一种钢铁工业用高效余气利用系统及方法

技术领域

本发明涉及工业余气再利用技术领域，具体为一种钢铁工业用高效余气利用系统及方法。

背景技术

2022年我国钢铁工业的电力消费总量达6090亿千瓦时，占全国制造业电力消费总量的14％，占全社会电力消费总量的7％。作为用电大户，外购电力碳排放是钢铁行业主要碳排放之一，其占比达钢铁行业总碳排放的8％左右。提升钢铁企业余气发电水平，主动实现用电结构转变，积极实施绿色电力替代，是从源头减少外购电力并降低外购电力碳排放的主要手段，同时用电侧的绿色化能够加快钢企实现战略转型，增强产品的国际竞争力。余气主要指富余煤气，钢铁企业余气资源巨大，煤气发电是钢铁企业最为重要的自发电手段，但作为煤气利用的最末环节，目前煤气发电机组缓冲调节煤气的功能性更为重要，钢铁生产工艺波动性较强，导致煤气流量、热值、压力波动幅度及频率均较大，虽有煤气柜可以一定程度的稳定煤气管网压力，但进入煤气锅炉的燃料仍不稳定，从而会影响锅炉稳定燃烧，造成炉内蒸汽压力、温度不稳定进而影响机组发电效率。即便当前双超机组、亚临界机组已在钢厂内普遍应用，但煤气供应的不稳定使机组难以发挥其高效率的优势。因此，急需开发新的余气利用系统，提升煤气利用效率，进而提高煤气发电机组出力水平，增大厂内自发电率，同时使机组具备调峰功能，增强钢铁企业的绿电消纳能力。

储热是实现上述功能的有效手段，经调研可知，目前国内外公开的专利成果中关于储热在钢铁行业中的应用主要集中于高温烟气回收，在煤气回收领域的应用主要集中于利用储热特性实现峰谷电价差套利，提升煤气利用效率、强化煤气-蒸汽耦合利用程度的研究几乎没有涉及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢铁工业用高效余气利用系统及方法，能够实现钢铁企业煤气发电系统机炉解耦，最大限度的利用钢厂富余煤气，进而稳定汽机侧的蒸汽供应，提升汽轮发电机组的出力，同时机炉的解耦能够实现机组的调峰运行，进而增强了钢厂的绿电消纳能力，有利于钢厂调整自身用电结构，以解决现有煤气发电系统煤气波动较大、煤气利用效率较低，煤气-蒸汽耦合利用程度差等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钢铁工业用高效余气利用系统，包括余气回收系统、储放热系统、发电系统和烟风系统；

所述余气回收系统包括储热介质加热炉及其连接的管道，在储热介质加热炉的尾部烟道设有尾部烟道换热器；

所述储放热系统包括高温储热罐、低温储热罐、保证储热介质能够正常流动的高温泵、低温泵、换热器系统及其连接的管道；所述高温储热罐的一端通过管道与储热介质加热炉连接，另一端通过管道与换热器系统连接，且在与换热器系统连接的管道上安装高温泵；所述换热器系统通过管道与低温储热罐连接，低温储热罐的另一端与储热介质加热炉连接，并在与储热介质加热炉的连接管道上安装低温泵；

所述发电系统包括汽轮发电机组、凝汽器、凝结水系统、凝结水泵、低压加热器系统、除氧器、给水泵及其连接的管道；所述汽轮发电机组的一端通过管道与换热器系统连接，另一端通过管道分别与凝汽器、低压加热器系统连接；所述凝汽器设置在凝结水系统的前端，凝汽器通过凝结水泵与低压加热器系统建立管道连接；所述低压加热器系统与除氧器连接，除氧器的另一端通过管道与储热介质加热炉连接，并在与储热介质加热炉的连接管道上安装给水泵；

所述烟风系统包括送风机、脱硫脱硝系统、引风机、烟囱及其连接的管道；所述送风机通过管道与储热介质加热炉的尾部烟道换热器连接，尾部烟道换热器的烟气出口端连接脱硫脱硝系统，脱硫脱硝系统的另一端通过管道连接烟囱，其连接管道上设有抽吸烟气的引风机。

