CN107101187A - 一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法 - Google Patents

一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法 Download PDF

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徐震
王志强
马春元
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    • F22G3/001Steam tube arrangements not dependent of location
    • F22G3/002Steam tube arrangements not dependent of location with helical steam tubes

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法,包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、外置式换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器,其中,所述螺旋管圈过热器安装在锅炉的炉膛内部,其为螺旋管圈结构,螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道;外置再热器安装在外置式换热器的内部;所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部;炉膛的上端与分离器的进口连通,分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通,分离器的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口,外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连通;螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置;外置再热器与对流再热器并联设置。

Description

一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法
技术领域
[0001] 本发明属于高效火力发电技术领域,具体涉及一种超临界二氧化碳锅炉加热系统 及加热方法。
背景技术
[0002] 常规火力发电机组采用蒸汽朗肯循环工作,其效率的关键决定因素是主蒸汽参 数,目前最先进的700°C超临界机组效率理论上可突破50%。然而,受现有材料和工艺制约, 蒸汽参数提高有其极限且会带来机组造价的大幅攀升。如何在现有温度水平上,提高火力 发电机组效率对于我国能源可持续发展和节能减排具有现实与长远意义。
[0003] 超临界二氧化碳布雷顿循环是一种高效的新型动力循环,它利用二氧化碳临界温 度较低的特点,通过在临界点以上压缩工质以减少压缩机耗功,从而使得循环热效率有效 提高。该技术能够在较低的温度下达到与蒸汽朗肯循环相同的热效率,机组占地面积小、比 造价低且实现了二氧化碳资源化利用,具有很好的发展潜力。然而,从目前公开的文献看, 对超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的研宄主要面向核能、太阳能及工业余热,鲜有针 对煤炭、生物质等固体能源的火力发电系统的报道。我国的能源结构以煤为主,同时我国又 是生物质资源大国,因而开发超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统符合我国国情,市 场前景广阔。
[0004] 锅炉是超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统的关键装备之一,对于300或 600MW的火力发电系统,超临界二氧化碳布雷顿循环可采用一次再热的再压缩循环流程,此 条件下,超临界二氧化碳锅炉在设计中面临诸多障碍:首先,进入锅炉的二氧化碳温度超过 50(TC,且比热小于水蒸气,使得炉膛内受热面管壁易超温,同时也使得导致锅炉排烟温度 高,烟气热损失大;其次,循环大量回热且采用低压比,超临界二氧化碳在锅炉内温升小(约 l〇(TC)但流量远高于同热负荷下蒸汽锅炉,使得受热面布置方式不同于蒸汽锅炉;最后,超 临界二氧化碳在锅炉内不发生相变,换热系数较低,所需换热面积大,会导致炉膛和尾部烟 道受热面布置空间不足。
发明内容
[0005]针对上述现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳 锅炉加热系统及加热方法。该锅炉加热系统可以用于300MW及600MW超临界二氧化碳布雷顿 循环火力发电系统,具有较高加热效率、较低氮氧化物排放的优势,并能克服炉膛受热面管 壁超温和受热面布置空间不足等问题。
[0006]为了解决以上问题,本发明的技术方案为:
