焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统
技术领域
本发明属于煤炭清洁高效利用技术领域，特别涉及一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统。
背景技术
我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭除用于火力发电外，在钢铁冶金企业也作为原燃料大量使用，尤其是原煤经炼焦形成冶金焦炭后使用，如2017年我国焦炭产量达到4.3亿吨。炼焦工艺直接对原煤进行处理，原煤中的杂质在物理化学作用下以多种能量释放，并排出污染物，因煤炭中杂质的存在，使得这些能量的回收利用和污染物的治理难度很大，因此，炼焦工艺一直以来因能耗高、污染重而备受关注。成品冶金焦吨焦的能源消耗通常达到100kgce以上，二氧化硫SO2、氮氧化物NOX等污染物排放在5kg以上。
从炼焦生产的整个能量流和物质流平衡看，原煤在焦炉内干馏需要消耗煤气，也需要消耗电、水、压缩空气等能源介质。伴随能源的消耗也产生新的含能介质，其处理过程还需消耗能源，如煤气燃烧产生的烟气排出焦炉时仍有热量，而烟气中含有的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等需要净化处理后才能排放，而净化处理需要能量；原煤干馏产生的红焦和荒煤气中所含的热量也很大，而红焦的冷却和荒煤气的冷却净化也都需要能量。就某特定焦炉而言，从焦炉炭化室推出的950℃-1050℃红热焦炭所带出的显热约占整个焦炉热量支出的37％；进入焦炉上升管中温度在650℃-750℃的荒煤气，其含有的显热约占整个焦炉热量支出的36％；180℃-230℃的焦炉烟气带出的余热约占整个焦炉热量支出的16％；焦炉炉体表面各种散热损失约占整个焦炉热量支出的11％。由此看出，要提高焦炉区域的能源利用效率，除提高煤气燃烧效率，降低散热损失外，高效回收并且利用各种余热资源是主要途径，这也是焦炉区域节约资源及能源的主要发展方向和潜力所在。
迄今为止，国内外已针对焦化区域的节能减排展开了很多研究，取得了许多成果，高温段的红焦显热已经有成熟商业化应用的干熄焦显热回收技术予以回收利用，实现了红焦显热的高效回收，其已经成为国家大力推广的节能技术之一。低温段的焦炉烟气余热回收技术也已有一定的商业应用，如用于产低温蒸汽或煤调湿等。随着环保要求的提高，焦炉的脱硫、脱硝势在必行，充分利用烟气余热减少脱硫脱硝的能耗是非常高效的余热利用方式。焦炉荒煤气的显热也已经有回收技术，但由于荒煤气中焦油含量高、腐蚀性强，温度变化大致使可回收的热量有限。荒煤气净化前需要冷却，常用氨水作冷却介质，氨水吸收的热量通常采用大量冷却水冷却，既需消耗大量能源，又浪费了氨水中富含的热量。虽然上述几种余热都有相应的热回收手段，但由于各个余热回收系统往往相互孤立，致使回收的热量难以高效利用，浪费严重，以致热回收利用总体效率不高。
炼焦过程中，物质流、能量流和碳素流的流动是同时进行的，要使整个生产的能源消耗最低，除了充分发挥各种单项节能技术的效率外，它们之间的耦合关系十分关键，因为各部分有相互影响，引起各种能源可利用的总量和能源品位的变化，而能源品位的高低与各种单项节能技术效率的发挥密切相关。因此，要进一步提高炼焦生产的能源使用效率，有必要对焦化能量系统进行耦合优化，以能源梯级综合利用方法对焦炉区域的能量和余热回收利用进行优化调配，因为通常而言能量的梯级综合利用能够提高能源利用效率，如分布式能源电站的能源利用效率可达到80％以上，而当前最高效的火力发电机组的发电效率也仅为45.4％，其中的关键就在于能源的梯级综合利用。因此，对焦炉区域的多种能量资源进行梯级综合利用，能切实提高整个焦炉区域的能源利用效率。
同时，焦炉区域内水、电、风、气能源介质大量使用。如水就有循环冷却水、除盐水、除氧水、冷冻水、氨水等不同种类。对应的输送、处理设备，如给水泵、循环泵、冷却塔风机、空压机、除尘风机、增压风机、循环风机、引风机、制冷机等，也消耗大量能量。如能充分利用区域内的各种能源，以及副产品产生电能、热能和冷能，减少外部能源输入，则可降低外部能源输送损耗，充分利用区域内各种低品位能源，减少各种热污染，高效率集中处理各种能源和污染物，从而进一步提高区域内能源利用效率。