进一步地，在所述余气回收系统中将富余煤气送入储热介质加热炉中进行燃烧，将化学能转化为热能，低温储热介质经管道送入储热介质加热炉后，吸收热能升温并送入储放热系统中，所述储热介质加热炉的尾部烟道换热器用于预热空气、加热煤气或加热给水，并将降温后的烟气送入烟风系统。

进一步地，所述余气回收系统中吸收热量的高温储热介质经管道送至高温储热罐，高温储热罐中的高温储热介质经高温泵泵送至换热器系统，在换热器系统中高温储热介质与给水进行换热，给水吸收热量变成蒸汽送至发电系统，高温储热介质释放热量变成低温储热介质后回到低温储热罐，低温储热罐中的低温储热介质经低温泵泵送至余气回收系统继续吸收煤气燃烧产生的热能。

进一步地，所述储放热系统中吸热后的蒸汽送入汽轮发电机组，冲转汽轮机带动发电机发电，发电后的乏汽进入凝结水系统中的凝汽器，被循环水冷却成为凝结水后被继续加热、除氧后进入给水系统，在给水系统中凝结水被加热、升压后成为给水，给水根据给水温度的不同进入储放热系统或余气回收系统。

进一步地，所述烟风系统中的空气经送风机鼓入储热介质加热炉的尾部烟道换热器中，被烟气预热后送入储热介质加热炉，富余煤气同样流经加热炉尾部烟道换热器中，被加热后的煤气送入储热介质加热炉内，与热空气混合后在储热介质加热炉内进行燃烧，燃烧后的烟气经引风机抽吸，流经加热炉尾部换热器后进入脱硫脱硝系统，经脱硫脱硝后合格的烟气进入烟囱进行排放。

本发明提供另一种技术方案：一种钢铁工业用高效余气利用的方法，基于一种钢铁工业用高效余气利用系统实现，包括以下步骤：

S1：煤气在储热介质加热炉中燃烧释放热量，低温储热介质从低温储热罐流出，经低温泵升压后送至储热介质加热炉中吸热升温，吸热后的高温储热介质流入高温储热罐完成热量储存；

S2：放热阶段高温储热介质从高温储热罐中流出，经高温泵升压后送至换热器系统，在换热器系统中高温储热介质与低温给水进行热交换，高温储热介质降温后回到低温储热罐完成储热介质的储放热循环；

S3：低温给水吸收热量蒸发成为主蒸汽驱动汽轮发电机组发电，乏汽进入凝汽器被凝结水系统冷却后成为凝结水，凝结水经凝结水泵加压后进入低压加热器系统，在低压加热器系统中凝结水被低压抽气加热升温，升温后的凝结水进入除氧器中进行除氧，除氧后的凝结水经给水泵再次加压流入储热介质加热炉的尾部烟道换热器，被烟气再次加热升温后的给水流入换热器系统完成汽水循环；

S4：送风机将冷空气鼓入储热介质加热炉的尾部烟道换热器吸收烟气热量，吸热后的热空气与同样被烟气加热的煤气在储热介质加热炉中混合燃烧释放热量加热储热介质，燃烧后的烟气经尾部烟道换热器与给水、冷空气及煤气换热后进入脱硫脱硝系统，经脱硫脱硝处理后的合格烟气经引风机引入烟囱后排放完成烟风循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的钢铁工业用高效余气利用系统及方法，将储热介质加热炉替代传统煤气发电锅炉，并通过储热系统将储热介质加热炉与汽轮发电机组完全解耦，炉侧和机侧可实现相互独立运行，最大限度的利用钢厂富余煤气，进而稳定汽机侧的蒸汽供应，提升汽轮发电机组的出力，同时机炉的解耦能够实现机组的调峰运行，进而增强了钢厂的绿电消纳能力，有利于钢厂调整自身用电结构。

附图说明

图1为本发明的汽轮发电机组没有再热时的系统示意图；

图2为本发明的汽轮发电机组有再热时的系统示意图。

图中：1、储热介质加热炉；21、高温储热罐；22、低温储热罐；23、高温泵；24、低温泵；25、换热器系统；25、换热器系统B；31、汽轮发电机组；32、凝汽器；33、凝结水系统；34、凝结水泵；35、低压加热器系统；36、除氧器；37、给水泵；38、高压加热器系统；41、送风机；42、脱硫脱硝系统；43、引风机；44、烟囱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1，本发明实施例中提供一种钢铁工业用高效余气利用系统，包括余气回收系统、储放热系统、发电系统和烟风系统。

