專利名稱：鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及冶金和鋼鐵等企業(yè)余熱余能回收利用領(lǐng)域，特別涉及一種鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電方法。
背景技術(shù)：
我國鋼鐵工業(yè)的能源消耗占全國總能耗的10% 15%，其中煉鐵工序(燒結(jié)、高爐)對鋼鐵企業(yè)的整體能耗和粉塵、S02、C02等污染物的排放影響很大，約占50%以上。煉鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的二次能源和余熱余能。煉鐵產(chǎn)生的煤氣，相當(dāng)于總能耗的20% 25%，煉焦、燒結(jié)與高爐產(chǎn)生的余熱余能相當(dāng)于總能耗的12% 15%。若能將煤氣有效利用，余熱余能充分回收，則利用和回收的能量可達(dá)總能耗的1/3。鋼鐵企業(yè)伴生能源種類繁多，包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、燒結(jié)煙氣、冷卻機(jī)熱廢氣及高爐渣顯熱等。高爐煤氣(blast furnace gas, BFG)是煉鐵過程產(chǎn)生的伴生氣，因其受熱值低、含塵含水量大、壓力波動(dòng)大等因素的影響，在鋼鐵企業(yè)中難以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。而隨著全燒高爐煤氣鍋爐發(fā)電、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電和高溫蓄熱燃燒等技術(shù)的出現(xiàn)，為高爐煤氣的有效利用提供了良好的途徑。焦?fàn)t煤氣(coke oven gas,COG)是在煉焦過程中產(chǎn)出焦炭和焦油的同時(shí)所得到的可燃?xì)怏w，是煉焦過程的副產(chǎn)品，因其熱值較高，故可用作燃料、制備化工原料(如制取氫氣、甲醇等)、直接還原鐵等。燒結(jié)機(jī)主煙道氣和冷卻機(jī)熱廢氣是燒結(jié)工序中產(chǎn)生的伴生余熱，其基本特點(diǎn)為熱源品質(zhì)整體較低，熱廢氣溫度波動(dòng)大， 熱源的連續(xù)性難以保證。早在20世紀(jì)80年中期，日本燒結(jié)廠的余熱回收技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。2005年，馬鋼第二煉鐵總廠在兩臺300m2燒結(jié)機(jī)上建成了國內(nèi)第一套余熱發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。2007年，濟(jì)鋼第二燒結(jié)廠320m2燒結(jié)機(jī)余熱發(fā)電工程運(yùn)行投產(chǎn)。高爐渣顯熱屬高品質(zhì)余熱，其出爐溫度在1400 1550°C之間，每噸渣含(1260 1880) X 103kJ的顯熱， 相當(dāng)于60kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值。爐渣熱能回收方法可概括為兩大類介質(zhì)換熱法和化學(xué)反應(yīng)法。前者是利用高爐渣與介質(zhì)接觸或輻射進(jìn)行熱交換，然后利用高溫介質(zhì)能量發(fā)電或它用， 其主要有日本的內(nèi)冷轉(zhuǎn)鼓法、轉(zhuǎn)輪?；?、風(fēng)淬法及英國的離心轉(zhuǎn)盤法等；后者是利用高爐渣顯熱能量促使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，以回收利用高爐渣余熱。我國高爐渣余熱回收利用僅限于沖渣水余熱供暖，且受時(shí)間和地域限制，在夏季和無取暖設(shè)施的南方地區(qū)，其推廣應(yīng)用難以展開。由(X)2等溫室氣體弓I發(fā)的全球氣候變化已成為國際社會關(guān)注的焦點(diǎn)，其中(X)2減排應(yīng)成為鋼鐵企業(yè)必須關(guān)注和解決的重大環(huán)境問題。從全球來看，工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2占全球排放量的20%以上，而鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)生的(X)2占工業(yè)總排放的15% 20%。近年來，(X)2 捕捉和存儲(carbon dioxide capture and storage, CCS)技術(shù)在電力行業(yè)已受到廣泛關(guān)注，而其在鋼鐵行業(yè)所受的關(guān)注程度也正在提升。目前，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的主要手段包括調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率及能源系統(tǒng)分離并回收C02。而當(dāng)前，CO2分離的焦點(diǎn)集中在“零排放”上，忽視了其帶來的巨大能耗及對經(jīng)濟(jì)和政策的影響。以大型燃煤電廠為例， 600MW、1000MW等級的機(jī)組，利用超超臨界蒸汽參數(shù)，其效率為43 % 45 %，若采用尾部煙氣脫除CO2，效率將下降11個(gè)百分點(diǎn)。因此，CO2減排的革新技術(shù)應(yīng)當(dāng)是建立在系統(tǒng)創(chuàng)新基礎(chǔ)上的低能耗甚至是“零能耗”的分離co2。以“零能耗”的思路取代“零排放”是CO2減排的主要途徑?