CN105257350A - 一种低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于低热值煤发电技术领域的一种蒸汽-热空气联合循环发电系统。该系统包括富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统，蒸汽循环发电系统，热空气循环发电系统以及污染物脱除系统，其中循环流化床锅炉系统通过高温烟气循环并结合富氧燃烧技术燃用低热值煤产生高温高压蒸汽，推动蒸汽轮机发电；热空气循环系统中，空气和低甲烷浓度煤井通风气经压缩和加热后在高温甲烷氧化器中发生氧化反应，其产生的高温高压热空气用于推动空气透平做功。本发明将蒸汽循环发电和热空气循环发电集成起来，既可提高低热值煤的利用率，减少污染物的生产，又能有效地氧化消除煤井通风气的低浓度甲烷，降低其温室气体效应，在防止其污染环境的同时充分利用这部分能源。

Description

一种低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统
技术领域
本发明属于低热值煤发电和低浓度甲烷煤井通风高效回收利用领域，特别涉及一种低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统，具体说是一种可回收低甲烷浓度的煤井通风气低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统。
背景技术
近年来，随着全球范围内生态环境的恶化和能源消耗速率的加快，“节能减排”开始越来越得到人们的重视。我国的一次能源以煤为主，长期以来煤炭在我国一次能源消费中的比例均在70％左右。而我国煤炭资源中以褐煤/次烟煤为代表的低热值煤占55％以上，储量达5612亿吨。近期，新疆新增约2.19万亿吨煤炭储量，也多为低热值煤。此外，煤炭的开采和洗选加工过程中会产生大量的煤泥、洗中煤和煤矸石等低热值煤；一般地，每生产1t原煤会产生0.15～0.2t煤矸石，2012年，我国煤矸石产量达到6.2亿吨，约占全国工业固废产量的40％。煤矸石堆积侵占了大量的土地，而且其中大部分为耕地。如果这些煤矸石、煤泥和洗中煤等低热值煤未得到合理利用，长期堆放于地表，不仅存在能源资源浪费、污染环境和运输能耗增加等问题，而且还会造成大气、水体、土壤等污染及地质灾害的发生。但若加以充分利用,则将变废为宝，化害为益。因此，如何清洁高效的利用这些低热值煤，将是我国未来能源行业的重要课题。
由于煤炭在我国能源结构中占有的重要地位，我国早已成为世界上最大的煤炭生产国，而在煤炭的开采过程中会产生煤矿瓦斯，其是赋存在煤层中的一种与煤伴生的气体，主要成分为甲烷。瓦斯是煤矿安全生产的主要隐患，通常采用向矿井内大量通风的方法将瓦斯排出，形成大量低甲烷浓度的煤井通风气。煤井通风气的主要成分甲烷既是一种优质的清洁能源，又是一种温室气体，所产生的温室效应是二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。目前，世界上几乎所有的超低浓度煤层气都未进行回收处理就直接排向大气，这一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费，另一方面也加剧了大气污染和温室效应。因此，回收利用这部分低甲烷浓度的煤井通风气，对我国的“节能减排”具有重要意义。
针对上述问题，本发明提出一种可回收低甲烷浓度煤井通风气的低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统，通过利用循环流化床富氧无焰燃烧技术可提高低热值煤在锅炉中的燃烧效率，减少污染物的生产；同时，热空气循环发电系统可对煤井的低甲烷浓度通风气实现有效回收利用。
发明内容
本发明的目的是提出一种低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述联合循环发电系统包括四个子系统：富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统，蒸汽循环发电系统，热空气循环发电系统以及污染物脱除系统；所述富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统分别与其它三个子系统相连，即富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统的高温高压蒸汽出口与蒸汽循环发电系统的蒸汽轮机入口相连，旋风分离器组的烟气出口分别与热空气循环发电系统烟气入口和污染物脱除系统的烟气入口相连；此外，热空气循环发电系统的烟气出口还与污染物脱除系统的烟气入口相连。
