一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰系统及方法与流程
本发明涉及电网电能的综合利用，具体涉及一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰系统及方法。
背景技术：
近年来，随着全社会用电结构的改变，各大电网谷峰差日益增大，出现用电峰期时发电机组的峰值负荷难以满足用户需要而不得不拉闸限电，但在用电谷期时又出现电量过剩的情况。由于电网负荷随时间分配不均衡，电网的调峰能力与客观上调峰需要之间的矛盾造成了电网负荷的利用率低。据统计，2014年我国30万千瓦以上火电设备年平均利用率仅为45%，因此，找到行之有效的调峰方式，开发新的电网调峰技术势在必行。
目前的调峰技术，按照调峰方式主要分为机组操作调峰和蓄能调峰两类。机组操作调峰主要包括少汽无功运行、低负荷运行及两班制运行。少汽无功运行在用电低谷时将机组的负荷减少至零，使机组处于额定转速旋转的无功状态；低负荷运行通过改变机组的负荷来满足电网的调峰需求；两班制运行根据电网的日负荷曲线的分配规律，在白天机组正常运行，夜间在电网负荷低谷时则停机6-8h。少汽无功运行及低负荷运行均存在能源浪费严重的问题。两班制运行的调峰方式则对设备操作参数要求严格，安全性较低。
蓄能调峰是将电网低谷时期的电通过蓄能装置储存起来，并在用电高峰时使用的一种方法。该方法可以减小电网峰谷差，达到移峰填谷的目的。蓄能调峰按照蓄能方式可分为：机械能蓄能、热能蓄能、电化学蓄能和化学能蓄能。
机械能蓄能，是在用电低谷时将电转化为机械能储存起来，在用电高峰期再将机械能转化为电能的一种方法。机械能蓄能，主要包括压缩空气蓄能和抽水蓄能。其中，压缩空气蓄能是通过大型空气压缩机将电能转化成压缩空气的内能予以储备的一种方法。当电能富裕时，通过压缩机将空气压入地下储气室进行储能；用电高峰期时，压缩空气推动涡轮机组发电。由于此方法先将电能转化为压缩空气的内能，而后再重新转化为电能，故会造成电能消耗量大、能源转化效率低和经济性差等不良后果。抽水蓄能是利用用电低谷时期的多余负荷驱动水泵进行抽水蓄能，而在用电高峰期时利用蓄水池的水驱动水轮机发电的一种方法。该方法受季节、地域限制较严重，无法进行大规模推广。
热能蓄能，是在用电低谷时将电转化为热能储存起来，用电高峰期再将热能转化为电能的一种方法。例如一种单罐蓄热装置，利用谷期电加热储存在罐内的蓄热介质，蓄热介质吸热储能，在用电高峰期释放能量并通过能量利用装置加以利用。此装置的优点在于装置结构简单、紧凑、使用方便，但蓄热量有限使得该装置的适用范围较小。与之相反，蓄冷空调技术是利用夜间低谷电力制冷，以满足高峰空调负荷的需要。与抽水蓄能相似，此方法受季节、地域限制较为严重。
电化学蓄能，包括利用蓄电池、燃料电池来储存谷期电，在用电峰期时释放储存的电能。该方法的能源转化效率高，但是由于运行成本高，存储容量小，使其应用范围受到一定程度地制约。
化学能蓄能，是将用电谷期时的电能转化为高品质的化学能储存起来的一种方法，如利用谷期电进行电解水制氢。虽然电解水制氢的产品附加值高，但投资成本相对也较高。另外，也有将谷期电应用于如电解铝等高耗能产业。由于电解铝技术存在污染严重的问题，而且在铝产能过剩的今天，通过电解铝技术进行电网调峰不占优势。
因此，开发一种新的蓄能技术具有重大意义。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰系统及方法，所述系统及方法基于铁浴煤气化技术，即利用谷期电制备高温煤气，进而制备城市煤气或其它化工产品，属于一种新型化学能蓄能技术。本发明采用的技术方案为：
一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰系统，包括供电装置和感应炉，所述供电装置连接所述感应炉，所述感应炉包括炉体和用于给炉体加热的感应器，所述炉体设有投料口、物料喷嘴、气体出口、熔渣出口，所述物料喷嘴设置在所述炉体侧壁，且所述物料喷嘴与所述炉体侧壁的夹角为20°~60°；所述供电装置与电网连接。
进一步地，所述系统还包括换热器和除尘器，所述换热器连接所述感应炉，所述除尘器连接所述换热器。