；瘜W(xué)鏈燃燒的能源環(huán)境系統(tǒng)是能源科學(xué)與環(huán)境科學(xué)交叉的新興領(lǐng)域，它具有零能耗分離(X)2和提高系統(tǒng)效率的特點(diǎn)，被認(rèn)為是同時(shí)解決能源利用與環(huán)境協(xié)調(diào)問題的重要突破口。剖析鋼鐵企業(yè)伴生能源回收利用現(xiàn)狀后，不難發(fā)現(xiàn)雖然鋼鐵企業(yè)伴生能源均不同程度地被回收利用，但是禁錮于傳統(tǒng)回收技術(shù)與方法，各項(xiàng)伴生能源因分散回收利用，其效果不顯著，且未從鋼鐵企業(yè)整體角度考慮，需要考慮如何將不同種類不同品位的鋼鐵企業(yè)伴生能源高效、綜合、梯級利用，從而擺脫傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)余熱余能回收方法的束縛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其不僅可以緩解當(dāng)前鋼鐵企業(yè)(X)2減排的壓力，而且可使鋼鐵企業(yè)余熱余能發(fā)揮出最大潛能，能夠充分利用鋼鐵企業(yè)余熱余能。本發(fā)明還提供了一種基于化學(xué)鏈燃燒的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，該方法易于控制，便于應(yīng)用。一種鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料氣制備子系統(tǒng)、化學(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)和熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)；所述的燃料氣制備子系統(tǒng)包括用于處理高爐煤氣和/或焦?fàn)t煤氣的燃料氣處理裝置及燃料氣混合器；所述的燃料氣處理裝置包括依次通過管道連接的壓縮設(shè)備、凈化設(shè)備、變壓吸附設(shè)備和負(fù)變壓吸附設(shè)備；其中，所述的變壓吸附設(shè)備設(shè)有用于導(dǎo)出變壓吸附設(shè)備分離出的氣體的第一出口以及用于導(dǎo)出變壓吸附設(shè)備中剩余氣體的第二出口，第一出口與燃料氣混合器的入口連通，第二出口與負(fù)變壓吸附設(shè)備的入口連通，負(fù)變壓吸附設(shè)備的出口與燃料氣混合器的入口連通；所述的化學(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)包括燃料反應(yīng)器、空氣壓縮機(jī)、空氣反應(yīng)器、載氧體給料通道、載氧體返料通道和載氧體循環(huán)密封裝置；其中，載氧體給料通道一端與空氣反應(yīng)器連通，另一端與燃料反應(yīng)器連通；載氧體循環(huán)密封裝置一端通過載氧體返料通道與燃料反應(yīng)器連通，另一端通過載氧體返料通道與空氣反應(yīng)器連通；所述的熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括第一熱氣體透平、第二熱氣體透平、 蒸汽透平、余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)；其中，所述的余熱鍋爐中設(shè)有用絕熱隔板隔開的第一換熱空間和第二換熱空間；所述的燃料反應(yīng)器的入口與燃料氣混合器的出口連通，燃料反應(yīng)器的出口與第二熱氣體透平連通，第二熱氣體透平的出口與第二換熱空間的入口連通；空氣反應(yīng)器的入口與空氣壓縮機(jī)的出口連通，空氣反應(yīng)器的出口與第一熱氣體透平連通，第一熱氣體透平的出口與第一換熱空間的入口連通；第一換熱空間的蒸汽出口和第二換熱空間的蒸汽出口均與蒸汽透平的入口連通，蒸汽透平的出口連接凝汽器；所述的空氣壓縮機(jī)與第一熱氣體透平、第二熱氣體透平、蒸汽透平及發(fā)電機(jī)分別通過第一聯(lián)軸器、第二聯(lián)軸器、第三聯(lián)軸器及第四聯(lián)軸器依次連接。所述的燃料氣處理裝置可根據(jù)實(shí)際需要如待處理的燃料氣的來源以及處理量設(shè)置一套或多套，可包括一套或多套用于處理高爐煤氣的燃料氣處理裝置，以及一套或多套用于處理焦?fàn)t煤氣的燃料氣處理裝置。所述的空氣壓縮機(jī)、第一熱氣體透平、第二熱氣體透平、蒸汽透平及發(fā)電機(jī)優(yōu)選同軸布置，以簡化設(shè)備構(gòu)成，節(jié)省投資，同時(shí)避免能量反復(fù)轉(zhuǎn)換，提高機(jī)組熱效率。所述的載氧體循環(huán)密封裝置采用隊(duì)密封，以防止燃料反應(yīng)器中生成的CO2和水蒸汽的混合氣與空氣反應(yīng)器中的空氣摻混。所述的空氣反應(yīng)器設(shè)有用于引入高爐渣顯熱的入口，以進(jìn)一步利用高爐渣顯熱， 促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。所述的燃料反應(yīng)器設(shè)有用于引入高爐渣顯熱的入口，以進(jìn)一步利用高爐渣顯熱， 促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。為了進(jìn)一步循環(huán)利用能源，優(yōu)選所述的余熱鍋爐的第二換熱空間連有用于回收余熱鍋爐第二換熱空間排出的CO2 的(X)2回收裝置；所述的(X)2回收裝置包括冷凝器、CO2壓縮機(jī)和(X)2儲氣罐；冷凝器的入口與余熱鍋爐的第二換熱空間的出口通過管道相連，冷凝器底部出口用于排出液態(tài)水，冷凝器頂部出口與(X)2壓縮機(jī)的入口連接，CO2壓縮機(jī)的出口與(X)2儲氣罐相連。