CN102121405A - 轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统，加热炉内具有空气、煤气换热器与工质蒸发腔，工质蒸发腔内充满正戊烷，工质蒸发腔内架设工质管式蒸发器；工质蒸发腔的出汽端口通过管道连接汽轮发电机组的进汽端口，汽轮发电机组的出汽端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器的进汽端口，固定管板式热交换冷凝器的排液端口通过管道连接密封循环泵的进液端口，工质密封循环泵的排液端口通过管道连接蒸发腔的工质进液端口；冷却塔的出水端口通过管道连接水循环泵的进水端口，水循环泵的出水端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器的冷却水进水端口，固定管板式热交换冷凝器的冷却水出水端口通过管道接入冷却塔。本发明可以回收温度在300~100℃范围内的加热炉尾气余热。

Description

轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统

技术领域

本发明涉及一种热能回收系统，尤其是一种轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统。

背景技术

工业余热利用，是工业节能的重要方面，可以看作是工业二次能源的开发利用。从现代热物理学的观点来看，同样多的热量，在不同的温度下可供利用的价值不同。余热源的温度越低，余热的品位就愈低。工业烟气余热可根据它所具有的温度来分类，一般可分为三类：(1)高温烟气(>600℃)；(2)中温烟气(300~600℃)；(3)低温烟气(<300℃)。高、中温烟气的余热，现采用余热发电系统更符合能级匹配的原则。高、中温烟气余热发电技术在我国已经得到了广泛的应用，主要应用于建材行业的水泥炉窑、玻璃炉窑；冶金行业的高炉、炼钢转炉等上面。高、中温烟气余热发电在国内应用的技术比较成熟，目前国家大量鼓励和支持的方向是低温余热发电，因为电力、冶金、化工、建材、石化等高能耗行业存在大量低品位余热。

钢铁生产消耗大量的能源和载能工质，其能耗占我国国民经济总能耗的10％左右。目前，我国钢铁企业烟气余热利用中，高温烟气余热的回收利用情况较好，主要有：干熄焦余热回收、烧结矿显热余热回收、高炉煤气余压透平发电等。而中低温烟气余热的回收利用率较低，纯低温余热发电技术可以充分利用钢铁工业余热，目前也是国内重点发展的方向，钢铁工业纯低温烟气余热发电主要包括：钢铁烧结余热发电、炼钢电炉低温余热发电，这些常规温余热发电项目中采用水蒸汽为工质，由四大设备：锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵组成。工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩四个过程，使热能不断转化为机械能，进而带动发电机组发电。钢铁工业烟气余热利用发电项目如下：

1)、钢铁烧结余热发电。某钢厂300m²烧结带冷机烟气余热发电工程，是我国钢铁企业烧结系统第一次实施的低温废气余热发电的项目。我国第一个拥有独立自主知识产权、全部采用国产设备的钢铁烧结余热发电工程——某钢厂第三烧结厂“5MW低温余热电站”。其标定发电量为5340千瓦，超过设计额定发电功率5000千瓦6个百分点，年实际发电量4000万度，相比其它采用国外技术的烧结厂，可以多发35％的电能。年减排二氧化碳3.11万吨，相当于年节约标煤1.45万吨，年创造直接经济效益1800万元。目前国内大型钢铁企业都在采用或者已经采用了烧结带冷机烟气低温余热发电项项目；

2)、炼钢电炉低温余热发电。某钢厂电炉烟气余热利用项目，装机容量10000千瓦，年可发电5500万度，项目总投资8000万元。建成后可实现每年发电量6100万度，每年减排二氧化碳5.75万吨，相当于年节约标煤2.23万吨，每年创造直接经济效益3780万元；

3)、炼钢转炉烟气余热发电。某钢厂第一炼钢厂4座25t转炉烟气产生的32吨余热蒸汽，对炼钢烟气转炉烟气余热发电工程进行了设计，建设额定功率为3.5MW的余热电站，投资回收期为6.63年(不含建设期)。

