CN107120642B - 一种超临界二氧化碳循环流化床锅炉加热系统及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳循环流化床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、烟道和对流过热器，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；所述对流过热器安装在烟道的内部，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通过返料阀与锅炉的炉膛连通；螺旋管圈过热器与对流过热器并联或串联设置。

Description

一种超临界二氧化碳循环流化床锅炉加热系统及加热方法

技术领域

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循环流化床锅炉加热系统及加热方法。

背景技术

动力循环是火力发电机组的核心和基础，提高循环效率是电力行业追求的永恒目标。常规火电机组多采用蒸汽朗肯循环，其效率的关键决定因素是主蒸汽参数，目前最先进的700℃超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成本高昂。如何在现有技术水平基础上，实现动力循环技术的创新和突破，对于我国能源可持续发展和清洁化转型具有重要的现实与长远意义。

近年来，国内外能源动力界在新型动力循环领域开展了大量研究工作，其中又以超临界二氧化碳布雷顿循环技术备受重视。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究主要面向核能、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。

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。对于小容量(<100MW)火力发电系统，超临界二氧化碳布雷顿循环适合采用无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，二氧化碳处于超临界状态，吸热过程不发生相变，尾部烟道中无需布置省煤器；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150℃)但流量远高于同热负荷下蒸汽锅炉，使得过热器布置难度增加；再次，进入锅炉的超临界二氧化碳温度较高(>400℃)，且比热小于水蒸气，使得炉膛内辐射受热面管壁易超温，也使得排烟温度较高。

发明内容

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循环流化床锅炉加热系统及加热方法。该锅炉加热系统可以用于小容量超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，具有较高热效率、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。

为了解决以上问题，本发明的技术方案为：

一种超临界二氧化碳循环流化床锅炉加热系统，包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、烟道和对流过热器，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；

所述对流过热器安装在烟道的内部，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通过返料阀与锅炉的炉膛连通；

螺旋管圈过热器与对流过热器并联或串联设置。

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，与对流过热器并联时，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，可有效避免对流过热器烟气出口温度过高和超临界二氧化碳流量大、进出口温差小造成的换热面布置难题，同时还可节省省煤器使流程简化。

螺旋管圈过热器与对流过热器串联时，低温超临界二氧化碳首先进入螺旋管圈过热器，炉膛受热面平均温度低，可降低其非相变换热带来的管壁超温风险。

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。

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。

进一步的，所述分离器为旋风分离器。

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。

更进一步的，螺旋管圈过热器和对流过热器串联时，在对流过热器的下游安装有省煤器。

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。

更进一步的，所述省煤器的下游设置有一级空气预热器。

再进一步的，所述一级空气预热器的下游设置有二级空气预热器。

更进一步的，所述一级空气预热器与省煤器之间设置有与锅炉的炉腔连通的再循环烟道，再循环烟道上设置有风机。

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。

利用所述超临界二氧化碳循环流化床锅炉加热系统对超临界二氧化碳加热的方法，包括如下步骤：

螺旋管圈过热器和对流过热器采用并联或串联方式工作：

并联时：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透平。

串联时：超临界二氧化碳依次进入螺旋管圈过热器和对流过热器进行换热，对流过热器出口的超临界二氧化碳送入透平。

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汇合送入螺旋管圈过热器和对流过热器中，完成一个循环。

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％。

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15-20％。

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；

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。

本发明的有益效果为：

1)采用循环流化床锅炉型式，炉膛内温度维持在850-900℃，减少辐射传热量。炉膛内超临界二氧化碳受热面采用螺旋管圈结构代替传统的水冷壁结构，并采用与尾部对流受热面并联方式，炉膛受热面受热均匀，锅炉部分负荷运行时调节方便，可有效避免由超临界二氧化碳进口温度高和非相变换热带来的管壁超温问题，同时空气预热温度可达400℃以上，有利于燃用高灰分、低热值劣质燃料；

2)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；

3)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

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。

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图。

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、对流过热器，5a、对流过热器工质进口，5b、对流过热器工质出口，6、一级空气预热器，7、二级空气预热器，8、再循环烟道，9、再循环风机，10、分流省煤器。

