换器的储热单元有效解决了高温烟气放散问题，使得余热回收发电系统可参与全厂电网调峰。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为储热耦合电炉烟气余热回收发电系统的示意图。

附图标记：电炉1、烟气沉降室2、余热锅炉3、高温储热罐4、低温储热罐5、热交换器6、涡轮7、发电机组8、回热器9、高效换热器10、预冷器11、压气机12、二氧化碳罐13、二氧化碳低压储罐14、氧气罐15。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，一种储热耦合电炉烟气余热回收发电系统，包括电炉1、烟气沉降室2、余热锅炉3、高温储热罐4、低温储热罐5、热交换器6、涡轮7、发电机组8、回热器9、高效换热器10、预冷器11、压气机12、二氧化碳罐13、二氧化碳低压储罐14及氧气罐15。余热锅炉3、高温储热罐4、低温储热罐5、热交换器6组成储热单元。热交换器6、涡轮7、回热器9、高效换热器10、预冷器11和压气机12组成超临界二氧化碳动力循环单元，为闭式循环系统，其动力循环工质为二氧化碳，二氧化碳依次在热交换器6、涡轮7、回热器9、高效换热器10、预冷器11、压气机12内流通。

电炉1产生的烟气通过烟道流经烟气沉降室2和余热锅炉3，烟气沉降室2对电炉1烟气进行沉降除尘，余热锅炉3吸收烟气热量加热储能工质，高温储能工质储存在高温储热罐4内，高温储能工质通过热交换器6加热动力循环工质超临界二氧化碳，换热后的低温储能工质进入低温储热罐5。加热后的超临界二氧化碳在涡轮7内做功推动发电机组8发电，做功后的二氧化碳在回热器9回热后流入高效换热器10加热电炉1用氧气，二氧化碳从高效换热器10降温后在进入预冷器11预冷，预冷到适宜温度后进入压气机12压缩为超临界状态，超临界二氧化碳在回热器9内预热后进入余热锅炉3加热，动力循环工质二氧化碳依次循环。二氧化碳低压储罐14作为事故用储罐，二氧化碳罐13为液态二氧化碳罐，二氧化碳罐13为动力循环单元补充二氧化碳，确保了系统动力循环工质稳定。氧气罐15的氧气在高效换热器10中吸热后给电炉1提供高温氧气。

本发明的余热锅炉3、储热罐和热交换器6组成的储热单元可有效解决电炉1烟气周期波动问题，能连续稳定向涡轮7提供稳定工作介质，同时也可作为调峰储能单元用以调节全厂自发电量；热交换器6、涡轮7、回热器9、高效换热器10、预冷器11和压气机12组成的超临界二氧化碳动力循环单元，提高了电炉的余热利用效率，同时提升了余热回收系统的灵活性，实现了电炉烟气余热高效资源化回收的目的，解决了电炉高温烟气放散和余热回收不理想问题。

本发明的实施有利于稳定高效回收烟气余热，可有效实现余热资源稳定回收利用，降低企业生产成本，同时本储热耦合电炉1烟气余热回收发电系统可作为全厂电网调峰单元，有利于新型电网建设，具有良好的社会价值和经济效益。

可选地，储热单元的储能工质为导热油、相变材料、二元或多元熔盐，工作温度根据工质确定；二氧化碳动力循环工质在循环系统内为超临界态，温度＞32℃，压力＞8MPa；余热锅炉3的工作介质为导热油、相变材料、二元或多元熔盐，低温储能工质在锅炉内吸收烟气热量；回热器9为印刷电路板式换热器，低温二氧化碳在回热器9内吸收涡轮7出口动力循环工质的部分热量；压气机12为轴流式或离心式压缩机，提高动力循环工质二氧化碳压力；涡轮7为轴流式轮机，超临界二氧化碳在内做功推动轴系转动，带动发电机组8发电；发电机组8为启发一体式发电机组，机组启动阶段作为电动机，机组负荷稳定后作为发电机组8；热交换器6为紧凑型微通道换热器，高温储能工质在热交换器6内加热动力循环工质二氧化碳；高效换热器10为紧凑型微通道换热器或电路板换热器；预冷器11为紧凑型微通道换热器，二氧化碳在其中被冷却到压气机12进口设计温度。