三、现有产品的缺点：1、低温余热发电以水为工质难以回收温度在300~100℃范围内尾气余热的问题；2、一般用水作为工质的余热回收装置需要建造余热锅炉房，能源本能实的梯级利用，而且增加企业能耗；3、结构比较复杂，造价成本高，没有充分利用低品位余热。比如管道部件、阀门等，有可能则比较复杂；在电网中运行的机组，其调节机构比较复杂；4、用水为工质余热发电容易形成湿气的可能性以及当高速小水滴冲击汽轮机时产生腐蚀损坏的可能性；5、与正戊烷相比，水蒸汽密度小、比容大，这可以使汽轮机(特别是其末级叶片的高度)、排气管道及冷凝器中的管道的设计尺寸较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统。

按照本发明提供的技术方案，所述轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统，它包括加热炉、汽轮发电机组、水循环泵、工质密封循环泵、固定管板式热交换冷凝器与冷却塔；所述的加热炉内具有空气、煤气换热器与工质蒸发腔，工质蒸发腔内充满正戊烷，工质蒸发腔内架设有工质管式蒸发器，加热炉的排气端连接有排气筒，加热炉的排气端内部安装有增压风机；所述的工质蒸发腔的工质出汽端口通过管道连接汽轮发电机组的工质进汽端口，汽轮发电机组的工质出汽端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器的工质进汽端口，固定管板式热交换冷凝器的工质排液端口通过管道连接工质密封循环泵的工质进液端口，工质密封循环泵的工质排液端口通过管道连接工质蒸发腔的工质进液端口；所述冷却塔的出水端口通过管道连接水循环泵的进水端口，水循环泵的出水端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器的冷却水进水端口，固定管板式热交换冷凝器的冷却水出水端口通过管道接入冷却塔。

所述的工质管式蒸发器为螺旋肋片管式蒸发器。

本发明与水蒸汽朗肯循环相比较具有如下优点:

1)与水蒸汽相比，正戊烷密度大、比容小，这可以使汽轮机(特别是其末级叶片的高度)、排气管道及冷凝器中的管道的设计尺寸较小。

2)低沸点工质正戊烷具有良好的热力学性质，同时已把爆炸防护以及环境与工作地点的防护考虑在内。低的沸点及高的蒸汽压力使本发明比水蒸汽朗肯循环具有较高的热效率，对较低温度热源的利用有更高的效率。

3)与水蒸汽不同，正戊烷在膨胀做功过程中，从高压到低压始终保持干燥状态，这就消除了形湿气的可能性以及当高速小水滴冲击汽轮机时产生腐蚀损坏的可能性。所以，本发明能比水蒸汽汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动，不需要装过热器。

4)在缺水地区，优先使用空气冷却的冷凝器。本发明使用的空冷冷凝器要比水蒸气电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多，价格也低得多。

5)与水蒸汽相比，由于有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，50Hz时能产生高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。

6)有机工质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力下工作，使得有机工质的漏失现象大为降低。

7)有机工质凝固点很低(低于-73℃)，在较低温度下仍能释放能量。这样在寒冷天气可增加出力，冷凝器也不需要增加防冻设施。

8)正戊烷这种工质价格低廉，来源广，石油化工等行业本身就可以大量生产。并且它的性质比较稳定，已经大量用于其他行业。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示：该轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统，它包括加热炉2、汽轮发电机组7、水循环泵10、工质密封循环泵11、固定管板式热交换冷凝器12与冷却塔9；所述的加热炉2内具有空气、煤气换热器3与工质蒸发腔15，工质蒸发腔15内充满正戊烷，工质蒸发腔15内架设有工质管式蒸发器4，加热炉2的排气端连接有排气筒5，加热炉2的排气端内部安装有增压风机6；所述的工质蒸发腔15的工质出汽端口通过管道连接汽轮发电机组7的工质进汽端口，汽轮发电机组7的工质出汽端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器12的工质进汽端口，固定管板式热交换冷凝器12的工质排液端口通过管道连接工质密封循环泵11的工质进液端口，工质密封循环泵11的工质排液端口通过管道连接工质蒸发腔15的工质进液端口；所述冷却塔9的出水端口通过管道连接水循环泵10的进水端口，水循环泵10的出水端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器12的冷却水进水端口，固定管板式热交换冷凝器12的冷却水出水端口通过管道接入冷却塔9。