其中，余气回收系统包括储热介质加热炉1及其连接的管道，在储热介质加热炉1的尾部烟道设有尾部烟道换热器；在余气回收系统中将富余煤气送入储热介质加热炉1中进行燃烧，将化学能转化为热能，低温储热介质经管道送入储热介质加热炉1后，吸收热能升温并送入储放热系统中，储热介质加热炉1的尾部烟道换热器用于预热空气、加热煤气或加热给水，并将降温后的烟气送入烟风系统。

其中，储放热系统包括高温储热罐21、低温储热罐22、保证储热介质能够正常流动的高温泵23、低温泵24、换热器系统25及其连接的管道；所述高温储热罐21的一端通过管道与储热介质加热炉1连接，另一端通过管道与换热器系统25连接，且在与换热器系统25连接的管道上安装高温泵23；所述换热器系统25通过管道与低温储热罐22连接，低温储热罐22的另一端与储热介质加热炉1连接，并在与储热介质加热炉1的连接管道上安装低温泵24；在余气回收系统中吸收热量的高温储热介质经管道送至高温储热罐21，高温储热罐21中的高温储热介质经高温泵23泵送至换热器系统25，在换热器系统25中高温储热介质与给水进行换热，给水吸收热量变成蒸汽送至发电系统，高温储热介质释放热量变成低温储热介质后回到低温储热罐22，低温储热罐22中的低温储热介质经低温泵24泵送至余气回收系统继续吸收煤气燃烧产生的热能。

其中，发电系统包括汽轮发电机组31、凝汽器32、凝结水系统33、凝结水泵34、低压加热器系统35、除氧器36、给水泵37及其连接的管道；所述汽轮发电机组31的一端通过管道与换热器系统25连接，另一端通过管道分别与凝汽器32、低压加热器系统35连接；所述凝汽器32设置在凝结水系统33的前端，凝汽器32通过凝结水泵34与低压加热器系统35建立管道连接；所述低压加热器系统35与除氧器36连接，除氧器36的另一端通过管道与储热介质加热炉1连接，并在与储热介质加热炉1的连接管道上安装给水泵37；在储放热系统中吸热后的蒸汽送入汽轮发电机组31，冲转汽轮机带动发电机发电，发电后的乏汽进入凝结水系统33中的凝汽器32，被循环水冷却成为凝结水后被继续加热、除氧后进入给水系统，在给水系统中凝结水被加热、升压后成为给水，给水根据给水温度的不同进入储放热系统或余气回收系统。

其中，烟风系统包括送风机41、脱硫脱硝系统42、引风机43、烟囱44及其连接的管道；所述送风机41通过管道与储热介质加热炉1的尾部烟道换热器连接，尾部烟道换热器的烟气出口端连接脱硫脱硝系统42，脱硫脱硝系统42的另一端通过管道连接烟囱44，其连接管道上设有抽吸烟气的引风机43；烟风系统中的空气经送风机41鼓入储热介质加热炉1的尾部烟道换热器中，被烟气预热后送入储热介质加热炉1，富余煤气同样流经加热炉尾部烟道换热器中，被加热后的煤气送入储热介质加热炉1内，与热空气混合后在储热介质加热炉1内进行燃烧，燃烧后的烟气经引风机43抽吸，流经加热炉尾部换热器后进入脱硫脱硝系统42，经脱硫脱硝后合格的烟气进入烟囱44进行排放。

基于上述钢铁工业用高效余气利用系统，为了进一步更好的解释说明本发明实施例，还提供一种钢铁工业用高效余气利用的方法，包括以下步骤：

步骤1：煤气在储热介质加热炉1中燃烧释放热量，低温储热介质从低温储热罐22流出，经低温泵24升压后送至储热介质加热炉1中吸热升温，吸热后的高温储热介质流入高温储热罐21完成热量储存；

步骤2：放热阶段高温储热介质从高温储热罐21中流出，经高温泵23升压后送至换热器系统25，在换热器系统25中高温储热介质与低温给水进行热交换，高温储热介质降温后回到低温储热罐22完成储热介质的储放热循环；

