CN108180459B - 超临界二氧化碳大型循环流化床燃煤锅炉及发电装置与发电方法 - Google Patents

超临界二氧化碳大型循环流化床燃煤锅炉及发电装置与发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳大型循环流化床燃煤锅炉及发电装置与发电方法，锅炉包括裤衩腿型单炉膛，炉膛两侧对称布置至少两组分离器，该分离器的上排气口连接烟道，回料段设有外置换热器；其中，炉膛内布置冷壁，炉膛外侧设有与冷壁连通的集箱，烟道内沿烟气流动方向设有低温再热器、上级省煤器、下级省煤器及空气预热器，外置换热器内设有高温加热器以及高温再热器，循环工质为超临界二氧化碳。本发明以超临界二氧化碳为循环工质结合裤衩腿型单炉膛，得到大型化、高效、相对低排的循环流化床燃煤锅炉，由其驱动的发电系统发电效率提高，配套的发电设备结构紧凑，体积小，材料初始经济投入小。

Description

超临界二氧化碳大型循环流化床燃煤锅炉及发电装置与发电 方法
技术领域
本发明涉及一种燃煤锅炉及发电装置与发电方法，尤其涉及一种超临界二氧化碳大型循环流化床燃煤锅炉及发电装置与发电方法。
背景技术
提高能源利用效率、减少环境污染是可持续性绿色能源战略的主要目标。为进一步提高现有火力发电厂中机组的发电效率，需提高燃煤锅炉的蒸汽参数，但提高后的蒸汽温度将超出现有高温合金材料的耐温上限，材料耐温性成为传统路线提高锅炉效率的瓶颈。各国学者的大量研究发现，超临界二氧化碳能量密度大，传热效率高，流动性强、易于扩散，腐蚀性相对于蒸汽小，故超临界二氧化碳用于燃煤发电领域是一个极具发展潜力的研究方向。同时，现有技术中通常采用煤粉锅炉，但其排污量较大，故实现锅炉的高效清洁燃烧成本较大；相比之下，裤衩腿结构炉膛煤颗粒燃尽率高，炉内脱硫效率好，排污量少，更加适合大型发电机组，但由于炉膛内含腐蚀气体，在水蒸气的气氛下，受热面容易发生腐蚀，故减小锅炉受热面腐蚀程度是需要考虑的关键点；与此同时，如何提高工质的循环效率，提高发电效率及减少初始经济投入也值得关注。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种污染物排放量较低、炉内受热面腐蚀程度较小、最终实现低经济投入的循环流化床燃煤锅炉；本发明的第二目的是提供由该锅炉驱动的发电装置；本发明的第三目的是提供该发电装置的发电方法。
技术方案：本发明所述的循环流化床燃煤锅炉，包括裤衩腿型单炉膛，炉膛两侧对称布置至少两组分离器，该分离器的上排气口连接烟道，回料段设有外置换热器；其中，所述炉膛内布置冷壁，炉膛外侧设有与冷壁连通的集箱，所述烟道内沿烟气流动方向设有低温再热器、上级省煤器、下级省煤器及空气预热器，所述外置换热器内设有与集箱连通的高温加热器以及与低温再热器连通的高温再热器，所述锅炉的循环工质为超临界二氧化碳。
优选的，所述炉膛两侧对称布置三组分离器；进一步地，位于两侧的两组分离器的回料段各设外置换热器，此时外置受热面的结构和种类可以完全一致；位于中间的一组分离器不设外置换热器；当然，为了防止高温加热器热量不够，也可将位于中间的外置换热器回料段的部分回料灰导入高温加热器。
优选的，所述炉膛的裤衩腿间设有呼吸连管，使左右床压尽量保持一致，防止出现“翻床”现象。
所述低温再热器为屏式再热器，屏的长度呈梯级渐变。“屏”是本领域专业术语，指受热面的管子弯曲成一个屏风一样的结构悬挂在锅炉中。
所述炉膛的裤衩腿底部各设布风板，进入炉膛的热空气分为一次风和二次风，其中，一次风从该布风板进入，二次风在炉膛的密相区分两层布置，然后分别从炉膛前、后、两侧以及裤衩腿内侧进入炉膛，其中，密相区是颗粒物体积浓度>10％(颗粒物体积/该区域体积)的区域。
所述冷壁布置于炉膛内壁及顶部，炉内不再布置其它受热面。