所述的工质管式蒸发器4为螺旋肋片管式蒸发器。

在进行中低温余热回收利用时，当余热温度在300~400℃时，已不宜以水为工质，特别是对250℃以下的低温余热的动力回收，实际已不可能以水为工质，这时需要考虑采用低沸点工质的动力循环。

本发明的原理是采用在比较低的温度下能成为高压气体的低沸点物质(或者混合物)，从废弃的余热中产生动力，可回收不同温度范围的低温余热。现利用低温有机工质（正戊烷）作为循环的工质时，主要设备有：工质管式蒸发器4、汽轮发电机组7、固定管板式热交换冷凝器12和工质密封循环泵11等。对于低等的焓热，本发明与常规的水蒸汽朗肯循环相比有很多优点，主要体现在回收显热方面有较高的效率，由于循环中显熟／潜热不相等，而ORC技术中此比例大。因此采用ORC技术可回收较多的热量。我公司选用低沸点工质为正戊烷在标准大气压下，这种工质的沸点为36.05℃，临界温度为469.77K，临界压力为3.389MPa，临界密度为0.2426g/m3。水蒸气和正戊烷的压力、密度比较见表1。

表 1

温度/℃	水蒸气压力/kPa	水蒸气密度/kg/ m3	正戊烷压力/kPa	正戊烷密度/kg/ m3
					50	12	0.08	160	4.57
100	101	0.60	589	16.49
					150	476	2.55	1600	47.77

本发明包括：加热炉出炉辊道1、加热炉2、空气、煤气换热器3、工质管式蒸发器4、排气筒5、增压风机6、汽轮发电机组7、并网设备8、冷却塔9、水循环泵10、工质密封循环泵11、固定管板式热交换冷凝器12、称重测长设备13、加热炉入炉辊道14与工质蒸发腔15。

加热炉2具有加热炉出炉辊道1，加热炉出炉辊道1将钢坯燃烧后输送到下个后续工序中去，是加热炉2的自带设备；

加热炉2：通过高、焦炉混合煤气将上部预热段、加热段、均热段全部采用纵向烧嘴燃烧，用来加热钢坯为目的；

空气、煤气换热器3：是加热炉2自身带换热设备，用于预热助燃空气和煤气，以提高空气、煤气的温度，增加物理热，提高理论燃烧温度的设备、最大限度回收废气余热，以提高燃烧热效率；

工质管式蒸发器4选用螺旋肋片管式蒸发器，螺旋肋片管式蒸发器的扩展表面肋化是一种重要的强化传热方式，扩展表面肋化有两大好处：一是用于强化传热、缩小设备面积，达到既节省材料又节约能源的目的；二是利用它们调节壁面温度，改善设备工作环境温度，保证设备的安全可靠运行。肋片主要被用来提高换热面积，因此来提高整体的换热效率。螺旋肋片管是扩展表面的一种，扩展受热面对流传热有许多优点，但是就单位面积来说，在相同条件下，扩展表面所传递的热量少于光管表面所传递的热量，这是因为扩展表面与光管表面相比较，将热量从放热介质传热到受热介质要经过较长距离的传导，致使扩展表面与其所接触的工作介质的温压小于光管表面与其所接触工作介质温差的缘故。螺旋肋片管由于大幅度扩展了受热面，使传热强化，所以在占据与光管相同空间时，可采用较低的烟气流速，而使受热面的磨损减轻。在螺旋肋片管式蒸发器中，低沸点有机工质正戊烷在管内流动吸热，余热源低温烟气在管外横向冲刷放热。螺旋肋片的肋片平面与垂直于管轴的平面之间成一定夹角。角的数值一般不大，主要与肋片节距的数值有关。

