CN104482530A - 一种新型的循环流化床联合循环 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种新型的循环流化床联合循环,包括燃气轮机装置、循环流化床锅炉、蒸汽轮机装置、燃气轮机排气和锅炉一二次风系统相联接的管系及旁路烟囱、压气机中间级抽气口和锅炉高压风口相连的空气管系、烟气余热回收除氧加热系统,循环流化床锅炉尾部烟道经除尘器、烟囱与大气相连通,循环流化床的高温过热器、高温再热器分别与高压汽轮机、中压汽轮机连通,中压汽轮机与低压汽轮机连通,低压汽轮机的排气凝结经凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水前置泵、给水泵、高压加热器与省煤器连通。该联合循环具有热效率高、NOx的排放少、启动时间短、油耗和厂用电率低、辅机设备少等优点,节能减排效果显著。

Description

一种新型的循环流化床联合循环
技术领域
本发明属于洁净煤燃烧及高效利用技术领域,具体涉及到燃气轮机和循环流化床的系统技术集成。
背景技术
以空气为助燃剂、稀释剂和热通道部件冷却剂的燃气轮机,其排气中的氧气含量在15%左右(质量百分比),排气温度在530-640℃之间。通常,其排气的热量在余热锅炉中转换为蒸汽的热能,驱动蒸汽轮机做功。但受排气温度和排气量的限制,蒸汽初参数难以达到高参数或超临界参数、实现大型化和高效化;而循环流化床炉内燃烧及热负荷分布等特征,使循环流化床锅炉更适用于超临界的高参数下运行。
循环流化床锅炉在启动、运行中需要一定压力和一定流量的气体为炉内物料流化、内外循环提供动力,为煤的燃烧提供氧气。随着锅炉容量的不断增大,风机选型难度加大,风机耗电量也不断增大。此外,循环流化床点火启动需要外部热量将流化的床料加热到煤的着火温度,以便煤进入炉膛后能稳定燃烧。由于炉内床料及其他载热体热容量大,需要消耗大量的燃油,才能将床温加热到投煤温度,且耗时长。此外,低负荷运行下煤的发热量骤然趋劣时,也要消耗燃油稳燃。与燃气轮机相结合,燃气轮机的排气既可提供物料流化、内外循环动力、燃烧氧量,又可以提供启动、稳燃所需的热量。
循环流化床锅炉风系统复杂,不同用风点压力要求迥异,风机种类多。减少风机数量,降低运行电耗是循环流化床设计优化的主题之一。而燃气 轮机压气机为高效的多级轴流式,比一般鼓风机的效率高得多,从压气机中间某一级后抽气可满足高压风的压力和流量的要求。
综上所述,燃气轮机技术和循环流化床锅炉技术存在着互补性。将燃气轮机的排气、压气机中间级抽气与循环流化床锅炉的一二次风、高压风进行集成,可以取长补短,发挥各自的优势,形成的一种新型的循环流化床联合循环系统,具有热效率高、NOx的排放少、厂用电率和油耗量低、启动时间短等优点。
发明内容
本发明提供了一种新型循环流化床联合循环,以达到提高循环热效率、减少NOx的排放,缩短启动时间,降低启动、稳燃油耗和厂用电率,减少辅机设备的目的。
新型循环流化床联合循环包括:燃气轮机装置,循环流化床锅炉,蒸汽轮机装置,燃气轮机排气和锅炉一二次风系统相联接的管系及旁路烟囱,压气机中间级抽气口和锅炉高压风入口相联接的空气管系,烟气余热回收除氧加热系统。
所述的新型循环流化床联合循环中的燃气轮机装置是以空气为燃烧助燃剂、稀释剂以及热通道高温部件冷却剂,这类燃机需要远高于燃烧化学当量的过量空气;循环流化床锅炉为常压循环流化床,其中一二次风来自燃气轮机的排气,高压风源来自压气机的中间级抽气。
所述的新型循环流化床联合循环中的循环流化床锅炉分为主循环回路,尾部烟道、回转式空气预热器三部分,其中主循环回路包括炉膛、旋风分离器、回料器、外置式换热器;外置式换热器布置有高温过热器和高温再 热器等受热面,用以提高蒸汽的过热度和调节炉膛温度;锅炉尾部烟道布置有低温再热器、低温过热器,省煤器,低压省煤器。
所述的联合循环中的燃气轮机排气引入循环流化床炉膛底部的风室,通过布置在布风板上的风帽,使炉内物料流化,并为物料的内外循环提供动力,为炉内煤的燃烧提供所需的氧气;锅炉二次风由燃机排气管的分支引出并分流到锅炉本体不同位置的二次风口,以补充炉内燃烧所需的氧气和强化物料的掺混;锅炉高压风来自燃气轮机压气机的中间级抽气,为回料器、外置式换热器、烟道和给煤点提供吹扫或密封风;