所述的熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括用于將所述的蒸汽透平中做功后的蒸汽回收循環(huán)至余熱鍋爐的蒸汽透平水循環(huán)裝置；所述的蒸汽透平水循環(huán)裝置包括凝汽器、凝結(jié)水泵、除氧器和給水泵，凝汽器的入口與蒸汽透平的出口相連，凝汽器的出口與凝結(jié)水泵的入口相連，凝結(jié)水泵的出口與除氧器的入口相連，除氧器的出口與給水泵的入口相連，給水泵的出口與余熱鍋爐的第一換熱空間和第二換熱空間的進(jìn)水口相連，使蒸汽透平中做功后的蒸汽再次進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，還可以包括燒結(jié)煙氣處理子系統(tǒng)；所述的燒結(jié)煙氣處理子系統(tǒng)包括燒結(jié)機(jī)、除塵裝置、引風(fēng)機(jī)、破碎機(jī)、帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)和冷卻熱廢氣集氣罩；其中，除塵裝置的入口與燒結(jié)機(jī)相連，除塵裝置的出口與引風(fēng)機(jī)的入口連接，引風(fēng)機(jī)的出口通過管道引至燒結(jié)機(jī)的礦料入口，破碎機(jī)布置在燒結(jié)機(jī)的尾部， 破碎機(jī)的尾部布置有帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)，冷卻機(jī)的上方布置有冷卻熱廢氣(熱空氣)集氣罩， 冷卻熱廢氣集氣罩通過管道與余熱鍋爐的第一換熱空間相連。利用所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，包括以下步驟(1)將高爐煤氣和/或焦?fàn)t煤氣依次通過壓縮設(shè)備、凈化設(shè)備和變壓吸附設(shè)備處理后分離出吐或者吐和CH4,分離出的吐或者吐和CH4直接通入燃料氣混合器，剩余氣體通過負(fù)變壓吸附設(shè)備分離得到C0，得到的CO通入到燃料氣混合器，得到由吐和CO組成或者由H2、CH4和CO組成的燃料氣；(2)將載氧體和來自燃料氣混合器的燃料氣在燃料反應(yīng)器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到載氧體還原后的還原產(chǎn)物，并生成CO2和水蒸氣；還原產(chǎn)物在自身重力作用下通過載氧體返料通道及載氧體循環(huán)密封裝置進(jìn)入空氣反應(yīng)器；凈化后的空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入空氣反應(yīng)器，與還原產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到再生的載氧體；空氣反應(yīng)器中再生的載氧體隨氣流通過載氧體給料通道再次進(jìn)入燃料反應(yīng)器，與燃料氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如此往復(fù)；(3)由空氣反應(yīng)器排出的氣體，包括N2和未反應(yīng)的02，進(jìn)入第一熱氣體透平膨脹做功后，將空氣反應(yīng)器側(cè)循環(huán)中的熱氣體(即經(jīng)過第一熱氣體透平膨脹做功后的氣體)排入余熱鍋爐的第一換熱空間；由燃料反應(yīng)器排出的ω2和水蒸氣的混合氣，進(jìn)入第二熱氣體透平膨脹做功后，將燃料反應(yīng)器側(cè)循環(huán)中的熱氣體(即經(jīng)過第二熱氣體透平膨脹做功后的混合氣)排入余熱鍋爐的第二換熱空間，第一熱氣體透平和第二熱氣體透平膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；(4)給水在余熱鍋爐的第一換熱空間和第二換熱空間中，與第一換熱空間和第二換熱空間中的熱氣體換熱后，產(chǎn)生兩股不同溫度及壓力的蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。所述的載氧體為金屬氧化物；所述的金屬氧化物優(yōu)選為!^e2O3顆粒，其粒徑優(yōu)選為 1. Omm 2. 0mm。所述的發(fā)電方法還包括以下步驟所述的第二換熱空間中放熱后的氣體，進(jìn)入冷凝器冷卻；冷凝器底部出口排出液態(tài)水，頂部出口排出CO2,排出的(X)2經(jīng)(X)2壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入(X)2儲氣罐封存；來自燒結(jié)機(jī)的燒結(jié)煙氣，經(jīng)除塵裝置除塵后，在引風(fēng)機(jī)的抽吸作用下，送入燒結(jié)機(jī)的礦料入口，預(yù)熱礦料；預(yù)熱后的熱燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)的尾部落下，經(jīng)破碎機(jī)破碎后，再到冷卻機(jī)上進(jìn)行冷卻；冷卻后產(chǎn)生的熱廢氣(熱空氣)經(jīng)熱廢氣集氣罩收集后引入余熱鍋爐的第一換熱空間，在第一換熱空間中放熱后的氣體，經(jīng)煙 排入大氣；進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功后的蒸汽由蒸汽透平排出后，進(jìn)入凝汽器冷凝；從凝汽器出來的凝結(jié)水，在凝結(jié)水泵的抽吸作用下，進(jìn)入除氧器；經(jīng)除氧后的給水，在給水泵的輸送下，分別進(jìn)入處在余熱鍋爐不同換熱空間中的蒸發(fā)器；給水與換熱空間中的熱煙氣換熱后， 生成兩股不同溫度及壓力的蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，循環(huán)使用。所述的發(fā)電方法中還引入鋼鐵企業(yè)伴生能源中的高爐渣顯熱，對空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器中的反應(yīng)進(jìn)行加熱。