进一步地，所述供电装置包括与电网连接的变压器，所述变压器依次连接接触器、电流互感器、电容器和电抗器、以及补充电容，所述补充电容连接所述感应炉。
进一步地，所述感应器为感应线圈。
进一步地，所述感应炉采用卧式感应炉或者槽沟式感应炉。
进一步地，所述系统还可以包括城市煤气处理装置，所述城市煤气处理装置包括合成气成分调节装置和甲烷化装置，所述合成气成分调节装置连接所述除尘器，用于通过水蒸气变换反应调节合成气中CO与H2的摩尔比为1:3，所述甲烷化装置用于将从所述合成气成分调节装置出来的混合气通过甲烷化反应全部转化为城市煤气。
一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰方法，是采用上述电网调峰系统，包括以下步骤：
（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷，并确定所述电网调峰系统的数量；如果采用1套电网调峰系统，直接进入步骤（2）；如果采用多套电网调峰系统，将多套电网调峰系统并联后再进入步骤（2）；
（2）将废铁/废钢加入感应炉，并将电能引入感应炉内加热熔化废铁/废钢至温度达到1400~1550℃并保持恒定；
（3）将气化剂预热至200~400℃，从物料喷嘴喷入预热气化剂携带的煤粉和碳酸钙混合粉末至感应炉中进行煤气化反应，得到高温煤气；
（4）将高温煤气用于制备城市煤气或者化工产品。
上述方法中，所述气化剂为CO2、水蒸气、富CO2烟气中的一种或多种混合。
上述方法中，所述预热气化剂携带的煤粉和碳酸钙混合粉末，其中气化剂、煤粉和碳酸钙中的C与气化剂中的O的摩尔比为1:0.9~1:1.5，CaCO3与煤粉中的S的摩尔比为1:1~2.5:1。
上述方法中，所述将高温煤气用于制备城市煤气，具体过程为：将高温煤气依次经换热器换热、除尘器除尘后进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H2，并控制合成气中CO与所生成的H2的摩尔比为1:3；将混合气送入甲烷化装置中于250~300℃发生甲烷化反应获得城市煤气。
上述方法中，所述将高温煤气依次经换热器换热，所述换热器中换热介质为水，换热后获得的水蒸气可用作气化剂。
上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。
本发明涉及的反应方程式为：
CaCO3=CaO+CO2(g) ∆H1=+110.39kJ/mol (1)
CaO+S+C=CaS+CO(g) ∆H2=-26.85kJ/mol (2)
C+CO2(g)=2CO(g) ∆H3=+161.81kJ/mol (3)
C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ∆H4=+135.0kJ/mol (4)
CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ∆H5=+39.22kJ/mol (5)
CO(g)+3H2=CH4(g)+ H2O(g) ∆H6=-216.45kJ/mol (6)
CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g) ∆H7=-202.51kJ/mol (7)
∆H1~∆H7表示反应(1)~(7)的反应热。
煤气化反应为强吸热反应，以高温铁水作为热载体，为煤气化反应提供所需的热量。熔池中的铁水对煤气化反应还具有催化作用，可提高煤气化反应速率，改善煤气组分。
下面以50MW的谷期调峰负荷为例，根据能量守恒和质量守恒对该系统所需的物料与生成的产物进行计算，方法如下：
选用的煤粉为劣质煤和优质煤两种，两种煤的工业分析和元素分析如表1所示：
表1劣质煤和优质煤的工业分析和元素分析结果
计算条件：采用电磁感应加热的方式，电输入功率Pa=50MW，电热效率为74%；气化剂为CO2，煤粉中的C与CO2摩尔比取1:1，煤粉中S与CaCO3的摩尔比取1:1；感应炉内铁水温度为1450℃。
当采用优质煤时，系统存在的能量平衡关系为：