炼焦过程在产生大量余热和副产品的同时也排放大量的污染物，所排放的各种污染物的治理也是行业研究热点。这些污染物中，烟气的排放控制难度较大，焦炉烟气中的二氧化硫和氮氧化物是国家环保政策重点管控对象。焦炉区域的烟气除焦炉本体内燃烧的烟气外，还有干熄焦工艺中排出的烟气。近年来研发实施的脱硫脱硝焦炉烟气净化工艺，脱硝也往往需要消耗能源产生一部分烟气。分开设置烟气净化设施势必增加投资和治理、监控难度，也增加了设施运行的能耗和成本。如能从焦化整个工艺的角度进行系统整合和优化，充分利用焦炉区域的能量，集中建设烟气净化设施则可望降低整个烟气净化系统的投资，降低运行能耗，降低生产成本。
总体而言，焦炉炼焦工艺要实现能源效率的提升及污染物的减排，有必要从焦化整个工艺的角度对红焦显热、荒煤气显热、烟气余热、烟气净化、煤气综合利用等方面进行综合考虑，利用能介梯级综合利用的原理和集中处理的方法，在提高能源利用效率的同时实现污染物协同治理，实现节能与减排同时推进，提升焦化工序的环境效益和经济效益。
发明内容
本发明提供了一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，按照能源介质产生和处理特点，将该系统分为焦炉本体、红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收及净化子系统、分布式能源子系统、烟气净化子系统、公辅子系统和多能量调控子系统，通过对焦炉区域多能量的耦合优化和分布式供能方式，实现整个焦炉区域能源利用效率最大化，并由统一的烟气净化子系统将区域内烟气集中治理，从而实现焦炉区域节能减排同时推进。
本发明的技术方案如下：
一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，包括焦炉本体、红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收及净化子系统、分布式能源子系统、烟气净化子系统、公辅子系统和多能量调控子系统；原煤在所述的焦炉本体干馏后产生红焦和荒煤气；
其中，红焦的显热经所述的红焦显热回收子系统回收，用于发电；
荒煤气的显热经所述的荒煤气显热回收及净化子系统回收，产生蒸汽，并其经处理得到焦炉煤气，供所述的焦炉本体、所述的分布式能源子系统和所述的烟气净化子系统使用；
所述的烟气净化子系统负责焦炉区域内的烟气净化处理，包括所述的焦炉本体和所述的分布式能源子系统中焦炉煤气燃烧产生的烟气，以及所述的烟气净化子系统自身消耗焦炉煤气产生的烟气，这些烟气被引入所述的烟气净化子系统净化处理后再排入大气中，以减少整个区域的污染物排放；
所述的公辅子系统为各个子系统提供所述冷却水、除氧水和压缩空气；
所述的多能量调控子系统将焦炉区域内的各种能源介质进行综合调配，实现多能量的耦合优化和区域能源的高效利用，以及烟气的集中净化监控。
在发明的一具体实施例，所述的焦炉本体包括若干个炭化室，每个所述的炭化室的两侧均设有燃烧室，原煤在所述的炭化室中干馏后生成红焦和荒煤气。
在发明的一具体实施例，所述的红焦显热回收子系统包括干熄炉、除尘器、第一余热锅炉、第一给水泵、CDQ发电机、循环风机，所述的红焦在所述的干熄炉中降温成冶金焦，其热量被所述的循环风机送入的气体吸收，吸收热量后的循环气体经所述的除尘器除尘后进入所述的第一余热锅炉，将其热量传给所述的第一余热锅炉内的除氧水，再经除尘后由所述的循环风机抽送后循环使用，所述的第一余热锅炉内的除氧水吸热后变成高温高压蒸汽推动所述的CDQ发电机发电。
在发明的一具体实施例，所述的第一余热锅炉为高温高压锅炉。
在发明的一具体实施例，所述的荒煤气显热回收及净化子系统包括上升管换热器、气液分离器、初冷器、净化单元和煤气柜，荒煤气在所述的上升管换热器中被吸收显热后，由所述的气液分离器脱出氨水，再经所述的初冷器冷却，最后由所述的净化单元净化后成为焦炉煤气，存储在煤气柜中供用户使用。
