一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统及方法

技术领域

本发明涉及余热循环利用、储能系统，具体涉及一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统及方法。

背景技术

钢铁行业是工业基础也是能耗大户，钢铁工业生产工艺末端，冲渣水余热潜力巨大，但冲渣水热水温度不高于90℃。

为了实现冲渣水的热能回收利用，还存在以下几个方面的问题：

（1）冲渣水杂质含量、腐蚀性较高常规取热方式下，容易造成换热器快速腐蚀、换热器结垢等造成换热器效能快速下降的问题；

（2）通过间接换热的换热方式，会造成热源能量品位的下降；

（3）钢铁冲渣水，废热回收市场普及率非常低，常规取暖直接发电成本高。

虽然，在CN104196584B、CN204126679U涉及一种利用高炉冲渣水余热进行动力回收及供冷系统，包括冲渣水热回收换热系统、有机朗肯循环、蒸汽喷射式制冷系统、冷却水循环系统；利用冲渣水余热，既能单独用于发电或提供原动力，也可单独用于制冷，还可同时提供电力和制冷空调所需冷冻水。但是其主要采用的是换热器，在具体使用过程中，仍然出现换热器堵塞的问题。

CN203653589U提供一种高炉冲渣水余热发电的低温型有机朗肯循环发电设备，主要包括高炉冲渣水余热回收装置和低温型有机朗肯循环发电装置，可对钢铁企业高炉渣的余热资源进行充分的利用。其直接采用低温热能进行有机朗肯循环发电，其热回收利用率有限。

CN102607310B主要涉及一种钢铁低温余热运输利用的方法，具有储热和放热系统。其主要采用热交换的方式进行热量的回收，热能利用率有限。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统及方法，此系统热量传递过程中洁净度高，可有效提高换热器使用寿命；储能高效，实现热能和势能的解耦，储能释能过程中有效利用废热，整体具有经济性；整体装备体积小、储气规模小。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统，包括冲渣水池，冲渣水池通过第一污水泵与有动力闪蒸系统相连，有动力闪蒸系统通过第一冷却三通阀与低温吸热器相连，低温吸热器通过冷却循环泵与有动力闪蒸系统和冷却塔相连，冷却塔的出口与第一冷却三通阀相连，低温吸热器将加热之后的二氧化碳通过第二储释能切换三通阀和二氧化碳压缩机与储热换热器相连，储热换热器通过二氧化碳能量回收低温膨胀机和第一储释能切换三通阀与水冷二氧化碳冷凝器相连，水冷二氧化碳冷凝器通过液态二氧化碳循环泵与二氧化碳介质储罐相连，二氧化碳介质储罐通过并联的储能用二氧化碳循环泵和释能用二氧化碳增压泵与低温吸热器相连。

所述有动力闪蒸系统包括闪蒸罐和冷凝罐，闪蒸罐的内部设置有闪蒸格栅并用于对浓缩冲渣水进行闪蒸，闪蒸格栅的顶部通过水蒸汽连管和蒸汽压缩机与冷凝罐相连，冷凝罐的内部设置有用于冷凝的冷凝换热器并储存冷凝净水。

所述闪蒸罐和冷凝罐的底部通过连通管与废热三通控制阀相连，废热三通控制阀通过第二污水泵与二次沉淀池相连。

所述低温吸热器和冷却循环泵之间设置有第二冷却三通阀，所述冷却循环泵与有动力闪蒸系统的冷凝换热器之间设置有第四冷却三通阀，第四冷却三通阀和冷却塔之间还设置有第三冷却三通阀，所述第二冷却三通阀和第三冷却三通阀之间相连通。

所述储热换热器的冷媒介入口与冷水罐相连，储热换热器的冷媒介出口与热水罐相连，所述热水罐和冷水罐同时与提热换热器相连并用于二氧化碳的再次加热；所述提热换热器的一端通过二氧化碳发电透平与第一储释能切换三通阀相连，提热换热器的另一端与第二储释能切换三通阀相连。