电热输入功率P+气化剂CO2、煤粉和CaCO3的物理热输入功率Pm=气化反应吸热功率P吸+灰渣物理热输出功率P灰+CaCO3分解热输出功率P石+CaS生成热吸收功率PCaS+产气物理热输出功率P产+其他散热损失功率P失，其中P、Pm、P吸、P灰、P石、PCaS、P产、P失的单位为MW。
进入系统的热功率：
电热输入功率P：P=50×0.74=37；
设单位时间内气化煤的质量为mcoal，kg/s；
煤粉带入的物理热功率P1，kJ/s：P1=CpcoalmcoalTcoal=1.21mcoal×20（℃）=24.2mcoal，其中Cpcoal表示煤粉的比热，KJ/(kg·℃)；Tcoal为煤粉温度，℃；
单位时间内消耗的CO2质量mCO2，kg/s：mCO2=（85.87%mcoal/12-0.49%mcoal/32×2）×44；
气化剂带入的物理热功率P2，kJ/s：P2=CpCO2 mCO2TCO2=0.996 mCO2×200（℃）=625.5103mcoal，其中CpCO2表示二氧化碳的比热，KJ/(kg·℃)；TCO2为二氧化碳温度，℃；
单位时间内消耗的CaCO3质量mCaCO3，kg/s：mCaCO3= mcoal×0.49%×100/32；
CaCO3带入的物理热功率P3，kJ/s：P3=CpCaCO3mCaCO3TCaCO3=0.84mCaCO3×20（℃）=0.2573mcoal；
则Pm=P1+P2+P3 =0.6490mcoal，其中CpCaCO3表示碳酸钙的比热，KJ/(kg·℃) ；TCaCO3为碳酸钙温度，℃；
离开系统的热功率：
CaS生成热吸收功率PCaS：PCaS=ms/Ms×ΔH2=0.49%mcoal/0.032×26.85=0.0041mcoal，其中ms表示单位时间内生成CaS的质量，kg/s；Ms表示CaS的摩尔质量，kg/mol；
气化反应吸热功率P吸：
P吸=mc/Mc×ΔH3=(0.8587mcoal/0.012-0.0049mcoal/0.0032)×161.81/1000=11.5541mcoal，其中mc表示单位时间内消耗煤粉的含碳量，kg/s；Mc表示碳的摩尔质量，kg/mol；
单位时间内反应产生灰渣的质量mslag，kg/s：mslag= mcoal×11.73%=0.1173mcoal；
灰渣物理热输出功率P灰：P灰=CpslagmslagT铁=0.92mslag×1450（℃）=0.1565mcoal；
其中，Cpslag为熔渣的比热，KJ/(kg·℃)；T铁为铁水温度，℃；
煤气化反应转化率按100%计算，合成气中CO的质量mCO，kg/s：
mCO=mc×28/12×2=(85.87%mcoal/12-0.49%mcoal/32)×28×2；
产气物理热输出功率P产：P产=CpCOmCOTCO=1.16×mCO×1450（℃）=6.7258mcoal；其中，CpCO为CO的比热，KJ/(kg·℃)；TCO为CO温度，℃；
CaCO3分解热输出功率P石：P石= m石/M石×ΔH1=0.49%mcoal/0.032×110.39=0.0169mcoal；
其中，m石表示单位时间内消耗碳酸钙的质量，kg/s；M石表示碳酸钙的摩尔质量，kg/mol；
其他热损失功率P失取其最大输入功率的5%，则：P失=50×5%=2.5；
计算得到mcoal=1.9391kg/s=6.9808t/h；
当采用劣质煤时计算方法与优质煤相同，由此可得采用劣质煤时的投煤3.0228kg/s=10.8819t/h。
物料平衡计算表如表2所示：
表2以CO2为气化剂的物料平衡计算表
同理可得当采用水蒸气做气化剂时的物料平衡计算表，如表3所示：
表3以H2O为气化剂的物料平衡计算表
下面对合成气用于制取城市煤气时的情况进行物料计算：
计算条件：优质煤采用CO2作为气化剂时产生的合成气；
合成气中CO与H2的总质量为27.9742t/h，在合成气变换装置中主要发生反应(5)将CO与H2的摩尔比调节成1:3。
CO+H2O=CO2+H2 ∆H5=+39.22kJ/mol (5)
因此，假设通入水蒸气的量为X t/h，则根据CO与H2所需的摩尔比，可得：
