CN109779694A - 利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***及其工作方法，膨胀机的高炉煤气出口依次与高炉煤气‑冷媒换热器、空气冷却器、燃烧室的高炉煤气入口相连，燃烧室的燃气出口与燃气透平的入口相连；燃气透平的烟气出口分别与高温烟气‑冷媒换热器、热水储罐、高温烟气‑热媒水换热器的烟气入口相连；高炉煤气‑冷媒换热器的冷媒出口经冷媒储罐分别与蓄冰槽、冷媒‑冷媒水换热器以及高温烟气‑冷媒换热器的冷媒入口相连，蓄冰槽、冷媒‑冷媒水换热器的冷媒出口分别与高温烟气‑冷媒换热器的冷媒入口相连。本发明通过对高炉煤气的合理利用实现了冷、热、电的联产联供提高了能源利用效率、节约了资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式能源***，具体为一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***及工作方法。
背景技术
随着世界经济的快速发展，环境保护问题也日益引起人们的注意。2015 年在法国巴黎举行的国际气候大会上，中国提出了实现2030年二氧化碳排放达到峰值、碳排放强度比2005年下降60％-65％的目标，随着时间的临近，国内低碳发展任务迫在眉睫，我国将逐步实现碳排放强度、排放总量“双控”的目标，在适当的地区和行业率先实施，重点行业企业试行碳排放许可配额制度。钢铁行业作为“高耗能”产业，每年所消耗的能源数量占全国总能源消耗量的1/6，因此实现钢铁企业节能减排，对于实现我国2030碳排放目标至关重要。
钢铁企业在进行产品生产时会产生一系列煤气副产品，这其中包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气等，在各种煤气副产品中，高炉煤气所占比重最大。高炉煤气因含有大量的N2和CO2(约占63％-70％)，所以其热值不高，只有3762-4180kJ/m3，约为天然气的1/10，但由于其产量巨大，因此实现对高炉煤气的充分利用依然对钢铁企业节能减排目标的实现具有重大意义。
目前钢铁企业对高炉煤气利用主要包括高炉煤气余压透平发电、燃烧高炉煤气驱动锅炉热电机组发电以及作为钢铁企业内其他用能设备(如热风炉、加热炉等)的燃料等几种利用方式。其中，高炉煤气余压透平发电虽然利用了高炉煤气的压能，但并未对高炉煤气膨胀做功后所产生的冷能加以回收利用；而燃烧高炉煤气驱动锅炉热电机组发电虽然对高炉煤气的燃烧热能加以利用，但该发电方式效率较低，且设备笨重、响应速度较慢、自动化程度较低。
申请号为201610240711.5的专利公开了一种高炉煤气分布式能源***，该***的高炉煤气锅炉产生的蒸汽先通过背压式汽轮机驱动高炉鼓风机做功，然后驱动凝汽式汽轮机带动发电机工作输出电能，并对高炉煤气锅炉烟气余热进行回收利用输出热源的同时带动热水型吸收式制冷机组工作为制冷用户提供冷源。该***虽然对高炉煤气燃烧所排放的烟气中余热进行了回收利用，但并未对高炉煤气余压进行有效利用，且需要单独购置吸收式制冷机组增加了***的初投资。
综合以上分析，当前高炉煤气回收利用主要存在以下几个方面的缺陷： (1)高炉煤气的余压未能得到充分的利用；(2)高炉煤气膨胀做功后所产生的冷能未能得到合理的利用；(3)锅炉发电机组效率不高且响应速度较慢；(4)高炉煤气分布式能源***中制冷功能的实现多依赖于吸收式制冷机组或电制冷机组，增加了***的初投资及电力消耗量。
发明内容