外置式换热器中的高温过热器产生的合格蒸汽送往高压汽轮机膨胀做功,从高压汽轮机排出后的冷再热蒸汽在尾部烟道内的低温再热器和外置式换热器中的高温再热器再热后返回中压汽轮机,中压汽轮机的排气流入低压汽轮机膨胀做功后在凝汽器中凝结,经凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水前置泵、给水泵、高压加热器输送到省煤器进口。
为降低锅炉排烟温,在锅炉尾部烟道布置低压省煤器,凝结水在给水前置泵的驱动下,在低压省煤器加热并冷却烟气,回收的余热送到除氧器,作为除氧加热用;低压省煤器也可对外提供热水。
启动点火时,燃气轮机高温排气进入炉膛后,边流化床料,边将床料均匀加热,提升床温,当床温达到投煤温度时,即可投煤运行。作为备选,当设计煤种的着火温度高于燃气轮机排气温度时,可配置床上点火油枪及其相应的辅助燃料系统,借此将床温进一步提升到投煤温度后,方可投煤运行。
燃机排气的旁路烟囱布置在燃气轮机排气缸和锅炉一二风相连接的母 管上,并由三通阀的开关决定烟气的流向。
本发明的基本原理是通过煤的燃烧提高联合循环中底层循环的蒸汽初参数;以顶层循环的高温和低含氧量的燃机排气在炉内建立一定程度上的超焓、低氧燃烧氛围,达到提高循环热效率,减少烟气中NOx的排放,缩短启动时间,降低油耗和电耗,简化辅机设备的目的。
有益效果
所述的循环流化床联合循环具有以下优点和有益效果:
1、提高了热效率。燃气轮机的高温排气作为煤的燃烧助燃剂,在炉内实现一定程度上的“超焓”燃烧,最大限度地回收了燃机的排气能量,降低了发电煤耗;同时由于辐射能力强的CO2、水蒸气等三原子气体浓度增加,烟气的黑度增大,烟气热辐射换热能力提高,强化了辐射换热能力。此外,由于锅炉的各类用风来自燃机的排气或压气机的中间抽气,省掉了各类风机,降低电耗,提高了净效率。
2、减少了NOx等有害物的排放。含氧量为15%左右的燃机排气进入炉内后,导致炉内的燃烧在极度低的化学当量下进行,在这种氛围下,煤挥发分中的N和焦炭中的N更易转化为N2而非NO。此外,燃机排气中的NO在煤的挥发分中存在着“再烧”现象,NO与碳氢类挥发分发生化学反应,减少了NO的量。
3、简化了循环流化床锅炉的辅机设备。燃机的高温排气和压气机的中间抽气分别作为锅炉的一二次风、高压风,省掉了一、二次风机、高压风机、暖风器和空气预热器、床下点火装置及其燃料系统等;
4、缩短了启动时间、降低了运行费用。由于燃气轮机的排气热量大, 为床温的快速提升提供了必要的条件,有利于缩短启动时间。同时点火启动、稳燃、烘炉所需辅助能量也可由燃机排气承担。锅炉吹扫用气可在燃机启动过程中结合燃机的吹扫同时进行,运行费用相应降低。
附图说明
图1为一种新型的循环流化床联合循环的示意图。
图2为一种新型的循环流化床联合循环的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例对本发明进一步阐述。
本实施例以现有某种典型的燃机为基础,该燃机ISO工况下的排气温为542℃,排气流量为1700t/h,排气组分为O2:15.57%,N2:73.65%,CO2:4.91%,H2O:4.55%,其他:1.32%。
按“炉随机”,减少相互之间的影响,提高运行灵和性和可靠性的原则,确定系统的集成范围:一次风来自燃气轮机的排气;锅炉二次风系统及高压风系统单独配置。实施例循环流化床联合循环系统示意图见图2。
如图所示,本实施例的循环流化床联合循环系统包括:燃气轮机装置,循环流化床锅炉,蒸汽轮机装置,联接燃气轮机排气缸和循环流化床炉底风室的烟气系统及旁路烟囱,锅炉烟气余热回收除氧加热系统。
燃气轮机装置由压气机1、燃烧室2和膨胀透平3组成,燃料4为碳氢燃料,燃烧助燃剂、稀释剂以及热通道部件冷却剂为空气5。
循环流化床锅炉由三部分组成,第一部分为主循环回路,包括炉膛9、旋风分离器10、回料器11、外置式换热器12以及二次风机13及其空气管系;第二部为尾部烟道14,包括低温再热器15、低温过热器16、省煤器 17和低温省煤器18;第三部分为回转式空气预热器19。
