CN108194154A - 垃圾电厂乏汽加热燃烧用风的超高压循环系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环系统和方法，属于以垃圾为燃料的锅炉汽水系统领域，包括垃圾焚烧锅炉、汽轮机、过热器，还包括再热器，再热器安装在垃圾焚烧锅炉的炉膛或烟道内，以烟气作为热源加热再热蒸汽，锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器，汽轮机包括高压缸和低压缸，过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功，做功之后分为三路：第一路返回再热器作为再热蒸汽继续吸收热能，之后在汽轮机低压缸里进一步做功；第二路去电厂给水加热系统；第三路作为热源用于加热一、二次风。本发明既解决提高电厂循环效率和采用较低蒸汽初温的矛盾，又解决受热面低温腐蚀的问题。

Description

垃圾电厂乏汽加热燃烧用风的超高压循环系统和方法

技术领域

本发明属于以垃圾为燃料的锅炉汽水系统领域。

背景技术

随着社会经济的发展、城市化进程和人民生活水平提高，日常生活中产生的垃圾废物日益增多。生活垃圾占用土地，污染环境，对人民健康生活的影响日益突出。面对垃圾泛滥成灾的状况，世界各国已不仅限于控制和销毁垃圾这种被动“防守”，而是积极采取有力措施，科学合理地综合处置、利用垃圾。近年，利用焚烧垃圾产生的热量进行发电成为各国盛行的垃圾处置方式。垃圾中的二次能源如有机可燃物等所含的热值高，焚烧3～4吨垃圾产生的热量大约相当于1吨标准煤。中国是世界上的垃圾资源大国，如果中国能将垃圾充分有效地用于发电，每年将节省煤炭4千万吨，其“资源效益”极为可观。

垃圾焚烧技术在世界上已有几十年的历史，技术已趋成熟，目前大部分的垃圾焚烧锅炉，参数普遍定为中温中压，即过热蒸汽压力4MPa，蒸汽温度400℃。这个参数的电厂效率是偏低的，个别电厂从节能减排的角度出发，将主蒸汽参数提高到6.5MPa，450℃。在降低能耗，发展清洁能源的大环境下，越来越不能满足节能减排的需求，研发高效垃圾焚烧发电系统成为技术发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种垃圾焚烧电厂用乏汽加燃烧热用风的超高压带再热循环系统和方法，既解决提高电厂循环效率和采用较低蒸汽初温的矛盾，又解决受热面低温腐蚀的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环方法，垃圾焚烧锅炉生成的超高压过热蒸汽的蒸汽压力≥13MPa，蒸汽温度＞400℃，过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功，之后分为三路：第一路作为再热蒸汽返回锅炉继续吸收热能，为在汽轮机低压缸里进一步做功做准备，且再热蒸汽利用烟气作为热源加热，再热蒸汽温度＞400℃，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20～30％；第二路去电厂给水加热系统，以建立电厂动力水的循环；第三路作为热源，用于加热一、二次风，这部分空气将作为生活垃圾燃烧所需用风；锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器。

一种采用前述方法的垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环系统，包括垃圾焚烧锅炉、汽轮机、过热器，还包括再热器，再热器安装在垃圾焚烧锅炉的炉膛或烟道内，以烟气作为热源加热再热蒸汽，锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器，汽轮机包括高压缸和低压缸，过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功，做功之后分为三路：第一路返回再热器作为再热蒸汽继续吸收热能，之后在汽轮机低压缸里进一步做功；第二路去电厂给水加热系统；第三路作为热源用于加热一、二次风。

作为选择，过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功之后，第二路去电厂高加系统。

作为选择，过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功之后，第三路去蒸汽-空气预热器。

本发明中，为了提高循环效率，将过热蒸汽压力大幅提高至蒸汽压力≥13MPa的超高压过热蒸汽，但是提高蒸汽压力可以提高循环效率,但如不提高温度将引起乏汽干度减少,产生不利后果：

传统的朗肯循环详见图1的T－s图(温度-熵图)。水在水泵中被压缩升压，然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成水，再回到水泵中，完成一个循环。

3-4过程：在水泵中水被压缩升压，过程中流经水泵的流量较大，水泵向周围的散热量折合到单位质量工质，可以忽略，因而3-4过程简化为可逆绝热压缩过程，即等熵压缩过程。

4-1过程：水在锅炉中被加热的过程本来是在外部火焰与工质之间有较大温差的条件下进行的，而且不可避免地工质会有压力损失，是一个不可逆加热过程。我们把它理想化为不计工质压力变化，并将过程想象为无数个与工质温度相同的热源与工质可逆传热，也就是把传热不可逆因素放在系统之外，只着眼于工质一侧。这样，将加热过程理想化为定压可逆吸热过程。