所述水冷二氧化碳冷凝器的冷源采用水冷方式并采用市政或自然取水，且冷水在吸热后并入二次沉淀池作为冲渣水补水。

所述蒸汽压缩机用于在闪蒸罐、冷凝罐构建压力差，其中闪蒸罐中形成负压35kPa以下，冷凝罐中形成正压大于常压即可。

一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统的运行方法，所述方法采用一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统实现，包括以下几种运行模式：

模式一，冲渣水的初处理流程：

用于将冲渣水进行闪蒸处理，进而对冲渣水中的杂质进行沉淀除去，并对冲渣水进行冷凝净化，进行回收利用；

模式二，废热利用储能流程：

用于将冲渣水中的余热进行再利用，并对热能进行储存；

模式三，废热利用释放流程：

用于将所储存的热能进行释放利用；

模式四，强制排热流程：

用于在有利用不了的废热且需要快速排除时，实现热量的排放；

模式五，冬季供热流程：

当冬季供热效益高时，直接由热水罐中抽取带压热水并入一次网进行供热。

模式一的具体流程为：

冲渣水池中上层污水通过第一污水泵抽取进入有动力闪蒸系统中通过闪蒸冷凝过程将热量重整转换；其中通过蒸汽压缩机在闪蒸罐、冷凝罐构建压力差，其中闪蒸罐中形成负压35kPa以下，冷凝罐中形成正压大于常压即可，当污水进入闪蒸罐中通过浸润闪蒸格栅表面积增加污水表面积，加快闪蒸速率，闪蒸降温后的液态水在闪蒸罐底部汇集形成浓缩冲渣水，闪蒸后的低压水蒸气通过水蒸气连管进入冷凝罐通过表面式换热器进行冷凝，此过程中热量由冷凝换热器带走热量后冷凝水在冷凝罐底部汇集形成冷凝净水，其中浓缩冲渣水、冷凝净水通过废热三通控制阀汇集并由第二污水泵泵入二次沉淀池，其中废热三通控制阀和第二污水泵保障闪蒸罐和冷凝罐的运行压力差，二次沉淀池的上层清水用于冲渣循环用水。

模式二的具体流程为：

冷凝换热器带走的热量由水作为载热介质通过冷却循环泵提供循环动力并调节第一冷却三通阀、第二冷却三通阀、第三冷却三通阀、第四冷却三通阀使冷凝换热器与低温吸热器进行连通，调节第一储释能切换三通阀、第二储释能切换三通阀建立储能循环，二氧化碳在低温吸热器吸热后经二氧化碳压缩机增压升温，经储热换热器进行排热，此时冷水罐中的带压冷水同时进入储热换热器将热量带走并进入热水罐中进行存储，储热换热器中排热后的低温高压二氧化碳进入二氧化碳能量回收低温膨胀机，做功后的气液两相二氧化碳，进入水冷二氧化碳冷凝器，其中冷源采用水冷，冷水吸热后并入二次沉淀池作为冲渣水补水，冷凝后的液态二氧化碳通过液态二氧化碳循环泵进入二氧化碳介质储罐进行稳压和中间存储，并按需由储能用二氧化碳循环泵抽取送入低温吸热器进行吸热汽化完成储能循环。

模式三的具体流程为：

冷凝换热器带走的热量由水作为载热介质通过冷却循环泵提供循环动力并调节第一冷却三通阀、第二冷却三通阀、第三冷却三通阀、第四冷却三通阀使冷凝换热器与低温吸热器进行连通，调节第一储释能切换三通阀、第二储释能切换三通阀建立储能循环，二氧化碳在低温吸热器吸热后进入提热换热器再次加热，此时热水罐中的带压热水同时进入提热换热器将热量输入并进入冷水罐中进行存储，后推动二氧化碳发电透平进行发电做功后低温低压二氧化碳为45℃且7MPa以下，进入水冷二氧化碳冷凝器，其中冷源采用水冷，冷水吸热后并入二次沉淀池作为冲渣水补水，冷凝后的液态二氧化碳通过液态二氧化碳循环泵进入二氧化碳介质储罐进行稳压和中间存储，并按需由释能用二氧化碳增压泵增压至12MPa以上跨入超临界态，后送入低温吸热器进行吸热汽化完成释能循环。