nCO/nH2=(mCO/28-X/18)/(X/18+nCoal-H2)=1/3
其中，nco表示单位时间内产生CO的物质的量，mol/s；nH2表示单位时间内产生H2的物质的量，mol/s；mCO表示单位时间内产生CO的质量，kg/s；mH2表示单位时间内产生H2的质量，kg/s，ncoal-H2表示单位时间内煤热解，mol/s。由此可得在合成气变换装置中水蒸气的需求量X=13.3870t/h，所以经过变换后的合成气中mCO=7.1499t/h，mH2=1.5321t/h。甲烷的生成量为4.0854t/h。
同理可得其余情况下合成气变换装置中水蒸气的需求量和最终产生甲烷的量，如表4所示：
表4甲烷生成的物料衡算表
本发明的有益效果为：本发明具有适应性强，不受季节、地域限制，调峰能力强、响应快、易控制，能源转化效率高，环保经济等优点；既解决了日趋严重的电网调峰问题，又能产生高品质煤气/合成气，所产生的煤气/合成气除了可直接作为化工原料进行化工产品合成外，还可用于制取城市煤气，有助于缓解我国煤气供应短缺的现状。
附图说明
图1为本发明的电网调峰系统的结构示意图。
图2为本发明的电网调峰系统的卧式感应炉的结构示意图。
图3为本发明的电网调峰系统的槽沟式感应炉的结构示意图。
图1~3中，1.变压器；2.接触器；3.电流互感器；4.电容器；5.电抗器；6.补偿电容；7.感应炉；8.换热器；9.除尘器；10.合成气成分调节装置；11.感应线圈；12.投料口；13.炉体；14.气体出口；15. 熔渣出口；16.物料喷嘴；17.铁水；18.熔沟；19.甲烷化装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
图1提供了本发明的电网调峰系统的结构示意图，所述电网调峰包括供电装置、感应炉7、换热器8和除尘器9，所述供电装置连接所述感应炉7，所述感应炉包括炉体和用于给炉体加热的感应器，所述炉体设有投料口12、物料喷嘴16、气体出口14、熔渣出口15，所述物料喷嘴16设置在所述炉体侧壁，且所述物料喷嘴与所述炉体侧壁的夹角为20°~60°；所述供电装置与电网连接；所述换热器8连接所述感应炉7，所述除尘器9连接所述换热器8。
所述供电装置包括与电网连接的变压器1，所述变压器1依次连接接触器2、电流互感器3、电容器4和电抗器5、以及补充电容6，所述补充电容6连接所述感应炉。
所述感应炉采用卧式感应炉（如图2所示）或者槽沟式感应炉（如图3所示）。
所述感应器为感应线圈。
所述系统还可设置包括城市煤气处理装置，所述城市煤气处理装置包括合成气成分调节装置和甲烷化装置，所述合成气成分调节装置连接所述除尘器，用于通过水蒸气变换反应调节高温煤气中CO与H2的摩尔比为1:3，所述甲烷化装置用于将从所述合成气成分调节装置出来的混合气通过甲烷化反应全部转化为城市煤气。
实施例1
一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰方法，是采用如图1所示的电网调峰系统，所述系统采用如图2所示的卧式感应炉：炉体为U形结构，坩埚水平部分内径为1.5m，长2m；坩埚垂直部分内径2m，高3m；所述电网调峰方法包括以下步骤：
（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷；
（2）将废铁/废钢加入感应炉，并将电能引入感应炉内加热熔化废铁/废钢至温度达到1450℃并保持恒定，铁水液面高2m，质量为76t；
（3）将气化剂CO2预热至200℃，从物料喷嘴喷入预热CO2携带的煤粉和碳酸钙混合粉末至感应炉中进行煤气化反应，其中煤粉流量为6.98t/h，CO2流量为21.98t/h，CaCO3粉末为0.29t/h，煤粉、碳酸钙和CO2中所含的C与CO2中的O的摩尔比为1:1，CaCO3与煤粉中的S的摩尔比为1:1，得到高温煤气，其中CO和H2的产量为22379m3/h和500m3/h；煤气化炉中产生的熔渣由熔渣出口排出；
（4）将高温煤气经过换热器进行余热回收，在换热器内，高温煤气与水进行换热，煤气温度可降至300℃左右，降温后的煤气进入除尘器中净化除尘。
