CN107191921A - 一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉 - Google Patents

一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，包括旋风炉及尾部烟气综合处理系统，旋风炉包括旋风筒及超临界二氧化碳锅炉；尾部烟气综合处理系统包括SCR脱硝装置、除尘器、气‑气换热器、冷凝器、第一级压缩机、空气分离装置、冷却器、第二级压缩机、烟气混合装置及制粉系统，该旋风炉将富氧燃烧技术与超临界二氧化碳动力循环发电进行有机的结合。

Description

一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉
技术领域
本发明属于先进高效火力发电领域，涉及一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉。
背景技术
近年来，温室效应问题已成为全球关注的焦点。化石燃料能量转化过程中大量排放的CO2是加剧温室效应的主要原因。在我国，燃煤火力发电是CO2的最大排放源之一，研究开发新型煤基燃料发电技术对我国煤炭资源的清洁高效利用以及缓解温室效应具有重要意义。
富氧燃烧技术最大的优势在于能够直接捕集烟气中的CO2将其压缩液化以便封存或者他用，同时具有CO2回收成本低、NOx排放低等优点，被认为是最具有应用前景的CO2减排技术。
此外，不断提高发电系统的循环效率一直是电力行业研究的永恒主题。发电系统的循环效率越高，单位发电量的能耗就越低，相应的污染物和CO2排放量就越低。对于传统的以蒸汽朗肯循环为能量转换系统的发电机组，若提高发电效率至50％左右，则需将主蒸汽参数提高至700℃，这就意味着需要花费高昂的经济代价和时间成本来研发新型镍基合金材料。为了避开材料方面的技术瓶颈，各国学者纷纷将目光转移到新型动力循环系统，以期实现发电效率的提升。经过各国学者大量的前期研究和论证，目前普遍认可的超临界CO2布雷顿循环是极具潜力的新概念先进动力系统。这主要是由于超临界CO2具有能量密度大、传热效率高等特点，超临界CO2布雷顿循环高效发电系统可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，不再需要开发新型的高温镍基合金，且设备尺寸小于同参数的蒸汽机组，经济性非常好。
因此，如果能够开发出一种新的发电系统，该系统可以将富氧燃烧技术和超临界二氧化碳动力循环发电技术进行有机的结合，则必然会对我国燃煤发电带来一场新的技术革命。但是，目前已公开的报道中关于煤基燃料超临界二氧化碳循环发电系统中所采用的锅炉都是以空气助燃为主，如中国专利201520152457.4和201610038208.1等，还未曾有采用富氧燃烧的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，该旋风炉将富氧燃烧技术与超临界二氧化碳动力循环发电进行有机的结合。
为达到上述目的，本发明所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉包括旋风炉及尾部烟气综合处理系统，旋风炉包括旋风筒及超临界二氧化碳锅炉；
尾部烟气综合处理系统包括SCR脱硝装置、除尘器、气-气换热器、冷凝器、第一级压缩机、空气分离装置、冷却器、第二级压缩机、烟气混合装置及制粉系统；
旋风筒上设置有一次风口及二次风口，旋风筒的出口与超临界二氧化碳锅炉的入口相连通，超临界二氧化锅炉的出口经SCR脱硝装置与除尘器的入口相连通，除尘器的出口分为两路，其中一路经气-气换热器的放热侧与冷凝器的放热侧入口相连通，另一路与烟气混合装置的入口相连通；冷凝器放热侧的烟气出口分为两路，其中，一路经第一级压缩机与冷却器的放热侧相连通，另一路依次经气-气换热器的吸热侧与制粉系统的烟气入口相连通，空气分离装置的氮气出口与冷凝器的吸热侧入口相连通，空气分离装置的氧气出口依次经冷却器的吸热侧及气-气换热器的吸热侧与烟气混合装置的入口相连通，空气分离装置的氮气出口与冷凝器的吸热侧相连通，制粉系统的出口与旋风筒的一次风口相连通，烟气混合装置的出口与旋风筒的二次风口相连通。
冷却器的放热侧连通有第二级压缩机。
空气分离装置的氧气出口依次经冷却器的吸热侧、气-气换热器的吸热侧及再循环风机与制粉系统的入口相连通。
除尘器的出口与烟气混合装置的入口之间设有烟气再循环风机。
气-气换热器的放热侧出口经引风机与冷却器的放热侧入口相连通。
超临界二氧化碳锅炉包括依次相连通的炉膛、水平烟道及尾部烟道，其中，旋风筒的出口与炉膛的入口相连通，水平烟道内沿烟气流通的方向依次设置有屏式过热器及高温再热器，尾部烟道沿烟气流通的方向依次设有低温再热器及烟气冷却器，其中，尾部烟道内还设有低温过热器，其中，低温过热器与低温再热器并列布置。
