CN107420931A - 燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法和系统 - Google Patents

燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法和系统 Download PDF

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Abstract

燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法和系统，利用高品位烟气能与工质能多级再热膨胀措施实现接近高温热源温度的等温吸热过程，提高平均吸热温度，进而提高了系统的循环效率；利用中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热等措施，充分分级利用烟气和工质在中温区的能量，尽可能降低冷热流体的传热温差，减少因为大温差引起的可用能不可逆损失，进而提高了换热效能和循环效率；利用低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统，充分利用烟气和工质低温的余热，减少烟气和工质向环境的放热量，实现接近环境温度的等温放热过程，进而减少了冷端损失，提高了循环效率。

Description

燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法 和系统
技术领域
本发明属于新型化石燃料动力循环技术领域，具体涉及一种燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法和系统。
背景技术
超临界二氧化碳循环发电系统，由于循环布局更加接近理论最优的概括性卡诺循环，可以在更低的吸热温度下实现更高的循环发电效率，避免了使用昂贵的高温镍基合金，且设备尺寸远远小于同参数的蒸汽机组，技术经济性很好。
但是，以燃煤为热源的超临界二氧化碳循环发电系统具有其独特的特点，仍然存在一些问题需要解决。首先是燃煤烟气能合理的梯级利用问题，由于循环系统存在大量的回热，导致锅炉入口温度达到了500℃以上，因此锅炉尾部烟道的烟气温度很高，一般在600℃以上，而常规空气预热器的出口热风温度一般最高400℃左右，这就导致了600℃-400℃的这部分烟气余热无法利用，锅炉热效率低，严重影响了机组的发电效率。其次是超临界二氧化碳工质能量的合理利用问题，由于冷热侧工质的热容差别很大，使得工质回热器内的温度匹配不好，需要采取措施调整工质两侧的热容量，使得冷热工质在回热器内的温差保持恒定，提高回热器的换热效能，从而提高循环效率。第三，超临界二氧化碳工质余热的充分利用问题，常规循环进入预冷器向环境放热的温度较高，一般在90-100℃，如果直接放热，损失较大，如果还可以采用一些措施利用这部分能量，使得放热温度降低到接近环境温度，可以进一步提高循环效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现燃煤烟气能和二氧化碳工质能更好的进行分质分级利用，从而获得更高的循环发电效率的燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法和系统。
为达到上述目的，本发明的系统包括包括低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统、中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热系统和高品位烟气能与工质能多级再热膨胀发电系统；
所述的低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统包括依次相连的一级工质空气预热器和二级烟气空气预热器，所述的一级工质空气预热器的入口与空气侧相连，二级烟气空气预热器的出口分别与安装在锅炉烟气通道的三级空气预热器及磨煤机相连，磨煤机预热燃料并携带燃料进入炉膛，三级空气预热器对空气进一步加热后送入炉膛；
所述中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热系统包括与低压透平相连的二级工质回热器、一级工质回热器和一级工质空气预热器，一级工质空气预热器出口经过分流，主流经预冷器与主压缩机相连，分流经再压缩机压缩升压后与主压缩机相连，经过主压缩机压缩升压后再次分流，主流与一级工质回热器相连，分流依次与锅炉尾部的一级分流烟气回热器和二级分流烟气回热器相连，一级工质回热器冷侧后的工质再次经过分流，主流与二级工质回热器相连，分流与锅炉二级分流烟气回热器相连；
所述的高品位烟气能与工质能多级再热膨胀发电系统包括与二级分流烟气回热器及二级工质回热器出口相连的锅炉工质辐射受热面及过热器，过热器的出口与高压透平的入口相连，高压透平的出口经再热器与低压透平的入口相连，低压透平的出口分别与高压透平、二级工质加热器及再压缩机相连，高压透平低压透平膨胀做功带动发电机发电。
所述的再压缩机的出口还通过管路与一级工质回热器的出口相连。
所述的锅炉尾部烟道还安装有SCR反应器。
所述的锅炉烟道出口依次与二级烟气空气预热器、电除尘器、脱硫塔及烟囱相连。
本发明分级利用方法如下：