一种储热耦合电炉烟气余热回收发电方法，提供如上述所述的储热耦合电炉烟气余热回收发电系统，包括以下工作模式：

(1)冶炼期模式：

电炉1产生大量的高温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后储存在高温储热罐4内，高温储热罐4处于储热过程，超临界二氧化碳发电机组8定负荷运行。

(2)出钢期模式：

电炉1产生少量的中温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后进入高温储热罐4内，高温储热罐4处于放热过程，超临界二氧化碳发电机组8定负荷运行。

(3)调峰储能期模式：

电网低谷或平峰时段，电炉1产生大量高温烟气或少量的中温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后进入高温储热罐4内，高温储热罐4处于储热过程，超临界二氧化碳发电机组8低负荷运行或停机。

(4)调峰放能期模式：

电网高峰时段，电炉1产生大量高温烟气或少量的中温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后进入高温储热罐4内，高温储热罐4的高温储能工质进入热交换器6加热动力循环工质，超临界二氧化碳发电机组8满负荷运行。

实施例

一种储热耦合电炉烟气余热回收发电系统，如图1所示，以超临界二氧化碳为动力循环工质，包括电炉1、烟气沉降室2、余热锅炉3、高温储热罐4、低温储热罐5、热交换器6、涡轮7、发电机组8、回热器9、高效换热器10、预冷器11、压气机12、二氧化碳罐13、二氧化碳低压储罐14及氧气罐15。

电炉1用于冶炼废钢和铁水，同时排放大量高温烟气或中温烟气，烟气在烟道进行废钢预热，烟气随后进入烟气沉降室2内高效沉降，最大限度降低烟尘含量，减少了余热锅炉3的积灰风险因素，为高效资源化利用烟气余热提供了保障，提升了电炉炼钢系统的可靠性和稳定性。

余热锅炉3利用烟气余热来加热来自低温储热罐5内的热储能工质熔盐、相变材料或导热油，加热后的高温储能工质在高温储热罐内储能，当动力循环单元运行时，高温储能工质在热交换器6内释放热量来加热动力循环工质二氧化碳，放热后的储能工质进入低温储热罐5内进行储存。余热锅炉3、高温储热罐4、低温储热罐5、热交换器6构成储热单元，能有效解决电炉烟气温度及流量的波动问题，且储热单元和动力循环单元可联合作为调峰动力装置，可提升全厂电网的调峰能力和灵活性。

热交换器6内被加热的超临界二氧化碳首先进入到涡轮7内做功带动涡轮高速旋转，涡轮7带动发电机组8转动发电，排出涡轮的超临界二氧化碳在回热器9内加热动力循环工质后，再逐步进入高效换热器10和预冷器11内释放余热，以此来提高系统的热效率。预冷后的二氧化碳进入压气机12增压后再先后进入回热器9和热交换器6吸收热量，动力循环工质二氧化碳的能流密度大，传热效率高，因此动力循环单元结构紧凑，占地面积小。

氧气罐15为电炉1冶炼提供工艺用氧，氧气在高效换热器10内吸收超临界二氧化碳余热，减少了动力循环低温端损失，将钢铁生产工艺和余热利用紧密结合，进一步优化了全系统全流程余热回收。

电炉烟气余热回收发电系统可根据电炉冶炼情况灵活调整，具备快速切换的四种工作模式，有效解决了波动性余热资源回收不稳定问题。电炉1在冶炼期间产生大量的高温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后，储存在高温储热罐4内，高温储热罐4处于储热过程，超临界二氧化碳发电机组定负荷运行；电炉1在出钢期产生少量的中温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后，进入高温储热罐4内，高温储热罐4处于放热过程，超临界二氧化碳发电机组定负荷运行；电网低谷或平峰时段，动力循环超临界二氧化碳发电机组低负荷或停机，电炉1产生大量高温烟气或少量的中温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后，进入高温储热罐4内，高温储热罐4处于储热过程；电网高峰时段，动力循环超临界二氧化碳发电机组满负荷运行，电炉1产生大量高温烟气或少量的中温烟气，储能工质在余热锅炉3吸收热量后，进入高温储热罐4内，高温储热罐4处于放热过程。作为调峰机组，机组负荷调整灵活且响应迅捷，可有利于园区的新型电网建设。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。