一种驱动高炉鼓风机的系统和方法

1.本发明涉及能量回收技术领域，尤其涉及一种余压、余热混合驱动高炉鼓风机的系统和方法。


背景技术：

2.钢铁行业是资源密集、能耗密集、排放密集的产业，其特点是高耗能、高成本和高排放。在钢铁生产全流程中，耗能最高的工序是高炉炼铁工序，能耗占钢铁企业能耗的50％以上。高炉鼓风机是高炉炼铁系统中的高能耗设备，并且高炉鼓风机的能耗与驱动方式密切相关，目前常采用电动或汽动两种驱动方式。
3.为了提高能量的利用率，现有的高炉鼓风机驱动模式有三种：第一种是高炉煤气通过透平机利用余压做功，利用输出的机械能进行发电，再用电能驱动电动机进而带动鼓风机旋转。该方式涉及电能的上、下电网，升降电压过程和机械能
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电能
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机械能转换环节，能量损失较大；此外，该模式的发电量不足以单独驱动鼓风机，尚需额外消耗电网电力。第二种是高炉煤气通过透平机利用余压做功，通过透平机与鼓风机同轴相连，输出的机械功直接驱动鼓风机旋转。这种模式减少了机械能
‑
电能
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机械能转换环节的能量损失，但是依然需要额外补充动力，一般采用电动机并联驱动的方式。第三种是利用钢厂的蒸汽作为动力源驱动透平机做功，透平机与鼓风机同轴相连，输出的机械功直接驱动鼓风机旋转。通过调整蒸汽用量，可以满足鼓风机功耗，不需其它额外动力源，但是要消耗大量的蒸汽热能。
4.因此，亟需一种高效地驱动高炉鼓风机的系统和方法。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于上述技术中存在的问题，本发明至少从一定程度上进行解决。为此，本发明的一个目的在于提出了一种驱动高炉鼓风机的方法，能量回收率高，大大降低高炉鼓风机对外部电能和蒸汽能的依赖。
7.本发明的第二个目的在于提出一种能够实现上述驱动高炉鼓风机方法的系统。
8.本发明的第三个目的在于提出一种使用上述系统驱动高炉鼓风机的方法。
9.(二)技术方案
10.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
11.本发明提供一种驱动高炉鼓风机的方法，该方法基于煤气透平机和膨胀机分别与高炉鼓风机同轴相连实现，包括：
12.在高炉稳定运行的过程中，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动所述膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动所述煤气透平机做功，共同带动所述高炉鼓风机工作。
13.本发明还提供一种驱动高炉鼓风机的系统，包括高炉鼓风机、煤气透平机和膨胀机；
14.煤气透平机置于高炉鼓风机的第一侧，煤气透平机的进气口与高炉的煤气出口可
截止连通，煤气透平机的动力输出轴通过第一离合器与高炉鼓风机的动力输入轴连接；
15.膨胀机置于高炉鼓风机的第二侧，膨胀机的进气口与蒸汽管网可截止连通，膨胀机的出气口与乏蒸汽管道可截止连通，膨胀机的动力输出轴的第一端与高炉鼓风机的动力输入轴连接；
16.膨胀机的进气口还与蒸发器的蒸发室出口可截止连通，蒸发器的蒸发室进口与工质泵的出液口连通，工质泵的进液口与储液罐连通，蒸发器的加热室用于通入热风炉产生的废气，膨胀机的出气口还与冷凝器的冷凝室进口可截止连通，冷凝器的冷凝室出口与储液罐连通。
17.进一步地，煤气透平机的进气口通过第一三通换向阀与高炉的煤气出口可截止连通；膨胀机的进气口通过第二三通换向阀与蒸汽管网可截止连通，膨胀机的进气口通过第二三通换向阀还与蒸发器的蒸发室出口可截止连通；膨胀机的出气口通过第三三通换向阀与乏蒸汽管道可截止连通，膨胀机的出气口通过第三三通换向阀还与冷凝器的冷凝室进口可截止连通。
18.进一步地，煤气透平机的出气口与煤气管网连通。
19.进一步地，膨胀机的动力输出轴的第一端通过联轴器与高炉鼓风机的动力输入轴连接。
20.进一步地，驱动高炉鼓风机的系统还包括第一齿轮变速机构，第一齿轮变速机构的动力输入轴通过联轴器与膨胀机的动力输出轴的第二端连接，第一齿轮变速机构的动力输出轴通过第二离合器与工质泵的动力输入轴连接；和/或，
21.驱动高炉鼓风机的系统还包括第二齿轮变速机构，第二齿轮变速机构的动力输入轴通过联轴器与膨胀机的动力输出轴的第二端连接，第二齿轮变速机构的动力输出轴通过第三离合器与发电机的动力输入轴连接。
22.本发明还提供一种驱动高炉鼓风机的方法，采用如上所述的系统驱动高炉鼓风机，包括：
23.s1、在高炉启动时，切换第一离合器为断开状态，将膨胀机的进气口与蒸汽管网连通，膨胀机的出气口与乏蒸汽管道连通，由蒸汽驱动膨胀机做功，带动高炉鼓风机工作；