所述富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统主要包括给煤机、碎煤机、炉膛、分离器、回料器和旋风分离器组；给煤机出口通过碎煤机与循环流化床炉膛相连，石灰石与煤粉一并进入炉膛，炉膛的烟气出口与分离器相连；分离器的出口分两路，一路是分离器的固体颗粒出口通过回料器与炉膛相连，另一路是分离器的烟气出口与飞灰仓相连；其中，烟气出口分两路，一路进入热空气循环发电系统，另一路与在热空气循环发电系统中放热后的烟气汇合；汇合后的烟气分两路，一路作为循环烟气分别进入回料器和炉膛，另一路进入污染物脱除系统处理；炉内受热面出口的高温高压蒸汽与蒸汽循环发电系统的蒸汽轮机入口相连，炉内受热面入口A’与热空气循环发电系统中省煤器的给水出口A’相连；氧气入口通过风机Ⅱ与炉膛相连。
所述的蒸汽循环发电系统中，蒸汽轮机的蒸汽入口与富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统相连，蒸汽出口与凝汽器入口相连，凝汽器的凝结水出口分两路，分别通过回热加热单元和低温省煤器加热汇合后与热空气循环发电系统的省煤器给水入口A相连；所述的蒸汽轮机还与发电机Ⅰ同轴相连；在蒸汽循环发电系统中蒸汽循环使用亚临界、超临界或超超临界蒸汽参数，
所述的热空气循环发电系统中，来自富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统的烟气分两路，一路与换热器Ⅰ的烟气入口相连，另一路依次与换热器Ⅱ和省煤器相连，两路烟气放热后汇合，返回至富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统；所述的低甲烷浓度的煤井通风气入口依次与压气机Ⅰ、换热器Ⅰ和高温甲烷氧化器相连；所述的空气入口依次与压气机Ⅱ、换热器Ⅱ和高温甲烷氧化器相连，所述的高温甲烷氧化器的出口与空气透平相连，所述的空气透平还与发电机Ⅱ同轴相连。
所述的污染物脱除系统中，低温省煤器、除尘器、脱硫、脱硝装置、水回收装置和CO2压缩捕集装置依次相连；其中，所述低温省煤器的凝结水出入口分别与蒸汽循环发电系统中回热加热单元的凝结水出入口相连。
所述的循环流化床锅炉以低热值煤为燃料，以纯氧和富氧燃烧产生的高温、富含CO2的再循环烟气混合作为助燃剂；助燃气以高速射流的形式注入炉膛，使炉膛稳定燃烧后火焰峰面消失，呈现均匀的无焰燃烧状态；同时，结合石灰石炉内脱硫技术，在入炉燃料中添加石灰石，可降低了SOx的排放水平；所述的分离器烟气出口布置有旋风分离器组，用于进一步分离净化烟气。
所述的热空气循环发电系统中，空气和煤井通风气经压气机压缩后被进一步加热，热源为富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统中旋风分离器出口的热烟气；高温空气为低甲烷浓度煤井通风气提供氧化所需能量，并在高温甲烷氧化器中发生氧化反应，此反应亦可看成为无焰燃烧过程；高温甲烷氧化器出口的高温高压混合气体用于推动空气透平做功。
所述的污染物脱除系统中，脱硫、脱硝装置采用石灰石/石膏湿法脱硫和选择性催化脱硝技术，可有效脱除烟气中的SO2和NOx；所述的CO2压缩捕集装置中，CO2经多级压缩、冷却后进行回收利用；所述的脱硫、脱硝装置后还布置有水回收装置，用于对系统的废水进行有效的回收利用。
本发明的有益效果是通过利用循环流化床富氧无焰燃烧与炉内石灰石脱硫技术，可提高低热值煤在锅炉中燃烧的稳定性和燃尽率，使炉膛的温度分布更加均匀，辐射传热得到增强，且可减少NOx和SOx的生成，并提高烟气中CO2的浓度，从而便于CO2的的脱除和进一步封存利用。同时，热空气循环发电系统可充分回收利用煤井的低甲烷浓度通风气，系统简单且成本低廉，在防止其污染环境的同时又能利用这部分能源发出部分电能。此外，污染物脱除系统还可实现NOx和SOx的有效脱除、CO2的压缩回收，并可对系统的废水进行有效回收。本发明将蒸汽循环和热空气循环集成发电，蒸汽轮机和空气透平发出的电能均供给电网，集成的系统发电量大、能量转换效率高。
