基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统及运行方法
阅读说明：本技术 基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统及运行方法 (Heating furnace energy-saving system based on supercritical carbon dioxide and operation method ) 是由 吕冬强 王雷 张学超 江文豪 王浩 于 2021-01-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统及运行方法。该系统中,压缩系统、透平系统和发电系统轴连接；压缩系统与热组件和加热炉水梁冷却管道组件串联；热组件包括并联的回热系统与换热系统,换热系统与加热炉尾部相连；加热炉水梁冷却管道组件出口与透平系统入口相连,透平系统出口与回热系统中的第二进口相连,回热系统中的第二出口与预冷系统相连,预冷系统与压缩机连接。本发明利用超临界二氧化碳可对加热炉水梁进行冷却,同时吸收加热炉尾部烟气余热进行加热,同时驱动透平做功进而带动发电机发电,克服了现有钢铁企业中加热炉工艺能源利用率较差,余热回收效率不高的问题。(The invention discloses a heating furnace energy-saving system based on supercritical carbon dioxide and an operation method. In the system, a compression system, a turbine system and a power generation system are connected through a shaft; the compression system is connected in series with the thermal assembly and the heating furnace water beam cooling pipeline assembly; the thermal assembly comprises a heat regeneration system and a heat exchange system which are connected in parallel, and the heat exchange system is connected with the tail part of the heating furnace; the outlet of the water beam cooling pipeline assembly of the heating furnace is connected with the inlet of a turbine system, the outlet of the turbine system is connected with a second inlet in a regenerative system, a second outlet in the regenerative system is connected with a precooling system, and the precooling system is connected with a compressor. The invention utilizes the supercritical carbon dioxide to cool the water beam of the heating furnace, simultaneously absorbs the waste heat of the flue gas at the tail part of the heating furnace to heat, and simultaneously drives the turbine to do work to further drive the generator to generate electricity, thereby overcoming the problems of poor process energy utilization rate and low waste heat recovery efficiency of the heating furnace in the existing iron and steel enterprises.)
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，特别是涉及一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统及运行方法。
背景技术
能源是人类生存与经济发展的基础，世界能源需求随着经济发展持续增长。随着经济的高速发展，对能源的需求量逐年增长，余热热源普遍存在于如今工业领域当中。其中钢铁冶金企业作为能源消耗大户，其能源利用率较低，各个生产工序所释放的余热量巨大。能源利用率低导致钢铁企业会出现诸如环境污染等一系列次生问题。因此提高钢铁企业的能源利用效率是钢铁企业产业升级的重要手段之一，而提高钢铁企业各种工序的余热利用效率又是提高能源利用率的主要方式之一，其对钢铁企业节能减排、保护环境等方面均具有重大意义。