所述的空氣反應(yīng)器內(nèi)溫度一般為900°C 1100°C，其出口氣體壓力一般為 0. 85MPa 0.95MPa；所述的燃料反應(yīng)器內(nèi)溫度一般為800°C 1000°C，其出口氣體壓力一般為 0.7MPa 0.8MPa。本發(fā)明所用的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、高爐渣顯熱和燒結(jié)余熱為鋼鐵企業(yè)的伴生能源。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下顯著進(jìn)步和積極效果1)伴生煤氣提純富化，實(shí)現(xiàn)低能耗制備燃料氣焦?fàn)t煤氣中含H2、CH4及C0，可利用變壓吸附法提?。桓郀t煤氣中含H2及C0，亦可提取。提取出的由吐和CO組成或者由H2、CH4和CO組成的燃料氣可作為化學(xué)鏈燃燒系統(tǒng)中燃料反應(yīng)器的供應(yīng)氣。因?yàn)樽儔何椒ㄖ苽淙剂蠚膺^程僅發(fā)生物理變化，所以過程中能量損失較傳統(tǒng)煤基合成氣法和天然氣基合成氣法要少。2)伴生煤氣化學(xué)鏈燃燒，實(shí)現(xiàn)低能耗分離(X)2引入化學(xué)鏈燃燒技術(shù)，載氧體(如!^e2O3顆粒)將空氣中的氧傳遞到燃料(由高爐煤氣和/或焦?fàn)t煤氣提取出的由H2和CO組成或者由H2、CH4和CO組成的混合氣)中，實(shí)現(xiàn)了燃料與空氣間接接觸的無火焰燃燒，使得燃料反應(yīng)器中生成的(X)2和水蒸氣混合物不含空氣中的N2，故而，無需較大的財(cái)務(wù)開銷和能量損耗，通過冷凝和壓縮處理后，易將燃料反應(yīng)器排氣中的(X)2和水蒸氣分離。


圖1為本發(fā)明鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)流程圖；圖中l(wèi)a、Ib為壓縮設(shè)備，2a、2b為凈化設(shè)備，3a,3b為變壓吸附設(shè)備，4a、4b為負(fù)變壓吸附設(shè)備，5為燃料氣混合器，6為燃料反應(yīng)器，7為空氣壓縮機(jī)，8為空氣反應(yīng)器，9a、9b為熱氣體透平，10為余熱鍋爐，11為燒結(jié)機(jī)，12為除塵裝置，13為引風(fēng)機(jī)，14為破碎機(jī)，15為帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)，16為冷卻熱廢氣集氣罩，17為蒸汽透平，18為發(fā)電機(jī)，19為凝汽器，20為凝結(jié)水泵，21為除氧器，22為給水泵，23為冷凝器，24為(X)2壓縮機(jī)，25為(X)2儲氣罐，26為絕熱隔板，27a、27b、27c、27d為聯(lián)軸器，28為載氧體循環(huán)密封裝置，29為載氧體給料通道， 30為載氧體返料通道。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明基于化學(xué)鏈燃燒的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料氣制備子系統(tǒng)、化學(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)、燒結(jié)煙氣處理子系統(tǒng)和熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)。燃料氣制備子系統(tǒng)包括用于處理高爐煤氣的燃料氣處理裝置、用于處理焦?fàn)t煤氣的燃料氣處理裝置及燃料氣混合器5。用于處理高爐煤氣的燃料氣處理裝置包括依次連接的高爐煤氣的壓縮設(shè)備la、高爐煤氣的凈化設(shè)備加、高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a和高爐煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備如；具體連接方式為高爐煤氣的壓縮設(shè)備Ia的出口通過管道與高爐煤氣的凈化設(shè)備加的入口連通，高爐煤氣的凈化設(shè)備加的出口通過管道與高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a的入口連通；高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a設(shè)有用于導(dǎo)出高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a分離出的氣體的第一出口以及用于導(dǎo)出高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a中剩余氣體的第二出口，第一出口通過管道與燃料氣混合器5的入口連通，第二出口通過管道與高爐煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備如的入口連通，高爐煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備如的出口通過管道與燃料氣混合器5的入口連通。