排气筒5（即烟囱）：排气筒5的排放高度与气体的排放速率和排放浓度有关，排气筒的设置又与地方的气象因素、地形条件和建筑环境等有关，要符合国家排放标准；

增压风机6：保证管路的抽气效果，使热烟尘顺利通过空气、煤气换热器3与工质管式蒸发器4并减少灰尘沉积，使整个加热系统效果更好，采用变频调速便于系统节约电能；

汽轮发电机组7：汽轮发电机组7是余热发电系统中最重要的部分之一。汽轮发电机组7选用，这汽轮机与常规汽轮机却有很大的不同。对于低沸点工质汽轮机的设计要达到两个目标：一、尽可能多的利用余热，即最终排出的温度要尽可能低；二、在相同的余热量条件下发电功率尽可能最大。这种汽轮机发电机组是完全封闭的，包含一台驱动透平，一台感应式发电机。ORC循环工质采用有机介质正戊烷，同时作为发电机和轴承的润滑与冷却介质。ORC系统的全部旋转部件(冷热泵除外)都安装在一根轴上，并在一个壳体内，汽轮机为向心式透平，发电机为感应式；所有轴承均由有机介质来润滑，发电机也由有机介质来机冷却，转速为（3500~3640）r／min。整个机组垂直布置，汽轮机位于底部，轴承位于顶部，发电机在中间，位于两个径向轴承之间。这种垂直布置的特点是发电机可利用泵和上轴承逸出的有机介质液体自由落下润滑、冷却；发电机和轴承的润滑液也可方便的排到位于下面的冷凝器中，在启动和停机时，径向轴承负荷极小，从而减少磨擦损失。这种汽轮发电机组的功率范围为0.75~2.1MW其额定功率取决于热源温度和总热量，从而决定汽轮机的进汽温度、压力和流量。汽轮机叶轮直径和通流部分高度也根据进汽温度和流量而定，汽轮机机壳对形尺寸不变，根据功率大小而改变叶轮和发电机的尺寸。

并网设备8：所谓并网运行是指发电机组在正常运行状态下，与外部常规配电网在主回路上存在电气连接，连接点一般称为“公共连接点”（简称PCC）。电气连接包括电缆直接连接、经过变压器连接、经过逆变器连接等方式。并网运行按照电能功率交换方式可分为普通并网和并网不上网两种。前者发电机组可以向外部电网输送多余电能功率，而后者则严格禁止发电机组的电能功率外送，即PCC处功率流向只能是从外部电网流向电力用户，因此，钢铁行业余热利用发电系统的“并网不上网”的含义是指钢铁行业余热利用发电系统虽然与外部常规供配电网并网但其所发电量由钢铁行业工厂全部自用，即所发电能并不传输到外部电网使用，纯粹技术上的并网连接点也都在钢铁行业企业的内部供配电网线路上通过电缆直接连接。通俗一点讲，并网也可理解为技术方面，一般指的是“设备”，是发电机及发电设备与电力系统间存在物理连接。上网则是市场交易方面，一般指的是“电”，是电能，电量要通过电力系统向用户传送及销售；

冷却塔9：将挟带废热的正戊烷在塔内与水进行热交换，使废热传输给空气并散发入大气；

水循环泵10：将冷却水强制输送到固定管板式热交换冷凝器12进行对流换热，然后热水流回到冷却塔9中进行冷却，如此循序，要将冷却水循环起来所用的泵就叫循环泵，是冷凝器工作动力源；

工质密封循环泵11：这种工质密封循环泵11将固定管板式热交换冷凝器12冷凝后的正戊烷打入蒸发器中，使整个工质循环动起来；通过正戊烷化学、物理性质来设计密封效果的循环泵，流量中等大小，在稳定工作条件下，泵的流量变化比较小。