加热炉作为钢铁冶金工艺的主要工序和重要能耗环节，其生产过程有着大量的余热资源，一部分是加热炉水梁温度过高其本身需降至一定温度以保证其工作过程安全所释放出的热量，另一部分是加热炉烟气的余热所包含的热量。目前主流的余热回收方式是：加热炉水梁采用汽化冷却，通过往水梁中通入饱和水，使其受热蒸发产生蒸汽，从而给水梁降温；加热炉尾部烟气通过布置余热锅炉产生蒸汽进行蒸汽外送或蒸汽发电。然而由于水在加热过程中会产生相变的物性特征，部分能量会损失在克服水的汽化潜热这一过程中，导致能量回收率较低。并且采用汽化冷却的方式对水梁进行冷却时，部分水梁内工质处于汽水混合物状态，容易造成蒸汽在水梁、管道的某一部分集中，造成局部超温产生爆管，从而影响加热炉的正常运行。同时，以水为工质对加热炉水梁进行降温和对加热炉尾部烟气进行余热回收时，其附属设备较多，系统较为复杂。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统及运行方法，以克服现有钢铁企业中加热炉工艺能源利用率较差、余热回收效率不高的问题。本发明利用超临界二氧化碳超临界态容易获得、能量密度大、性质稳定、无毒无腐蚀性、系统简单结构紧凑等特点，采用超临界二氧化碳对加热炉水梁进行冷却同时吸收加热炉尾部烟气余热，同时基于布雷顿循环驱动透平做功，带动发电机发电。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，本发明提供的一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统，包括：预冷系统、压缩系统、热组件、加热炉水梁冷却管道组件、透平系统和发电系统；其中，
所述压缩系统、透平系统和发电系统通过轴连接；
所述压缩系统通过管道与热组件和加热炉水梁冷却管道组件串联；其中，所述热组件包括通过管道并联的回热系统和换热系统，所述回热系统通过第一进出口与管道相连，所述换热系统与加热炉尾部相连以回收烟气余热进行换热；
所述加热炉水梁冷却管道组件出口与透平系统入口相连，所述透平系统出口与所述回热系统中的第二进口相连，所述回热系统中的第二出口与预冷系统相连，所述预冷系统与所述压缩机通过管道相连。
优选地，所述压缩系统、透平系统和发电系统同轴连接。
优选地，所述加热炉水梁冷却管道组件包括多组与加热炉水梁连接的冷却管道。
优选地，所述热组件为一组或串联而成的多组，每组中的回热系统包括一级或多级串联的回热器，每组中的换热系统包括一级或多级串联的换热器。
优选地，所述透平系统包括一级或多级通过轴串联的透平。进一步地，多级透平同轴串联。
优选地，当热组件为多组，透平系统包括多级透平时，每级回热器与同级透平相连，以通过同级透平做功后的余热对工质进行加热。其中，采用超临界二氧化碳作为工质。
优选地，所述压缩系统为单级压缩或多级压缩。
根据本发明的另一个方面，本发明提供的一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统的运行方法，包括以下步骤：
工质经压缩系统压缩至超临界状态后进入热组件，在所述热组件中通过换热器回收的烟气余热和回热系统回收透平系统的余热进行加热；
然后流入加热炉水梁冷却管道组件中进行加热，加热后流出并进入透平系统做功，通过透平系统驱动发电系统发电；
工质在透平系统完成做功后，通过第二进口进入回热系统释放余热，后进入预冷系统冷却，冷却后进入压缩系统，进行再次循环。
优选地，所述压缩系统采用单级或多级进行压缩，当采用多级压缩时，压缩机的级数根据超临界二氧化碳循环的循环增压比来确定，其中，所述增压比为循环最高压力与循环最低压力之比。
优选地，所述方法中，还包括：根据加热炉燃烧温度和能量赋存情况，确定透平系统中透平的串联级数。
优选地，所述方法中，还包括：根据加热炉尾部的烟气余热情况，确定热组件的布置方式和换热系统中换热器的级数。
与现有技术相比，本发明基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统及运行方法，可对加热炉水梁进行冷却，同时吸收加热炉尾部烟气余热进行加热，同时驱动透平做功进而带动发电机发电；克服了现有钢铁企业中加热炉工艺能源利用率较差，余热回收效率不高的问题。
本发明的优点，还体现在以下方面：
1)本发明通过采用超临界二氧化碳为工质代替原有工质水来吸收加热炉水梁热量和尾部烟气热量，能量回收效率更高，同时由于超临界二氧化碳本身的超临界态容易获得、能量密度大的物性特征，其基于布雷顿循环，吸收低品位热源转换成高品位电能的效率更高，并且超临界二氧化碳性质稳定，整个系统有较高的安全性和稳定性。
2)目前绝大多数的加热炉水梁采用#20钢为材质，其推荐使用温度极限为425℃，对应材料许用应力为75MPa，故只需将超临界二氧化碳的循环最高温度控制在400℃以下，现有的加热炉水梁材料可以适应以超临界二氧化碳为工质的工作条件，因此加热炉本体无需更换材料，本发明对现有加热炉的适应性较好。
3)同时超临界二氧化碳系统结构紧凑，相比于以水为工质的余热回收系统占地面积小，节省空间。
4)钢铁企业的生产过程中，二氧化碳为大部分气体燃料燃烧工序中烟气的主要成分，采用本发明所述节能系统，可以对钢铁企业烟气中的二氧化碳进行回收利用，减少了碳排放，并进一步实现了燃料的利用效率，节能环保效果显著。
附图说明
图1是本发明一实施例基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统的结构示意图。图1中，1为换热器，2为透平，3发电机，4为回热器，5预冷器，6压缩机，7加热炉水梁冷却管道组件。
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明提供的一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统，包括：预冷系统、压缩系统、热组件、加热炉水梁冷却管道组件、透平系统和发电系统。其中，所述压缩系统、透平系统和发电系统同轴连接，基于布雷顿循环驱动超临界二氧化碳透平做功，从而带动发电机发电。所述压缩系统还通过管道与热组件和加热炉水梁冷却管道组件串联；其中，所述热组件包括通过管道并联的回热系统和换热系统，且所述回热系统通过第一进出口与管道相连，所述换热系统与加热炉尾部相连，通过回收加热炉尾部的烟气余热对超临界二氧化碳进行换热。所述加热炉水梁冷却管道组件出口与透平系统入口相连，所述透平系统出口与所述回热系统中的第二进口相连，所述回热系统中的第二出口与预冷系统相连，所述预冷系统与所述压缩机通过管道相连。