24.s2、在高炉成功点火后，切换第一离合器为结合状态，将煤气透平机的进气口与高炉的煤气出口连通，由蒸汽驱动膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作；
25.s3、在高炉稳定运行后，截止膨胀机的进气口与蒸汽管网连通，截止膨胀机的出气口与乏蒸汽管道连通，使膨胀机的进气口与蒸发器的蒸发室出口连通，膨胀机的出气口与冷凝器的冷凝室进口连通，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作。
26.进一步地，驱动高炉鼓风机的方法还包括：
27.s4、在高炉稳定运行的过程中，切换第二离合器为结合状态，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，带动工质泵工作；和/或，切换第三离合器为结合状态，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，带动发电机工作。
28.(三)有益效果
29.本发明的有益效果是：
30.1、本发明提出的驱动高炉鼓风机的装置和方法，通过在高炉的稳定运行阶段，将煤气透平机和有机朗肯循环驱动系统的膨胀机分别与高炉鼓风机同轴相连，来实现将高炉煤气余压资源和热风炉废气余热资源用于高炉鼓风机的驱动，完全取消了外部电能和蒸汽的消耗，实现了完全利用余热余压资源、无需额外能源供应的鼓风方案，相应降低了能源成本。
31.2、本发明通过将煤气透平机和有机朗肯循环驱动系统的膨胀机分别与高炉鼓风机同轴相连，将回收的能量直接补充到轴系上，避免能量转换的损失，提高系统效率。
32.3、通过膨胀机连接工质泵，取消了传统低温余热回收利用系统中电驱工质泵的电力消耗；通过膨胀机连接发电机，能够向外提供清洁电力。减少相应环境污染和能源成本。
附图说明
33.本发明借助于以下附图进行描述：
34.图1是本发明实施例中驱动高炉鼓风机的系统的结构示意图；
35.图2是本发明实施例中发电机和工质泵的驱动结构示意图。
36.【附图标记说明】
37.1：高炉鼓风机；
38.21：煤气透平机；23：第一三通换向阀；24：除尘装置；25：减压阀组；26：煤气管网；
39.31：膨胀机；32：蒸发器；33：工质泵；34：储液罐；35：热风炉；36：冷凝器；37：第二三通换向阀；38：第三三通换向阀；
40.41：第一离合器；42：第二离合器；43：第三离合器；
41.51：第一齿轮变速机构；52：第二齿轮变速机构；
42.6：发电机。
具体实施方式
43.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
44.钢厂除了具有充足的高炉煤气余压资源外，还具有充足的热风炉废气余热资源，若能将热风炉废气余热资源用于高炉鼓风机的驱动上，将大大降低高能鼓风机的能耗。发明人经过研究发现，在高炉的稳定运行阶段，通过将煤气透平机和有机朗肯循环驱动系统的膨胀机分别与高炉鼓风机同轴相连，来实现将高炉煤气余压资源和热风炉废气余热资源用于高炉鼓风机的驱动，可以完全取消外部电能和蒸汽的消耗，并且膨胀机输出的机械功除了补充煤气透平机与鼓风机功耗的缺口外，还有机械功的富余。
45.为此，本发明提出一种驱动高炉鼓风机的方法，该方法基于煤气透平机和膨胀机分别与高炉鼓风机同轴相连实现，包括：在高炉稳定运行的过程中，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动所述膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作。能量回收率高，大大降低高炉鼓风机对外部电能和蒸汽能的依赖。
46.为实现本发明提出的驱动高炉鼓风机的方法，本发明还提出一种驱动高炉鼓风机的系统。
47.下面就参照附图来描述根据本发明实施例提出的驱动高炉鼓风机的系统。
48.实施例1
49.图1为本发明一个实施例的驱动高炉鼓风机的系统的结构示意图。
50.如图1所示，该驱动高炉鼓风机的系统包括高炉鼓风机1、煤气透平机21和膨胀机31。煤气透平机21置于高炉鼓风机1的第一侧，煤气透平机21的进气口与高炉的煤气出口可截止连通，煤气透平机21的动力输出轴通过第一离合器41与高炉鼓风机1的动力输入轴连接；膨胀机31置于高炉鼓风机1的第二侧，膨胀机31的进气口与蒸汽管网可截止连通，膨胀机31的出气口与乏蒸汽管道可截止连通，膨胀机31的动力输出轴的第一端与高炉鼓风机1的动力输入轴连接。膨胀机31的进气口还与蒸发器32的蒸发室出口可截止连通，蒸发器32的蒸发室进口与工质泵33的出液口连通，工质泵33的进液口与储液罐34连通，蒸发器32的加热室用于通入热风炉35产生的废气，膨胀机31的出气口还与冷凝器36的冷凝室进口可截止连通，冷凝器36的冷凝室出口与储液罐34连通。
