本發明涉及電網電能的綜合利用，具體涉及一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰系統及方法。

背景技術：

近年來，隨著全社會用電結構的改變，各大電網谷峰差日益增大，出現用電峰期時發電機組的峰值負荷難以滿足用戶需要而不得不拉閘限電，但在用電谷期時又出現電量過剩的情況。由于電網負荷隨時間分配不均衡，電網的調峰能力與客觀上調峰需要之間的矛盾造成了電網負荷的利用率低。據統計，2014年我國30萬千瓦以上火電設備年平均利用率僅為45%，因此，找到行之有效的調峰方式，開發新的電網調峰技術勢在必行。

目前的調峰技術，按照調峰方式主要分為機組操作調峰和蓄能調峰兩類。機組操作調峰主要包括少汽無功運行、低負荷運行及兩班制運行。少汽無功運行在用電低谷時將機組的負荷減少至零，使機組處于額定轉速旋轉的無功狀態；低負荷運行通過改變機組的負荷來滿足電網的調峰需求；兩班制運行根據電網的日負荷曲線的分配規律，在白天機組正常運行，夜間在電網負荷低谷時則停機6-8h。少汽無功運行及低負荷運行均存在能源浪費嚴重的問題。兩班制運行的調峰方式則對設備操作參數要求嚴格，安全性較低。

蓄能調峰是將電網低谷時期的電通過蓄能裝置儲存起來，并在用電高峰時使用的一種方法。該方法可以減小電網峰谷差，達到移峰填谷的目的。蓄能調峰按照蓄能方式可分為：機械能蓄能、熱能蓄能、電化學蓄能和化學能蓄能。

機械能蓄能，是在用電低谷時將電轉化為機械能儲存起來，在用電高峰期再將機械能轉化為電能的一種方法。機械能蓄能，主要包括壓縮空氣蓄能和抽水蓄能。其中，壓縮空氣蓄能是通過大型空氣壓縮機將電能轉化成壓縮空氣的內能予以儲備的一種方法。當電能富裕時，通過壓縮機將空氣壓入地下儲氣室進行儲能；用電高峰期時，壓縮空氣推動渦輪機組發電。由于此方法先將電能轉化為壓縮空氣的內能，而后再重新轉化為電能，故會造成電能消耗量大、能源轉化效率低和經濟性差等不良后果。抽水蓄能是利用用電低谷時期的多余負荷驅動水泵進行抽水蓄能，而在用電高峰期時利用蓄水池的水驅動水輪機發電的一種方法。該方法受季節、地域限制較嚴重，無法進行大規模推廣。

熱能蓄能，是在用電低谷時將電轉化為熱能儲存起來，用電高峰期再將熱能轉化為電能的一種方法。例如一種單罐蓄熱裝置，利用谷期電加熱儲存在罐內的蓄熱介質，蓄熱介質吸熱儲能，在用電高峰期釋放能量并通過能量利用裝置加以利用。此裝置的優點在于裝置結構簡單、緊湊、使用方便，但蓄熱量有限使得該裝置的適用范圍較小。與之相反，蓄冷空調技術是利用夜間低谷電力制冷，以滿足高峰空調負荷的需要。與抽水蓄能相似，此方法受季節、地域限制較為嚴重。

電化學蓄能，包括利用蓄電池、燃料電池來儲存谷期電，在用電峰期時釋放儲存的電能。該方法的能源轉化效率高，但是由于運行成本高，存儲容量小，使其應用范圍受到一定程度地制約。

化學能蓄能，是將用電谷期時的電能轉化為高品質的化學能儲存起來的一種方法，如利用谷期電進行電解水制氫。雖然電解水制氫的產品附加值高，但投資成本相對也較高。另外，也有將谷期電應用于如電解鋁等高耗能產業。由于電解鋁技術存在污染嚴重的問題，而且在鋁產能過剩的今天，通過電解鋁技術進行電網調峰不占優勢。

因此，開發一種新的蓄能技術具有重大意義。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰系統及方法，所述系統及方法基于鐵浴煤氣化技術，即利用谷期電制備高溫煤氣，進而制備城市煤氣或其它化工產品，屬于一種新型化學能蓄能技術。本發明采用的技術方案為：

一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰系統，包括供電裝置和感應爐，所述供電裝置連接所述感應爐，所述感應爐包括爐體和用于給爐體加熱的感應器，所述爐體設有投料口、物料噴嘴、氣體出口、熔渣出口，所述物料噴嘴設置在所述爐體側壁，且所述物料噴嘴與所述爐體側壁的夾角為20°~60°；所述供電裝置與電網連接。

