CN103223294A

CN103223294A - 一种利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的方法及系统

Info

Publication number: CN103223294A
Application number: CN2013101851961A
Authority: CN
Inventors: 韩中合; 王营营; 王继选
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: CN103223294B

Abstract

一种利用太阳能对燃煤污染物脱除的方法及系统。所述方法将太阳能集热装置引入燃煤发电系统的脱硝及氨法脱碳再生装置中，在脱硝及氨法脱碳再生装置中设置热源来自太阳能集热装置的第一蒸发器、第一换热管和热源来自汽轮机抽汽的第二蒸发器、第二换热管，由太阳能集热装置加热的工质通过第一蒸发器、热解再生塔的换热，为脱硝的催化还原剂蒸发及氨法脱碳的吸收剂再生提供热源，以代替全部或部分汽轮机侧抽汽在蒸发器及热解再生塔中放出热量。本发明还提供了实施上述方法的系统。本发明利用了太阳能丰富的、无污染的优势，调整了能源利用结构，在维持机组发电量不变的情况下，使煤耗量明显减少，在有效降低燃煤电厂氮氧化物排放量的同时，提高电厂效益。

Description

一种利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种燃煤污染物脱除技术，特别是利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的方法及系统。

背景技术

煤炭是当今世界主要的能源，面对当前资源紧张及环境制约的压力，提高能源转换效率、优化能源结构及大力发展可再生能源是可持续发展的重要保障。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

燃煤发电锅炉污染物NOx 及温室气体CO2的排放日益严重地影响着环境、气候和人类的健康,成为一个迫切需要解决的问题。现有技术，燃煤发电锅炉在脱除氮氧化物、二氧化碳的时，需利用电加热或从汽轮机某级抽汽来给氨蒸发器中的还原剂进行加热，要耗用机组较大的能量，增加了机组煤耗，这就使得电厂效益减少了。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种可降低燃煤发电系统的煤耗、减少环境污染的利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的方法及系统。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的方法，其特别之处是：它将太阳能集热装置引入燃煤发电系统的脱硝及氨法脱碳再生装置中，所述方法以液氨作为脱硝的催化还原剂及氨法脱碳的吸收剂，实现脱硝脱碳的一体化；在脱硝及氨法脱碳再生装置中设置热源来自太阳能集热装置的第一蒸发器、第一换热管,同时，还设置热源来自汽轮机抽汽的第二蒸发器、第二换热管，由太阳能集热装置加热的工质通过第一蒸发器、热解再生塔的换热，为脱硝的催化还原剂蒸发及氨法脱碳的吸收剂再生提供热源，以代替全部或部分汽轮机侧抽汽在蒸发器及热解再生塔中放出热量。

一种利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，它包括燃煤发电装置的燃煤锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、发电机、凝汽器、加热器和除氧器，特别之处是：所述系统还设有太阳能集热装置和脱硝及氨法脱碳再生装置，所述脱硝及氨法脱碳再生装置包括由管路依次连通的氨储存罐、第一蒸发器、第二蒸发器、喷氨静态混合器、SCR反应器、脱硫器、CO₂吸收器、热解再生塔，热解再生塔内设有第一换热管和第二换热管，热解再生塔设置的NH₃出口管路连通氨储存罐；第一蒸发器的换热工质进口管路、第一换热管的换热工质进口管路与太阳能集热装置的出口管路连通，第一蒸发器的换热工质出口管路、第一换热管的换热工质出口管路与太阳能集热装置的进口管路连通；第二蒸发器的换热工质进口管路与汽轮机中压缸抽汽口连通，第二蒸发器的换热工质出口管路与凝汽器连通，所述第二换热管的换热工质入口管路与汽轮机低压缸的抽汽口连通，第二换热管的换热工质出口管路与第二加热器出口处的管路连通。

上述利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，所述太阳能集热装置包括太阳能集热场，太阳能集热场出口经太阳能集热场出口阀连接太阳能集热装置的出口管路，太阳能集热场进口经太阳能集热场进口阀连接太阳能集热装置的进口管路，在太阳能集热装置的进口管路上设有给油泵和低压省煤器。

