一种耦合水泥窑余热利用的压缩空气储能系统及运行方法与流程

本发明属于余热利用及储能，特别涉及一种耦合水泥窑余热利用的压缩空气储能系统及运行方法。

背景技术：

1、水泥行业属于高耗能行业，存在用电功率大、设备能耗高等问题。此外，在生产过程会产生大量能量损失，比如回转式水泥窑输入的能量中，有30％的能量以废热的形式损失，造成大量能量浪费。为了减少能源损失，实现节能减排，水泥厂一般采用余热回收技术回收水泥窑排出的废热，比如利用余热锅炉发电，减少外购电力，降低用电成本。

2、近年来，水泥厂配建储能系统，可以在电价低谷期间储存电力，在电价高、尖峰期释放电力，工厂全天用电电价都是低谷电价，从而降低用电成本。此外，储能系统可以作为水泥厂的应急电源，在电力故障时，储能系统应急供电，保障水泥厂重要设备供电，以免因突然断电造成设备损坏。并在短时间缺电情况下，可以支撑生产线正常运行，避免生产中断和经济损失。所以，储能系统对水泥厂具有较大的吸引力。

3、目前，水泥厂余热回收和储能通过两套独立系统实现，即余热发电系统和储能系统，系统复杂，投资大，运行成本高，有待进一步优化解决。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中水泥厂余热回收和储能通过设置余热发电系统和储能系统，存在系统复杂，投资大，运行成本高的问题，本发明的目的在于提供一种耦合水泥窑余热利用的压缩空气储能系统及运行方法，在谷电时通过压缩空气储能，在电价高、尖峰期时高压空气进入透平膨胀发电，同时利用水泥窑废热加热空气，提高透平进口温度，增加发电功率，从而同时实现回收废热和储能的目的。此外，压缩过程产生的压缩热用于供暖或生产生活热水，进一步提高水泥厂能量利用效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种耦合水泥窑余热利用的压缩空气储能系统，包括水泥窑余热系统和恒压压缩空气储能系统；

4、水泥窑余热系统包括燃烧器、回转窑、旋风预热器和熟料冷却器，燃烧器、旋风预热器和熟料冷却器与回转窑相连；

5、恒压压缩空气储能系统包括多级压缩冷却组件、多级加热膨胀组件、恒压储气罐和水轮机，多级压缩冷却组件之间逐级串联，多级压缩冷却组件空气侧出口与恒压储气罐空气侧进口相连通，恒压储气罐水侧出口与水轮机进口相连通，水轮机出口与多级压缩冷却组件冷却水进口相连通，多级压缩冷却组件冷却水出口与多级加热膨胀组件空气侧进口相连通，多级加热膨胀组件空气侧出口与燃烧器空气侧进口相连通，多级加热膨胀组件热侧进口分别与旋风预热器废气出口和熟料冷却器排气出口相连通。

6、进一步的，多级压缩冷却组件冷却水出口分为两路，一路与贮水池进口相连通，另一路与热水罐进口相连通；所述贮水池出口与水泵进口相连通，水泵出口与恒压储气罐水侧进口相连通，恒压储气罐空气侧出口与多级加热膨胀组件空气侧进口相连通。

7、进一步的，恒压储气罐的压力为8～15mpa，恒压储气罐上部布置有空气进口和空气出口，下部布置有水进口和水出口；贮水池中的冷却水经喷淋冷却后储存，温度为15～35℃，贮水池上布置有补水进口。

8、进一步的，多级压缩冷却组件包括n级压缩机和n级冷却器，其中n为正整数且n≥4，相邻压缩机和冷却器之间串联连接。

9、进一步的，当n为4时，n级压缩机包括第一级压缩机、第二级压缩机、第三级压缩机与第四级压缩机；n级冷却器包括第一级冷却器、第二级冷却器、第三级冷却器与第四级冷却器；第一级压缩机出口与第一级冷却器空气侧进口相连通，第一级冷却器空气侧出口与第二级压缩机进口相连通，第二级压缩机出口与第二级冷却器空气侧进口相连通，第二级冷却器空气侧出口与第三级压缩机进口相连通，第三级压缩机出口与第三级冷却器空气侧进口相连通，第三级冷却器空气侧出口与第四级压缩机进口相连通，第四级压缩机出口与第四级冷却器空气侧进口相连通，第四级冷却器空气侧出口与恒压储气罐空气侧进口相连通。