针对现有技术中高炉煤气的余压未能得到充分利用、高炉煤气膨胀做功后所产生的冷能未能得到合理利用等不足，本发明要解决的问题是提供一种通过对高炉煤气及其及其余压余能的回收及利用，提高***能源利用效率的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***及工作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，包括膨胀机、第一发电机、压气机、燃烧室、燃气透平、第二发电机、空气冷却器以及高炉煤气-冷媒换热器，其中膨胀机与第一发电机同轴相连，燃气透平与第二发电机同轴相连，膨胀机的高炉煤气出口通过管道依次与高炉煤气-冷媒换热器、空气冷却器、燃烧室的高炉煤气入口相连，燃烧室的燃气出口与燃气透平的入口相连；
燃气透平的烟气出口管道分为三路，分别与高温烟气-冷媒换热器、热水储罐、高温烟气-热媒水换热器的烟气入口相连，高温烟气-冷媒换热器、热水储罐、高温烟气-热媒水换热器的烟气分别通过管道经引风机由烟囱排出；
高炉煤气-冷媒换热器的冷媒出口通过管道与冷媒储罐的入口相连，冷媒储罐的出口管道分为三路，分别与蓄冰槽、冷媒-冷媒水换热器以及高温烟气-冷媒换热器的冷媒入口相连，蓄冰槽、冷媒-冷媒水换热器的冷媒出口分别通过管道与高温烟气-冷媒换热器的冷媒入口相连；高温烟气-冷媒换热器的冷媒出口通过管道依次与冷媒循环泵、高炉煤气-冷媒换热器的冷媒入口相连；所述蓄冰槽、冷媒-冷媒水换热器及高温烟气-热媒水换热器的水侧出口分别通过管道与空调/采暖***循环水泵相连。
所述燃气透平出口与引风机之间设有烟气旁通支路，烟气旁通支路上设有第一烟气流量调节阀。
所述高温烟气-冷媒换热器、热水储罐及高温烟气-热媒水换热器的烟气入口管道上分别设有第二烟气流量调节阀、及第三烟气流量调节阀及第四烟气流量调节阀；蓄冰槽及冷媒-冷媒水换热器的冷媒入口管道上分别设有第一冷媒流量调节阀及第二冷媒流量调节阀；冷媒-冷媒水换热器冷媒水入口管道上设有冷媒水流量调节阀；高温烟气-热媒水换热器热媒水入口管道上设有热媒水流量调节阀。
所述热水储罐内具有换热装置，高温烟气在热水储罐内部与冷水换热放出热量实现对冷水的加热；热水储罐冷水入口管道上设有冷水泵，热水出口管道上设有热水泵。
所述膨胀机采用螺杆膨胀机。
所述蓄冰槽采用盘管式外融冰蓄冰槽。
本发明一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***的工作方法，其特征在于包括发电、制冷、采暖以及热水供应四种模式，当***处于发电工作模式下时，高炉煤气进入膨胀机，利用余压推动膨胀机带动第一发电机输出电能，做功后的高炉煤气温度降低，之后依次进入高炉煤气-冷媒换热器、气冷却器，分别与冷媒及空气换热吸收热量后温度升高，之后进入燃烧室；
空气进入空气冷却器，在空气冷却器中与低温高炉煤气换热吸收冷量后温度降低，之后进入压气机，在压气机中被压缩后进入燃烧室；
在所述燃烧室中，高炉煤气和低温空气混合燃烧产生高温高压燃气，高温高压燃气进入燃气透平，在燃气透平中膨胀做功推动燃气透平带动第二发电机输出电能；
做功后的高温烟气依次流经第一烟气流量调节阀、烟气旁通支路后在引风机的推动下经所述烟囱排出，如此循环实现电力输出。
当***处于制冷工作模式时，冷媒在高炉煤气-冷媒换热器中和低温高炉煤气换热吸收冷量后温度降低，经冷媒储罐流向第一冷媒流量调节阀；
当蓄冰槽需要蓄冰时，开启第一冷媒流量调节阀使部分冷媒流入蓄冰槽进行蓄冰，其余冷媒则流向第二冷媒流量调节阀并在第二冷媒流量调节阀处分流出部分冷媒流入冷媒-冷媒水换热器，与来自空调***的冷媒水换热放出冷量实现对冷媒水的冷却；