上述利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，所述太阳能集热装置还设有蓄热器，蓄热器的出口经蓄热器出口阀连通太阳能集热装置的出口管路，蓄热器蓄经蓄热器工质阀连通太阳能集热装置的进口管路，太阳能集热场的出口经蓄热器进口阀连通蓄热器的进口。

上述利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，所述第一蒸发器的换热工质进口管路上设有第一进口阀、第一压力调节阀；所述第一换热管的换热工质进口管路上设有第二进口阀、第二压力调节阀；所述第二蒸发器的换热工质进口管路上设有中压缸抽汽阀、第四压力调节阀；所述第二换热管的换热工质进口管路上设有低压缸抽汽阀、第三压力调节阀。

上述利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，所述太阳能集热装置还设有补油箱，补油箱经补油箱出口阀连通太阳能集热装置的进口管路。

上述利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，所述太阳能集热场由一组抛物面槽式太阳能集热器经串联、并联连接构成。

本发明针对传统燃煤发电锅炉脱硝及氨法脱碳再生能耗偏高的问题，提供了一种利用太阳能对燃煤锅炉脱硝及氨法脱碳再生的方法及系统。该技术将太阳能集热器引入到燃煤发电锅炉的脱硝及氨法脱碳再生装置中，采用太阳能加热工质，在换热器中进行热交换产生相应的蒸汽为还原剂蒸发及吸收剂再生提供热源，代替全部或部分汽轮机侧抽汽在蒸发器及换热管中放出的热量，减少汽轮机侧抽汽量，在维持机组发电量不变的情况下，使煤耗量明显减少。本发明利用了太阳能丰富的、无污染的优势，调整了能源利用结构，提高能源利用效率，在有效降低燃煤电厂氮氧化物及二氧化碳排放量的同时，提高电厂效益。

附图说明

图1是本发明系统原理图；

图2是抛物面槽式太阳能集热器示意图。

图中标号含义如下：1、燃煤锅炉；2、汽轮机高压缸；3、汽轮机中压缸；4、汽轮机低压缸；5、发电机；6、凝汽器；7、凝结水泵；8、轴封加热器；9、第一低压加热器；10、第二低压加热器；11、第三低压加热器；12、第四低压加热器；13、除氧器；14、给水泵；15、第一高压加热器；16、第二高压加热器；17、第三高压加热器；18、给水泵汽轮机；19、补油箱；20、补油箱出口阀；21、给油泵；22、低压省煤气；23、太阳能集热场进口阀；24、蓄热器工质阀；25、蓄热器；26、太阳能集热场；27、蓄热器进口阀；28、蓄热器出口阀；29、太阳能集热场出口阀；30、第二进口阀；31、第一进口阀；32、第一压力调节阀；33、氨储存罐；34、第一蒸发器；35、中压缸抽汽阀；36、第四压力调节阀；37、第二蒸发器；38、喷氨静态混合器；39、SCR反应器；40、脱硫器；41、CO₂吸收器；42、低压缸抽汽阀；43、第三压力调节阀；44、第二换热管；45、第二压力调节阀；46、第一换热管；47、热解再生塔； 48、抛物面槽式太阳能集热器；48-1、换热管；48-2、聚光器。

具体实施方式

本发明方法将太阳能集热装置引入到燃煤发电系统的脱硝及氨法脱碳再生装置中，所述脱硝及氨法脱碳再生装置以液氨作为脱硝的催化还原剂及氨法脱碳的吸收剂，实现脱硝脱碳的一体化。利用太阳能集热装置加热的工质，分别进入第一蒸发器和热解再生塔的第一换热管中，为脱硝的催化还原剂蒸发及氨法脱碳的吸收剂再生提供热源，这样，在太阳能辐射强度充裕时，无需使用汽轮机某级的抽汽量即可维持脱硝及氨法脱碳再生装置的运行，降低了机组煤耗，增加了电厂效益。本发明方法考虑到气候条件变化使太阳能辐射强度降低因素，采取了两种应对措施：1、设置蓄热器，在太阳能辐射充裕时储备能量，以供太阳能辐射强度降低时临时使用；2、设置热源来自汽轮机抽汽的第二蒸发器和第二换热管，当持续阴天太阳能辐射强度无法维持脱硝及氨法脱碳再生装置正常运转且蓄热器储备能量用完时，可由汽轮机抽汽为脱硝还原剂蒸发及氨法脱碳再生中碳酸氢铵热解提供热源。上述方法利用太阳能集热装置为燃煤发电系统的脱硝及氨法脱碳再生装置提供热源，全部或部分替代汽轮机侧抽汽在蒸发器中放出的热量，在有效降低燃煤电厂氮氧化物排放量的同时，使燃煤机组在同样发电量的情况下，减少了燃煤机组的耗煤。

