一种电弧炉双室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，具体涉及一种电弧炉双室铁浴煤气化的电网调峰系统及方法。

背景技术：

目前，火力发电是我国的主要发电方式。近年来，随着我国人民生活水平的提高和产业结构的调整，全社会用电结构发生了很大的变化，导致各大电网峰谷差日趋增大。电力企业在供电安全性、可靠性及电能质量等方面的要求也越来越高。电网负荷随时间分配不平衡，电网日负荷随时间呈现规律性变化，电网发电机组要同时满足峰谷两个期间的用电需求。电网低谷负荷只有电网高峰负荷的60%，电网低谷电能不能有效利用。这导致在电网负荷高峰时需要拉闸限电，而低谷时则需要停掉很多机组。发电机组频繁启停不仅会增加能耗，使电力设备发电效率下降，经济效益降低，而且会影响发电机组的使用寿命。2014年我国30万千瓦以上火电设备年平均利用率仅为45%，对于能源短缺的今天，这会造成极大的能源浪费和资源损失。目前，我国电网调峰能力难以满足日益增长的客观调峰需求，电网调峰技术的发展对于日趋严重的调峰问题意义重大。

按照调峰方式的不同，目前的调峰技术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。

蓄能调峰是我国乃至世界电网调峰的必然趋势。按照蓄能方式的不同，电网蓄能调峰可以分为：(1)机械能蓄能：抽水蓄能，压缩空气蓄能；(2)热能蓄能：热水蓄热锅炉，燃气热电联产，蓄能空调技术； (3)电化学蓄能：蓄电池、燃料电池；(4)化学能蓄能：电解铝，电解水制氢。在目前的蓄能调峰技术中，抽水蓄能调峰技术、热水蓄热锅炉、燃气热电联产以及蓄能空调技术均受到季节和地域的限制；压缩空气蓄能技术调峰速度慢灵活性差；蓄电池，燃料电池蓄能调峰技术能源转换效率高，但存储容量及发电功率是其技术发展的限制环节。与其他蓄能技术相比，化学能蓄能具有一定的优势，该技术可适应电网峰谷特性，利用谷期电制备化学产品，在最大程度上提高电网设备的利用率，减少峰谷差，保证高效的能源转化效率。在目前化学能蓄能技术的研发中，电解水制氢技术具有环保，无污染的优点，利用该技术可得到高附加值的氢气，但其投资成本高，经济性差；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。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电弧炉双室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/化工合成气，属于一种新型化学能蓄能技术。本发明采用的技术方案为：

一种电弧炉双室铁浴煤气化的电网调峰系统，包括供电装置、熔铁电弧炉、煤气化炉，所述供电装置连接所述熔铁电弧炉，所述熔铁电弧炉通过上连接管和下连接管与所述煤气化炉连接，并且所述熔铁电弧炉中上连接管和下连接管的管口距离H₁与所述煤气化炉中上连接管和下连接管的管口距离H₃要满足以下关系式：H₃<0.953H₁；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煤气化炉，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峰谷调控器，所述峰谷调控器依次连接熔断器、互感器、变压器、短网，所述短网通过加热电极连接所述熔铁电弧炉。

进一步地，所述加热电极为石墨电极。

进一步地，所述煤气化炉设有物料喷嘴、气体出口、熔渣出口，所述物料喷嘴垂直设置于所述煤气化炉顶部；或者所述物料喷嘴设置在所述煤气化炉侧部，且所述物料喷嘴与所述煤气化炉侧壁的夹角为10°~45°。

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合成气反应器，所述合成气成分调节装置用于通过水蒸气变换反应调节CO与H₂的摩尔比为1:3，所述合成气反应器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，所述合成气成分调节装置连接所述除尘器。

一种电弧炉双室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）将电流引入熔铁电弧炉内加热铁水至熔铁电弧炉和煤气化炉内温度达到1500~1600℃并稳定；

（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煤气化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)=+110.39kJ/mol (1)

CaO+S+C=CaS+CO(g) ∆H₂=-26.85kJ/mol (2)

C+CO₂(g)=2CO(g)=+161.81kJ/mol (3)

C+H₂O(g)=CO(g)+H₂(g)=+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) ∆H₆=-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谷期调峰负荷为例，按照质量守恒及能量守恒对电弧炉双室铁浴煤气化的电网调峰系统及方法所需物料及生成的产物进行计算，方法如下：

计算条件：熔铁电弧炉为交流电弧炉，输入功率P_a=50MW，电热效率为78%，熔铁电弧炉铁水入口温度为1450℃，出口温度为1550℃，气化剂为CO₂，煤气化炉内煤粉中的C与CO₂摩尔比为1:1，煤粉中的S与CaCO₃摩尔比为1:1。