透平3的排气通过排气管6引入循环流化床炉膛9底部的一次风室20,流化炉内物料、并形成物料的内外循环,同时为炉内煤的燃烧提供氧气;煤21和石灰石22分别从布置在回料器11上的给煤口、给料口进入炉膛9,在炉膛9内着火燃烧,同时进行脱硫反应。燃烧产物、固体颗粒等物料在炉内上升气流、重力的作用下,在炉膛9内形成内循环燃烧,并对炉内受热面放热;细小的颗粒在气流的夹带下,离开炉膛9进入旋风分离器10,被分离出来的物料分别经回料器11和外置式换热器12返回炉膛9循环燃烧,形成外循环;未被分离的细颗粒随烟气进入尾部烟道14,在尾部烟道14中的低温再热器15、低温过热器16、省煤器17、低压省煤器18,二次风空预器19换热后冷却后,经除尘器23、引风机24流向烟囱25,排向大气。
外置式换热器12内布置高温过热器26和高温再热器27等受热面,用以提高蒸汽的过热度和调节炉膛9温度;合格的主蒸汽和再热蒸汽分别引入高压汽轮机29和中压汽轮机30,蒸汽在高压汽轮机29、中压汽轮机30膨胀做功后分别引入锅炉尾部烟道14中的低温再热器15再热和低压汽轮机31续膨胀做功。蒸汽在低压汽轮机31膨胀做功后在凝汽器35冷却凝结,由凝结水泵36,经低压加热器37、输送到除氧器32除氧,除氧后的凝结水经给水前置泵33、给水泵34,高压加热器38,输送到省煤器17。
二次风机13冷空气经空气预热器19加热后进入炉膛9下部的不同二次风入口,作为燃烧及燃烧调整用风。
高压风机39的进口与大气相连通,出口与锅炉各高压风入口相连通。
灰渣的排放点40布置在炉膛风室20、外置式换热器12、回料器11等点。
锅炉尾部烟道中的低压省煤器18进口与给水前置泵23出口分支相连通,低压省煤器18出口与除氧器32的加热工质进口相连通,组成了烟气余热回收除氧加热系统,用以降低出口烟温,回收的烟气余热作为除氧器32除氧加热源。
点火启动时,透平3的高温排气进入炉膛9后,流化和加热床料,提升床温,当床温达到投煤温度时,即可投煤运行。作为选项,当设计煤种的着火温度高于透平3的排气温度时,可配置床上点火油枪28及其相应的辅助燃料系统,借此将床温进一步提升到投煤温度。
排气管6上设有三通阀8,通过三通阀8开关,可将燃机排气与旁路烟囱7或一次风室20相连通,实现燃气轮机单独运行或与循环流化床联合运行。
实施例循环流化床联合循环发电系统的技术性能如下:
计算基于的条件:煤的LHV:15702kj/kg,锅炉效率90%,过量空气系数为1.21,蒸汽轮机装置热耗:7485KJ/kw.h。
循环流化床锅炉是一个复杂的系统工程,与燃气轮机组成的联合循环后,增加了设计、运行的复杂性,因此进一步的研究与详细的开发需要拥有燃气轮机和锅炉设计经验和数据的团队共同完成。
本发明中,由于燃气轮机排气压力的升高,需要对透平3排气侧轴承箱的油封等进行必要的修改,以防止高温烟气进入排气侧轴承箱。

Claims (3)

1.一种新型的循环流化床联合循环,包括燃气轮机装置,循环流化床锅炉,蒸汽轮机装置,燃气轮机排气和锅炉一二次风系统相联接的管系及旁路烟囱,压气机中间级抽气口和锅炉高压风口相联接的空气管系,烟气余热回收除氧加热系统。所述的燃气轮机的排气缸与循环流化床锅炉的一次风和二次风入口相连通,并在其间设置有旁路烟囱;燃气轮机压气机中间级抽气口与循环流化床的高压风不同位置的入口相连通;所述的循环流化床锅炉尾部烟道出口经除尘器、烟囱与大气相连通;所述循环流化床的高温过热器、高温再热器蒸汽出口分别与高压汽轮机、中压汽轮机的蒸汽进口相连通,高压汽轮机的排汽口与尾部烟道的低温再热器进口相连通,中压汽轮机的排汽口与低压汽轮机的蒸汽进口相连通,低压汽轮机的排气在凝汽器凝结后,经凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水前置泵、给水泵、高压加热器与省煤器给水进口相连通;给水前置泵的出口分支管与布置在锅炉尾部烟道的低压省煤器的进口相连通,低压省煤器出口与除氧器加热工质的进口相连通,组成烟气余热回收除氧加热系统。
2.如权利要求1所述的一种新型循环流化床联合循环,其特征在于:燃气轮机的排气缸与循环流化床锅炉的一次风和二次风入口相连通,燃气轮机压气机中间级抽气口与循环流化床的高压用风不同位置的入口相连通。
3.如权利要求1所述的一种循环流化床联合循环,其特征在于:在锅炉的尾部烟道布置有低压省煤器,低压省煤器的进口与前置泵的出口分支相连,低压省煤器的出口与除氧器加热工质的进口相连通。
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