在蓄冰槽及冷媒-冷媒水换热器完成蓄冰、换热后的冷媒与未经蓄冰、换热的冷媒混合后流入高温烟气-冷媒换热器，与高温烟气换热吸收热量后温度升高，在冷媒循环泵的驱动下返回高炉煤气-冷媒换热器，完成释冷过程；
当高炉煤气供应正常时，来自外部空调水***的冷媒水进入冷媒-冷媒水换热器，与低温冷媒换热吸收冷量后温度降低，在空调/采暖***循环水泵的驱动下返回空调水***，实现制冷功能；
当高炉煤气供应中断时，来自外部空调水***的冷媒水则进入蓄冰槽，在蓄冰槽内吸收冷量后温度降低，在空调/采暖***循环水泵的驱动下返回空调水***，实现制冷功能。
当***处于采暖工作模式时，来外部自空调水***的热媒水流进入所述高温烟气-热媒水换热器，与燃气透平排放的高温烟气换热吸收热量后温度升高，在空调/采暖***循环水泵的驱动下返回空调水***，实现采暖功能；
通过调节位于所述高温烟气-热媒水换热器烟气侧入口前的第四烟气流量调节阀及位于烟气旁通支路上的第一烟气流量调节阀来控制烟气流量，进而控制热媒水的温度。
当***处于热水供应工作模式时，冷水在冷水泵的驱动下进入所述热水储罐，与燃气透平排放的高温烟气换热吸收热量后温度升高，存储在罐内或在热水泵的驱动下流向热水用户，实现热水供应功能；
通过调节位于热水储罐烟气入口前的第三烟气流量调节阀及位于烟气旁通支路上的第一烟气流量调节阀来控制烟气流量，进而控制热水的温度。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明利用高炉煤气余压推动螺杆膨胀带动发电机输出电能，将做功后的低温高炉煤气的冷能回收利用，作为夏季工况下空调***的冷源，同时利用低温高炉煤气对燃气轮机进口空气进行冷却提高燃气轮机出力。
2.本发明利用高炉煤气燃烧产生的高温高压燃气推动燃气透平带动发电机输出电能，将燃气轮机排放的高温烟气的热量回收利用，作为冬季工况下采暖***及热水供应***的热源。
3.本发明通过对高炉煤气及其及其余压余能的回收及利用，提高了***的能源利用效率并节约了资源，具有巨大的经济效益及生态效益。
附图说明
图1为本发明利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***原理图。
其中，1为膨胀机，2为第一发电机，3为压气机，4为燃烧室，5为燃气透平，6为第二发电机，7为引风机，8为烟囱，9为空气冷却器，10为第一烟气流量调节阀，11为烟气旁通支路，12为冷媒储罐，13为高炉煤气 -冷媒换热器，14为冷媒循环泵，15为高温烟气-冷媒换热器，16为第二烟气流量调节阀，17为第三烟气流量调节阀，18为热水储罐，19为冷水泵， 20为第一冷媒流量调节阀，21为第二冷媒流量调节阀，22为第四烟气流量调节阀，23为蓄冰槽，24为冷媒-冷媒水换热器，25为冷媒水流量调节阀， 26为高温烟气-热媒水换热器，27为热媒水流量调节阀，28为空调/采暖***循环水泵，29为热水泵。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，包括膨胀机1、第一发电机2、压气机3、燃烧室4、燃气透平5、第二发电机6、空气冷却器9以及高炉煤气-冷媒换热器13，其中膨胀机1与第一发电机2同轴相连，燃气透平5与第二发电机6同轴相连，膨胀机1的高炉煤气出口通过管道依次与高炉煤气-冷媒换热器13、空气冷却器9、燃烧室 4的高炉煤气入口相连，燃烧室4的燃气出口与燃气透平5的入口相连；
燃气透平5的烟气出口管道分为三路，分别与高温烟气-冷媒换热器15、热水储罐18、高温烟气-热媒水换热器26的烟气入口相连，高温烟气-冷媒换热器15、热水储罐18、高温烟气-热媒水换热器26的烟气分别通过管道经引风机7由烟囱8排出；