参看图1，本发明所述系统包括燃煤发电装置、太阳能集热装置和脱硝及氨法脱碳再生装置。所述燃煤发电装置包括燃煤锅炉1、汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3、汽轮机低压缸4、发电机5、凝汽器6、除氧器13、加热器等。其工作过程为：从凝汽器6流出的凝结水经过凝结水泵7，轴封加热器8、第一低压加热器9、第二低压加热器10、第三低压加热器11、第四低压加热器12进行初次升温升压后，进入除氧器13除氧，之后经过给水泵14升压，然后经过第一高压加热器15、第二高压加热器16、第三高压加热器17进行升温，进入燃煤锅炉1中设置的省煤器、炉膛、水冷壁和过热器后达到锅炉出口主蒸汽参数状态，进入汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3中，汽轮机低压缸4做功，驱动发电机5发电，汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸的抽汽口分别将抽汽引入各高压加热器、除氧器和低压加热器，在这些设备中释放出热量后，通过疏水管路（图中虚线所示）逐级自流分别流入上一级加热器，以便于回收疏水和热量。

仍参看图1，所述脱硝及氨法脱碳再生装置包括由管路依次连通的氨储存罐33、第一蒸发器34、第二蒸发器37、喷氨静态混合器38、SCR反应器39、脱硫器40、CO2吸收器41、热解再生塔47，热解再生塔内设有第一换热管46和第二换热管44，热解再生塔设置的NH₃出口管路连通氨储存罐33。第一蒸发器34的换热工质进口管路、第一换热管46的换热工质进口管路汇成一路与太阳能集热装置的出口管路连通，第一蒸发器34的换热工质出口管路、第一换热管46的换热工质出口管路汇成一路与太阳能集热装置的进口管路连通。在第一蒸发器34的换热工质进口管路上设有第一进口阀31、第一压力调节阀32；在第一换热管46的换热工质进口管路上设有第二进口阀30、第二压力调节阀45。所述第二蒸发器37的换热工质进口管路与汽轮机中压缸3抽汽口连通，第二蒸发器37的换热工质出口管路与凝汽器6连通，第二蒸发器37的换热工质进口管路上设有中压缸抽汽阀35、第四压力调节阀36。所述第二换热管44的换热工质入口管路与汽轮机低压缸4的抽汽口连通，第二换热管的换热工质出口管路与第二加热器10出口处的管路连通，第二换热管的换热工质进口管路上设有低压缸抽汽阀42、第三压力调节阀43。当太阳能集热装置提供的能量无法维持脱硝及氨法脱碳装置正常运转时，开启低压缸抽汽阀42，调整第三压力调节阀43，同时开启中压缸抽汽阀35，调整第二压力调节阀36，由汽轮机低压缸4的抽汽口引入第二换热管的热源和由汽轮机中压缸3的抽汽口引入第二蒸发器的热源补充维持脱硝及氨法脱碳再生装置正常运转。