本发明所述由循环流化床燃煤锅炉驱动的发电装置，包括高压透平、低压透平和发电机，其中，所述高压透平的入口连接高温加热器，出口连接低温再热器，所述低压透平的入口连接高温再热器，出口依次连接高温回热器和低温回热器，所述低温回热器的热侧出口分为两条支路，其中第一支路连接第一压缩机，第二支路通过冷凝器、第二压缩机返回低温回热器后在其冷侧出口与第一支路汇合，然后又分为两条支路，其中第三支路依次连接下级省煤器和上级省煤器，第四支路连接高温回热器的冷侧入口，其冷侧出口与上级省煤器的出口汇合后进入炉膛。
本发明所述发电装置的发电方法，低温回热器的热侧出口乏气进行一次分流，一部分进入第一压缩机，另一部分依次进入冷凝器、第二压缩机后返回低温回热器，然后从其冷侧出口流出，与第一压缩机的出口工质混合进行二次分流，一部分依次进入下级省煤器和上级省煤器，另一部分从高温回热器冷侧入口流入、冷侧出口流出后与上级省煤器的出口工质汇合，从裤衩腿两腿相交处依次流入冷壁、集箱和高温加热器，进入高压透平做功驱动发电机运转发电，工质从高压透平排出后依次经过低温再热器和高温再热器，进入低压透平做功驱动发电机运转发电，低压透平的乏气作为高温回热器和低温回热器的热源经过冷却和/或压缩后再次成为循环工质进入下一次循环。
其中，工质从裤衩腿两腿相交处进入冷壁时，工质等分流入两支腿冷壁并在其中由上而下流动吸热，而后从炉墙冷壁的最底部自下而上流动吸热。优选的，一次分流系数为0.3～0.42，二次分流系数为0.03～0.08。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以超临界二氧化碳为循环工质，锅炉炉内吸热平均温度高、循环效率高，裤衩腿型单炉膛循环流化床锅炉炉内可承载的工质流量大、燃烧效率高、污染物排放量低，两者相结合得到大型化、高效、相对低排的循环流化床燃煤锅炉；
(2)高温下超临界二氧化碳对金属的腐蚀性明显低于蒸汽对金属的腐蚀性，故以超临界二氧化碳为工质对应的合金材料相比于以蒸汽为工质对应的合金材料，能够承受更高的温度；同时，高温下超临界二氧化碳对合金材料的腐蚀主要是渗碳，炉内高温加热器和高温再热器均以外置受热面形式布置而非布置于炉内，分离器下部的高温回料段内几乎不含水蒸气、CO，因此能够大幅减小渗碳层厚度的增加；
(3)本发明锅炉属大型循环流化床锅炉，工质对应的压力大于等于29MPa、温度大于等于650℃，工质流量相对于低参数的超临界二氧化碳锅炉减少近50％，受热面管材的初始经济投资大大减少，同时，整个循环过程中二氧化碳处于超临界状态，无相变、单相流动，不发生汽蚀，大大减少了给泵、透平等器件中由汽蚀引起的材料维修费用；
(4)超临界二氧化碳能量密度大、压缩性好，故发电机系统配套的发电设备相对于现有蒸汽锅炉和超临界二氧化碳锅炉发电系统配套的发电设备结构紧凑，体积小，材料初始经济投入小。
附图说明
图1是本发明锅炉的主视图；
图2是本发明锅炉的左视图；
图3是本发明的应用实例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明燃煤锅炉包括裤衩腿结构炉膛、分离器、烟道和外置换热器，其中，炉膛内有膜式超临界二氧化碳的冷壁3，炉膛外(优选上部)布置超临界二氧化碳的集箱2，三组对称布置的分离器5，分离器优选为高温绝热旋风分离器，其中两侧的两组分离器5回料段分别布有高温加热器7和高温再热器8，水平的烟道1内低温再热器10，尾部烟道内沿烟气流动方向的上级省煤器11、下级省煤器12以及空气预热器13。炉膛下部两支腿间有呼吸连管4，可有效缓解左右床压差值较大的情况，防止出现“翻床”，大大增强了裤衩腿炉膛的稳定性。炉膛的裤衩腿底部平面各设布风板，进入炉膛的热空气分为一次风和二次风，其中，一次风入口A从该布风板进入，二次风在密相区分两层布置，分别从炉膛前、后、两侧以及裤衩腿内侧进入炉膛内，其中，下层二次风前后墙入口B1，上层二次风前后墙入口B2，二次风裤衩腿内侧入口C，冷壁超临界二氧化碳入口D，这样的布置能促进一、二次风和煤颗粒的混合，平衡两支腿的压力，促进炉内煤颗粒的稳定和充分燃烧。