在发明的一具体实施例，所述的荒煤气显热回收及净化子系统还包括循环泵、氨水泵、氨水溴化锂制冷机、换热器、第二给水泵，其中，所述的初冷器包括初冷器上段和初冷器下段，所述的初冷器上段的循环氨水由所述的氨水泵抽送循环使用，所述的初冷器上段中吸收热量的氨水经所述的氨水溴化锂制冷机制取冷冻水，所述的换热器将冷冻水的冷量传递给氨水，再由所述的循环泵抽送给所述的初冷器下段进一步冷却，达到净化单元对荒煤气的净化工艺需求，所述的上升管换热器中的除氧水由所述的第二给水泵供给，所述的换热器的冷冻水由所述的氨水溴化锂制冷机和所述的分布式能源子系统提供。
在发明的一具体实施例，所述的分布式能源子系统包括煤气发电机、第二余热锅炉、溴化锂制冷机、第三给水泵，焦炉煤气在所述的煤气发电机中燃烧生成烟气推动所述的煤气发电机发电，带有余热的烟气再被送入所述的第二余热锅炉吸收其余热后由所述的烟气净化子系统净化处理，除氧水由所述的给水泵抽送至所述的第二余热锅炉内吸收热量后产生蒸汽，所述的溴化锂制冷机利用蒸汽，在冷却水的辅助下产生冷冻水。
在发明的一具体实施例，所述的烟气净化子系统包括依次连接的引风机、换热器、脱硫装置、加热炉、脱硝装置、增压风机和烟囱，烟气被所述的引风机吸入后，先进入所述的换热器降温，降温后在所述的脱硫装置中脱硫，然后在所述的换热器和所述的加热炉中吸收热量进入所述的脱硝装置脱硝，最后由所述的增压风机抽送后经所述的烟囱排出。
在发明的一具体实施例，所述的公辅子系统包括冷却塔、循环水泵、除盐水站、除氧水泵、除氧器、空压机、空气净化器，吸收热量后的冷却水经所述的冷却塔冷却后，与补充的新水一起一部分被所述的循环水泵送给冷却水用户，另一部分进入所述的除盐水站除去其中的盐分，再由所述的除氧水泵送至所述的除氧器除去氧分后，供除氧水用户使用；所述的空压机吸入空气，经压缩后送入所述的空气净化器净化，得到压缩空气，供用户使用。
在发明的一具体实施例，所述的多能量调控子系统包括中央处理站、调节分配单元和信号收集单元，所述的中央处理站收集自所述的信号收集单元收集的信号，并进行分析处理，再向所述的调节分配单元发出调节指令，用于执行多能量的耦合优化和能源介质调配，以及污染物的集中处理。
本发明将焦炉炼焦工艺中的红焦显热、荒煤气显热和烟气余热不同品位热量，以及焦化副产品焦炉煤气，以能源介质为媒介，纳入同一能量系统进行整合，实现多能量的梯级综合利用，同时将焦炉区域内的烟气集中送至烟气净化子系统处理，实现能量利用效率的最大化和污染物的协同治理。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
一、本发明的一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，通过对焦炉的物质流、能量流进行科学地分析，将其分成七个子系统，实现了红焦显热、荒煤气显热和烟气余热通过梯级利用方式耦合优化利用，可最大化提高余热回收效率，并保证回收热量的充分利用。同时，通过集中产生冷却水、除氧水、压缩空气和能源介质的集中调控，有助于降低公辅子系统的投资额，提高能介供应的可靠性及提升能介产、供、储的能源利用效率。
二、本发明的一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，还通过引入分布式能源子系统将炼焦工艺产生的焦炉煤气就地发电，既减少了外供煤气的能源消耗，又减少了输配电的损耗，更有利的是能通过梯级综合利用方式提高焦炉煤气热值的利用率，也实现了区域内热、电、冷的联产联供，满足区域内对各种能源的需求，从而可满足焦化生产的相对独立。
三、本发明的一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，将焦炉区域内的各种烟气进行集中治理，避免了建立多套烟气治理系统导致的投资增加，同时，利用区域内的余热资源、焦炉煤气资源和热、电、冷联供优势，可明显降低烟气净化子系统的运行成本，提高烟气净化效果，从而最大化地实现焦炉区域的环境效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例的一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的焦炉本体的结构示意图；
图3为本发明实施例的红焦显热回收子系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的荒煤气显热回收及净化子系统的结构示意图；