固定管板式热交换冷凝器12：由于冷却的介质不是水，而是低沸点工质正戊烷，由于正戊烷所具有的易燃特性，为了确保安全生产和操作，所以系统对各个部件和管道的密封性要求很高，高、中温余热发电中以水为介质冷凝器采用到了板翅式换热器，板翅式换热器与管壳式换热器相比，结构较为紧凑、单位体积传热面积较大。但同时板翅式换热器具有的缺点是：因流道狭小，容易引起堵塞而增大阻力降，当换热器结垢以后，清洗十分困难，而且由于换热器的隔板和翅片都是很薄的铝板(箔)作成，故要求介质对铝不产生腐蚀，若一旦腐蚀而造成内部串漏，则很难修补。本系统确定用固定管板式换热器作为冷凝器，同其它管壳式换热器相比，管板式最薄，不仅造价低，重量轻，旁路渗流较小，而且每根管子内侧都能进行清洗。 在该冷凝器中，低沸点工质正戊烷走壳程，循环冷却水走管程，通过这样方法将温度降低规定值；

称重、侧长设备13：是加热炉2的自带的设备，主要用来测量钢坯的重量和长度；

加热炉入炉辊道14：将钢坯输送到加热炉中进行加热，是加热炉2的自带设备。

本发明的工作过程如下：

一方面：废气热在增压风机6负压作用下先流入工质管式蒸发器4，进行换热对流，然后吸入增压风机6到排气筒5，并排入大气中。另一方面：在工质管式蒸发器4通过换热对流将热能传给密闭循环的有机工质（正戊烷），有机工质被加热后达沸点并汽化，汽化了的有机工质进入汽轮发电机组7，通过管道和喷射阀进入透平膨胀做功，高速旋转的透平通过联轴器带动发电机发电。做功后的乏气从透平出口流出，进入固定管板式热交换冷凝器12内将其冷却成液体，再由工质密封循环泵11压缩到工质蒸发腔15内进行第二轮汽化和循环，如此反复。而发出的电能通过并网设备8将电量传送给用户及销售。

本发明的工作过程有四个过程组成：低沸工质被尾气余热汽化，加热为过热气体，可视为等压吸热过程；过热工质气体在汽轮机中通过喷嘴推动叶片转动，在汽轮机中膨胀做功，可视为绝热膨胀过程；由汽轮机排出的低压乏气进入固定管板式热交换冷凝器12被循环水冷却，可视为等压放热；工质气体被冷却为液态进入储液罐，通过工质密封循环泵11升压并送至加热炉2的工质蒸发腔15内，可视为绝热压缩过程。

Claims (2)

1.一种轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统，其特征是：它包括加热炉（2）、汽轮发电机组（7）、水循环泵（10）、工质密封循环泵（11）、固定管板式热交换冷凝器（12）与冷却塔（9）；所述的加热炉（2）内具有空气、煤气换热器（3）与工质蒸发腔（15），工质蒸发腔（15）内充满正戊烷，工质蒸发腔（15）内架设有工质管式蒸发器（4），加热炉（2）的排气端连接有排气筒（5），加热炉（2）的排气端内部安装有增压风机（6）；所述的工质蒸发腔（15）的工质出汽端口通过管道连接汽轮发电机组（7）的工质进汽端口，汽轮发电机组（7）的工质出汽端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器（12）的工质进汽端口，固定管板式热交换冷凝器（12）的工质排液端口通过管道连接工质密封循环泵（11）的工质进液端口，工质密封循环泵（11）的工质排液端口通过管道连接工质蒸发腔（15）的工质进液端口；所述冷却塔（9）的出水端口通过管道连接水循环泵（10）的进水端口，水循环泵（10）的出水端口通过管道连接固定管板式热交换冷凝器（12）的冷却水进水端口，固定管板式热交换冷凝器（12）的冷却水出水端口通过管道接入冷却塔（9）。

2.如权利要求1所述的轧钢板车间加热炉低品位烟气有机郎肯循环余热发电系统，其特征是：所述的工质管式蒸发器（4）为螺旋肋片管式蒸发器。