進一步地，所述系統還包括換熱器和除塵器，所述換熱器連接所述感應爐，所述除塵器連接所述換熱器。

進一步地，所述供電裝置包括與電網連接的變壓器，所述變壓器依次連接接觸器、電流互感器、電容器和電抗器、以及補充電容，所述補充電容連接所述感應爐。

進一步地，所述感應器為感應線圈。

進一步地，所述感應爐采用臥式感應爐或者槽溝式感應爐。

進一步地，所述系統還可以包括城市煤氣處理裝置，所述城市煤氣處理裝置包括合成氣成分調節裝置和甲烷化裝置，所述合成氣成分調節裝置連接所述除塵器，用于通過水蒸氣變換反應調節合成氣中CO與H₂的摩爾比為1:3，所述甲烷化裝置用于將從所述合成氣成分調節裝置出來的混合氣通過甲烷化反應全部轉化為城市煤氣。

一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰方法，是采用上述電網調峰系統，包括以下步驟：

（1）根據谷期的實際用電量確定電網調峰量，設置用電負荷，并確定所述電網調峰系統的數量；如果采用1套電網調峰系統，直接進入步驟（2）；如果采用多套電網調峰系統，將多套電網調峰系統并聯后再進入步驟（2）；

（2）將廢鐵/廢鋼加入感應爐，并將電能引入感應爐內加熱熔化廢鐵/廢鋼至溫度達到1400~1550℃并保持恒定；

（3）將氣化劑預熱至200~400℃，從物料噴嘴噴入預熱氣化劑攜帶的煤粉和碳酸鈣混合粉末至感應爐中進行煤氣化反應，得到高溫煤氣；

（4）將高溫煤氣用于制備城市煤氣或者化工產品。

上述方法中，所述氣化劑為CO₂、水蒸氣、富CO₂煙氣中的一種或多種混合。

上述方法中，所述預熱氣化劑攜帶的煤粉和碳酸鈣混合粉末，其中氣化劑、煤粉和碳酸鈣中的C與氣化劑中的O的摩爾比為1:0.9~1:1.5，CaCO₃與煤粉中的S的摩爾比為1:1~2.5:1。

上述方法中，所述將高溫煤氣用于制備城市煤氣，具體過程為：將高溫煤氣依次經換熱器換熱、除塵器除塵后進入合成氣成分調節裝置，與水蒸氣反應生成H₂，并控制合成氣中CO與所生成的H₂的摩爾比為1:3；將混合氣送入甲烷化裝置中于250~300℃發生甲烷化反應獲得城市煤氣。

上述方法中，所述將高溫煤氣依次經換熱器換熱，所述換熱器中換熱介質為水，換熱后獲得的水蒸氣可用作氣化劑。

上述方法中，所述化工產品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烴等以CO為主要原料的產品。

本發明涉及的反應方程式為：

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表示反應(1)~(7)的反應熱。

煤氣化反應為強吸熱反應，以高溫鐵水作為熱載體，為煤氣化反應提供所需的熱量。熔池中的鐵水對煤氣化反應還具有催化作用，可提高煤氣化反應速率，改善煤氣組分。

下面以50MW的谷期調峰負荷為例，根據能量守恒和質量守恒對該系統所需的物料與生成的產物進行計算，方法如下：

選用的煤粉為劣質煤和優質煤兩種，兩種煤的工業分析和元素分析如表1所示：

表1劣質煤和優質煤的工業分析和元素分析結果

計算條件：采用電磁感應加熱的方式，電輸入功率P_a=50MW，電熱效率為74%；氣化劑為CO₂，煤粉中的C與CO₂摩爾比取1:1，煤粉中S與CaCO₃的摩爾比取1:1；感應爐內鐵水溫度為1450℃。

當采用優質煤時，系統存在的能量平衡關系為：

電熱輸入功率P+氣化劑CO₂、煤粉和CaCO₃的物理熱輸入功率P_m=氣化反應吸熱功率P_吸+灰渣物理熱輸出功率P_灰+CaCO₃分解熱輸出功率P_石+CaS生成熱吸收功率P_CaS+產氣物理熱輸出功率P_產+其他散熱損失功率P_失，其中P、P_m、P_吸、P_灰、P_石、P_CaS、P_產、P_失的單位為MW。