高炉煤气-冷媒换热器13的冷媒出口通过管道与冷媒储罐12的入口相连，冷媒储罐12的出口管道分为三路，分别与蓄冰槽23、冷媒-冷媒水换热器24以及高温烟气-冷媒换热器15的冷媒入口相连，蓄冰槽23、冷媒- 冷媒水换热器24的冷媒出口分别通过管道与高温烟气-冷媒换热器15的冷媒入口相连；高温烟气-冷媒换热器15的冷媒出口通过管道依次与冷媒循环泵14、高炉煤气-冷媒换热器13的冷媒入口相连；所述蓄冰槽23、冷媒- 冷媒水换热器24及高温烟气-热媒水换热器26的水侧出口分别通过管道与空调/采暖***循环水泵28相连。
所述燃气透平5出口与引风机7之间设有烟气旁通支路11，烟气旁通支路11上设有第一烟气流量调节阀10。
所述高温烟气-冷媒换热器15、热水储罐18及高温烟气-热媒水换热器的烟气入口管道上分别设有第二烟气流量调节阀16、第三烟气流量调节阀 17及第四烟气流量调节阀22；蓄冰槽23及冷媒-冷媒水换热器24的冷媒入口管道上分别设有第一冷媒流量调节阀20及第二冷媒流量调节阀21；冷媒 -冷媒水换热器24冷媒水入口管道上设有冷媒水流量调节阀25；高温烟气- 热媒水换热器26热媒水入口管道上设有热媒水流量调节阀。
所述热水储罐18内具有换热装置，高温烟气在热水储罐18内部与冷水换热放出热量实现对冷水的加热；热水储罐18冷水入口管道上设有冷水泵19，热水出口管道上设有热水泵29。
所述膨胀机1采用螺杆膨胀机、蓄冰槽23采用盘管式外融冰蓄冰槽、冷媒采用乙二醇水溶液。
本发明一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***的工作方法，包括发电、制冷、采暖、热水供应四种模式：
1.发电模式当***处于发电模式下时，高炉煤气进入膨胀机1，利用余压推动膨胀机1带动第一发电机2输出电能，做功后的高炉煤气温度降低，之后依次进入高炉煤气-冷媒换热器13、气冷却器9，分别与冷媒及空气换热吸收热量后温度升高，之后进入燃烧室4；空气进入空气冷却器9，在空气冷却器9中与低温高炉煤气换热吸收冷量后温度降低，之后进入压气机3，在压气机3中被压缩后进入燃烧室4；在所述燃烧室4中，高炉煤气和低温空气混合燃烧产生高温高压燃气，高温高压燃气进入燃气透平5，在燃气透平5中膨胀做功推动燃气透平5带动第二发电机6输出电能；做功后的高温烟气依次流经第一烟气流量调节阀10、烟气旁通支路11后在引风机7的推动下经所述烟囱8排出，如此循环实现电力输出。
2.制冷模式
当***处于制冷模式时，冷媒在高炉煤气-冷媒换热器13中和低温高炉煤气换热吸收冷量后温度降低，经冷媒储罐12流向第一冷媒流量调节阀20；当蓄冰槽23需要蓄冰时，开启第一冷媒流量调节阀20使部分冷媒流入蓄冰槽23进行蓄冰，其余冷媒则流向第二冷媒流量调节阀21并在第二冷媒流量调节阀21处分流出部分冷媒流入冷媒-冷媒水换热器24，与来自空调***的冷媒水换热放出冷量实现对冷媒水的冷却；在蓄冰槽23及冷媒-冷媒水换热器24完成蓄冰、换热后的冷媒与未经蓄冰、换热的冷媒混合后流入高温烟气-冷媒换热器15，与高温烟气换热吸收热量后温度升高，在冷媒循环泵14的驱动下返回高炉煤气-冷媒换热器13，完成释冷过程；当高炉煤气供应正常时，来自外部空调水***的冷媒水进入冷媒-冷媒水换热器24，与低温冷媒换热吸收冷量后温度降低，在空调/采暖***循环水泵28的驱动下返回空调水***，实现制冷功能；当高炉煤气供应中断时，来自外部空调水***的冷媒水则进入蓄冰槽23，在蓄冰槽23内吸收冷量后温度降低，在空调/采暖***循环水泵28的驱动下返回空调水***，实现制冷功能。