1-2过程：蒸汽在汽轮机中膨胀过程也因其流量大、散热量相对较小，当不考虑摩擦等不可逆因素时，简化为可逆绝热膨胀过程，即等熵膨胀过程。

2-3过程：蒸汽在冷凝器中被冷却成饱和水，同样将不可逆温差传热因素放于系统之外来考虑，简化为可逆定压冷却过程。因过程在饱和区内进行，此过程也是定温过程。

因此，朗肯循环中提高蒸汽压力可以提高循环效率，但如不提高温度将引起乏汽干度减少，产生不利后果。而对于垃圾焚烧锅炉来说，这个问题更加困难：提高蒸汽初温又要受到垃圾焚烧后引起的对受热面金属腐蚀的限制。生活垃圾中含有大量的氯、硫、钾、钠等元素，燃烧以后与氢、氧等等元素相互作用，形成强腐蚀性物质，在高温段对受热面产生高温腐蚀，尤其是在高温过热器区域。为了防止这类高温腐蚀的发生，在其他方法收效甚微的条件下，业内通常采用降低主蒸汽参数的方式，通过降低高温过热器区域金属壁温来延缓高温腐蚀速度。如此这般，很难提高垃圾电厂循环效率。

提高蒸汽初压将引起乏汽的干度下降，为解决提高电厂循环效率和采用较低蒸汽初温的矛盾，本发明中采用蒸汽中间再过热的办法。所谓蒸汽中间再过热，就是将汽轮机高压缸内膨胀至某一中间压力的蒸汽全部引出，进入到锅炉的再热器中再次加热，然后回到汽轮机(低压部分)内继续作功。

常规垃圾焚烧锅炉出口的蒸汽只有过热蒸汽，俗称“主蒸汽”，与之匹配的汽轮机只设置一个汽缸，即高压缸，锅炉出口的主蒸汽进入汽轮机高压缸做功后温度、压力均大幅降低，出口即进入凝汽器并转变为锅炉给水。

本发明中为了提高电厂的循环效率，在汽轮机高压缸后部增设一个汽缸即低压缸，对应的入口蒸汽是经锅炉加热以后的再热蒸汽，再热蒸汽来自汽轮机高压缸做完功的过热蒸汽，这种蒸汽比高压缸入口处温度和压力都低，它被送往锅炉再热器再次被加热到一定温度以后，送入汽轮机低压缸继续做功。这样的设计方案可以进一步利用高压缸里做完功的过热蒸汽的能量在低压缸做功，从而提高电厂循环效率。

蒸汽再热循环，即再热循环的热效率为再热对循环热效率的影响可利用图2的T－s图(温度-熵图)作定性分析。经过分析可知，经过再热以后，蒸汽膨胀终结的干度x有明显地提高。此外，当再热温度与蒸汽初温相等时，由于终参数相同或略低，只要再热压力选择得不太低，则附加循环的吸热平均温度将高于原循环的吸热平均温度，整个再热循环的热效率将提高。但再热压力若选择过高，又将使附加循环的吸热量减小，从而对整个再热循环热效率的影响减弱。综合考虑再热压力对热效率和干度的影响，必将存在某一个最佳的再热压力。这个最佳压力将使得在允许的乏汽干度的情况下，热效率达到最佳值。最佳再热压力的数值，要根据给定条件作全面的技术经济比较来确定，一般在蒸汽初压力的20～30％之间。

虽然大型火电厂也往往都在汽轮机高压缸后部增设一个汽缸即低压缸，对应的入口蒸汽是经锅炉加热以后的再热蒸汽，再热蒸汽来自汽轮机高压缸做完功的过热蒸汽，但是，对于以生活垃圾为燃料的电厂，由于生活垃圾成分复杂，中国的生活垃圾中餐厨垃圾比例高，含有较多的氢、氯、硫、钾、钠、钙、镁等元素，具有水分高热值低的突出特点，造成垃圾焚烧锅炉存在严重的高温腐蚀倾向。金属壁温与腐蚀速度紧密相关：金属壁温在150℃区域属于低温腐蚀速度较快区域，主要引起空气预热器受热面金属低温腐蚀；金属壁温在400℃～700℃区间，受热面金属高温腐蚀速度很快，主要引起过热器管壁腐蚀。

为延缓低温腐蚀，本发明中锅炉尾部取消常规的空气预热器，改用从汽轮机高压缸做完功的乏汽加热燃烧用风，而锅炉给水系统采用压力式除氧器，使得锅炉给水温度达到130℃，这样锅炉尾部最后一段受热面布置省煤器，且可以保证省煤器最低点金属壁温始终处于150℃以上，而加热燃烧用风的介质来自高压缸做完功的过热蒸汽，蒸汽没有腐蚀性，因此完全避免了空气预热器和省煤器区域低温腐蚀的发生。

而对于高温腐蚀，由于没有可以商业化应用的防高温腐蚀性能较好的受热面金属管材，所以本发明中将过热蒸汽温度降到400℃左右，最高不超过450℃，在此条件下，不可能采用传统火电厂提高过热蒸汽初温的方式提高电厂效率，必须另辟蹊径。本发明中采用蒸汽再循环，可以达到提高电厂效率的目的。