仍参看图1，所述太阳能集热装置包括太阳能集热场26、蓄热器25。太阳能集热场出口经太阳能集热场出口阀29连接太阳能集热装置的出口管路，太阳能集热场进口经太阳能集热场进口阀23连接太阳能集热装置的进口管路，在太阳能集热装置的进口管路上设有给油泵21和低压省煤器22，低压省煤器可以起到余热工质的作用。设置蓄热器25可以在太阳能辐射充裕时储备一部分能量，以备需要时使用。蓄热器的出口经蓄热器出口阀28连通太阳能集热装置的出口管路，蓄热器蓄经蓄热器工质阀24连通太阳能集热装置的进口管路，太阳能集热场的出口经蓄热器进口阀27连通蓄热器25的进口。太阳能集热装置还设有补油箱19，补油箱经补油箱出口阀20连通太阳能集热装置的进口管路，补油箱用于向太阳能集热场26和蓄热器25中补充工质油。

仍参看图1，脱硝及氨法脱碳再生装置的工作原理为：液氨从氨储存罐33中出来进入经一蒸发器34或第二蒸发器37进行换热，蒸发成气氨后，进入喷氨静态混合器38，而后气氨再进入SCR反应器39中进行催化还原，释放出N₂ 和H₂O，经脱硫器40、CO₂吸收器41进入热解再生塔47，在热解再生塔内经第一换热管46或第二换热管44热解，析出CO₂及NH₃，再生的NH₃进入氨储存罐33中。上述SCR反应器是指选择性催化还原反应器，选择性催化还原法是利用氨（NH3）对NOx还原功能，选择性催化还原法的反应温度为230～450℃，最佳反应温度为300～400℃，其脱硝效率可达到90%以上，其主要的化学反应为：

4NO + 4NH₃+ O₂ → 4N₂ + 6H₂O，

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O，

6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O。

上述热解再生塔是碳酸氢铵热解析出CO2及NH₃的一种反应器，液氨的再生温度为110℃左右，其主要的化学反应为：

Figure 2013101851961100002DEST_PATH_IMAGE003

。

仍参看图1，脱硝及氨法脱碳再生装置的运行状态如下：当太阳能辐射强度能达到设计要求时，太阳能集热器场26加热工质，加热的工质通过两条管道分别连通第一蒸发器34和热解再生塔47内的第一换热管46并进行热交换。在第一蒸发器液态氨被蒸发成气氨，气氨再进入SCR反应器39中进行催化还原反应；另一条支路中的工质在热解再生塔47内对碳酸氢铵热解，生成CO₂及NH₃。当太阳能辐射强度充裕时，可以开启蓄热器进口阀27，关闭蓄热器出口阀28，向蓄热器蓄热；当太阳能辐射强度降低时，通过调节太阳能集热场出口阀29的开度，减少太阳能集热场26出口的流量，调节蓄热器出口阀门28的开度，增加蓄热器25出口的流量，从而保证第一蒸发器34及第二换热管46的进口流量；当太阳能辐射强度降低时，也可以通过调节太阳能集热器场出口阀门29开度，减少太阳能集热场26出口的流量，调节中压缸抽汽阀35及低压缸抽汽阀42的开度，从汽轮机中压缸3及低压缸4中抽出部分蒸汽流量，由第一蒸发器33、第二蒸发器34、第一换热管46、第二换热管44同时工作，维持脱硝及氨法脱碳再生装置的正常运行；太阳能辐射强度降低时，由于氨法脱碳再生中碳酸氢铵热解所需的温度比较低，可以关闭第一进口阀31，使得脱硝的热源只由汽轮机抽汽提供，氨法脱碳再生中碳酸氢铵热解的热源只由太阳能集热场26提供；当辐射强度为零时，太阳能集热器场26即退出运行，打开蓄热器出口阀门28，此时第一蒸发器及热解再生塔的热源来自蓄热器25，由于蓄热器25的容量有限，当蓄热器25的能量释放完，则关闭蓄热器出口阀门28，开启中压缸抽汽阀35及低压缸抽汽阀42，第二蒸发器37及第二换热管44的热量来分别自汽轮机中压缸3及中压缸4的抽汽流量，由此维持脱硝装置的正常运行。上述过程可以灵活利用调整燃煤机组的汽轮机抽气量，弥补单纯太阳能集热场由于太阳能资源不恒定所带来的不足。