除尘后的洁净煤气有两种途径：一方面洁净煤气可直接作为化工原料进行化工产品合成；另一方面洁净煤气进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H2，并控制CO与所生成的H2的摩尔比为1:3；将混合气送入合成气反应器中发生甲烷化反应（反应式(6)、(7)）获得城市煤气，甲烷生产量为5719m3/h。
上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。
实施例2
一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰方法，是采用如图1所示的电网调峰系统，所述系统采用如图3所示的槽沟式感应炉：炉体为圆柱形坩埚，坩埚直径为2.16m，高4m；所述电网调峰方法包括以下步骤：
（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷；
（2）将废铁/废钢加入感应炉，并将电能引入感应炉内加热熔化废铁/废钢至温度达到1400℃并保持恒定，铁水液面高3m，质量为86t；
（3）将气化剂水蒸气预热至400℃，从物料喷嘴喷入预热水蒸气携带的煤粉和碳酸钙混合粉末至感应炉中进行煤气化反应，其中煤粉流量为7.86t/h，水蒸气流量为10.12t/h，CaCO3粉末为0.32t/h，煤粉和碳酸钙中所含的C与水蒸气中的O的摩尔比为1:1，CaCO3与煤粉中的S的摩尔比为1:1，得到高温煤气，其中CO和H2的产量为12598m3/h和13161m3/h；煤气化炉中产生的熔渣由熔渣出口排出；
（4）将高温煤气经过换热器进行余热回收，在换热器内，高温煤气与水进行换热，煤气温度可降至300℃左右，降温后的煤气进入除尘器中净化除尘。
除尘后的洁净煤气有两种途径：一方面洁净煤气可直接作为化工原料进行化工产品合成；另一方面洁净煤气进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H2，并控制CO与所生成的H2的摩尔比为1:3；将混合气送入合成气反应器中发生甲烷化反应（反应式(6)、(7)）获得城市煤气，甲烷生产量为6439m3/h。
上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。
实施例3
一种感应炉铁浴煤气化的电网调峰方法，是采用如图1所示的多套电网调峰系统，所述多套系统采用如图2所示的卧式感应炉：炉体为U形结构，坩埚水平部分内径为1.5m，长2m；坩埚垂直部分内径2m，高3m；所述电网调峰方法包括以下步骤：
（1）根据谷期的实际用电量确定电网调峰量，设置用电负荷，并将多套电网调峰系统并联；
（2）将废铁/废钢加入感应炉，并将电能通过供电装置引入并联的感应炉内加热熔化废铁/废钢至温度达到1450℃并保持恒定，铁水液面高2m，质量为76t；
（3）将气化剂CO2预热至200℃，从物料喷嘴喷入预热CO2携带的煤粉和碳酸钙混合粉末至感应炉中进行煤气化反应，其中煤粉流量为6.98t/h，CO2流量为21.98t/h，CaCO3粉末为0.29t/h，煤粉、碳酸钙和CO2中所含的C与CO2中的O的摩尔比为1:1，CaCO3与煤粉中的S的摩尔比为1:1，得到高温煤气，其中CO和H2的产量为22379m3/h和500m3/h；煤气化炉中产生的熔渣由熔渣出口排出；
（4）将高温煤气经过换热器进行余热回收，在换热器内，高温煤气与水进行换热，煤气温度可降至300℃左右，降温后的煤气进入除尘器中净化除尘。
除尘后的洁净煤气有两种途径：一方面洁净煤气可直接作为化工原料进行化工产品合成；另一方面洁净煤气进入合成气成分调节装置，与水蒸气反应生成H2，并控制CO与所生成的H2的摩尔比为1:3；将混合气送入合成气反应器中发生甲烷化反应（反应式(6)、(7)）获得城市煤气，甲烷生产量为5719m3/h。
上述方法中，所述化工产品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烃等以CO为主要原料的产品。
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