進入系統的熱功率：

電熱輸入功率P：P=50×0.74=37；

設單位時間內氣化煤的質量為m_coal，kg/s；

煤粉帶入的物理熱功率P₁，kJ/s：P₁=C_pcoalm_coalT_coal=1.21m_coal×20（℃）=24.2m_coal，其中C_pcoal表示煤粉的比熱，KJ/(kg·℃)；T_coal為煤粉溫度，℃；

單位時間內消耗的CO₂質量m_CO2，kg/s：m_CO2=（85.87%m_coal/12-0.49%m_coal/32×2）×44；

氣化劑帶入的物理熱功率P₂，kJ/s：P₂=C_pCO2 m_CO2T_CO2=0.996 m_CO2×200（℃）=625.5103m_coal，其中C_pCO2表示二氧化碳的比熱，KJ/(kg·℃)；T_CO2為二氧化碳溫度，℃；

單位時間內消耗的CaCO₃質量m_CaCO3，kg/s：m_CaCO3= m_coal×0.49%×100/32；

CaCO₃帶入的物理熱功率P₃，kJ/s：P₃=C_pCaCO3m_CaCO3T_CaCO3=0.84m_CaCO3×20（℃）=0.2573m_coal；

則P_m=P₁+P₂+P₃ =0.6490m_coal，其中C_pCaCO3表示碳酸鈣的比熱，KJ/(kg·℃) ；T_CaCO3為碳酸鈣溫度，℃；

離開系統的熱功率：

CaS生成熱吸收功率P_CaS：P_CaS=m_s/M_s×ΔH₂=0.49%m_coal/0.032×26.85=0.0041m_coal，其中m_s表示單位時間內生成CaS的質量，kg/s；M_s表示CaS的摩爾質量，kg/mol；

氣化反應吸熱功率P_吸：

P_吸=m_c/M_c×ΔH₃=(0.8587m_coal/0.012-0.0049m_coal/0.0032)×161.81/1000=11.5541m_coal，其中m_c表示單位時間內消耗煤粉的含碳量，kg/s；M_c表示碳的摩爾質量，kg/mol；

單位時間內反應產生灰渣的質量m_slag，kg/s：m_slag= m_coal×11.73%=0.1173m_coal；

灰渣物理熱輸出功率P_灰：P_灰=C_pslagm_slagT_鐵=0.92m_slag×1450（℃）=0.1565m_coal；

其中，C_pslag為熔渣的比熱，KJ/(kg·℃)；T_鐵為鐵水溫度，℃；

煤氣化反應轉化率按100%計算，合成氣中CO的質量m_CO，kg/s：

m_CO=m_c×28/12×2=(85.87%m_coal/12-0.49%m_coal/32)×28×2；

產氣物理熱輸出功率P_產：P_產=C_pCOm_COT_CO=1.16×m_CO×1450（℃）=6.7258m_coal；其中，C_pCO為CO的比熱，KJ/(kg·℃)；T_CO為CO溫度，℃；

CaCO₃分解熱輸出功率P_石：P_石= m_石/M_石×ΔH₁=0.49%m_coal/0.032×110.39=0.0169m_coal；

其中，m_石表示單位時間內消耗碳酸鈣的質量，kg/s；M_石表示碳酸鈣的摩爾質量，kg/mol；

其他熱損失功率P_失取其最大輸入功率的5%，則：P_失=50×5%=2.5；

計算得到m_coal=1.9391kg/s=6.9808t/h；

當采用劣質煤時計算方法與優質煤相同，由此可得采用劣質煤時的投煤3.0228kg/s=10.8819t/h。

物料平衡計算表如表2所示：

表2以CO₂為氣化劑的物料平衡計算表

同理可得當采用水蒸氣做氣化劑時的物料平衡計算表，如表3所示：

表3以H₂O為氣化劑的物料平衡計算表

下面對合成氣用于制取城市煤氣時的情況進行物料計算：

計算條件：優質煤采用CO₂作為氣化劑時產生的合成氣；

合成氣中CO與H₂的總質量為27.9742t/h，在合成氣變換裝置中主要發生反應(5)將CO與H₂的摩爾比調節成1:3。

CO+H₂O=CO₂+H₂ ?H₅=+39.22kJ/mol (5)

因此，假設通入水蒸氣的量為X t/h，則根據CO與H₂所需的摩爾比，可得：

n_CO/n_H2=(m_CO/28-X/18)/(X/18+n_Coal-H2)=1/3

其中，nco表示單位時間內產生CO的物質的量，mol/s；nH2表示單位時間內產生H2的物質的量，mol/s；mCO表示單位時間內產生CO的質量，kg/s；mH2表示單位時間內產生H2的質量，kg/s，n_coal-H2表示單位時間內煤熱解，mol/s。由此可得在合成氣變換裝置中水蒸氣的需求量X=13.3870t/h，所以經過變換后的合成氣中m_CO=7.1499t/h，m_H2=1.5321t/h。甲烷的生成量為4.0854t/h。