模式四的具体流程为：

当有利用不了的废热且需要快速排除时调节第一冷却三通阀、第二冷却三通阀、第三冷却三通阀、第四冷却三通阀使冷凝换热器与低温吸热器进行连通，调节第一储释能切换三通阀、第二储释能切换三通阀使冷凝换热器与冷却塔连通进行强制热量排出。

本发明有如下有益效果：

1、本发明热量传递过程中洁净度高，可有效提高换热器使用寿命。

2、本发明储能高效，能够实现热能和势能的解耦，储能释能过程中有效利用废热，整体具有经济性。

3、本发明系统整体装备体积小、储气规模小。

4、本发明采用有动力闪蒸工艺，控制冲渣水75℃左右扩容闪蒸并以60℃左右将热量回收，通过此方式可准确控制闪蒸和冷凝工艺确定冲渣水蒸发和闪蒸温度。

5、本发明通过二氧化碳压缩循环提升热量的品质，并将热量存储下来，此外通过液态或超临界态储能动力循环进一步存储能量用于释能阶段发电。

6、本发明储能撬动废热，以用户侧储能来核算系统整体经济效能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明系统原理图。

图2为本发明有动力闪蒸系统图。

图中：冲渣水池1、二次沉淀池2、有动力闪蒸系统3、第一污水泵4、第二污水泵5、废热三通控制阀6、冷却塔7、冷却循环泵8、第一冷却三通阀9、第二冷却三通阀10、第三冷却三通阀11、第四冷却三通阀12、低温吸热器13、二氧化碳压缩机14、储热换热器15、热水罐16、冷水罐17、提热换热器18、二氧化碳发电透平19、水冷二氧化碳冷凝器20、二氧化碳介质储罐21、二氧化碳能量回收低温膨胀机22、第一储释能切换三通阀23、第二储释能切换三通阀24、液态二氧化碳循环泵25、储能用二氧化碳循环泵26、释能用二氧化碳增压泵27；

闪蒸罐301、冷凝罐302、浓缩冲渣水303、冷凝净水304、闪蒸格栅305、冷凝换热器306、水蒸气连管307、蒸汽压缩机308。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-2，一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统，包括冲渣水池1，冲渣水池1通过第一污水泵4与有动力闪蒸系统3相连，有动力闪蒸系统3通过第一冷却三通阀9与低温吸热器13相连，低温吸热器13通过冷却循环泵8与有动力闪蒸系统3和冷却塔7相连，冷却塔7的出口与第一冷却三通阀9相连，低温吸热器13将加热之后的二氧化碳通过第二储释能切换三通阀24和二氧化碳压缩机14与储热换热器15相连，储热换热器15通过二氧化碳能量回收低温膨胀机22和第一储释能切换三通阀23与水冷二氧化碳冷凝器20相连，水冷二氧化碳冷凝器20通过液态二氧化碳循环泵25与二氧化碳介质储罐21相连，二氧化碳介质储罐21通过并联的储能用二氧化碳循环泵26和释能用二氧化碳增压泵27与低温吸热器13相连。通过采用上述的发电系统，能够实现冲渣水热能的再利用。热量传递过程中洁净度高，可有效提高换热器使用寿命。

进一步的，所述有动力闪蒸系统3包括闪蒸罐301和冷凝罐302，闪蒸罐301的内部设置有闪蒸格栅305并用于对浓缩冲渣水303进行闪蒸，闪蒸格栅305的顶部通过水蒸汽连管307和蒸汽压缩机308与冷凝罐302相连，冷凝罐302的内部设置有用于冷凝的冷凝换热器306并储存冷凝净水304。通过采用上述的有动力闪蒸系统3能够控制冲渣水75℃左右扩容闪蒸并以60℃左右将热量回收，通过此方式可准确控制闪蒸和冷凝工艺确定冲渣水蒸发和闪蒸温度。具体工作过程中，通过蒸汽压缩机308在闪蒸罐301、冷凝罐302构建压力差，其中闪蒸罐301中形成负压35kPa以下，冷凝罐302中形成正压大于常压即可，当污水进入闪蒸罐301中通过浸润闪蒸格栅305表面积增加污水表面积，加快闪蒸速率，闪蒸降温后的液态水在闪蒸罐301底部汇集形成浓缩冲渣水303，闪蒸后的低压水蒸气通过水蒸气连管307进入冷凝罐302通过表面式换热器进行冷凝。