从低压透平做完功的工质依次经过二级工质回热器、一级工质回热器和一级工质空气预热器后经过分流，主流通过预冷器向环境放热，另一部分不通过预冷器放热，直接进入再压缩机压缩升压后与主流汇合，主流工质经过主压缩机压缩升压后，再次分流，主流进入一级工质回热器吸热，另一部分依次进入锅炉尾部的一级分流烟气回热器和二级分流烟气回热器，利用烟气进行加热；一级工质回热器冷侧后的工质再次经过分流，主流进入二级工质回热器升温，另一部分工质进入锅炉二级分流烟气回热器升温，充分分级利用烟气和工质在中温区的能量，降低冷热流体的传热温差，减少因为大温差引起的不可逆损失，两部分工质汇合后交替进入锅炉工质辐射受热面、过热器、再热器吸热和高压透平低压透平膨胀做功带动发电机发电，在锅炉多级受热面加热和多级透平中做功交替反复进行，使得在高温吸热段接近等温吸热，提高了平均吸热温度，减少可用能的不可逆损失，燃煤烟气侧的冷空气首先通过一级工质空气预热器，利用工质的余热进行预热，之后进入二级烟气空气预热器，利用烟气的余热进行预热、之后被分为两部分，一部分首先通过磨煤机预热燃料，并携带燃料进入炉膛，另一部分进入三级空气预热器进行进一步加热后送入炉膛，利用低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统，充分利用烟气和工质低温的余热，减少烟气和工质向环境的放热量，实现接近环境温度的等温放热过程，进而减少了冷端损失，提高了循环效率。
本发明可以实现燃煤烟气能和二氧化碳工质能更好的进行分质分级利用，从而获得更高的循环发电效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
利用高品位烟气能与工质能多级再热膨胀措施实现接近高温热源温度的等温吸热过程，提高平均吸热温度，进而提高了系统的循环效率；
利用中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热等措施，充分分级利用烟气和工质在中温区的能量，尽可能降低冷热流体的传热温差，减少因为大温差引起的可用能不可逆损失，进而提高了换热效能和循环效率；
利用低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统，充分利用烟气和工质低温的余热，减少烟气和工质向环境的放热量，实现接近环境温度的等温放热过程，进而减少了冷端损失，提高了循环效率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中，1为再压缩机；2为主压缩机；3为预冷器；4为一级工质回热器；5为一级工质空气预热器；6为烟囱；7为脱硫塔；8为电除尘器；9为二级工质回热器；10为二级烟气空气预热器；11为一级分流烟气回热器；12为三级空气预热器；13为磨煤机；14为工质辐射受热面；15为过热器；16为再热器；17为SCR反应器；18为二级分流烟气回热器；19为发电机；20为高压透平；21为低压透平。
具体实施方式
下面结合附图和对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统、中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热系统和高品位烟气能与工质能多级再热膨胀发电系统；
所述的低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统包括依次相连的一级工质空气预热器5和二级烟气空气预热器10，所述的一级工质空气预热器5的入口与空气侧相连，二级烟气空气预热器10的出口分别与安装在锅炉烟气通道的三级空气预热器12及磨煤机13相连，磨煤机13预热燃料并携带燃料进入炉膛，三级空气预热器12对空气进一步加热后送入炉膛；
所述中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热系统包括与低压透平21相连的二级工质回热器9、一级工质回热器4和一级工质空气预热器5，一级工质空气预热器5出口经过分流，主流经预冷器3与主压缩机2相连，分流经再压缩机1压缩升压后与主压缩机2相连，再压缩机1的出口还通过管路与一级工质回热器4的出口相连，经过主压缩机2压缩升压后再次分流，主流与一级工质回热器4相连，分流依次与锅炉尾部的一级分流烟气回热器11和二级分流烟气回热器18相连，一级工质回热器4冷侧后的工质再次经过分流，主流与二级工质回热器9相连，分流与锅炉二级分流烟气回热器18相连；
所述的高品位烟气能与工质能多级再热膨胀发电系统包括与二级分流烟气回热器18及二级工质回热器9出口相连的锅炉工质辐射受热面14及过热器15，过热器15的出口与高压透平20的入口相连，高压透平20的出口经再热器16与低压透平21的入口相连，低压透平21的出口分别与高压透平20、二级工质加热器9及再压缩机1相连，高压透平20低压透平21膨胀做功带动发电机19发电。
本发明的锅炉烟道出口依次与二级烟气空气预热器10、电除尘器8、脱硫塔7及烟囱6相连。本发明在锅炉尾部烟道还安装有SCR反应器17。
本发明的流程如下，从低压透平21做完功的工质依次经过二级工质回热器9、一级工质回热器4和一级工质空气预热器5后经过分流，主流通过预冷器3向环境放热，另一部分不通过预冷器3放热，直接进入再压缩机1压缩升压后与主流汇合。主流工质经过主压缩机2压缩升压后，再次分流，主流进入一级工质回热器4吸热，另一部分依次进入锅炉尾部的一级分流烟气回热器11和二级分流烟气回热器18，利用烟气进行加热。一级工质回热器4冷侧后的工质再次经过分流，主流进入二级工质回热器9升温，另一部分工质进入锅炉二级分流烟气回热器18升温。利用以上措施，充分分级利用烟气和工质在中温区的能量，尽可能降低冷热流体的传热温差，减少因为大温差引起的可用能不可逆损失。两部分工质汇合后交替进入锅炉工质辐射受热面14、过热器15、再热器16吸热和高压透平20低压透平21膨胀做功带动发电机19发电。由于在锅炉多级受热面加热和多级透平中做功交替反复进行，使得在高温吸热段接近等温吸热，提高了平均吸热温度，减少了可用能的不可逆损失。燃煤烟气侧的流程如下：冷空气首先通过一级工质空气预热器5，利用工质的余热进行预热，之后进入二级烟气空气预热器10，利用烟气的余热进行预热、之后被分为两部分，一部分首先通过磨煤机13预热燃料，并携带燃料进入炉膛，另一部分进入三级空气预热器12进行进一步加热后送入炉膛。利用低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统，充分利用烟气和工质低温的余热，减少烟气和工质向环境的放热量，实现接近环境温度的等温放热过程，进而减少了冷端损失，提高了循环效率。