同理可得其余情況下合成氣變換裝置中水蒸氣的需求量和最終產生甲烷的量，如表4所示：

表4甲烷生成的物料衡算表

本發明的有益效果為：本發明具有適應性強，不受季節、地域限制，調峰能力強、響應快、易控制，能源轉化效率高，環保經濟等優點；既解決了日趨嚴重的電網調峰問題，又能產生高品質煤氣/合成氣，所產生的煤氣/合成氣除了可直接作為化工原料進行化工產品合成外，還可用于制取城市煤氣，有助于緩解我國煤氣供應短缺的現狀。

附圖說明

圖1為本發明的電網調峰系統的結構示意圖。

圖2為本發明的電網調峰系統的臥式感應爐的結構示意圖。

圖3為本發明的電網調峰系統的槽溝式感應爐的結構示意圖。

圖1~3中，1.變壓器；2.接觸器；3.電流互感器；4.電容器；5.電抗器；6.補償電容；7.感應爐；8.換熱器；9.除塵器；10.合成氣成分調節裝置；11.感應線圈；12.投料口；13.爐體；14.氣體出口；15. 熔渣出口；16.物料噴嘴；17.鐵水；18.熔溝；19.甲烷化裝置。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。

圖1提供了本發明的電網調峰系統的結構示意圖，所述電網調峰包括供電裝置、感應爐7、換熱器8和除塵器9，所述供電裝置連接所述感應爐7，所述感應爐包括爐體和用于給爐體加熱的感應器，所述爐體設有投料口12、物料噴嘴16、氣體出口14、熔渣出口15，所述物料噴嘴16設置在所述爐體側壁，且所述物料噴嘴與所述爐體側壁的夾角為20°~60°；所述供電裝置與電網連接；所述換熱器8連接所述感應爐7，所述除塵器9連接所述換熱器8。

所述供電裝置包括與電網連接的變壓器1，所述變壓器1依次連接接觸器2、電流互感器3、電容器4和電抗器5、以及補充電容6，所述補充電容6連接所述感應爐。

所述感應爐采用臥式感應爐（如圖2所示）或者槽溝式感應爐（如圖3所示）。

所述感應器為感應線圈。

所述系統還可設置包括城市煤氣處理裝置，所述城市煤氣處理裝置包括合成氣成分調節裝置和甲烷化裝置，所述合成氣成分調節裝置連接所述除塵器，用于通過水蒸氣變換反應調節高溫煤氣中CO與H₂的摩爾比為1:3，所述甲烷化裝置用于將從所述合成氣成分調節裝置出來的混合氣通過甲烷化反應全部轉化為城市煤氣。

實施例1

一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰方法，是采用如圖1所示的電網調峰系統，所述系統采用如圖2所示的臥式感應爐：爐體為U形結構，坩堝水平部分內徑為1.5m，長2m；坩堝垂直部分內徑2m，高3m；所述電網調峰方法包括以下步驟：

（1）根據谷期的實際用電量確定電網調峰量，設置用電負荷；

（2）將廢鐵/廢鋼加入感應爐，并將電能引入感應爐內加熱熔化廢鐵/廢鋼至溫度達到1450℃并保持恒定，鐵水液面高2m，質量為76t；

（3）將氣化劑CO₂預熱至200℃，從物料噴嘴噴入預熱CO₂攜帶的煤粉和碳酸鈣混合粉末至感應爐中進行煤氣化反應，其中煤粉流量為6.98t/h，CO₂流量為21.98t/h，CaCO₃粉末為0.29t/h，煤粉、碳酸鈣和CO₂中所含的C與CO₂中的O的摩爾比為1:1，CaCO₃與煤粉中的S的摩爾比為1:1，得到高溫煤氣，其中CO和H₂的產量為22379m³/h和500m³/h；煤氣化爐中產生的熔渣由熔渣出口排出；