用于處理焦?fàn)t煤氣的燃料氣處理裝置包括依次連接的焦?fàn)t煤氣的壓縮設(shè)備lb、焦?fàn)t煤氣的凈化設(shè)備2b、焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北和焦?fàn)t煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備4b ；具體連接方式為焦?fàn)t煤氣的壓縮設(shè)備Ib的出口通過管道與焦?fàn)t煤氣的凈化設(shè)備2b的入口連通，焦?fàn)t煤氣的凈化設(shè)備2b的出口通過管道與焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北的入口連通，焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北設(shè)有用于導(dǎo)出焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北分離出的氣體的第一出口以及用于導(dǎo)出焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北中剩余氣體的第二出口，第一出口和第二出口通過管道與燃料氣混合器5的入口連通，第二出口通過管道與焦?fàn)t煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備4b的入口連通，負(fù)變壓吸附設(shè)備4b的出口通過管道與燃料氣混合器5的入口連通?；瘜W(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)包括燃料反應(yīng)器6、空氣壓縮機(jī)7、空氣反應(yīng)器8和載氧體循環(huán)密封裝置觀、載氧體給料通道四及載氧體返料通道30。熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括第一熱氣體透平9a、第二熱氣體透平％、蒸汽透平17、余熱鍋爐10、用于將蒸汽透平17中做功后的蒸汽回收循環(huán)至余熱鍋爐10的蒸汽透平水循環(huán)裝置及發(fā)電機(jī)18 ；其中，余熱鍋爐10中設(shè)有用絕熱隔板沈隔開的第一換熱空間和第二換熱空間，余熱鍋爐10的第二換熱空間連有用于回收余熱鍋爐10第二換熱空間排出的(X)2的二氧化碳回收裝置；燃料反應(yīng)器6的入口與燃料氣混合器5的出口連通，燃料反應(yīng)器6的出口與第二熱氣體透平9b連通，第二熱氣體透平9b的出口與第二換熱空間的入口連通；空氣反應(yīng)器8 的入口與空氣壓縮機(jī)7出口連通，空氣反應(yīng)器8的出口與第一熱氣體透平9a連通，第一熱氣體透平9a的出口與第一換熱空間的入口連通；第一換熱空間的蒸汽出口和第二換熱空間的蒸汽出口均與蒸汽透平17的入口連通，蒸汽透平17的出口連接凝汽器19 ；燃料反應(yīng)器6與空氣反應(yīng)器8間設(shè)有載氧體給料通道四，載氧體循環(huán)密封裝置觀一端通過載氧體返料通道30與燃料反應(yīng)器6連通，另一端通過載氧體返料通道30與空氣反應(yīng)器8連通?？諝夥磻?yīng)器8和燃料反應(yīng)器6均設(shè)有用于引入高爐渣顯熱的入口。載氧體循環(huán)密封裝置觀采用隊(duì)密封。二氧化碳回收裝置包括冷凝器23、二氧化碳壓縮機(jī)對和二氧化碳儲氣罐25 ；冷凝器23的入口與余熱鍋爐10的第二換熱空間的出口通過管道相連，冷凝器23底部出口用于排出液態(tài)水，冷凝器23頂部出口與(X)2壓縮機(jī)M的入口連接，CO2壓縮機(jī)M的出口與CO2 儲氣罐25相連。蒸汽透平水循環(huán)裝置包括凝汽器19、凝結(jié)水泵20、除氧器21和給水泵22，凝汽器 19的入口與蒸汽透平17的出口相連，凝汽器19的出口與凝結(jié)水泵20的入口相連，凝結(jié)水泵20的出口與除氧器21的入口相連，除氧器21的出口與給水泵22的入口相連，給水泵22 的出口與余熱鍋爐10的第一換熱空間和第二換熱空間的進(jìn)水口相連，使蒸汽透平17中做功后的蒸汽再進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。燒結(jié)煙氣處理子系統(tǒng)包括燒結(jié)機(jī)11、除塵裝置12、引風(fēng)機(jī)13、破碎機(jī)14、帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)15和冷卻熱廢氣集氣罩16 ；其中，除塵裝置12的入口與燒結(jié)機(jī)11相連，除塵裝置 12的出口與引風(fēng)機(jī)13的入口連接，引風(fēng)機(jī)13的出口通過管道引至燒結(jié)機(jī)11的礦料入口， 破碎機(jī)14布置在燒結(jié)機(jī)11的尾部，破碎機(jī)14的尾部布置有帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)15，冷卻機(jī)15 的上方布置有冷卻熱廢氣(熱空氣)集氣罩16，冷卻熱廢氣集氣罩16通過管道與余熱鍋爐 10的第一換熱空間相連?；瘜W(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)7和熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中第一熱氣體透平9a、第二熱氣體透平％、蒸汽透平17及發(fā)電機(jī)18通過第一聯(lián)軸器27a、第二聯(lián)軸器 27b、第三聯(lián)軸器27c及第四聯(lián)軸器27d依次連接并同軸布置。