旋风筒采用单侧墙布置、双侧腔对冲布置或双侧墙不对冲布置。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉采用旋风炉，所述旋风炉包括旋风筒及超临界二氧化碳锅炉，通过空气分离装置分离出氧气，并通过超临界二氧化碳锅炉产生的一部分高温烟气对该氧气进行预热，再将预热后的氧气与另一部分高温烟气进行混合后送入到旋风筒的二次风口中，从而实现富氧燃烧技术与超临界二氧化碳动力循环技术的有机结合，充分发挥出富氧燃烧易于捕集回收烟气中的CO2和超临界二氧化碳发电系统循环效率高的优点。另外，旋风炉高温燃烧及液态排渣的特点可使富氧燃烧助燃剂中的氧气浓度提高，同时由于旋风炉具有很高的捕渣率，使得烟气中飞灰的份额大大减少，降低烟气除尘的负担，同时旋风炉所燃用的煤粉只需简单破碎，粒径不超过5mm，可大大简化制粉系统，节约制粉电耗，所节约的成本可用来抵偿空气分离装置的电耗，从而降低富氧燃烧的运行成本。制粉系统采用以CO2气体为主的再循环烟气来进行煤粉的干燥及输送，CO2属于惰性气体，因此，磨煤机出口的温度不受现有制粉系统的限制而得以提高，从而有利于提高磨煤机的出力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为旋风筒、2为一次风口、3为二次风口、4为一次气辐射受热面、5为二次气辐射受热面、6为屏式过热器、7为高温再热器、8为低温再热器、9为低温过热器、10为烟气冷却器、11为SCR脱硝装置、12为除尘器、13为气-气换热器、14为引风机、15为冷凝器、16为第一级压缩机、17为空气分离装置、18为冷却器、19为第二级压缩机、20为烟气再循环风机、21为烟气混合装置、22为再循环风机、23为制粉系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉包括旋风炉及尾部烟气综合处理系统，旋风炉包括旋风筒1及超临界二氧化碳锅炉；尾部烟气综合处理系统包括SCR脱硝装置11、除尘器12、气-气换热器13、冷凝器15、第一级压缩机16、空气分离装置17、冷却器18、第二级压缩机19、烟气混合装置21及制粉系统23；旋风筒1上设置有一次风口2及二次风口3，旋风筒1的出口与超临界二氧化碳锅炉的入口相连通，超临界二氧化锅炉的出口经SCR脱硝装置11与除尘器12的入口相连通，除尘器12的出口分为两路，其中一路经气-气换热器13的放热侧与冷凝器15的放热侧入口相连通，另一路与烟气混合装置21的入口相连通；冷凝器15放热侧的烟气出口分为两路，其中，一路经第一级压缩机16与冷却器18的放热侧相连通，另一路依次经气-气换热器13的吸热侧与制粉系统23的烟气入口相连通，空气分离装置17的氮气出口与冷凝器15的吸热侧入口相连通，空气分离装置17的氧气出口依次经冷却器18的吸热侧及气-气换热器13的吸热侧与烟气混合装置21的入口相连通，空气分离装置17的氮气出口与冷凝器15的吸热侧相连通，制粉系统23的出口与旋风筒1的一次风口2相连通，烟气混合装置21的出口与旋风筒1的二次风口3相连通。其中，旋风筒1采用单侧墙布置、双侧腔对冲布置或双侧墙不对冲布置。
冷却器18的放热侧连通有第二级压缩机19；空气分离装置17的氧气出口依次经冷却器18的吸热侧、气-气换热器13的吸热侧及再循环风机22与制粉系统23的入口相连通；除尘器12的出口与烟气混合装置21的入口之间设有烟气再循环风机20；气-气换热器13的放热侧出口经引风机14与冷却器18的放热侧入口相连通。
超临界二氧化碳锅炉包括依次相连通的炉膛、水平烟道及尾部烟道，其中，旋风筒1的出口与炉膛的入口相连通，水平烟道内沿烟气流通的方向依次设置有屏式过热器6及高温再热器7，尾部烟道沿烟气流通的方向依次设有低温再热器8及烟气冷却器10，其中，尾部烟道内还设有低温过热器9，其中，低温过热器9与低温再热器8并列布置。
本发明的具体工作过程为：
炉膛内沿烟气流通的方向依次布置有一次气辐射受热面4及二次气辐射受热面5；
煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中低温回热器的冷端出口分为两路，其中一路与烟气冷却器10的入口相连通，另一路与煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中高温回热器的冷侧入口相连通，烟气冷却器10的出口及煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中高温回热器的冷侧出口通过管道并管后与一次气辐射受热面4的入口相连通；
一次气辐射受热面4的出口与低温过热器9的入口相连通，低温过热器9的出口与屏式过热器6的入口相连通，屏式过热器6的出口与煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中的高压透平的入口相连通；
煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中高压透平的出口与二次气辐射受热面5的入口相连通，二次气辐射受热面5出口与低温再热器8的入口相连通，低温再热器8的出口与高温再热器7的入口相连通，高温再热器7的出口与煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中的低压透平相连通。