（4）將高溫煤氣經過換熱器進行余熱回收，在換熱器內，高溫煤氣與水進行換熱，煤氣溫度可降至300℃左右，降溫后的煤氣進入除塵器中凈化除塵。

除塵后的潔凈煤氣有兩種途徑：一方面潔凈煤氣可直接作為化工原料進行化工產品合成；另一方面潔凈煤氣進入合成氣成分調節裝置，與水蒸氣反應生成H₂，并控制CO與所生成的H₂的摩爾比為1:3；將混合氣送入合成氣反應器中發生甲烷化反應（反應式(6)、(7)）獲得城市煤氣，甲烷生產量為5719m³/h。

上述方法中，所述化工產品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烴等以CO為主要原料的產品。

實施例2

一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰方法，是采用如圖1所示的電網調峰系統，所述系統采用如圖3所示的槽溝式感應爐：爐體為圓柱形坩堝，坩堝直徑為2.16m，高4m；所述電網調峰方法包括以下步驟：

（1）根據谷期的實際用電量確定電網調峰量，設置用電負荷；

（2）將廢鐵/廢鋼加入感應爐，并將電能引入感應爐內加熱熔化廢鐵/廢鋼至溫度達到1400℃并保持恒定，鐵水液面高3m，質量為86t；

（3）將氣化劑水蒸氣預熱至400℃，從物料噴嘴噴入預熱水蒸氣攜帶的煤粉和碳酸鈣混合粉末至感應爐中進行煤氣化反應，其中煤粉流量為7.86t/h，水蒸氣流量為10.12t/h，CaCO₃粉末為0.32t/h，煤粉和碳酸鈣中所含的C與水蒸氣中的O的摩爾比為1:1，CaCO₃與煤粉中的S的摩爾比為1:1，得到高溫煤氣，其中CO和H₂的產量為12598m³/h和13161m³/h；煤氣化爐中產生的熔渣由熔渣出口排出；

（4）將高溫煤氣經過換熱器進行余熱回收，在換熱器內，高溫煤氣與水進行換熱，煤氣溫度可降至300℃左右，降溫后的煤氣進入除塵器中凈化除塵。

除塵后的潔凈煤氣有兩種途徑：一方面潔凈煤氣可直接作為化工原料進行化工產品合成；另一方面潔凈煤氣進入合成氣成分調節裝置，與水蒸氣反應生成H₂，并控制CO與所生成的H₂的摩爾比為1:3；將混合氣送入合成氣反應器中發生甲烷化反應（反應式(6)、(7)）獲得城市煤氣，甲烷生產量為6439m³/h。

上述方法中，所述化工產品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烴等以CO為主要原料的產品。

實施例3

一種感應爐鐵浴煤氣化的電網調峰方法，是采用如圖1所示的多套電網調峰系統，所述多套系統采用如圖2所示的臥式感應爐：爐體為U形結構，坩堝水平部分內徑為1.5m，長2m；坩堝垂直部分內徑2m，高3m；所述電網調峰方法包括以下步驟：

（1）根據谷期的實際用電量確定電網調峰量，設置用電負荷，并將多套電網調峰系統并聯；

（2）將廢鐵/廢鋼加入感應爐，并將電能通過供電裝置引入并聯的感應爐內加熱熔化廢鐵/廢鋼至溫度達到1450℃并保持恒定，鐵水液面高2m，質量為76t；

（3）將氣化劑CO₂預熱至200℃，從物料噴嘴噴入預熱CO₂攜帶的煤粉和碳酸鈣混合粉末至感應爐中進行煤氣化反應，其中煤粉流量為6.98t/h，CO₂流量為21.98t/h，CaCO₃粉末為0.29t/h，煤粉、碳酸鈣和CO₂中所含的C與CO₂中的O的摩爾比為1:1，CaCO₃與煤粉中的S的摩爾比為1:1，得到高溫煤氣，其中CO和H₂的產量為22379m³/h和500m³/h；煤氣化爐中產生的熔渣由熔渣出口排出；

（4）將高溫煤氣經過換熱器進行余熱回收，在換熱器內，高溫煤氣與水進行換熱，煤氣溫度可降至300℃左右，降溫后的煤氣進入除塵器中凈化除塵。

除塵后的潔凈煤氣有兩種途徑：一方面潔凈煤氣可直接作為化工原料進行化工產品合成；另一方面潔凈煤氣進入合成氣成分調節裝置，與水蒸氣反應生成H₂，并控制CO與所生成的H₂的摩爾比為1:3；將混合氣送入合成氣反應器中發生甲烷化反應（反應式(6)、(7)）獲得城市煤氣，甲烷生產量為5719m³/h。

上述方法中，所述化工產品包括合成油、甲醇、乙二醇、羰基醇、二甲醚以及低碳烯烴等以CO為主要原料的產品。