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

当采用优质煤时，由煤气化炉、熔铁电弧炉组成的系统存在的能量关系为：

电热输入量Q₁+煤粉带入的物理热Q₂+气化剂带入的物理热Q₃+CaCO₃带入的物理热Q₄ +CaSO₃化学反应生成热Q₅=熔渣带出的物理热Q₆+合成气带出的物理热Q₇+煤气化反应吸热量Q₈+ CaCO₃分解吸热量Q₉+其他热损失Q₁₀，其中Q_1~10的单位为KJ/S。

进入系统的能量：

单位时间电热输入量Q₁：Q₁=50×0.78=39；

单位时间煤粉带入的物理热Q₂：Q₂=C_coalm_coalT_coal=1.21m_coal×20（℃）=24.2m_coal；

其中，C_coal为煤粉的比热，KJ/(kg·℃)；m_coal为单位时间消耗的煤粉质量为kg/s；T_coal为空气温度，℃；

单位时间内消耗CO₂质量：m_CO2=（85.87%m_coal/12-0.49%m_coal/32×2）×44；其中m_CO2单位为kg/s；

单位时间内消耗CaCO₃质量：m_CaCO3= m_coal×0.49%×100/32，其中m_CaCO3单位为kg/s；

单位时间内气化剂带入的物理热Q₃：Q₃=C_CO2 m_CO2T_CO2=0.996 m_CO2×200（℃）=627.201m_coal；

其中，C_CO2为二氧化碳的比热，KJ/(kg·℃)； T_CO2为二氧化碳温度，℃；

单位时间内消耗CaCO₃带入的物理热Q₄：Q₄=C_CaCO3m_CaCO3T_CaCO3=0.84m_CaCO3×20（℃）=0.6854m_coal；

其中，C_CaCO3为单位时间内消耗碳酸钙的比热， KJ/(kg·℃)；T_CaCO3为碳酸钙温度，℃；

单位时间内CaS化学反应生成热Q₅：

Q₅=m_s/M_s×ΔH₂=0.49%m_coal/0.032×26.85=0.0041m_coal；

其中m_s表示单位时间内生成CaS的质量，kg/s；M_s表示CaS的摩尔质量，kg/mol；

离开系统能量：

单位时间内反应产生的灰渣质量：m_slag= m_Coal×11.73%=0.1173 m_Coal

单位时间灰渣带出的物理热Q₆：Q₆=C_slagm_slagT_铁=0.1173m_coal×1450（℃）=156.4782m_coal；

其中，C_slag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：

m_CO=2×m_C×28/12= m_Coal×85.87%×56/12=4.0073 m_Coal；

其中，m_CO为单位时间内生成CO质量，kg/s；m_C为单位时间内消耗的煤粉质量，kg/s；

单位时间内合成气带出的物理热Q₇：Q₇=C_COm_COT_CO=1.16×m_CO×1450（℃）=6740.2225m_coal；

其中，C_CO为CO的比热，KJ/(kg·℃)；T_CO为CO温度，℃；

单位时间内消耗煤气化反应吸热量Q₈：

Q₈=m_c/M_c×ΔH₃=(0.8587m_coal/0.012-0.0049m_coal/0.0032)×161.81/1000=11578.854m_coal；

其中m_c表示单位时间内消耗煤粉的含碳量，kg/s；M_c表示碳的摩尔质量，kg/mol；

单位时间内消耗CaCO₃分解吸热量Q₉：

Q₉= m_CaCO3/M _CaCO3×ΔH₁=0.49%m_coal/0.012×110.39=45.3168m_coal；

其中，m_CaCO3表示单位时间内消耗碳酸钙的质量，kg；M _CaCO3表示碳酸钙的摩尔质量，kg/mol；

其他热损失取为5%，即Q₁₀= (Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄+Q₅)×5%；

由能量守恒，可得：Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄+ Q₅= Q₆+ Q₇+ Q₈+Q₉+Q₁₀；

最终得到：m_Coal=2.0167kg/s=7.26t/h

则以CO₂为气化剂时，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H₂O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29.48t/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。

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：

n_CO/n_H2=(m_CO/28-X/18)/(X/18+n_Coal-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=13.92t/h，所以经过变换后的合成气中m_CO=7.44t/h，m_H2=1.59t/h。

由此可得生成甲烷的量为4.25t/h。

同理可得其余情况下合成气成分调节装置中水蒸气的添加量和最终产生CH₄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，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中熔铁电弧炉与煤气化炉内铁水的循环流动原理图，其中H₁为熔铁电弧炉中上连接管和下连接管的管口距离，H₂为熔铁电弧炉中铁水液面与上连接管管口距离，H₃为煤气化炉中上连接管和下连接管的管口距离，H₄为煤气化炉中铁水液面与上连接管管口距离。