超临界CO2布雷顿循环发电系统包括预冷器、主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、锅炉、高压透平、低压透平及发电机；低温回热器的热侧出口分为两路，其中一路经预冷器与主压缩机的入口相连通，主压缩机的出口与低温回热器的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机的入口相连通，再压缩机的出口与低温回热器的冷侧出口通过管道并管后与高温回热器的冷侧入口相连通，高温回热器的冷侧出口与一次气辐射受热面4的入口相连通，一次气辐射受热面4的出口与低温过热器9的入口相连通，低温过热器9的出口与屏式过热器6的入口相连通，屏式过热器6的出口与煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中的高压透平的入口相连通，高压透平的出口与二次气辐射受热面5的入口相连通，二次气辐射受热面5的出口与低温再热器8的入口相连通，低温再热器8的出口与高温再热器7的入口相连通，高温再热器7的出口与煤基超临界CO2布雷顿循环发电系统中的低压透平的入口相连通，低压透平的出口与高温回热器的热侧入口相连通，高温回热器的热侧出口与低温回热器的热侧入口相连通，低压透平的输出轴与发电机的驱动轴相连接。
燃料在旋风筒1内燃烧产生的高温烟气依次流经一次气辐射受热面4、二次气辐射受热面5、屏式过热器6、高温再热器7、低温再热器8、低温过热器9及烟气冷却器10进行换热，随后进入SCR脱硝装置11中，从SCR脱硝装置11出来的烟气经除尘器12后分成两路，其中一路依次流经气-气换热器13及引风机14进入到冷凝器15中，在冷凝器15中，烟气与来自空气分离装置17的氮气进行换热，使得烟气中的水蒸气凝结而脱除，经冷凝器15脱水后的烟气再分成两路，其中一路进入气-气换热器13加热后通过再循环风机22进入制粉系统23中，另一路烟气进入第一级压缩机16，经第一级压缩机16升压后再进入冷却器18中与来自空气分离装置17的氧气换热后再进入第二级压缩机19，烟气经第二级压缩机1919压缩后形成液态CO2，此时烟气中SO2的分压力也得到显著增加，从而具备进一步回收利用的可能性，从除尘器12出口分流出的另一路烟气经过烟气再循环风机20进入烟气混合装置21；来自空气分离装置17的氧气依次经冷却器18及气-气换热器13预热后进入烟气混合装置21与从除尘器12出口分流出的再循环烟气进行充分混合后进入旋风筒1的二次风口3，来自制粉系统23的干烟气携带煤粉气流进入旋风筒1的一次风口2。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，包括旋风炉及尾部烟气综合处理系统，旋风炉包括旋风筒(1)及超临界二氧化碳锅炉；
尾部烟气综合处理系统包括SCR脱硝装置(11)、除尘器(12)、气-气换热器(13)、冷凝器(15)、第一级压缩机(16)、空气分离装置(17)、冷却器(18)、第二级压缩机(19)、烟气混合装置(21)及制粉系统(23)；
旋风筒(1)上设置有一次风口(2)及二次风口(3)，旋风筒(1)的出口与超临界二氧化碳锅炉的入口相连通，超临界二氧化锅炉的出口经SCR脱硝装置(11)与除尘器(12)的入口相连通，除尘器(12)的出口分为两路，其中一路经气-气换热器(13)的放热侧与冷凝器(15)的放热侧入口相连通，另一路与烟气混合装置(21)的入口相连通；冷凝器(15)放热侧的烟气出口分为两路，其中，一路经第一级压缩机(16)与冷却器(18)的放热侧相连通，另一路依次经气-气换热器(13)的吸热侧与制粉系统(23)的烟气入口相连通，空气分离装置(17)的氮气出口与冷凝器(15)的吸热侧入口相连通，空气分离装置(17)的氧气出口依次经冷却器(18)的吸热侧及气-气换热器(13)的吸热侧与烟气混合装置(21)的入口相连通，空气分离装置(17)的氮气出口与冷凝器(15)的吸热侧相连通，制粉系统(23)的出口与旋风筒(1)的一次风口(2)相连通，烟气混合装置(21)的出口与旋风筒(1)的二次风口(3)相连通。
2.根据权利要求1所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，冷却器(18)的放热侧连通有第二级压缩机(19)。
3.根据权利要求1所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，空气分离装置(17)的氧气出口依次经冷却器(18)的吸热侧、气-气换热器(13)的吸热侧及再循环风机(22)与制粉系统(23)的入口相连通。
4.根据权利要求1所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，除尘器(12)的出口与烟气混合装置(21)的入口之间设有烟气再循环风机(20)。
5.根据权利要求1所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，气-气换热器(13)的放热侧出口经引风机(14)与冷却器(18)的放热侧入口相连通。
6.根据权利要求1所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，超临界二氧化碳锅炉包括依次相连通的炉膛、水平烟道及尾部烟道，其中，旋风筒(1)的出口与炉膛的入口相连通，水平烟道内沿烟气流通的方向依次设置有屏式过热器(6)及高温再热器(7)，尾部烟道沿烟气流通的方向依次设有低温再热器(8)及烟气冷却器(10)，其中，尾部烟道内还设有低温过热器(9)，其中，低温过热器(9)与低温再热器(8)并列布置。
7.根据权利要求1所述的富氧燃烧超临界二氧化碳旋风炉，其特征在于，旋风筒(1)采用单侧墙布置、双侧腔对冲布置或双侧墙不对冲布置。
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