3.采暖模式
当***处于采暖模式时，来外部自空调水***的热媒水流进入所述高温烟气-热媒水换热器26，与燃气透平5排放的高温烟气换热吸收热量后温度升高，在空调/采暖***循环水泵28的驱动下返回空调水***，实现采暖功能；通过调节位于所述高温烟气-热媒水换热器26烟气侧入口前的第四烟气流量调节阀22及位于烟气旁通支路11上的第一烟气流量调节阀10来控制烟气流量，进而控制热媒水的温度。
4.热水供应模式
当***处于热水供应模式时，冷水在冷水泵19的驱动下进入所述热水储罐18，与燃气透平5排放的高温烟气换热吸收热量后温度升高，存储在罐内或在热水泵29的驱动下流向热水用户，实现热水供应功能；通过调节位于热水储罐18烟气入口前的第三烟气流量调节阀17及位于烟气旁通支路11上的第一烟气流量调节阀10来控制烟气流量，进而控制热水的温度。
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，凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，其特征在于：包括膨胀机、第一发电机、压气机、燃烧室、燃气透平、第二发电机、空气冷却器以及高炉煤气-冷媒换热器，其中膨胀机与第一发电机同轴相连，燃气透平与第二发电机同轴相连，膨胀机的高炉煤气出口通过管道依次与高炉煤气-冷媒换热器、空气冷却器、燃烧室的高炉煤气入口相连，燃烧室的燃气出口与燃气透平的入口相连；
燃气透平的烟气出口管道分为三路，分别与高温烟气-冷媒换热器、热水储罐、高温烟气-热媒水换热器的烟气入口相连，高温烟气-冷媒换热器、热水储罐、高温烟气-热媒水换热器的烟气分别通过管道经引风机由烟囱排出；
高炉煤气-冷媒换热器的冷媒出口通过管道与冷媒储罐的入口相连，冷媒储罐的出口管道分为三路，分别与蓄冰槽、冷媒-冷媒水换热器以及高温烟气-冷媒换热器的冷媒入口相连，蓄冰槽、冷媒-冷媒水换热器的冷媒出口分别通过管道与高温烟气-冷媒换热器的冷媒入口相连；高温烟气-冷媒换热器的冷媒出口通过管道依次与冷媒循环泵、高炉煤气-冷媒换热器的冷媒入口相连；所述蓄冰槽、冷媒-冷媒水换热器及高温烟气-热媒水换热器的水侧出口分别通过管道与空调/采暖***循环水泵相连。
2.根据权利要求1所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，其特征在于：所述燃气透平出口与引风机之间设有烟气旁通支路，烟气旁通支路上设有第一烟气流量调节阀。
3.根据权利要求1所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，其特征在于：所述高温烟气-冷媒换热器、热水储罐及高温烟气-热媒水换热器的烟气入口管道上分别设有第二烟气流量调节阀、第三烟气流量调节阀及第四烟气流量调节阀；蓄冰槽及冷媒-冷媒水换热器的冷媒入口管道上分别设有第一冷媒流量调节阀及第二冷媒流量调节阀；冷媒-冷媒水换热器冷媒水入口管道上设有冷媒水流量调节阀；高温烟气-热媒水换热器热媒水入口管道上设有热媒水流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，其特征在于：所述热水储罐内具有换热装置，高温烟气在热水储罐内部与冷水换热放出热量实现对冷水的加热；热水储罐冷水入口管道上设有冷水泵，热水出口管道上设有热水泵。
5.根据权利要求1所述的一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，其特征在于：所述膨胀机采用螺杆膨胀机。