步骤3：低温给水吸收热量蒸发成为主蒸汽驱动汽轮发电机组31发电，乏汽进入凝汽器32被凝结水系统33冷却后成为凝结水，凝结水经凝结水泵34加压后进入低压加热器系统35，在低压加热器系统35中凝结水被低压抽气加热升温，升温后的凝结水进入除氧器36中进行除氧，除氧后的凝结水经给水泵37再次加压流入储热介质加热炉1的尾部烟道换热器，被烟气再次加热升温后的给水流入换热器系统25完成汽水循环；

步骤4：送风机41将冷空气鼓入储热介质加热炉1的尾部烟道换热器吸收烟气热量，吸热后的热空气与同样被烟气加热的煤气在储热介质加热炉1中混合燃烧释放热量加热储热介质，燃烧后的烟气经尾部烟道换热器与给水、冷空气及煤气换热后进入脱硫脱硝系统42，经脱硫脱硝处理后的合格烟气经引风机43引入烟囱44后排放完成烟风循环。

本发明实施例中，在正常运行模式下，煤气供应流程与蒸汽产生流程完全解耦，煤气的波动不会影响蒸汽的产生，对汽轮发电机组31而言，蒸汽的参数及流量是完全稳定的，因此汽轮发电机,31可以稳定高效运行。

在调峰模式下，系统可分为消纳新能源绿电阶段和自发电阶段。在消纳新能源绿电阶段，可以通过控制进入换热器系统的储热介质和给水流量使汽轮发电机组31在低负荷运行，进入储热介质加热炉1的煤气流量不变，整个系统处于充热运行状态；在自发电阶段，加大进入换热器系统的储热介质和给水流量使汽轮发电机组31在高负荷运行，而进入储热介质加热炉1的煤气流量和储热介质减少，储热介质加热炉1在低负荷运行，整个系统处于放热运行状态。由于储热介质加热炉1和汽轮发电机组31在整个运行阶段均为不停机运行状态，因此整个系统可以快速响应负荷的变化。

实施例二：

请参阅图2，本实施例中的汽轮发电机组31是再热机组，主蒸汽在汽轮发电机组31的高压缸做功结束后进入换热器系统B26再次吸收高温储热介质的热量，吸热后的蒸汽进入中压缸继续做功，本实施例的汽轮发电机组31的回热系统中有高压加热系统38，给水流经高压加热系统38后，被高压抽气加热至更高的温度后不再进入尾部烟道换热器，而是直接进入换热器系统25与高温储热介质换热。其余工作流程同实施例一，在此不做赘述。

综上所述：本发明提供的一种钢铁工业用高效余气利用系统及方法，将储热介质加热炉替代传统煤气发电锅炉，并通过储热系统将储热介质加热炉与汽轮发电机组完全解耦，炉侧和机侧可实现相互独立运行，煤气在储热介质加热炉中燃烧，产生的热量被储热介质储存于储放热系统中，给水在储放热系统中吸热蒸发成为蒸汽，因此煤气的供应和蒸汽的产生是完全解耦的，煤气侧的波动不会影响蒸汽流量和参数，蒸汽可完全稳定连续的供应给汽轮发电机组，机组在连续稳定的蒸汽供应下，运行效率提高，出力也因此提高。同时，由于机炉解耦，本发明可以实现调峰运行，在新能源发电高峰阶段，可降低储放热系统的放热量，使汽轮发电机组在低负荷运行，为钢企消纳新能源提供充足的空间，同时由于汽轮发电机组采用不停机运行方式，使系统对负荷的变化可以快速充分的响应。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的任何简单修改、等同替换与改进，如应用场合的变化、所适应的储热介质种类的变化、回热器个数和形式的变化、储热介质加热炉尾部烟道换热器个数和形式的变化、储热罐个数和形式及单罐或多罐的变化，在路由系统中增减各种仪控、阀门系统造成的变化、对系统路由进行改变但与本发明所达到的功能与目的一致的变化、或将本储放热系统放出的热量不用于发电而直接用于能量生产的系统变化等都应涵盖在本发明的保护范围之内。