图5为本发明实施例的分布式能源子系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的烟气净化子系统的结构示意图；
图7为本发明实施例的公辅子系统的结构示意图；
图8为本发明实施例的多能量调控子系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参见图1所示，本发明实施例的一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，包括焦炉本体1、红焦显热回收子系统2、荒煤气显热回收及净化子系统3、分布式能源子系统4、烟气净化子系统5、公辅子系统6和多能量调控子系统7。
图1中，实箭线表示物质流动，虚箭线表示信号传递。焦炉本体1接受原煤，原煤在其中干馏生成红焦和荒煤气，原煤干馏的热源来自于送入焦炉本体1的焦炉煤气。红焦由红焦显热回收子系统2回收其余热，荒煤气由荒煤气显热回收及净化子系统3回收其显热，并其经净化后生成焦炉煤气，其中一部分焦炉煤气送回焦炉本体1使用。多能量调控子系统7对红焦显热回收子系统2、荒煤气显热回收及净化子系统3、分布式能源子系统4、烟气净化子系统5、公辅子系统6中使用、产生的能源通过信号的传递进行调配和监控，实现多能量耦合优化和分布式供能。为了更清晰地显示各个子系统的构成，给出了各子系统的结构示意图，分别参见图2～8所示。
焦炉本体1的结构示意图如图2所示。焦炉本体1包括若干个炭化室11，每个所述的炭化室11的两侧均设有燃烧室12；原煤在所述的炭化室11中干馏后生成红焦和荒煤气，焦炉煤气在所述的燃烧室12中燃烧产生烟气。
红焦显热回收子系统2的结构示意图如图3所示。红焦显热回收子系统2包括干熄炉21、一次除尘器22、第一余热锅炉23、第一给水泵24、CDQ发电机25、二次除尘器26、循环风机27，其中的第一余热锅炉23采用高温高压锅炉。所述的红焦在干熄炉21中降温成为冶金焦，其热量被循环风机27送入的循环气体吸收。吸收热量后的循环气体经一次除尘器22除尘后进入第一余热锅炉23，将其热量传给第一余热锅炉23内的除氧水，再经二次除尘器26除尘后由循环风机27抽送后循环使用。第一余热锅炉23内的除氧水吸热后变成高温高压蒸汽推动CDQ发电机25发电。除氧水由第一给水泵24供给并集中由公辅子系统6提供。
采用干熄炉21和高温高压余热锅炉23能提高余热回收效率，同时，这种方式冷却的红焦成品质量好。循环气体循环使用降低了所吸收热的散失，也降低了外购循环气体，优选为惰性气体，的气量和成本。
荒煤气显热回收及净化子系统3的结构示意图如图4所示。荒煤气显热回收及净化子系统3包括上升管换热器31、气液分离器32、初冷器上段33、初冷器下段34、净化单元35、循环泵36、氨水槽37、煤气柜38、氨水泵39、氨水溴化锂制冷机310、换热器311、第二给水泵312。荒煤气在上升管换热器31中被吸收显热后由气液分离器32脱出氨水，再经初冷器上段33和初冷器下段34冷却，最后经净化单元35净化后成为焦炉煤气存储在煤气柜38中供用户使用。初冷器上段33的循环氨水由氨水泵39抽送循环使用。初冷器上段33中吸收热量的氨水经氨水溴化锂制冷机310制取冷冻水。换热器311将冷冻水的冷量传递给氨水，再由循环泵36抽送给初冷器下段34进一步冷却，达到净化单元35对荒煤气的净化工艺需求。上升管换热器31中的除氧水由第二给水泵312供给，除氧水集中由公辅子系统6提供。换热器311的冷冻水由氨水溴化锂制冷机310和分布式能源子系统4提供。
分布式能源子系统4的结构示意图如图5所示。分布式能源子系统4包括煤气发电机41、第二余热锅炉42、溴化锂制冷机43、给水泵44。所述的焦炉煤气在煤气发电机41中燃烧生成烟气推动发电机发电，带有余热的烟气再被送入第二余热锅炉42吸收其余热后由所述的烟气净化子系统5净化处理。由公辅子系统6提供的除氧水经给水泵44抽送至第二余热锅炉42内，吸收热量后产生蒸汽。溴化锂制冷机43利用一部分蒸汽，在冷却水的辅助下产生冷冻水。冷却水由公辅子系统6提供，第二余热锅炉42中产生的蒸汽还可外供其他用户使用。