6.根据权利要求1所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***，其特征在于：所述蓄冰槽采用盘管式外融冰蓄冰槽。
7.一种利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***的工作方法，其特征在于包括发电、制冷、采暖以及热水供应四种模式，当***处于发电工作模式下时，高炉煤气进入膨胀机，利用余压推动膨胀机带动第一发电机输出电能，做功后的高炉煤气温度降低，之后依次进入高炉煤气-冷媒换热器、气冷却器，分别与冷媒及空气换热吸收热量后温度升高，之后进入燃烧室；
空气进入空气冷却器，在空气冷却器中与低温高炉煤气换热吸收冷量后温度降低，之后进入压气机，在压气机中被压缩后进入燃烧室；
在所述燃烧室中，高炉煤气和低温空气混合燃烧产生高温高压燃气，高温高压燃气进入燃气透平，在燃气透平中膨胀做功推动燃气透平带动第二发电机输出电能；
做功后的高温烟气依次流经第一烟气流量调节阀、烟气旁通支路后在引风机的推动下经所述烟囱排出，如此循环实现电力输出。
8.根据权利要求7所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***的工作方法，其特征在于：
当***处于制冷工作模式时，冷媒在高炉煤气-冷媒换热器中和低温高炉煤气换热吸收冷量后温度降低，经冷媒储罐流向第一冷媒流量调节阀；
当蓄冰槽需要蓄冰时，开启第一冷媒流量调节阀使部分冷媒流入蓄冰槽进行蓄冰，其余冷媒则流向第二冷媒流量调节阀并在第二冷媒流量调节阀处分流出部分冷媒流入冷媒-冷媒水换热器，与来自空调***的冷媒水换热放出冷量实现对冷媒水的冷却；
在蓄冰槽及冷媒-冷媒水换热器完成蓄冰、换热后的冷媒与未经蓄冰、换热的冷媒混合后流入高温烟气-冷媒换热器，与高温烟气换热吸收热量后温度升高，在冷媒循环泵的驱动下返回高炉煤气-冷媒换热器，完成释冷过程；
当高炉煤气供应正常时，来自外部空调水***的冷媒水进入冷媒-冷媒水换热器，与低温冷媒换热吸收冷量后温度降低，在空调/采暖***循环水泵的驱动下返回空调水***，实现制冷功能；
当高炉煤气供应中断时，来自外部空调水***的冷媒水则进入蓄冰槽，在蓄冰槽内吸收冷量后温度降低，在空调/采暖***循环水泵的驱动下返回空调水***，实现制冷功能。
9.根据权利要求7所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***的工作方法，其特征在于：
当***处于采暖工作模式时，来外部自空调水***的热媒水流进入所述高温烟气-热媒水换热器，与燃气透平排放的高温烟气换热吸收热量后温度升高，在空调/采暖***循环水泵的驱动下返回空调水***，实现采暖功能；
通过调节位于所述高温烟气-热媒水换热器烟气侧入口前的第四烟气流量调节阀及位于烟气旁通支路上的第一烟气流量调节阀来控制烟气流量，进而控制热媒水的温度。
10.根据权利要求7所述的利用高炉煤气的钢铁企业分布式能源***的工作方法，其特征在于：
当***处于热水供应工作模式时，冷水在冷水泵的驱动下进入所述热水储罐，与燃气透平排放的高温烟气换热吸收热量后温度升高，存储在罐内或在热水泵的驱动下流向热水用户，实现热水供应功能；
通过调节位于热水储罐烟气入口前的第三烟气流量调节阀及位于烟气旁通支路上的第一烟气流量调节阀来控制烟气流量，进而控制热水的温度。
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