本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法流程如下1)高爐煤氣經(jīng)高爐煤氣的壓縮設(shè)備la、高爐煤氣的凈化設(shè)備加和高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a處理后，可提取出H2 ；經(jīng)高爐煤氣的變壓吸附設(shè)備3a分離出H2后的剩余氣體(主要是N2和CO)進(jìn)入高爐煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備如中，經(jīng)高爐煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備如分離出CO ；從高爐煤氣中提取出的吐及CO進(jìn)入燃料氣混合器5 ；焦?fàn)t煤氣經(jīng)焦?fàn)t煤氣的壓縮設(shè)備lb、焦?fàn)t煤氣的凈化設(shè)備2b和焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北處理后，可提取出H2和CH4 ；經(jīng)焦?fàn)t煤氣的變壓吸附設(shè)備北分離出CH4和H2后的剩余氣體，進(jìn)入焦?fàn)t煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備4b中，經(jīng)焦?fàn)t煤氣的負(fù)變壓吸附設(shè)備4b分離出CO ；從焦?fàn)t煤氣中提取出的H2、CH4及CO亦進(jìn)入燃料氣混合器5 ； 進(jìn)入燃料氣混合器5中的氣體經(jīng)混合得到H2、CH4和CO的混合氣；
2)載氧體(Fe2O3顆粒，其粒徑約為1.5mm)和來自燃料氣混合器5的燃料氣(H2、 CH4和CO的混合氣)，在燃料反應(yīng)器6中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，載氧體被還原，并生成CO2和水蒸氣；載氧體還原后的還原產(chǎn)物(Fe304、Fe0及單質(zhì)狗的混合物)在自身重力作用下通過載氧體返料通道30及載氧體循環(huán)密封裝置觀進(jìn)入空氣反應(yīng)器8 ；凈化后的空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī) 7壓縮后，進(jìn)入空氣反應(yīng)器8，與來自燃料反應(yīng)器6的載氧體的還原產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其重新生成載氧體(Fe2O3顆粒)；空氣反應(yīng)器8中再生的載氧體(Fe2O3顆粒)隨氣流通過載氧體給料通道四再次進(jìn)入燃料反應(yīng)器6，與燃料氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如此往復(fù)；高爐渣顯熱分別引入空氣反應(yīng)器8和燃料反應(yīng)器6，促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生；在整個(gè)燃燒反應(yīng)過程中，空氣反應(yīng)器8內(nèi)溫度約為1000°C，其出口氣體壓力約為0. 80MPa，燃料反應(yīng)器6內(nèi)溫度約為900°C， 其出口氣體壓力約為0. 75MPa，燃料氣與空氣無需直接接觸，由載氧體將空氣中的氧傳遞到燃料氣中，因此，燃料反應(yīng)器6中生成的(X)2和水蒸氣的混合氣不含空氣中的N2。3)由空氣反應(yīng)器8排出的氣體，包括N2和未反應(yīng)的02，進(jìn)入第一熱氣體透平9a膨脹做功后，將空氣反應(yīng)器8側(cè)循環(huán)中的熱氣體(經(jīng)過第一熱氣體透平膨脹做功后的氣體) 排入余熱鍋爐10的第一換熱空間；來自燒結(jié)機(jī)11的燒結(jié)煙氣，經(jīng)除塵裝置12除塵后，在引風(fēng)機(jī)13的抽吸作用下，送入燒結(jié)機(jī)11礦料入口，預(yù)熱礦料；熱燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)11的尾部落下，經(jīng)破碎機(jī)14破碎后，再到冷卻機(jī)15上進(jìn)行冷卻；冷卻后產(chǎn)生的熱廢氣(熱空氣)，通過熱廢氣集氣罩16收集后，引入空氣反應(yīng)器8側(cè)循環(huán)中余熱鍋爐10的第一換熱空間；在第一換熱空間中放熱后的氣體，經(jīng)煙囪排入大氣；由燃料反應(yīng)器6排出的(X)2和水蒸氣的混合氣，進(jìn)入第二熱氣體透平9b膨脹做功后，將燃料反應(yīng)器6側(cè)循環(huán)中的熱氣體(即經(jīng)過第二熱氣體透平膨脹做功后的混合氣)排入余熱鍋爐10的第二換熱空間；在第二換熱空間中放熱后的氣體，進(jìn)入冷凝器23冷卻；液態(tài)水從冷凝器23底部出口排出，從冷凝器23頂部出口排出的CO2，經(jīng)(X)2壓縮機(jī)M壓縮后， 進(jìn)入(X)2儲氣罐25封存；第一熱氣體透平9a和第二熱氣體透平9b膨脹做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī) 18發(fā)電；4)給水在余熱鍋爐10的第一換熱空間和第二換熱空間中，與熱氣體換熱后，產(chǎn)生兩股不同溫度及壓力的蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平17膨脹做功，并推動(dòng)發(fā)電機(jī)18發(fā)電；做功后的蒸汽稱為乏汽，由蒸汽透平17排出后，進(jìn)入凝汽器19冷凝；從凝汽器19出來的凝結(jié)水，在凝結(jié)水泵20的抽吸作用下，進(jìn)入除氧器21 ；經(jīng)除氧后的給水，在給水泵22的輸送下，分別進(jìn)入處在余熱鍋爐10不同換熱空間中的蒸發(fā)器；給水與換熱空間中的熱煙氣換熱后，生成兩股不同溫度及壓力的蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平17膨脹做功，并推動(dòng)發(fā)電機(jī)18發(fā)電；如此循環(huán)使用。若以某鋼鐵廠伴生高爐煤氣供應(yīng)量175t/h、焦?fàn)t煤氣供應(yīng)量0. 8t/h計(jì)，采用本發(fā)明中所述的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，較同等條件下帶有尾氣脫除CO2裝置的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率高出約5 10個(gè)百分點(diǎn)；若按1度電折合0. 123kg標(biāo)煤，節(jié)約1度電可減排0. 997kg CO2，機(jī)組每年至少運(yùn)行SOOOh計(jì)，則每年可節(jié)約標(biāo)煤約4. 53萬噸，減排(X)2約71. 4萬噸。