此外，由于锅炉为单一专门设计的设备，而汽轮发电机组则是标准化系列产品，在传统火电厂行业还没有过热蒸汽温度不高于450℃的发电机组中采用再热循环的先例，所以机轮机、发电机、阀门、辅机等等一系列配套设备均需要和锅炉一样进行产品研发，这就使得本发明牵涉到整个发电设备制造业的新产品开发和革命，这也是本发明的价值所在。

本发明的有益效果：由于提高蒸汽压力可以提高循环效率，但如不提高温度将引起乏汽干度减少，产生不利后果，而对于垃圾焚烧锅炉来说，由于高温腐蚀的原因使得解决这个问题更加困难。为解决提高电厂循环效率和采用较低蒸汽初温的矛盾，本发明采用蒸汽中间再过热的办法。而且，本发明采用再热循环，蒸汽在汽轮机中有用焓降增大，这一方面可以进一步提高循环效率：一次再热可提高循环效率4％～6％；另外可使排汽湿度明显下降。

此外，本发明中采用汽轮机做完功的乏汽加热燃烧用空气，避免了空气预热器的低温腐蚀；采用压力式除氧器，提高省煤器进口水温度，避免省煤器出现低温腐蚀。

附图说明

图1是传统的朗肯循环T-s图；

图2是本发明的再热循环T-s图；

图3是传统垃圾焚烧电厂蒸汽朗肯循环PID图；

图4是本发明生活垃圾电厂蒸汽再热循环PID图；

其中1为垃圾焚烧锅炉、2为汽轮机、3为再热器、4为高压缸、5为低压缸。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

一种垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环方法，垃圾焚烧锅炉1的过热器生成的超高压过热蒸汽的蒸汽压力≥13MPa，蒸汽温度＞400℃，过热蒸汽进入汽轮机2高压缸4做功，之后分为三路：第一路作为再热蒸汽返回锅炉继续吸收热能，为在汽轮机2低压缸5里进一步做功做准备，且再热蒸汽利用烟气作为热源加热，再热蒸汽温度＞400℃，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20～30％；第二路去电厂给水加热系统(去电厂高加系统)，以建立电厂动力水的循环；第三路作为热源，用于加热一、二次风(去蒸汽-空气预热器)，这部分空气将作为生活垃圾燃烧所需用风；锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器。

一种采用前述方法的垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环系统，参考图4所示，包括垃圾焚烧锅炉1、汽轮机2、过热器，还包括再热器3，再热器3安装在垃圾焚烧锅炉1的炉膛或烟道内，以烟气作为热源加热再热蒸汽，锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器，汽轮机2包括高压缸4和低压缸5，过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机2高压缸4做功，做功之后分为三路：第一路返回再热器3作为再热蒸汽继续吸收热能，之后在汽轮机2低压缸5里进一步做功；第二路去电厂给水加热系统(去电厂高加系统)；第三路作为热源用于加热一、二次风(去蒸汽-空气预热器)。作为对比，参考图3所示传统垃圾焚烧电厂蒸汽朗肯循环PID图，由图中可知，汽轮机只有一个高压缸做功，而且锅炉出口只有主蒸汽，没有再热蒸汽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环方法，其特征在于：垃圾焚烧锅炉生成的超高压过热蒸汽的蒸汽压力≥13MPa，蒸汽温度＞400℃，过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功，之后分为三路：第一路作为再热蒸汽返回锅炉继续吸收热能，为在汽轮机低压缸里进一步做功做准备，且再热蒸汽利用烟气作为热源加热，再热蒸汽温度＞400℃，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20～30％；第二路去电厂给水加热系统，以建立电厂动力水的循环；第三路作为热源，用于加热一、二次风，这部分空气将作为生活垃圾燃烧所需用风；锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器。

2.如权利要求1所述的垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环方法，其特征在于：垃圾焚烧电厂为燃烧生活垃圾的发电厂系统。

3.一种采用权利要求1或2所述方法的垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环系统，包括垃圾焚烧锅炉、汽轮机、过热器，其特征在于：还包括再热器，再热器安装在垃圾焚烧锅炉的炉膛或烟道内，以烟气作为热源加热再热蒸汽，锅炉给水系统采用压力式除氧器，锅炉尾部烟道最后一段受热面布置省煤器，汽轮机包括高压缸和低压缸，过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功，做功之后分为三路：第一路返回再热器作为再热蒸汽继续吸收热能，之后在汽轮机低压缸里进一步做功；第二路去电厂给水加热系统；第三路作为热源用于加热一、二次风。

4.如权利要求3所述的垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环系统，其特征在于：过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功之后，第二路去电厂高加系统。

5.如权利要求3所述的垃圾焚烧电厂用乏汽加热燃烧用风的超高压带再热循环系统，其特征在于：过热器产生的过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功之后，第三路去蒸汽-空气预热器。