附图说明
图1为一种可回收低甲烷浓度煤井通风气的低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统示意图。
图中：1-给煤机；2-碎煤机；3-炉膛；4-炉内受热面；5-分离器；6-回料器；7-旋风分离器组；8-飞灰仓；9-风机Ⅰ；10-风机Ⅱ；11-蒸汽轮机；12-发电机Ⅰ；13-凝汽器；14-回热加热单元；15-压气机Ⅰ；16-换热器Ⅰ；17-压气机Ⅱ；18-换热器Ⅱ；19-省煤器；20-高温甲烷氧化器；21-空气透平；22-发电机Ⅱ；23-低温省煤器；24-除尘器；25-脱硫、脱硝装置；26-水回收装置；27-CO2压缩捕集装置。
具体实施方式
本发明提供一种低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统；下面结合附图和具体实施方式对本系统工作原理做进一步说明。
图1所示为一种可回收低甲烷浓度煤井通风气的低热值煤蒸汽-热空气联合循环发电系统。
如图1所示，该系统包括四个子系统：富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统，蒸汽循环发电系统，热空气循环发电系统以及污染物脱除系统；所述富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统分别与其它三个子系统相连，其高温高压蒸汽出口与蒸汽循环发电系统的蒸汽轮机11入口相连，其旋风分离器组7的烟气出口分别与热空气循环发电系统的烟气入口和污染物脱除系统的低温省煤器23烟气入口相连；此外，热空气循环发电系统的烟气出口还与污染物脱除系统的烟气入口相连。
所述富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统包括给煤机1、碎煤机2、炉膛3、分离器5、回料器6和旋风分离器组7等部分；所述的给煤机1出口通过碎煤机2与炉膛3相连，石灰石与煤粉一并进入炉膛，炉膛3的烟气出口与分离器5相连；分离器5的出口分两路，一路是分离器的固体颗粒出口通过回料器6与炉膛3相连，另一路是分离器的烟气出口与飞灰仓8相连；其中，烟气出口分两路，一路进入热空气循环发电系统，另一路与在热空气循环发电系统中放热后的烟气汇合；汇合后的烟气分两路，一路作为循环烟气分别与回料器6和炉膛3相连，另一路进入污染物脱除系统处理；炉内受热面4出口的高温高压蒸汽与蒸汽循环发电系统的蒸汽轮机11入口相连，炉内受热面4入口A’与热空气循环发电系统中省煤器19的给水出口A’相连；氧气入口通过风机Ⅱ10与炉膛3相连。
所述蒸汽循环发电系统中，蒸汽轮机11的蒸汽入口与富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统相连，蒸汽出口与凝汽器13入口相连，凝汽器13的凝结水出口分两路，分别通过回热加热单元14和低温省煤器23加热汇合后与热空气循环发电系统的省煤器19给水入口A相连；所述蒸汽轮机11还与发电机Ⅱ12同轴相连。
所述热空气循环发电系统中，来自富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统的烟气分两路，一路与换热器Ⅰ16的烟气入口相连，另一路依次与换热器Ⅱ18和省煤器19相连，两路烟气放热后汇合，返回至富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统；低甲烷浓度的煤井通风气入口依次与压气机Ⅰ15、换热器Ⅰ16和高温甲烷氧化器20相连；所述的空气入口依次与压气机Ⅱ17、换热器Ⅱ18和高温甲烷氧化器20相连；高温甲烷氧化器20的出口与空气透平21相连，空气透平21还与发电机Ⅱ22同轴相连。
所述污染物脱除系统中，低温省煤器23、除尘器24、脱硫、脱硝装置25、水回收装置26和CO2压缩捕集装置27依次相连；其中，所述低温省煤器23的凝结水出入口分别与蒸汽循环发电系统中回热加热单元14的凝结水出入口相连。