具体实施方式

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。

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。

实施例1

如图1所示，一种小型超临界二氧化碳循环流化床锅炉装置，包括锅炉炉膛1、螺旋管圈过热器2、旋风分离器3、返料阀4、对流过热器5、一级空气预热器6、二级空气预热器7、再循环烟道8、再循环风机9以及连接管道。

锅炉炉膛1的炉墙内布置半埋管式螺旋管圈过热器2，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1.5-2圈。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下部固体颗粒出口与返料阀4进口连通，返料阀4出口与锅炉炉膛1下部连通，以形成固体颗粒循环通道。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5，二次烟气预热器6和一次烟气预热器7。再循环烟气抽取点布置在对流过热器5和二次烟气预热器6之间的尾部烟道上，通过再循环烟道8和再循环风机9送入炉膛1一次风进口或二次风进口，再循环烟气量为理论烟气量的15-20％。

螺旋管圈过热器2与对流过热器5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5a连通，螺旋管圈过热器工质出口2b与对流过热器工质出口5b连通，进入锅炉的超临界二氧化碳工质分为两路，两路工质流量分配通过调节阀2c和调节阀5c调节。

所述螺旋管圈过热器工质与烟气流动方式为顺流式，对流过热器工质与烟气流动方式为逆流式。所述进入螺旋管圈过热器2的工质占总流量的比例为60％。

实施例2

如图2所示，一种小型超临界二氧化碳循环流化床锅炉装置，包括锅炉炉膛1、螺旋管圈过热器2、旋风分离器3、返料阀4、对流过热器5、二级空气预热器6、一级空气预热器7、再循环烟道8、再循环风机9、分流省煤器10以及连接管道。

本实施例与实施例1的区别是：

螺旋管圈过热器与对流过热器采用串联方式，螺旋管圈过热器工质出口2b与对流过热器工质5a连通，进入锅炉的超临界二氧化碳工质依次通过螺旋管圈过热器2和对流过热器5。尾部烟道中对流过热器5与二级烟气预热器6间布置分流省煤器10，再循环烟气抽气点布置在分流省煤器10与二级空气预热器6之间的烟道上。

螺旋管圈过热器和对流过热器采用并联或串联方式工作：

并联时：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透平。

串联时：超临界二氧化碳依次进入螺旋管圈过热器和对流过热器进行换热，对流过热器出口的超临界二氧化碳送入透平。

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汇合送入螺旋管圈过热器和对流过热器中，完成一个循环。

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 (6)

1.一种超临界二氧化碳循环流化床锅炉加热系统，其特征在于：包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、烟道和对流过热器，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；

所述对流过热器安装在烟道的内部，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通过返料阀与锅炉的炉膛连通；

螺旋管圈过热器与对流过热器并联或串联设置；

螺旋管圈过热器和对流过热器串联时，在对流过热器的下游安装有省煤器；

旋风分离器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，二次烟气预热器和一次烟气预热器；再循环烟气抽取点布置在对流过热器和二次烟气预热器之间的尾部烟道上，通过再循环烟道和再循环风机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15-20％；

所述超临界二氧化碳循环流化床锅炉加热系统对超临界二氧化碳加热的方法包括如下步骤：

螺旋管圈过热器和对流过热器采用并联或串联方式工作：

并联时：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透平；

串联时：超临界二氧化碳依次进入螺旋管圈过热器和对流过热器进行换热，对流过热器出口的超临界二氧化碳送入透平。

2.根据权利要求1所述的加热系统，其特征在于：省煤器中的超临界二氧化碳的流向与烟气流向相反。

3.利用权利要求1-2任一所述超临界二氧化碳循环流化床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：

螺旋管圈过热器和对流过热器采用并联或串联方式工作：

并联时：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透平；

串联时：超临界二氧化碳依次进入螺旋管圈过热器和对流过热器进行换热，对流过热器出口的超临界二氧化碳送入透平。

4.根据权利要求3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％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：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15-20％。

6.根据权利要求3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；

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。

Images