權(quán)利要求
1.一種鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料氣制備子系統(tǒng)、化學(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)和熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)；所述的燃料氣制備子系統(tǒng)包括用于處理高爐煤氣和/或焦?fàn)t煤氣的燃料氣處理裝置及燃料氣混合器；所述的燃料氣處理裝置包括依次通過管道連接的壓縮設(shè)備、凈化設(shè)備、變壓吸附設(shè)備和負(fù)變壓吸附設(shè)備；其中，所述的變壓吸附設(shè)備設(shè)有用于導(dǎo)出變壓吸附設(shè)備分離出的氣體的第一出口以及用于導(dǎo)出變壓吸附設(shè)備中剩余氣體的第二出口，第一出口與燃料氣混合器的入口連通，第二出口與負(fù)變壓吸附設(shè)備的入口連通，負(fù)變壓吸附設(shè)備的出口與燃料氣混合器的入口連通；所述的化學(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)包括燃料反應(yīng)器、空氣壓縮機(jī)、空氣反應(yīng)器、載氧體給料通道、載氧體返料通道和載氧體循環(huán)密封裝置；其中，載氧體給料通道一端與空氣反應(yīng)器連通，另一端與燃料反應(yīng)器連通；載氧體循環(huán)密封裝置一端通過載氧體返料通道與燃料反應(yīng)器連通，另一端通過載氧體返料通道與空氣反應(yīng)器連通；所述的熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括第一熱氣體透平、第二熱氣體透平、蒸汽透平、余熱鍋爐及發(fā)電機(jī)；其中，所述的余熱鍋爐中設(shè)有用絕熱隔板隔開的第一換熱空間和第二換熱空間；所述的燃料反應(yīng)器的入口與燃料氣混合器的出口連通，燃料反應(yīng)器的出口與第二熱氣體透平連通，第二熱氣體透平的出口與第二換熱空間的入口連通；空氣反應(yīng)器的入口與空氣壓縮機(jī)的出口連通，空氣反應(yīng)器的出口與第一熱氣體透平連通，第一熱氣體透平的出口與第一換熱空間的入口連通；第一換熱空間的蒸汽出口和第二換熱空間的蒸汽出口均與蒸汽透平的入口連通，蒸汽透平的出口連接凝汽器；所述的空氣壓縮機(jī)與第一熱氣體透平、第二熱氣體透平、蒸汽透平及發(fā)電機(jī)分別通過第一聯(lián)軸器、第二聯(lián)軸器、第三聯(lián)軸器及第四聯(lián)軸器依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的空氣壓縮機(jī)、第一熱氣體透平、第二熱氣體透平、蒸汽透平及發(fā)電機(jī)同軸布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的空氣反應(yīng)器設(shè)有用于引入高爐渣顯熱的入口 ；所述的燃料反應(yīng)器設(shè)有用于引入高爐渣顯熱的入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的載氧體循環(huán)密封裝置采用隊(duì)密封。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的余熱鍋爐的第二換熱空間連有用于回收余熱鍋爐第二換熱空間排出的CO2的(X)2回收裝置；所述的(X)2回收裝置包括冷凝器、CO2壓縮機(jī)和(X)2儲氣罐；所述的冷凝器的入口與余熱鍋爐的第二換熱空間的出口通過管道相連，冷凝器底部出口用于排出液態(tài)水，冷凝器頂部出口與CO2壓縮機(jī)的入口連接，CO2壓縮機(jī)的出口與(X)2儲氣罐相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括用于將所述的蒸汽透平中做功后的蒸汽回收循環(huán)至余熱鍋爐的蒸汽透平水循環(huán)裝置；所述的蒸汽透平水循環(huán)裝置包括凝汽器、凝結(jié)水泵、除氧器和給水泵，凝汽器的入口與蒸汽透平的出口相連，凝汽器的出口與凝結(jié)水泵的入口相連，凝結(jié)水泵的出口與除氧器的入口相連，除氧器的出口與給水泵的入口相連，給水泵的出口與余熱鍋爐的第一換熱空間和第二換熱空間的進(jìn)水口相連，使蒸汽透平中做功后的蒸汽再次進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括燒結(jié)煙氣處理子系統(tǒng)；所述的燒結(jié)煙氣處理子系統(tǒng)包括燒結(jié)機(jī)、除塵裝置、引風(fēng)機(jī)、破碎機(jī)、帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)和冷卻熱廢氣集氣罩；其中，除塵裝置的入口與燒結(jié)機(jī)相連，除塵裝置的出口與引風(fēng)機(jī)的入口連接，引風(fēng)機(jī)的出口通過管道引至燒結(jié)機(jī)的礦料入口，破碎機(jī)布置在燒結(jié)機(jī)的尾部，破碎機(jī)的尾部布置有帶風(fēng)機(jī)的冷卻機(jī)，冷卻機(jī)的上方布置有冷卻熱廢氣集氣罩，冷卻熱廢氣集氣罩通過管道與余熱鍋爐的第一換熱空間相連。