所述循环流化床锅炉以低热值煤为燃料，以纯氧和富氧燃烧产生的高温、富含CO2的再循环烟气混合作为助燃剂；助燃气以高速射流的形式注入炉膛，使炉膛稳定燃烧后火焰峰面消失，呈现均匀的无焰燃烧状态；同时，结合石灰石炉内脱硫技术，在入炉燃料中添加石灰石，可降低SOx的排放水平；所述的分离器5烟气出口布置有旋风分离器组7，用于进一步分离净化烟气。
所述的热空气循环发电系统中，空气和煤井通风气经压气机压缩后被进一步加热，热源为富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统中旋风分离器组7出口的热烟气；高温空气为低甲烷浓度煤井通风气提供氧化所需能量，并在所述的高温甲烷氧化器20中发生氧化反应，此反应亦可看成为无焰燃烧过程；所述的高温甲烷氧化器20出口的高温高压混合气体用于推动空气透平21做功。
所述的污染物脱除系统中，脱硫、脱硝装置25采用石灰石/石膏湿法脱硫和选择性催化脱硝技术，可有效脱除烟气中的SO2和NOx；所述的CO2压缩捕集装置27中，CO2经多级压缩、冷却后进行回收利用；所述的脱硫、脱硝装置25后还布置有水回收装置26，用于对系统的废水进行有效的回收利用。
其工作过程为：给煤机输送的低热值煤经碎煤机破碎后和石灰石一并送入循环流化床锅炉炉膛内燃料，助燃剂为炉膛底部送入的纯氧和较高温度再循环烟气的混合气，炉膛的燃烧温度可由再循环烟气量来控制；燃烧产物经分离器分离后，未燃尽的固体颗粒返回到炉膛继续燃烧，燃尽的烟气进入到旋风分离器组进一步分离，分离出的飞灰送入飞灰仓处理，分离出的烟气部分作为热空气循环发电系统中空气和煤井通风气的热源，放热后的烟气与另一部分汇合；汇合后的烟气根据需要一部分作为再循环烟气返回到炉膛，另一部分直接送入污染物脱除系统处理。在蒸汽循环发电系统中，凝汽器产生的凝结水经回热加热单元和省煤器加热后送入循环流化床锅炉水冷壁，经炉内各级受热面加热后产生的高温高压蒸汽用于推动蒸汽轮机发电，蒸汽循环可使用亚临界、超临界或超超临界蒸汽参数。在热空气循环发电系统中，经压气机压缩后的空气和低甲烷浓度煤井通风气被锅炉烟气进一步加热后进入高温甲烷氧气器，在其内发生氧化反应产生高温高压的热空气用于推动空气透平做功。
最后，本发明由华北电力大学，西澳大学(TheUniversityofWesternAustralia)和3D反应有限责任公司(3DReactionsPtyLtd)共同研究成功，本实施例不限制本发明权利要求的权利范围。

Claims (9)

1.一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述联合循环发电系统包括四个子系统：富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统，蒸汽循环发电系统，热空气循环发电系统以及污染物脱除系统；所述富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统分别与其它三个子系统相连，即富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统的高温高压蒸汽出口与蒸汽循环发电系统的蒸汽轮机入口相连，旋风分离器组的烟气出口分别与热空气循环发电系统烟气入口和污染物脱除系统的烟气入口相连；此外，热空气循环发电系统的烟气出口还与污染物脱除系统的烟气入口相连。
2.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统主要包括给煤机、碎煤机、炉膛、分离器、回料器和旋风分离器组；给煤机出口通过碎煤机与循环流化床炉膛相连，石灰石与煤粉一并进入炉膛，炉膛的烟气出口与分离器相连；分离器的出口分两路，一路是分离器的固体颗粒出口通过回料器与炉膛相连，另一路是分离器的烟气出口与飞灰仓相连；其中，烟气出口分两路，一路进入热空气循环发电系统，另一路与在热空气循环发电系统中放热后的烟气汇合；汇合后的烟气分两路，一路作为循环烟气分别进入回料器和炉膛，另一路进入污染物脱除系统处理；炉内受热面出口的高温高压蒸汽与蒸汽循环发电系统的蒸汽轮机入口相连，炉内受热面入口A’与热空气循环发电系统中省煤器的给水出口A’相连；氧气入口通过风机Ⅱ与炉膛相连。