进一步的，所述闪蒸罐301和冷凝罐302的底部通过连通管与废热三通控制阀6相连，废热三通控制阀6通过第二污水泵5与二次沉淀池2相连。通过上述的二次沉淀池2能够实现闪蒸罐301和冷凝罐302内部的水的回收。二次沉淀池2的上层清水用于冲渣循环用水。

进一步的，所述低温吸热器13和冷却循环泵8之间设置有第二冷却三通阀10，所述冷却循环泵8与有动力闪蒸系统3的冷凝换热器306之间设置有第四冷却三通阀12，第四冷却三通阀12和冷却塔7之间还设置有第三冷却三通阀11，所述第二冷却三通阀10和第三冷却三通阀11之间相连通。

进一步的，所述储热换热器15的冷媒介入口与冷水罐17相连，储热换热器15的冷媒介出口与热水罐16相连，所述热水罐16和冷水罐17同时与提热换热器18相连并用于二氧化碳的再次加热；所述提热换热器18的一端通过二氧化碳发电透平19与第一储释能切换三通阀23相连，提热换热器18的另一端与第二储释能切换三通阀24相连。通过上述的系统结构，二氧化碳在低温吸热器13吸热后经二氧化碳压缩机14增压升温，经储热换热器15进行排热，此时冷水罐17中的带压冷水同时进入储热换热器15将热量带走并进入热水罐16中进行存储，储热换热器15中排热后的低温高压二氧化碳进入二氧化碳能量回收低温膨胀机22，做功后的低温低压二氧化碳进入水冷二氧化碳冷凝器20，其中冷源采用水冷，冷水吸热后并入二次沉淀池2作为冲渣水补水，冷凝后的液态二氧化碳通过液态二氧化碳循环泵25进入二氧化碳介质储罐21进行稳压和中间存储，并按需由储能用二氧化碳循环泵26抽取送入低温吸热器13进行吸热汽化完成储能循环。

进一步的，所述水冷二氧化碳冷凝器20的冷源采用水冷方式并采用市政或自然取水，且冷水在吸热后并入二次沉淀池2作为冲渣水补水。通过上述的供水方式起到了很好的节能效果，而且有效降低了能量消耗。

进一步的，所述蒸汽压缩机308用于在闪蒸罐301、冷凝罐302构建压力差，其中闪蒸罐301中形成负压35kPa以下，冷凝罐302中形成正压大于常压即可。

实施例2：

一种基于冲渣水废热的二氧化碳储能发电系统的运行方法，包括以下几种运行模式：

模式一，冲渣水的初处理流程：

用于将冲渣水进行闪蒸处理，进而对冲渣水中的杂质进行沉淀除去，并对冲渣水进行冷凝净化，进行回收利用；

模式二，废热利用储能流程：

用于将冲渣水中的余热进行再利用，并对热能进行储存；

模式三，废热利用释放流程：

用于将所储存的热能进行释放利用；

模式四，强制排热流程：

用于在有利用不了的废热且需要快速排除时，实现热量的排放；

模式五，冬季供热流程：

当冬季供热效益高时，直接由热水罐16中抽取带压热水并入一次网进行供热。

模式一的具体流程为：

冲渣水池1中上层污水通过第一污水泵4抽取进入有动力闪蒸系统3中通过闪蒸冷凝过程将热量重整转换；其中通过蒸汽压缩机308在闪蒸罐301、冷凝罐302构建压力差，其中闪蒸罐301中形成负压35kPa以下，冷凝罐302中形成正压大于常压即可，当污水进入闪蒸罐301中通过浸润闪蒸格栅305表面积增加污水表面积，加快闪蒸速率，闪蒸降温后的液态水在闪蒸罐301底部汇集形成浓缩冲渣水303，闪蒸后的低压水蒸气通过水蒸气连管307进入冷凝罐302通过表面式换热器进行冷凝，此过程中热量由冷凝换热器306带走热量后冷凝水在冷凝罐302底部汇集形成冷凝净水304，其中浓缩冲渣水303、冷凝净水304通过废热三通控制阀6汇集并由第二污水泵5泵入二次沉淀池2，其中废热三通控制阀6和第二污水泵5保障闪蒸罐301和冷凝罐302的运行压力差，二次沉淀池2的上层清水用于冲渣循环用水。