烟气净化子系统5的结构示意图如图6所示。烟气净化子系统5包括依次连接的引风机51、换热器52、脱硫装置53、加热炉54、脱硝装置55、增压风机56和烟囱57。烟气被引风机51吸入后首先进入换热器52中降温，降温后在脱硫装置53中脱硫，然后在换热器52和加热炉54中吸收热量进入脱硝装置55脱硝，最后由增压风机56抽送后经烟囱57排出。焦炉区域的所有烟气，包括焦炉本体1和分布式能源子系统4中煤气燃烧产生的烟气，以及烟气净化子系统5自身消耗煤气产生的烟气，均被引风机51引入烟气净化子系统5进行集中净化处理，有助于降低烟气净化设施的投资和净化系统的运行费用。烟气中的热量也通过换热器52得到充分利用，烟气脱硝要求的热量还由荒煤气净化后得到的焦炉煤气提供，减少了外供输送能耗。
公辅子系统6的结构示意图如图7所示。公辅子系统6包括冷却塔61、循环水泵62、除盐水站63、除氧水泵64、除氧器65、空压机66、空气净化器67。吸收热量后的冷却水经冷却塔61冷却后与补充的新水一起，一部分被循环水泵62送给冷却水用户，另一部分进入除盐水站63除去其中的盐分，再由除氧水泵64送至除氧器65中除去氧分后供区域内所有除氧水用户使用。区域内的除氧水用户包括：红焦显热回收子系统2、荒煤气显热回收及净化子系统3、分布式能源子系统4。空压机66吸入空气经压缩后送入空气净化器67净化得到压缩空气供用户使用。这种冷却水、除氧水、压缩空气集中处理方式能降低公辅设施的投资，同时能降低生产成本，提高可靠性。
多能量调控子系统7的结构示意图如图8所示。多能量调控子系统7包括中央处理站71、信号收集单元72和调节分配单元73。中央处理站71收集自信号收集单元72收集的信号，并进行分析处理，再向调节分配单元73发出调节指令，用于执行多能量的耦合优化和能源介质调配，以及污染物的集中治理监控。
本发明还公开了利用上述的焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统的方法，将焦炉炼焦工艺中的红焦显热、荒煤气显热和烟气余热不同品位热量，以及炼焦工艺副产品焦炉煤气的热值，以工艺需求的能介为媒介，进行多能量的耦合优化，实现能量逐级回收与梯级综合利用。通过集中产生冷却水、除氧水、压缩空气和能源介质的集中调控，降低了公辅子系统的投资额，提高能介供应的可靠性及提升能介产、供、储的能源利用效率。将炼焦工艺产生的焦炉煤气就地发电，既减少了外供煤气的能源消耗，又减少了输配电的损耗，更有利的是能通过梯级综合利用方式提高焦炉煤气热值的利用率，也实现了区域内热、电、冷的联产联供，满足区域内对各种能源的需求，从而可满足焦炉区域的相对独立运营。将焦炉区域内的各种烟气进行集中治理，避免了建立多套烟气治理系统导致的投资增加，同时，利用区域内的余热资源、焦炉煤气资源和热、电、冷联供优势，可明显降低烟气治理的运行成本，提高烟气净化效果，从而最大化地实现焦炉区域的环境效益和经济效益。
本发明公开了一种焦炉区域多能量耦合优化与分布式能源系统，包括焦炉本体、红焦显热回收子系统、荒煤气显热回收及净化子系统、分布式能源子系统、烟气净化子系统、公辅子系统和多能量调控子系统。原煤在焦炉本体中，由煤气燃烧产生的烟气加热干馏生成红焦和荒煤气；红焦显热通过红焦显热回收子系统回收用于发电；荒煤气由荒煤气显热回收及净化子系统回收其显热生产蒸汽，并得到净化处理成为焦炉煤气，供焦炉本体、分布式能源子系统和烟气净化子系统使用，净化过程中利用初冷器的上段余热由制冷机制取冷冻水；分布式能源子系统利用焦炉煤气由煤气发电机组发电，发电后的烟气余热供余热锅炉产蒸汽，与回收荒煤气显热产生的蒸汽一起，供公辅子系统制取冷冻水和除氧水，以及供荒煤气显热回收及净化子系统使用，并可外供蒸汽和热水；焦炉本体和分布式能源子系统中煤气燃烧产生的烟气经汇集后，与烟气净化子系统自身消耗煤气产生的烟气一起，被引入烟气净化子系统净化处理后再排入大气中，以减少整个区域的污染物排放；公辅子系统为各个子系统提供冷却水、除氧水、压缩空气；多能量调控子系统将焦炉区域内的各种能源介质进行综合调配，实现多能量的耦合优化和区域能源的高效利用，以及烟气的集中净化。本发明将焦炉区域的多种能源介质进行耦合优化和污染物集中治理，能显著提高区域内能源利用效率，降低区域内污染物排放，形成相对独立的生产系统。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