3.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述的蒸汽循环发电系统中，蒸汽轮机的蒸汽入口与富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统相连，蒸汽出口与凝汽器入口相连，凝汽器的凝结水出口分两路，分别通过回热加热单元和低温省煤器加热汇合后与热空气循环发电系统的省煤器给水入口A相连；所述的蒸汽轮机还与发电机Ⅰ同轴相连；在蒸汽循环发电系统中蒸汽循环使用亚临界、超临界或超超临界蒸汽参数。
4.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述的热空气循环发电系统中，来自富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统的烟气分两路，一路与换热器Ⅰ的烟气入口相连，另一路依次与换热器Ⅱ和省煤器相连，两路烟气放热后汇合，返回至富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统；所述的低甲烷浓度的煤井通风气入口依次与压气机Ⅰ、换热器Ⅰ和高温甲烷氧化器相连；所述的空气入口依次与压气机Ⅱ、换热器Ⅱ和高温甲烷氧化器相连，所述的高温甲烷氧化器的出口与空气透平相连，所述的空气透平还与发电机Ⅱ同轴相连。
5.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述的污染物脱除系统中，低温省煤器、除尘器、脱硫、脱硝装置、水回收装置和CO2压缩捕集装置依次相连；其中，所述低温省煤器的凝结水出入口分别与蒸汽循环发电系统中回热加热单元的凝结水出入口相连。
6.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述的循环流化床锅炉以低热值煤为燃料，以纯氧和富氧燃烧产生的高温、富含CO2的再循环烟气混合作为助燃剂；助燃气以高速射流的形式注入炉膛，使炉膛稳定燃烧后火焰峰面消失，呈现均匀的无焰燃烧状态；同时，结合石灰石炉内脱硫技术，在入炉燃料中添加石灰石，可降低了SOx的排放水平；所述的分离器烟气出口布置有旋风分离器组，用于进一步分离净化烟气。
7.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述的热空气循环发电系统中，空气和煤井通风气经压气机压缩后被进一步加热，热源为富氧无焰燃烧循环流化床锅炉系统中旋风分离器出口的热烟气；高温空气为低甲烷浓度煤井通风气提供氧化所需能量，并在高温甲烷氧化器中发生氧化反应，此反应亦可看成为无焰燃烧过程；高温甲烷氧化器出口的高温高压混合气体用于推动空气透平做功。
8.根据权利要求1所述一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，所述的污染物脱除系统中，脱硫、脱硝装置采用石灰石/石膏湿法脱硫和选择性催化脱硝技术，可有效脱除烟气中的SO2和NOx；所述的CO2压缩捕集装置中，CO2经多级压缩、冷却后进行回收利用；所述的脱硫、脱硝装置后还布置有水回收装置，用于对系统的废水进行有效的回收利用。
9.根据权利要求1所述的一种低热值煤蒸汽‐热空气联合循环发电系统，其特征在于，给煤机输送的低热值煤经碎煤机破碎后和石灰石一并送入循环流化床锅炉炉膛内燃料，助燃剂为炉膛底部送入的纯氧和较高温度再循环烟气的混合气，炉膛的燃烧温度可由再循环烟气量来控制；燃烧产物经分离器分离后，未燃尽的固体颗粒返回到炉膛继续燃烧，燃尽的烟气进入到旋风分离器组进一步分离，分离出的飞灰送入飞灰仓处理，分离出的烟气部分作为热空气循环发电系统中空气和煤井通风气的热源，放热后的烟气与另一部分汇合；汇合后的烟气根据需要一部分作为再循环烟气返回到炉膛，另一部分直接送入污染物脱除系统处理，在蒸汽循环发电系统中，凝汽器产生的凝结水经回热加热单元和省煤器加热后送入循环流化床锅炉水冷壁，经炉内各级受热面加热后产生的高温高压蒸汽用于推动蒸汽轮机发电，蒸汽循环可使用亚临界、超临界或超超临界蒸汽参数，在热空气循环发电系统中，经压气机压缩后的空气和低甲烷浓度煤井通风气被锅炉烟气进一步加热后进入高温甲烷氧气器，在其内发生氧化反应产生高温高压的热空气用于推动空气透平做功。
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