8.利用根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將高爐煤氣和/或焦?fàn)t煤氣依次通過壓縮設(shè)備、凈化設(shè)備和變壓吸附設(shè)備處理后分離出吐或者吐和CH4,分離出的吐或者吐和CH4直接通入燃料氣混合器，剩余氣體通過負(fù)變壓吸附設(shè)備分離得到C0，得到的CO通入到燃料氣混合器，得到由壓和CO組成或者由 H2、CH4和CO組成的燃料氣；(2)將載氧體和來自燃料氣混合器的燃料氣在燃料反應(yīng)器中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到載氧體還原后的還原產(chǎn)物，并生成CO2和水蒸氣；還原產(chǎn)物在自身重力作用下通過載氧體返料通道及載氧體循環(huán)密封裝置進(jìn)入空氣反應(yīng)器；凈化后的空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入空氣反應(yīng)器，與還原產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到再生的載氧體；空氣反應(yīng)器中再生的載氧體隨氣流通過載氧體給料通道再次進(jìn)入燃料反應(yīng)器，與燃料氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如此往復(fù)；(3)由空氣反應(yīng)器排出的氣體，包括N2和未反應(yīng)的02，進(jìn)入第一熱氣體透平膨脹做功后，將空氣反應(yīng)器側(cè)循環(huán)中的熱氣體排入余熱鍋爐的第一換熱空間；由燃料反應(yīng)器排出的 CO2和水蒸氣的混合氣，進(jìn)入第二熱氣體透平膨脹做功后，將燃料反應(yīng)器側(cè)循環(huán)中的熱氣體排入余熱鍋爐的第二換熱空間，第一熱氣體透平和第二熱氣體透平膨脹做功推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；(4)給水在余熱鍋爐的第一換熱空間和第二換熱空間中，與第一換熱空間和第二換熱空間中的熱氣體換熱后，產(chǎn)生兩股不同溫度及壓力的蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述的載氧體為金屬氧化物；所述的金屬氧化物為I^e2O3顆粒，其粒徑為1. Omm 2. 0mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，其特征在于，所述的第二換熱空間中放熱后的氣體，進(jìn)入冷凝器冷卻；冷凝器底部出口排出液態(tài)水，頂部出口排出CO2,排出的(X)2經(jīng)(X)2壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入(X)2儲氣罐封存；來自燒結(jié)機(jī)的燒結(jié)煙氣，經(jīng)除塵裝置除塵后，在引風(fēng)機(jī)的抽吸作用下，送入燒結(jié)機(jī)的礦料入口，預(yù)熱礦料；預(yù)熱后的熱燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)的尾部落下，經(jīng)破碎機(jī)破碎后，再到冷卻機(jī)上進(jìn)行冷卻；冷卻后產(chǎn)生的熱廢氣經(jīng)熱廢氣集氣罩收集后引入余熱鍋爐的第一換熱空間，在第一換熱空間中放熱后的氣體，經(jīng)煙 排入大氣；進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功后的蒸汽由蒸汽透平排出后，進(jìn)入凝汽器冷凝；從凝汽器出來的凝結(jié)水，在凝結(jié)水泵的抽吸作用下，進(jìn)入除氧器；經(jīng)除氧后的給水，在給水泵的輸送下，分別進(jìn)入處在余熱鍋爐不同換熱空間中的蒸發(fā)器；給水與換熱空間中的熱煙氣換熱后，生成兩股不同溫度及壓力的蒸汽，進(jìn)入蒸汽透平膨脹做功，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，循環(huán)使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼鐵企業(yè)伴生能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括燃料氣制備子系統(tǒng)、化學(xué)鏈燃燒子系統(tǒng)和熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了采用該發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電方法，由高爐煤氣和/或焦?fàn)t煤氣中提取出的混合氣作為燃料反應(yīng)器的供應(yīng)氣，載氧體在燃料反應(yīng)器中與燃料氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成CO2和水蒸氣，載氧體還原產(chǎn)物通過返料通道，在空氣反應(yīng)器中再生；空氣反應(yīng)器和燃料反應(yīng)器排氣及冷卻機(jī)熱廢氣進(jìn)入熱氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。該發(fā)電系統(tǒng)不僅可以緩解當(dāng)前鋼鐵企業(yè)CO2減排壓力，而且可使鋼鐵企業(yè)余熱余能得以發(fā)揮其最大潛能，發(fā)電方法簡單易操作。
文檔編號F01K27/02GK102183152SQ20111000607
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者姚華, 李蔚, 洪榮華, 盛德仁, 陳堅(jiān)紅 申請人:浙江大學(xué)