参看图1、图2，所述太阳能集热场26由一组抛物面槽式太阳能集热器48经串联、并联连接构成，抛物面槽式太阳能集热器48由聚光器48-2和换热管48-1组成，换热管48-1中有工质流动（其工质为热油），聚光器48-2将太阳能辐射热量反射汇集到换热管上，加热其中流动的工质，其最高集热温度可达400℃。

Claims

1.一种利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的方法，其特征在于：它将太阳能集热装置引入燃煤发电系统的脱硝及氨法脱碳再生装置中，所述方法以液氨作为脱硝的催化还原剂及氨法脱碳的吸收剂，实现脱硝脱碳的一体化；在脱硝及氨法脱碳再生装置中设置热源来自太阳能集热装置的第一蒸发器、第一换热管，同时，还设置热源来自汽轮机抽汽的第二蒸发器、第二换热管，由太阳能集热装置加热的工质通过第一蒸发器、热解再生塔的换热，为脱硝的催化还原剂蒸发及氨法脱碳的吸收剂再生提供热源，以代替全部或部分汽轮机侧抽汽在蒸发器及热解再生塔中放出热量。

2.一种利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，它包括燃煤发电装置的燃煤锅炉（1）、汽轮机高压缸（2）、汽轮机中压缸（3）、汽轮机低压缸（4）、发电机（5）、凝汽器（6）、加热器和除氧器（13），其特征在于：所述系统还设有太阳能集热装置和脱硝及氨法脱碳再生装置，所述脱硝及氨法脱碳再生装置包括由管路依次连通的氨储存罐（33）、第一蒸发器（34）、第二蒸发器（37）、喷氨静态混合器（38）、SCR反应器（39）、脱硫器（40）、CO2吸收器（41）、热解再生塔（47），热解再生塔内设有第一换热管（46）和第二换热管（44），热解再生塔设置的NH₃出口管路连通氨储存罐（33）；第一蒸发器（34）的换热工质进口管路、第一换热管（46）的换热工质进口管路与太阳能集热装置的出口管路连通，第一蒸发器（34）的换热工质出口管路、第一换热管（46）的换热工质出口管路与太阳能集热装置的进口管路连通；第二蒸发器（37）的换热工质进口管路与汽轮机中压缸（3）抽汽口连通，第二蒸发器（37）的换热工质出口管路与凝汽器（6）连通，所述第二换热管（44）的换热工质入口管路与汽轮机低压缸（4）的抽汽口连通，第二换热管的换热工质出口管路与第二加热器（10）出口处的管路连通。

3.根据权利要求2所述的利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，其特征在于：所述太阳能集热装置包括太阳能集热场（26），太阳能集热场出口经太阳能集热场出口阀（29）连接太阳能集热装置的出口管路，太阳能集热场进口经太阳能集热场进口阀（23）连接太阳能集热装置的进口管路，在太阳能集热装置的进口管路上设有给油泵（21）和低压省煤器（22）。

4.根据权利要求3所述的利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，其特征在于：所述太阳能集热装置还设有蓄热器（25），蓄热器的出口经蓄热器出口阀（28）连通太阳能集热装置的出口管路，蓄热器经蓄热器工质阀（24）连通太阳能集热装置的进口管路，太阳能集热场的出口经蓄热器进口阀（27）连通蓄热器（25）的进口。

5.根据权利要求4所述的利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，其特征在于：所述所述第一蒸发器（34）的换热工质进口管路上设有第一进口阀（31）、第一压力调节阀（32）；所述第一换热管（46）的换热工质进口管路上设有第二进口阀（30）、第二压力调节阀（45）；所述第二蒸发器（37）的换热工质进口管路上设有中压缸抽汽阀（35）、第四压力调节阀（36）；所述第二换热管（44）的换热工质进口管路上设有低压缸抽汽阀（42）、第三压力调节阀（43）。

6.根据权利要求5所述的利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，其特征在于：所述太阳能集热装置还设有补油箱（19），补油箱经补油箱出口阀（20）连通太阳能集热装置的进口管路。

7.根据权利要求6所述的利用太阳能对燃煤锅炉污染物进行脱除的系统，其特征在于：太阳能集热场（26）由一组抛物面槽式太阳能集热器（48）经串联、并联连接构成。