51.具体地，煤气透平机21的进气口通过第一三通换向阀23与高炉的煤气出口可截止连通；膨胀机31的进气口通过第二三通换向阀37与蒸汽管网可截止连通，膨胀机31的进气口通过第二三通换向阀37还与蒸发器32的蒸发室出口可截止连通；膨胀机31的出气口通过第三三通换向阀38与乏蒸汽管道可截止连通，膨胀机31的出气口通过第三三通换向阀38还与冷凝器36的冷凝室进口可截止连通。
52.具体地，煤气透平机21的进气口通过第一三通换向阀23与除尘装置24的出气口连通，除尘装置24的进气口与高炉的煤气出口连通。具体地，除尘装置24的出气口通过第一三通换向阀23还与减压阀组25的进气口连通，减压阀组25的出气口与煤气管网26连通。
53.具体地，煤气透平机21的出气口与煤气管网26连通。供其它燃气用户使用。
54.具体地，如图2所示，膨胀机31的动力输出轴的第一端通过联轴器与高炉鼓风机1的动力输入轴连接。
55.实施例2
56.如实施例1，驱动高炉鼓风机的系统还包括第一齿轮变速机构51和第二齿轮变速机构52，见图2。第一齿轮变速机构51的动力输入轴通过联轴器与膨胀机31的动力输出轴的第二端连接，第一齿轮变速机构51的动力输出轴通过第二离合器42与工质泵33的动力输入轴连接。第二齿轮变速机构52的动力输入轴通过联轴器与膨胀机31的动力输出轴的第二端连接，第二齿轮变速机构52的动力输出轴通过第三离合器43与发电机6的动力输入轴连接。
57.生产数据表明，膨胀机输出的机械功除了补充煤气透平机与鼓风机功耗的缺口之外，还有机械功的富余。因此，膨胀机还可连接工质泵取消了传统低温余热回收利用系统中电驱工质泵的电力消耗；膨胀机还可连接发电机向外输出电力。
58.实施例3
59.使用实施例1，包括以下步骤：
60.步骤s1、在高炉启动时，切换第一离合器为断开状态，将膨胀机的进气口与蒸汽管网连通，膨胀机的出气口与乏蒸汽管道连通，由蒸汽驱动膨胀机做功，带动高炉鼓风机工作。
61.步骤s2、在高炉成功点火后，切换第一离合器为结合状态，将煤气透平机的进气口与高炉的煤气出口连通，由蒸汽驱动膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作。
62.在这个过程中，减压阀组此时作为备用旁通。相比步骤s1，这一阶段的蒸汽供应量相应减小，减小的幅度取决于煤气透平机的输出功率大小。
63.步骤s3、在高炉稳定运行后，截止膨胀机的进气口与蒸汽管网连通，截止膨胀机的出气口与乏蒸汽管道连通，使膨胀机的进气口与蒸发器的蒸发室出口连通，膨胀机的出气口与冷凝器的冷凝室进口连通，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作。
64.有机朗肯循环由五大部件组成，分别是蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐和工质泵。热风炉废气余热作为热源进入蒸发器。在蒸发器中，有机工质吸收热风炉废气的热量后蒸发为高温高压的工质蒸汽，而后推动膨胀机做功，补充鼓风机所需功率与煤气透平机输出功率之间的差额(即代替上一阶段中的管网蒸汽所提供的功率部分)。有机工质蒸汽推动膨胀机做功后，变为低温低压的乏工质蒸汽。从膨胀机排出的乏工质蒸汽经过冷凝器，与冷却介质(一般为水或空气)换热，完成降温、冷却过程，在冷凝器中转变为液态有机工质，流入储液罐。储液罐的设置是为了补充循环过程中有机工质泄露的部分。在循环工质泵的作用下，从储液罐中泵出的液态工质被加压成高压液体，再次进入蒸发器。如此循环工作，连续驱动高炉鼓风机。
65.实施例4
66.使用实施例2，包括以下步骤：
67.步骤s1、在高炉启动时，切换第一离合器、第二离合器和第三离合器为断开状态，将膨胀机的进气口与蒸汽管网连通，膨胀机的出气口与乏蒸汽管道连通，由蒸汽驱动膨胀机做功，带动高炉鼓风机工作。
68.步骤s2、在高炉成功点火后，切换第一离合器为结合状态，将煤气透平机的进气口与高炉的煤气出口连通，由蒸汽驱动膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作。
69.步骤s3、在高炉稳定运行后，截止膨胀机的进气口与蒸汽管网连通，截止膨胀机的出气口与乏蒸汽管道连通，使膨胀机的进气口与蒸发器的蒸发室出口连通，膨胀机的出气口与冷凝器的冷凝室进口连通，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，以及高炉煤气余压驱动煤气透平机做功，共同带动高炉鼓风机工作。
70.步骤s4、在高炉稳定运行的过程中，切换第二离合器为结合状态，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，带动工质泵工作；以及，切换第三离合器为结合状态，由热风炉废气余热通过有机朗肯循环驱动膨胀机做功，带动发电机工作。
71.需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。