[0007] —种超临界二氧化碳锅炉加热系统,包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、外置式 换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器,其中,所述螺旋管圈过热器安装在锅 炉的炉膛内部,其为螺旋管圈结构,螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道;
[0005] 所述外置再热器安装在外置式换热器的内部,提供超临界二氧化碳流通通道;
[0009]所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部,均提供超临界二氧化碳流通通 道;
[0010]炉膛的上端与分离器的进口连通,分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通,分 离器的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口,外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连 通;
[0011] 螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置;
[0012] 外置再热器与对流再热器并联设置。
[0013] 炉膛内的过热器采用螺旋管圈结构代替传统的水冷壁结构,与对流过热器并联, 通过调节进入螺旋管圈过热器和对流过热器中的超临界二氧化碳的流量比,可有效避免过 热器进口温度过高和非相变换热带来的管壁超温问题。同时采用对流过热器,利用烟道中 的烟气对超临界二氧化碳加热,增加了受热面,可以解决炉膛内受热面布置空间不足的问 题。
[0014] 采用外置再热器和对流再热器并联,可以方便、灵活的调节超临界二氧化碳的再 热温度。
[0015] 利用分离器对烟气进行气固分离,并利用固体颗粒对外置再热器中的超临界二氧 化碳进行加热,回收了烟气中固体颗粒的热量,提高了能量的利用率。
[0016] 进一步的,所述分离器的固体颗粒出口端还与返料阀连通,返料阀与外置式换热 器并联,且返料阀与锅炉的炉腔连通。
[0017] 外置式换热器与返料阀并联设置,可以通过改变进入两者的固体颗粒的流量比例 来调节炉膛内的温度,更利于达到最佳的炉膛温度。
[0018] 进一步的,所述分离器为旋风分离器。
[0019] 旋风分离器是利用离心力分离气流中固体颗粒或液滴的设备。
[0020] 进一步的,所述对流过热器和对流再热器并排设置,且超临界二氧化碳的流向均 与烟气逆流。就有更好的加热效果。
[0021] 更进一步的,对流过热器和对流再热器之间布置炉墙。
[0022] 再进一步的,所述炉墙的一端活动安装有可以调节流经对流过热器和对流再热器 的挡板。挡板可以铰接在炉墙上,通过调节挡板的位置,调节流经对流过热器和对流再热器 的烟气流量。
[0023] 更进一步的,对流过热器和对流再热器的下游安装有省煤器,对流过热器和对流 再热器的出口均与省煤器的进口连通。
[0024] 再进一步的,省煤器中的超临界二氧化碳的流向与烟气流向相反。
[0025] 更进一步的,所述省煤器的下游设置有空气预热器。
[0026] 更进一步的,所述空气预热器与省煤器之间设置有与锅炉的炉腔连通的烟道,该 烟道上设置有风机。
[0027] 通过风机将烟道中的部分烟气引入锅炉的炉腔内,使部分烟气再循环,可以降低 炉膛内的氧气的浓度,能有效减少氮氧化物的生成。同时尾部烟气的流量增加,有利于强化 烟气侧换热,减少对流受热面换热面积。
[0028] 利用所述一种超临界二氧化碳锅炉加热系统对超临界二氧化碳进行加热的方法, 包括如下步骤:
[0029]超临界二氧化碳分为两路,分别进入螺旋管圈过热器和对流过热器,进入螺旋管 圈过热器的一路超临界二氧化碳与炉膛中的烟气和固体颗粒的混合物换热,进入对流过热 器的一路超临界二氧化碳与烟道中的烟气换热,两路超临界二氧化碳在螺旋管圈过热器和 对流过热器的出口汇合后送入高压透平;
[0030]高压透平出口的超临界二氧化碳分为两路,分别进入外置再热器和对流再热器, 进入外置再热器的一路超临界二氧化碳与从烟气中分离出的固体颗粒换热,进入对流再热 器的一路超临界二氧化碳与烟道中的烟气换热;两路超临界二氧化碳在两者出口汇合后送 入低压透平进口;
[0031]低压透平出口的超临界二氧化碳依次进入高温回热器和低温回热器的低压侧被 冷却,高温回热器出口的超临界二氧化碳分为两路,一路经冷却器进一步冷却后进入主压 缩机,经压缩后进入低温回热器局压侧,另一路进入再压压缩机被压缩,两路在尚温回热器 前汇合后进入高温回热器高压侧被加热。进入省煤器的超临界二氧化碳从主压缩机后引 出,经省煤器加热后与高温回热器出口的超临界二氧化碳分为两路,分别进入螺旋管圈过 热器和对流过热器。
[0032]进一步的,进入螺旋管圈过热器的超临界二氧化碳流量占超临界二氧化碳总流量 的 55-65 %。
[0033]进一步的,进入外置再热器的超临界二氧化碳流量占超临界二氧化碳总流量的 55-65% 〇