模式二的具体流程为：

冷凝换热器306带走的热量由水作为载热介质通过冷却循环泵8提供循环动力并调节第一冷却三通阀9、第二冷却三通阀10、第三冷却三通阀11、第四冷却三通阀12使冷凝换热器306与低温吸热器13进行连通，调节第一储释能切换三通阀23、第二储释能切换三通阀24建立储能循环，二氧化碳在低温吸热器13吸热后经二氧化碳压缩机14增压升温，经储热换热器15进行排热，此时冷水罐17中的带压冷水同时进入储热换热器15将热量带走并进入热水罐16中进行存储，储热换热器15中排热后的低温高压二氧化碳进入二氧化碳能量回收低温膨胀机22，做功后的气液两相二氧化碳，进入水冷二氧化碳冷凝器20，其中冷源采用水冷，冷水吸热后并入二次沉淀池2作为冲渣水补水，冷凝后的液态二氧化碳通过液态二氧化碳循环泵25进入二氧化碳介质储罐21进行稳压和中间存储，并按需由储能用二氧化碳循环泵26抽取送入低温吸热器13进行吸热汽化完成储能循环。

模式三的具体流程为：

冷凝换热器306带走的热量由水作为载热介质通过冷却循环泵8提供循环动力并调节第一冷却三通阀9、第二冷却三通阀10、第三冷却三通阀11、第四冷却三通阀12使冷凝换热器306与低温吸热器13进行连通，调节第一储释能切换三通阀23、第二储释能切换三通阀24建立储能循环，二氧化碳在低温吸热器13吸热后进入提热换热器18再次加热，此时热水罐16中的带压热水同时进入提热换热器18将热量输入并进入冷水罐17中进行存储，后推动二氧化碳发电透平19进行发电做功后低温低压二氧化碳为45℃且7MPa以下，进入水冷二氧化碳冷凝器20，其中冷源采用水冷，冷水吸热后并入二次沉淀池2作为冲渣水补水，冷凝后的液态二氧化碳通过液态二氧化碳循环泵25进入二氧化碳介质储罐21进行稳压和中间存储，并按需由释能用二氧化碳增压泵27增压至12MPa以上跨入超临界态，后送入低温吸热器13进行吸热汽化完成释能循环。

模式四的具体流程为：

当有利用不了的废热且需要快速排除时调节第一冷却三通阀9、第二冷却三通阀10、第三冷却三通阀11、第四冷却三通阀12使冷凝换热器306与低温吸热器13进行连通，调节第一储释能切换三通阀23、第二储释能切换三通阀24使冷凝换热器306与冷却塔7连通进行强制热量排出。

综上，本发明的方案首先建立在钢铁行业冲渣水作为废热难以利用的现实。第一采用有动力闪蒸工艺，控制冲渣水75℃左右扩容闪蒸并以60℃左右将热量回收，通过此方式可准确控制闪蒸和冷凝工艺确定冲渣水蒸发和闪蒸温度，并保证热量传递过程中介质洁净度提高换热器的使用寿命；此外本方案通过二氧化碳压缩循环提升热量的品质，并将热量存储下来，此外通过液态或超临界态储能动力循环进一步存储能量用于释能阶段发电，整体系统的经济性主要以储能效能进行体现，此外储能系统储能过程实现了热能和势能存储的解耦，在储能释能过程同时将废热提取使用。以储能撬动废热，以用户侧储能来核算系统整体经济效能，建立在废热的基础上，热储能系统效率可超过65%，初步具备用户侧储能经济性，此外采用超临界态或液态存储大大降低了装备占地规模和储气规模。