Claims (5)

1.一种燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用系统，其特征在于：包括低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统、中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热系统和高品位烟气能与工质能多级再热膨胀发电系统；
所述的低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统包括依次相连的一级工质空气预热器(5)和二级烟气空气预热器(10)，所述的一级工质空气预热器(5)的入口与空气侧相连，二级烟气空气预热器(10)的出口分别与安装在锅炉烟气通道的三级空气预热器(12)及磨煤机(13)相连，磨煤机(13)预热燃料并携带燃料进入炉膛，三级空气预热器(12)对空气进一步加热后送入炉膛；
所述中品位烟气能与工质能耦合分级分流回热系统包括与低压透平(21)相连的二级工质回热器(9)、一级工质回热器(4)和一级工质空气预热器(5)，一级工质空气预热器(5)出口经过分流，主流经预冷器(3)与主压缩机(2)相连，分流经再压缩机(1)压缩升压后与主压缩机(2)相连，经过主压缩机(2)压缩升压后再次分流，主流与一级工质回热器(4)相连，分流依次与锅炉尾部的一级分流烟气回热器(11)和二级分流烟气回热器(18)相连，一级工质回热器(4)冷侧后的工质再次经过分流，主流与二级工质回热器(9)相连，分流与锅炉二级分流烟气回热器(18)相连；
所述的高品位烟气能与工质能多级再热膨胀发电系统包括与二级分流烟气回热器(18)及二级工质回热器(9)出口相连的锅炉工质辐射受热面(14)及过热器(15)，过热器(15)的出口与高压透平(20)的入口相连，高压透平(20)的出口经再热器(16)与低压透平(21)的入口相连，低压透平(21)的出口分别与高压透平(20)、二级工质加热器(9)及再压缩机(1)相连，高压透平(20)低压透平(21)膨胀做功带动发电机(19)发电。
2.根据权利要求1所述的燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用系统，其特征在于：所述的再压缩机(1)的出口还通过管路与一级工质回热器的出口相连。
3.根据权利要求1所述的燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用系统，其特征在于：所述的锅炉尾部烟道还安装有SCR反应器(17)。
4.根据权利要求1所述的燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用系统，其特征在于：所述的锅炉烟道出口依次与二级烟气空气预热器(10)、电除尘器(8)、脱硫塔(7)及烟囱(6)相连。
5.一种如权利要求1所述系统的燃煤超临界二氧化碳发电烟气能与工质能分质分级利用方法，其特征在于：从低压透平(21)做完功的工质依次经过二级工质回热器(9)、一级工质回热器(4)和一级工质空气预热器(5)后经过分流，主流通过预冷器(3)向环境放热，另一部分不通过预冷器(3)放热，直接进入再压缩机(1)压缩升压后与主流汇合，主流工质经过主压缩机(2)压缩升压后，再次分流，主流进入一级工质回热器(4)吸热，另一部分依次进入锅炉尾部的一级分流烟气回热器(11)和二级分流烟气回热器(18)，利用烟气进行加热；一级工质回热器(4)冷侧后的工质再次经过分流，主流进入二级工质回热器(9)升温，另一部分工质进入锅炉二级分流烟气回热器(18)升温，充分分级利用烟气和工质在中温区的能量，降低冷热流体的传热温差，减少因为大温差引起的不可逆损失，两部分工质汇合后交替进入锅炉工质辐射受热面(14)、过热器(15)、再热器(16)吸热和高压透平(20)低压透平(21)膨胀做功带动发电机(19)发电，在锅炉多级受热面加热和多级透平中做功交替反复进行，使得在高温吸热段接近等温吸热，提高了平均吸热温度，减少可用能的不可逆损失，燃煤烟气侧的冷空气首先通过一级工质空气预热器(5)，利用工质的余热进行预热，之后进入二级烟气空气预热器(10)，利用烟气的余热进行预热、之后被分为两部分，一部分首先通过磨煤机(13)预热燃料，并携带燃料进入炉膛，另一部分进入三级空气预热器(12)进行进一步加热后送入炉膛，利用低品位烟气能与工质能分级加热冷空气和燃料系统，充分利用烟气和工质低温的余热，减少烟气和工质向环境的放热量，实现接近环境温度的等温放热过程，进而减少了冷端损失，提高了循环效率。
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