[0034]进一步的,上述方法还包括将省煤器下游的烟气部分引入锅炉中循环利用的步 骤,引入锅炉的烟气量为烟气总量的12-17%。
[0035]进一步的,螺旋管圈过热器的超临界二氧化碳工质进口布置在炉膛底部,其流动 方向与烟气流动方向布置为顺流;
[0036]外置再热器中超临界二氧化碳工质流动方向与固体颗粒运动方向布置为顺流; [0037] 对流过热器中超临界二氧化碳工质流动方向与烟气流动方向布置为逆流;
[0038] 对流再热器中超临界二氧化碳工质流动方向与烟气流动方向布置为逆流。
[0039]本发明的有益效果为:
[0040] 1)采用循环流化床锅炉型式,炉膛内温度维持在850_90(TC,减少辐射传热量。炉 膛内过热器采用螺旋管圈结构代替传统的水冷壁结构,与对流过热器并联,通过调节进入 螺旋管圈过热器和对流过热器的超临界二氧化碳流量比,有效避免由其进口温度高和非相 变换热带来的管壁超温问题;
[0041] 2)采用对流过热器解决炉膛内受热面布置空间不足向题,外置式换热器内布置外 置再热器,且与对流再热器并联,可方便、灵活的调节超临界二氧化碳再热温度;
[0042] 3)采用烟气再循环,降低炉膛内氧浓度,能有效减少氮氧化物生成,同时尾部烟道 流量增加,有利于强化烟气侧换热,减少对流受热面换热面积;
[0043] 4)装置流程简单、结构紧凑、设备集成度高,可节省占地面积,减少工艺管线。
附图说明
[0044]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示 意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
[0045] 图1是本发明实施例的结构示意图;
[0046] 其中:1、炉膛,2、螺旋管圈过热器,2a、螺旋管圈过热器工质进口,2b、螺旋管圈过 热器工质出口,3、旋风分离器,4、返料阀,5、外置式换热器,6、外置再热器,6a、外置再热器 工质进口,6b、外置再热器工质出口,7、对流过热器,7a、对流过热器工质进口,7b、对流过热 器工质出口,8、对流再热器,Sa、对流再热器工质进口,8b、对流再热器工质出口,9、省煤器, 10、二级空气预热器,11、一级空气预热器,12、再循环烟道,I3、再循环风机。
具体实施方式
[0047] 应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另 有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常 理解的相同含义。
[0048] 需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根 据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式 也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包 括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0049] 如图1所示,一种超临界二氧化碳锅炉加热系统,炉膛1的炉墙内布置螺旋管圈过 热器2,布置方式采用半埋管式,螺旋管圈过热器工质进口 2a布置在炉膛下部,螺旋管过热 器工质出口 2b布置在炉膛上部,换热管圈数为1-1.5圈。各螺旋管进口连接进口集液器以达 到均匀分配管内工质的目的,各螺旋管出口连接出口集液器。锅炉炉膛1上部烟气出口与旋 风分离器3进口连通,旋风分离器3下部固体颗粒出口分为两路,一路与返料阀4进口连通, 一路与外置式换热器5进口连通,返料阀4的固体颗粒出口和外置式换热器5的固体颗粒出 口分别与炉膛1底部连通。外置式换热器5内布置外置再热器6,外置再热器6内的超临界二 氧化碳工质流动方向与外置式换热器5内固体颗粒的流动方向相同。旋风分离器3上部烟气 出口与锅炉尾部烟道连通,尾部烟道内依次布置对流过热器7,对流再热器8,省煤器9,二次 烟气预热器,10和一次烟气预热器11,其中对流过热器7和对流再热器8并排布置。再循环烟 气抽取点布置在省煤器9和二次烟气预热器10之间的尾部烟道上,通过再循环烟道12和再 循环风机13送入炉膛一次风进口或二次风进口,再循环烟气量为理论烟气量的15 %。
[0050] 螺旋管圈过热器2与对流过热器7采用并联方式,螺旋管圈过热器工质进口 2a与对 流过热器工质进口 7a连通,螺旋管圈过热器工质出口 2b与对流过热器工质出口 7b连通,两 路工质流量分配通过节流阀调节。
[0051]外置再热器6与对流再热器8采用并联方式,外置再热器工质进口 6a与对流再热器 工质进口 8a连通,外置再热器工质出口 6b与对流再热器工质出口 7b连通,两路工质流量分 配通过节流阀调节。
[0052]尾部烟道中并排布置的对流过热器7和对流过热器8之间布置炉墙,并通过烟道挡 板调节两装置的烟气流量。
[0053]进入螺旋管圈过热器2的工质流量占总流量的比例为60%;进入外置再热器6的工 质流量占总流量的比例为60%。
[0054]循环流化床锅炉燃料为烟煤、褐煤、泥煤、生物质的一种或几种的混合物。