本发明的锅炉可以解决现有蒸汽锅炉蒸汽温度对锅炉效率的提高限制较大的问题，同时确保锅炉的污染物排放量较低，炉内受热面腐蚀程度较小，最终实现锅炉的低经济投入，高效清洁运行。
如图3所示，本发明由锅炉驱动的发电装置，包括高压透平、低压透平和发电机，其中，低温回热器18冷侧出口与下级省煤器12入口和高温回热器17冷侧入口相连，下级省煤器12出口与上级省煤器11入口相连，上级省煤器11出口和高温回热器17冷侧出口汇合后连接超临界二氧化碳的冷壁3入口，冷壁3出口与炉膛顶部超临界二氧化碳的集箱2入口相连，集箱2出口与两对称布置的外置的高温加热器7入口经由减温器9相连，高温加热器7出口与高压透平14入口相连；高压透平14出口与低温再热器10入口相连，低温再热器10出口与两对称布置的外置的高温再热器8入口经由减温器9相连，高温再热器8出口与低压透平15入口相连。
本实例以600MW机组锅炉为例，超临界二氧化碳循环流化床工质流量为9330t/h，锅炉入口工质温度为502.8℃，压力为29.4Mpa。超临界二氧化碳大型循环流化床锅炉工质在布雷顿循环发电系统的循环过程如图3所示，其中，当超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统内各结构间连线为虚线时，表示循环工质在各受热面间的流动、吸热过程；当连线为实线时，则表示乏气在换热器内流动、放热过程。
首先，低温回热器18热侧出口超临界二氧化碳乏气作为循环工质进行一次分流。一次分流系数X1＝0.4006，压力为7.7Mpa，分流工质经过第一压缩机19压缩至29.6Mpa，此时温度为191.3℃；剩余工质经过冷凝器21冷却至32℃后，第二压缩机20将工质由7.7Mpa压缩至29.7Mpa，接着工质流入低温回热器18内吸收高温回热器17热侧出口的乏气热(高温回热器17出口乏气温度为350℃，压力为7.8Mpa)，加热至191.3℃，与压缩后的一次分流工质混合。然后混合工质在低温回热器18冷侧出口发生二次分流，二次分流系数X2＝0.06，分流工质进入下级省煤器12吸收部分尾部烟气热量，加热至340℃后流入上级省煤器11继续加热直至工质温度与高温回热器17冷侧出口工质温度约502.8℃(压力为29.4Mpa)一致后流出；剩余工质流入高温回热器17内吸收低压透平15出口乏气热(低压透平15出口乏气温度为540℃，压力为7.95Mpa)，工质吸热至502.8℃后流出，与上级省煤器11出口分流工质混合。两股出口工质混合后，一同从炉膛下部两支腿相交处流入超临界二氧化碳的冷壁3。工质在冷壁3内加热后，流入炉膛外顶部超临界二氧化碳的集箱2，而后由集箱2经由减温器9流入高温绝热旋风分离器回料段的外置高温加热器7，进入两关于炉膛中心线对称布置的高温加热器7内工质流量相等。工质在高温加热器7内加热至目标温度650℃后(压力为29Mpa)，送入高压透平14内做功。灰分控制阀6控制流经高温加热器7的高温灰量，灰分控制阀6和减温器9的配合使用，确保高温加热器7出口工质温度为目标温度值。
工质送入高压透平14后，推动透平转动，透平通过轴带动发电机16运转发电。工质从高压透平14排出时温度为537℃，压力为12.56Mpa，工质排出后进行一次再热。这一再热过程包括，循环工质先在水平烟道1的低温再热器10吸收部分烟气热量，温度直至595℃，然后经由减温器9进入分离器回料段的外置高温再热器8加热，进入两关于炉膛中心线对称布置的外置高温再热器8内工质流量也相等。当工质在高温再热器8内加热到与高温加热器7出口温度一致，即650℃(压力为12.56Mpa)时，工质被输送到低压透平15内做功。
本发明中，分流系数X2比较重要，随着分流系数X2的提高，循环效率降低、回热器回热度升高，但在一定范围内回热器回热度提高连带的循环效率提高范围大于因分流系数X2提高导致的效率降低量。(1-X2)的取值应尽量等于低温回热器的冷侧吸热量与热侧放热量之间的比值，即X2为0.03～0.08。与此同时，一次分流系数X1的提高一方面能够减少循环向外界损失的热量，从而使循环效率增大；另一方面增大了低温热源的温度，从而降低了循环效率，综合两方面的影响，当一次分流系数取0.3～0.42时，循环效率相对于一次分流系数为零时有所增大。
