[发明专利]一种利用钢坯辐射能及超临界二氧化碳循环的发电系统

说明书

本发明的一种利用钢坯辐射能及超临界二氧化碳循环的发电系统，属于废热发电技术领域。本发明的系统包括循环单元和发电单元，所述循环单元包括高温回热器、低温回热器、再压缩机、次压缩机和主压缩机，所述高温回热器通过管道与发电单元相连接，所述高温回热器的高温侧出口管道上设有调节阀将管道成两支路对工质进行分流和多级压缩，能明显提高回热效能，多级压缩过程克服了超临界二氧化碳布雷顿循环中汽轮机出口工质压力与压缩机入口工质压力相互依赖、参数不能独立调节的问题，使得系统的循环效率大大提高。

技术领域

本发明属于废热发电技术领域，具体来说是一种利用钢坯辐射能及超临界二氧化碳循环的发电系统。

背景技术

在连铸过程中，目前国内除大型钢企连铸连轧外，大部分钢铁企业尚未对钢坯生产工艺中散失的热量进行回收，例如，连铸工艺中拉矫机出来的钢坯在35m左右的矫直段，80％左右热量直接散失到空气中；轧钢工艺中热轧的钢坯(1000℃左右)经数百米长的传送带传送，钢坯直接暴露在空气中等。在钢坯生产的整个工艺流程中，连铸过程中矫直段、切割后下线的钢坯及热轧过程中的钢坯等，均未对钢坯的辐射热回收利用，不仅造成能量的巨大浪费，而且使得连铸机周围的工作环境恶化，影响了工人的健康。如何在钢坯的生产中对钢坯浪费的辐射热量进行回收，并且与二氧化碳应用相结合的研究或者报道，在钢铁企业领域尚未出现。

“能源、环境与发展”是当今世界所面临的三大主题。能源的高效利用主要是通过热力学循环单元实现的，为了更有效地提高能源转换效率，先后出现了朗肯循环、布雷顿循环等能量转换系统。对于传统的蒸汽朗肯循环发电单元，在高温下，蒸汽将与金属材料发生反应而使材料发生腐蚀。如蒸汽朗肯循环的600℃超超临界机组，采用铁素体合金钢(80％)和奥氏体合金钢(20％)材料的高温段设备制造成本约占50％，折合1000元/kW；鉴于高温下材料腐蚀问题的限制，700℃超超临界机组的高温段合金材料替换为铁素体合金钢(56％)、镍基高温合金(29％)和奥氏体合金钢(15％)后，由于镍基合金材料部分的相关成本将上升10倍以上，高温段设备成本将上升3700元/kW以上，建设成本也将相应上升至7700元/kW以上。综合材料、经济效益等因素的限制，要提高发电效率存在较大困难，而采用布雷顿循环可以达到更高的发电效率。利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳(CO₂)由于其临界压力相对适中(7.38MPa)，具有较好的稳定性和物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。二氧化碳作为近年来新兴的绿色工质，在热力循环方面有着巨大的发展前景。二氧化碳在大气中广泛存在，储量丰富且廉价易得，对环境的影响小，它不可燃且具有良好的化学稳定性。二氧化碳的临界温度为304.21K，临界压力为7.377MPa，较容易实现超临界性态，对设备的要求较低，降低了制造成本。超临界二氧化碳具有近似液体的高密度、近似气体的低粘度，在热力循环中压缩功耗低，有利于提高热力系统净效率。由于超临界二氧化碳(S-CO₂)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO₂)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小。布雷顿循环每个组合可以产出20MW的电力，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿(Brayton)循环轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环轮机。