本发明上述基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统的运行方法，包括：
超临界二氧化碳工质经压缩系统压缩至超临界状态后，进入热组件中的换热器系统和回热系统，采用换热器系统中回收的加热炉尾部烟气余热，回热系统中回收在透平系统中膨胀做功后所剩余的余热进行加热。
被换热器系统和回热系统加热后的超临界二氧化碳进入加热炉水梁冷却管道组件中加热，由于超临界二氧化碳已被余热换热器系统和回热系统加热至一定温度，故进入加热炉水梁冷却管道组件中的超临界二氧化碳与水梁的温差是比超临界二氧化碳直接进入水梁时的温差要小，传热效率相对较高，从而实现了能量的梯级利用。超临界二氧化碳被水梁加热流出后，进入透平系统，驱动超临界二氧化碳透平，从而带动发电系统进行发电。
在透平系统内完成膨胀做功的超临界二氧化碳进入回热系统，在回热系统中释放出剩余热量，后进入预冷系统，被冷却至合适温度后，进入压缩系统，被压缩系统压缩的超临界二氧化碳重新进入余热加热器系统和回热系统，进行新一次能量循环。
本发明中，所述加热炉水梁冷却管道组件可以包括多组与加热炉水梁相连接的冷却管道，通过冷却管道串联的方式连接两根或多跟加热炉水梁。
所述热组件可以为一组或串联而成的多组，每组中的回热系统可以包括一级或多级串联的回热器，每组中的换热系统包括一级或多级串联的换热器。本发明加热炉中的两部分热量，即一部分是加热炉水梁的余热，另一部分是尾部烟气余热，可以对超临界二氧化碳进行加热，其中，热组件一组和多组的布置方式可以根据加热炉热量确定，热组件中换热系统中换热器级数可以根据加热炉尾部烟气余热情况来确定，或者改变布置形式。所述回热系统中包括回热器，回热器数量可根据透平系统的透平数量(或级数)而变化。
所述透平系统中包括超临界二氧化碳透平，透平数量(或级数)可根据不同加热炉的燃烧温度和能量赋存情况而变化。
所述压缩系统为单级压缩或多级压缩。所述压缩系统的压缩机级数可随超临界二氧化碳循环的循环增压比(即循环最高压力与循环最低压力之比)而变化，采用多级压缩时，所述压缩系统会增加对应数目的中间冷却器。
在一可选实施例中，当热组件为串联而成的多组，每组由一级换热器和一级回热器形成时，透平系统可以包括多级同轴串联的透平，且透平级数与回热系统级数相同，每级回热器与同级透平相连，以通过同级透平做功后的余热对工质进行加热。具体地，多组热组件中的回热器形成一级至n级回热器，某级回热器通过第二进口与该级透平的出口相连，而该级透平的入口与下一组加热组件加热后的管道相连。例如，一级透平入口与第2组加热组件加热并汇集后的管道相连，一级透平出口与一级回热器第二进口相连。该实施例中，所述换热系统级数与回热系统级数相同；当然不限于此，换热系统级数也可以比回热系统多一级。本发明中，各级数换热器中温度不同，按照随换热器出口超临界二氧化碳温度升高布置一级、二级……n级换热器。按照随回热器第一进口二氧化碳温度的高低布置一级、二级……n级回热器或和n+1级回热器。按照随透平入口超临界二氧化碳温度升高布置一级、二级……n级透平或和n+1级回热器，其中，n≥2。本发明中第一进出口为吸热侧进出口，第二进出口为放热侧进出口。
实施例
图1示意性地示出了本发明一种实施例基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统的结构示意图，该实施例中所述系统仅包含一级透平、一级回热器和一级压缩机。如图1所示，该实施例提供的一种基于超临界二氧化碳的加热炉节能系统，包括换热器1，透平2，发电机3，回热器4，预冷器5，压缩机6和加热炉水梁冷却管道组件7。其中，所述换热器1和回热器4并联形成一组热组件，并与压缩机6、加热炉水梁冷却管道组件7串联。换热器1与加热炉尾部连接以采用加热炉尾部烟气余热进行加热。如图1所示，该实施例中，所述加热炉水梁冷却管道组件7中包括并联四组，每组通过冷却管道串联两水梁而成。所述压缩机6、透平2以及发电机3同轴连接。
该实施例的具体运行工作过程：超临界二氧化碳经所述压缩机6压缩后，分流成两部分，一部分进入换热器1中被加热炉尾部流出的低温烟气加热，另一部分进入所述回热器4中被做功后的低温度等级的超临界二氧化碳加热；加热后的超临界二氧化碳经汇集之后进入加热炉水梁冷却管道组件中，吸收水梁热量使水梁降温，超临界二氧化碳被加热到更高温度；然后从水梁流出后进入透平2，超临界二氧化碳在透平2中膨胀做功，透平2转动从而带动发电机3发电。做功后的超临界二氧化碳流入回热器4放热侧进口即第二进口，放出热量后从第二出口流入预冷器5，冷却后的超临界二氧化碳再次进入压缩机6，压缩进行新一轮循环。
应用实施例
某步进式加热炉，其水梁的平均热负荷为62700000kJ/h，加热炉燃料为天然气，烟气排放量为11.2万Nm3/h，排烟温度为350℃。当采用超临界二氧化碳为工质时，令循环的最低压力为7.9Mpa，循环增压比为2.53，循环最高温度为400℃，此时本发明所述节能系统的发电量为3.5MW，而采用水工质时，2.5Mpa的产气量为22t/h，所对应的饱和蒸汽发电量约为3MW。但就发电量而言，本发明所采用超临界二氧化碳为工质时的发电量能提高约17％。
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，如加热炉种类的变化、余热热源种类的变化、余热热源等级的变化，加热器系统换热器个数和形式、透平个数和形式、回热器个数和形式的变化，压缩级数变化，在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、压缩机系统与透平系统同轴或不同轴的变化等都应涵盖在本发明的保护范围之内。