图3为本发明的电网调峰系统的熔铁电弧炉和煤气化炉的一种结构示意图。

图4为本发明的电网调峰系统的熔铁电弧炉和煤气化炉的另一种结构示意图。

图2~4中，1-电网，2-峰谷调控器，3-熔断器，4-互感器，5-变压器，6-短网，7-熔铁电弧炉，8-煤气化炉，9-换热器，10-除尘器，11-合成气成分调节装置，12-合成气反应器，13-加热电极，14-铁水熔池，15-下连接管，16-上连接管，17-物料喷嘴，18-气体出口，19-渣层，20-熔渣出口。

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，所述电网调峰系统包括供电装置、熔铁电弧炉7、煤气化炉8、换热器9和除尘器10，所述供电装置连接所述熔铁电弧炉7，所述熔铁电弧炉7通过上连接管16和下连接管15与所述煤气化炉8连接，并且所述熔铁电弧炉7中上连接管和下连接管的管口距离H₁与所述煤气化炉中上连接管和下连接管的管口距离H₃要满足以下关系式：H₃<0.953H₁；所述煤气化炉设有物料喷嘴17、气体出口18、熔渣出口20，所述物料喷嘴垂直设置于所述煤气化炉顶部（如图3所示）；或者所述物料喷嘴设置在所述煤气化炉侧部，且所述物料喷嘴与所述煤气化炉侧壁的夹角为10°~45°（如图4所示）；所述供电装置与电网1连接；所述换热器9连接所述煤气化炉8，所述除尘器10连接所述换热器9。

所述供电装置包括与电网1连接的峰谷调控器2，所述峰谷调控器2依次连接熔断器3、互感器4、变压器4、短网6，所述短网6通过加热电极13连接所述熔铁电弧炉7，所述加热电极为石墨电极。

所述系统还可设置城市煤气处理装置，所述城市煤气处理装置包括合成气成分调节装置11和合成气反应器12，所述合成气成分调节装置11用于通过水蒸气变换反应调节CO与H₂的摩尔比为1:3，所述合成气反应器12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，所述合成气成分调节装置11连接所述除尘器10。

图2提供了上述系统中所述熔铁电弧炉与煤气化炉内铁水的循环流动原理图。熔铁电弧炉与煤气化炉通过上、下连接管连接，上连接管为水平管，下连接管为倾斜管。铁水在熔铁电弧炉中不断被加热，而在煤气化炉中放热，从而产生温度梯度，引起熔池内部的密度梯度。熔铁电弧炉熔池温度高于煤气化炉熔池温度。在熔铁电弧炉和煤气化炉熔池间存在熔铁电弧炉上连接管口处压强低于煤气炉上连接管管口处压强；熔铁电弧炉下连接管管口处压强高于煤气化炉下连接管管口处压强。

实施例1

一种电弧炉双室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所示的熔铁电弧炉和煤气化炉：铁水容量150t，底面直径为2m，高度为6m，铁水深度为3.1m；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）将电流引入熔铁电弧炉内加热铁水，其中熔铁电弧炉内温度为1550℃，煤气化炉内温度为1450℃，铁水在熔铁电弧炉与煤气化炉间形成循环流动；

（3）将气化剂CO₂预热至200℃，从物料喷嘴喷入预热CO₂携带的优质无烟煤粉和碳酸钙混合粉末至煤气化炉中进行煤气化反应，其中煤粉流量为7.26t/h，CO₂流量为22.85t/h，CaCO₃粉末为0.3t/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，得到温度在1000℃以上的高温煤气，其中CO和H₂的产量为26700m³/h，562m³/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5950m³/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

一种电弧炉双室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4示的熔铁电弧炉和煤气化炉：铁水容量150t，底面直径为2m，高度为6m，铁水深度为3.1m，并且煤气化炉中物料喷嘴与煤气化炉侧壁的夹角为30°；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）将电流引入熔铁电弧炉内加热铁水，其中熔铁电弧炉内温度为1500℃，煤气化炉内温度为1400℃，铁水在熔铁电弧炉与煤气化炉间形成循环流动；

（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优质无烟煤粉和碳酸钙混合粉末至煤气化炉中进行煤气化反应，其中煤粉流量为8.17t/h，水蒸气流量为10.53t/h，CaCO₃粉末为0.34t/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，得到温度在1000℃以上的高温煤气，其中CO和H₂的产量为13096m³/h，13708m³/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6692m³/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

一种电弧炉双室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，所述多套系统均采用如图3示的熔铁电弧炉和煤气化炉：铁水容量150t，底面直径为2m，高度为6m，铁水深度为3.1m；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）将电流引入并联系统内各个熔铁电弧炉内加热铁水，其中熔铁电弧炉内温度为1500℃，煤气化炉内温度为1400℃，铁水在熔铁电弧炉与煤气化炉间形成循环流动。

（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优质无烟煤粉和碳酸钙混合粉末至煤气化炉中进行煤气化反应，其中煤粉流量为8.17t/h，水蒸气流量为10.53t/h，CaCO₃粉末为0.34t/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，得到温度在1000℃以上的高温煤气，其中CO和H₂的产量为13096m³/h，13708m³/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6692m³/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。