为了充分利用低压透平15出口乏气的热量，乏气依次作为高、低温回热器内热源加热冷却、压缩后的低温工质。低温回热器18热侧出口乏气经过压缩或冷却、压缩后再次成为锅炉内循环工质，进入下一次循环，重复上述工质流动、加热过程。
进入炉膛的热空气，在空气预热器13内由常温下20～25℃吸热增温至395～405℃，作为炉膛的一、二次风。一次风从裤衩型炉膛底部的双布风板进入炉膛，二次风在密相区分两层布置，分别从炉膛前、后、两侧以及裤衩腿内侧进入炉膛内。二次风穿透力强，一、二次风混合良好，促使炉膛内燃料高效稳定的燃烧。燃烧产生的热量先通过高温烟气给炉膛内冷壁3传递热量，然后部分经循环灰传递给高温加热器7和高温再热器8，接着用于加热烟道的低温再热器10、上级省煤器11及下级省煤器12内工质，空气预热器13内冷空气，最后剩余热量随烟气流出。烟气自空气预热器13流出后，温度降低至145～150℃，排烟损耗较小。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳大型循环流化床燃煤锅炉，其特征在于：包括裤衩腿型单炉膛，炉膛两侧对称布置至少两组分离器，该分离器的上排气口连接烟道，回料段设有外置换热器；其中，所述炉膛内布置冷壁，炉膛外侧设有与冷壁连通的集箱，所述烟道内沿烟气流动方向设有低温再热器、上级省煤器、下级省煤器及空气预热器，所述外置换热器内设有与集箱连通的高温加热器以及与低温再热器连通的高温再热器，所述锅炉的循环工质为超临界二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的燃煤锅炉，其特征在于：所述炉膛两侧对称布置三组分离器。
3.根据权利要求1所述的燃煤锅炉，其特征在于：所述炉膛的裤衩腿间设有呼吸连管。
4.根据权利要求1所述的燃煤锅炉，其特征在于：所述低温再热器为屏式再热器，屏的长度呈梯级渐变。
5.根据权利要求1所述的燃煤锅炉，其特征在于：进入所述炉膛的热空气分为一次风和二次风，裤衩腿底部各设布风板，一次风从该布风板进入炉膛，二次风在炉膛密相区分两层布置，然后分别从炉膛前、后、两侧以及裤衩腿间相交处进入炉膛。
6.根据权利要求1所述的燃煤锅炉，其特征在于：所述冷壁布置于炉膛内壁及顶部。
7.一种由权利要求1所述燃煤锅炉驱动的发电装置，其特征在于：包括高压透平、低压透平和发电机，其中，所述高压透平的入口连接高温加热器，出口连接低温再热器，所述低压透平的入口连接高温再热器，出口依次连接高温回热器和低温回热器，所述低温回热器的热侧出口分为两条支路，其中第一支路连接第一压缩机，第二支路通过冷凝器、第二压缩机返回低温回热器后在其冷侧出口与第一支路汇合，然后又分为两条支路，其中第三支路依次连接下级省煤器和上级省煤器，第四支路连接高温回热器的冷侧入口，其冷侧出口与上级省煤器的出口汇合后进入炉膛。
8.一种基于权利要求7所述发电装置的发电方法，其特征在于：所述低温回热器的热侧出口乏气进行一次分流，一部分进入第一压缩机，另一部分依次进入冷凝器、第二压缩机后返回低温回热器，然后从其冷侧出口流出，与第一压缩机的出口工质混合进行二次分流，一部分依次进入下级省煤器和上级省煤器，另一部分从高温回热器冷侧入口流入、冷侧出口流出后与上级省煤器的出口工质汇合，从裤衩腿两腿相交处依次流入冷壁、集箱和高温加热器，进入高压透平做功驱动发电机运转发电，工质从高压透平排出后依次经过低温再热器和高温再热器，进入低压透平做功驱动发电机运转发电，低压透平的乏气作为高温回热器和低温回热器的热源经过冷却和/或压缩后再次成为循环工质进入下一次循环。
9.根据权利要求8所述的发电方法，其特征在于：所述一次分流系数为0.3～0.42，二次分流系数为0.03～0.08。
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