10、进一步的，相邻冷却器之间水侧并联连接；当n为4时，n级冷却器包括第一级冷却器、第二级冷却器、第三级冷却器以及第四级冷却器；第一级冷却器、第二级冷却器、第三级冷却器以及第四级冷却器的水侧进口相连接，第一级冷却器、第二级冷却器、第三级冷却器以及第四级冷却器水侧出口相连接。

11、进一步的，多级加热膨胀组件包括m级旋风预热器废气加热器、m级熟料冷却器排气加热器和m级透平，其中m为正整数且m≥2，相邻旋风预热器废气加热器和透平之间串联连接，相邻熟料冷却器排气加热器和透平之间串联连接，同级旋风预热器废气加热器和熟料冷却器排气加热器并联连接。

12、进一步的，m为3时，m级旋风预热器废气加热器包括第一级旋风预热器废气加热器、第二级旋风预热器废气加热器与第三级旋风预热器废气加热器；m级熟料冷却器排气加热器包括第一级熟料冷却器排气加热器、第二级熟料冷却器排气加热器、第三级熟料冷却器排气加热器；m级透平包括第一级透平、第二级透平与第三级透平；

13、第一级旋风预热器废气加热器和第一级熟料冷却器排气加热器空气侧出口分别与第一级透平进口相连通，第一级透平出口分别与第二级旋风预热器废气加热器和第二级熟料冷却器排气加热器空气侧进口相连通，第二级旋风预热器废气加热器和第二级熟料冷却器排气加热器空气侧出口分别与第二级透平进口相连通，第二级透平出口，分别与第三级旋风预热器废气加热器和第三级熟料冷却器排气加热器空气侧进口相连通，第三级旋风预热器废气加热器和第三级熟料冷却器排气加热器空气侧出口分别与第三级透平进口相连通；相邻旋风预热器废气加热器废气侧并联连接，第一级旋风预热器废气加热器、第二级旋风预热器废气加热器、第三级旋风预热器废气加热器废气侧进口相连接，第一级旋风预热器废气加热器、第二级旋风预热器废气加热器、第三级旋风预热器废气加热器废气侧出口相连接；相邻熟料冷却器排气加热器排气侧并联连接，第一级熟料冷却器排气加热器、第二级熟料冷却器排气加热器、第三级熟料冷却器排气加热器排气侧进口相连接，第一级熟料冷却器排气加热器、第二级熟料冷却器排气加热器、第三级熟料冷却器排气加热器排气侧出口相连接。

14、进一步的，n级压缩机的每级压缩机压比相同，压比为1.3～2.1，每级压缩机出口温度为60～120℃；

15、m级透平的每级透平膨胀比相同，每级透平进口温度相同，为200～350℃。

16、一种耦合水泥窑余热利用的压缩空气储能系统的运行方法，包括以下步骤：

17、在谷电、低电价时，空气由低价谷电驱动由多级加热膨胀组件与多级压缩冷却组件压缩冷却为低温高压高密度空气，然后进入恒压储气罐存储，同时，恒压储气罐中存储的高压水被排出，从而实现了罐中空气和水的置换，并保证了储气罐中压力恒定；排出的高压水进入水轮机发电，然后成为常压水，然后进入多级压缩冷却组件冷却空气；

18、在尖峰期、高电价时，将水泵到恒压储气罐中，并将恒压储气罐中的高压空气驱出，然后高压空气分为两股，分别进入多级旋风预热器废气加热器和多级熟料冷却器排气加热器，被加热升温后混合，进入多级透平膨胀做功发电，排气与空气混合后携带煤粉进入燃烧器燃烧，产生的高温烟气流经回转窑和旋风预热器对生料加热煅烧，从旋风预热器排出的废气进入多级旋风预热器废气加热器加热空气；生料加热煅烧后成为熟料，空气经熟料冷却器冷却后，分别进入多级熟料冷却器排气加热器加热空气，从而回收余热。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果：

20、1.本发明中水泥窑余热系统产生的旋风预热器废气和熟料冷却器排气携带的高温余热用于加热透平进口的空气，提高了空气做功能力，增加了发电功率，回收了水泥厂余热，减少了能量损失，提高了能量利用水平。

21、2.本发明中冷却器加热产生的热水用于厂区供暖或作为生活热水，可以减少能量损失。

22、3.本发明中水泥窑余热系统通过耦合恒压压缩空气储能系统在低电价时储电，高电价时放电，可以降低水泥厂用电成本。

23、4.本发明中恒压压缩空气储能系统同时实现了水泥窑余热系统余热回收和降低用电成本的目的，具有系统简单、投资少、运行成本低的优势。