[0055]以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技 术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修 改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离 器、外置式换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器,其中,所述螺旋管圈过热 器安装在锅炉的炉膛内部,其为螺旋管圈结构,螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道; 所述外置再热器安装在外置式换热器的内部,提供超临界二氧化碳流通通道; 所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部,均提供超临界二氧化碳流通通道; 炉膛的上端与分离器的进口连通,分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通,分离器 的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口,外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连通; 螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置; 外置再热器与对流再热器并联设置。
2. 根据权利要求1所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:所述分离器的固 体颗粒出口端还与返料阀连通,返料阀与外置式换热器并联,且返料阀与锅炉的炉腔连通。
3. 根据权利要求1所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:所述对流过热器 和对流再热器并排设置,且超临界二氧化碳的流向均与烟气逆流; 优选的,对流过热器和对流再热器之间布置炉墙。
4. 根据权利要求3所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:所述炉墙的一端 活动安装有可以调节流经对流过热器和对流再热器的挡板。
5. 根据权利要求3所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:对流过热器和对 流再热器的下游安装有省煤器,对流过热器和对流再热器的出口均与省煤器的进口连通; 优选的,省煤器中的超临界二氧化碳的流向与烟气流向相反。
6. 根据权利要求5所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:所述省煤器的下 游设置有空气预热器。
7. 根据权利要求6所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统,其特征在于:所述空气预热器 与省煤器之间设置有与锅炉的炉腔连通的烟道,该烟道上设置有风机。
8. 利用权利要求1-7任一所述一种超临界二氧化碳锅炉加热系统对超临界二氧化碳加 热的方法,其特征在于:包括如下步骤: 超临界二氧化碳分为两路,分别进入螺旋管圈过热器和对流过热器,进入螺旋管圈过 热器的一路超临界二氧化碳与炉膛中的烟气和固体颗粒的混合物换热,进入对流过热器的 一路超临界二氧化碳与烟道中的烟气换热,两路超临界二氧化碳在螺旋管圈过热器和对流 过热器的出口汇合后送入高压透平; 高压透平出口的超临界二氧化碳分为两路,分别进入外置再热器和对流再热器,进入 外置再热器的一路超临界二氧化碳与从烟气中分离出的固体颗粒换热,进入对流再热器的 一路超临界二氧化碳与烟道中的烟气换热;两路超临界二氧化碳在两者出口汇合后送入低 压透平进口; 低压透平出口的超临界二氧化碳依次进入高温回热器和低温回热器的低压侧被冷却, 高温回热器出口的超临界二氧化碳分为两路,一路经冷却器进一步冷却后进入主压缩机, 经压缩后进入低温回热器高压侧,另一路进入再压压缩机被压缩,两路在高温回热器前汇 合后进入高温回热器高压侧被加热。进入省煤器的超临界二氧化碳从主压缩机后引出,经 省煤器加热后与高温回热器出口的超临界二氧化碳分为两路,分别进入螺旋管圈过热器和 对流过热器。
9. 根据权利要求8所述的方法,其特征在于:进入螺旋管圈过热器的超临界二氧化碳流 量占超临界二氧化碳总流量的55-65% ; 优选的,进入外置再热器的超临界二氧化碳流量占超临界二氧化碳总流量的55-65% ; 优选的,上述方法还包括将省煤器下游的烟气部分引入锅炉中循环利用的步骤,引入 锅炉的烟气量为烟气总量的12-17%。
10. 根据权利要求8所述的方法,其特征在于:螺旋管圈过热器的超临界二氧化碳工质 进口布置在炉膛底部,其流动方向与烟气流动方向布置为顺流; 外置再热器中超临界二氧化碳工质流动方向与固体颗粒运动方向布置为顺流; 对流过热器中超临界二氧化碳工质流动方向与烟气流动方向布置为逆流; 对流再热器中超临界二氧化碳工质流动方向与烟气流动方向布置为逆流。
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