CN108194913B - 一种碳基固体燃料热电联供方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于区域供热的高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供方法与系统，把脱硫后的烟气与循环水换热，循环水再把这部分热量用于燃烧空气的加热加湿，加热加湿空气所需的热量多而品位低，与从烟气中回收的低温潜热能够很好的匹配；SCR出口的烟气一部分进入空气预热器加热空气，另一部分用于锅炉给水加热，实现了烟气能量的梯级利用。燃烧空气被加湿以后，有利于降低锅炉燃烧的最高温度，从而实现降低NOx排放；在湿法脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，将烟气中增加的潜热通过热交换传递给热网水，实现了回收烟气的低温潜热，提高了系统的效率，同时实现了降低锅炉NOx排放的目的。

Description

一种碳基固体燃料热电联供方法与系统

技术领域

本发明涉及热电联供技术领域，涉及一种高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供方法与系统，具体地说是一种应用于区域供暖的高效低污染物排放的煤基热电联供方法与系统。

背景技术

我国北方冬季的供暖消耗大量的能源。冬季供暖所造成的NOx等污染物排放也是雾霾产生的重要原因之一。目前，虽然随着煤改气、煤改电的应用，以气体燃料和电为能源供暖的比例在增加，但是煤炭和生物质等碳基固体燃料仍将是冬季供暖的主要一次能源，如何实现基于碳基固体燃料的清洁高效转化，对于降低能源消耗、污染物排放和温室气体排放具有重要作用。基于中型燃煤锅炉的热电联供是目前我国北方冬季供暖的重要热源之一，据不完全统计，全国有数千台几十吨到数百蒸吨规模的燃煤供暖锅炉，其中以煤粉锅炉和循环流化床锅炉为主。目前燃煤锅炉基本都采用了SCR或者SNCR脱硝技术降低NOx排放，在降低锅炉原始NOx排放方面，浓淡燃烧、分级燃烧等多种低NOx燃烧技术也在逐步的研发应用，但是随着我国对环保要求更加严格，仍然需要进一步降低NOx排放。为了提高热电联供系统的热利用效率，多种中低温烟气余热回收利用技术也在被广泛的研究，包括低温省煤器技术、热泵技术等。总之，如何采用新的方法，提高基于碳基固体燃料的区域热电联供机组的效率，降低污染物排放，是目前的迫切需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种应用于区域供热的高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供方法与系统，通过烟气中的潜热回收利用以及合理的梯级换热，把脱硫后的烟气与循环水换热，加热循环水，循环水再把这部分热量用于燃烧空气的加热加湿，由于空气的温度低、含湿量少，所以加热加湿空气所需的热量多而品位低，与从烟气中回收的低温潜热能够很好的匹配；此外，将SCR出口的烟气分为两部分，一部分进入空气预热器加热空气，另一部分用于锅炉给水的加热，这种并联的布置方式实现了烟气能量的梯级利用，可以提高锅炉给水温度或者减少汽轮机用于加热锅炉给水的抽汽量。燃烧空气被加湿以后，有利于降低锅炉燃烧的最高温度，从而实现降低NOx排放；在湿法脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，将烟气中增加的潜热通过热交换传递给热网水，实现了回收烟气的低温潜热，最终用于加热热网水，提高了系统的效率，同时实现了降低锅炉NOx排放的目的；在脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，还实现了从脱硫塔中取热，脱硫塔出口烟气的露点温度与进口烟气相比基本相同，从而大幅降低脱硫塔的耗水。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种应用于区域供热的高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供系统，包括锅炉本体、锅炉省煤器、SCR脱硝单元、空气预热器、湿法脱硫单元、烟气减湿塔、空气加湿塔、汽轮机、排汽与热网水换热器、除氧器、空气/给水换热器、脱硫浆液/热网水换热器，其特征在于，

碳基固体燃料在所述锅炉本体中燃烧释放热量，用于加热锅炉给水产生过热蒸汽，所述锅炉本体产生的过热主蒸汽送入所述汽轮机，

从所述汽轮机的后部抽取部分蒸汽作为所述除氧器的除氧蒸汽，所述汽轮机的排汽进入到所述排汽与热网水换热器，热网回水被加热以后向热网外供；

所述汽轮机的排汽在所述排汽与热网水换热器中冷凝，冷凝水被送到所述除氧器中，

经过除氧以后的锅炉给水，被送入烟气/给水换热器，在所述烟气/给水换热器中，之后送至所述锅炉省煤器；

从所述锅炉省煤器排出的烟气进入所述SCR脱硝单元中，

从所述SCR脱硝单元排出的烟气分为两部分，其中一部分进入所述空气预热器，用以加热送往所述锅炉本体的湿空气，另一部分烟气进入所述烟气/给水换热器，加热锅炉给水，

从所述SCR脱硝单元排出的两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入所述湿法脱硫单元，从所述湿法脱硫单元底部抽取的脱硫浆液通入所述脱硫浆液/热网水换热器中与热网回水换热，之后被送至所述湿法脱硫单元的顶部，

从所述湿法脱硫单元顶部排出的烟气，送入所述烟气洗涤塔的底部，从顶部排出通入，

从所述烟气洗涤塔顶部喷入的水被加热以后从所述烟气洗涤塔的底部排出，热水经泵升压以后送到所述空气加湿塔的顶部，从所述空气加湿塔底部排出，经泵升压以后送至所述烟气洗涤塔的顶部，构成循环，

环境空气依次经所述空气湿化塔、空气预热器后被送到所述锅炉本体中。

优选地，所述汽轮机一般为抽背式，从所述汽轮机的中部抽取蒸汽供工业蒸汽用户。

优选地，所述汽轮机的排汽在所述排汽与热网水换热器0中被冷却以后冷凝，冷凝水经所述凝结水泵加压以后，送到所述除氧器。

优选地，经过除氧以后的锅炉给水，经过所述给水泵加压以后送入烟气/给水换热器。

优选地，从所述SCR脱硝单元排出的烟气大部分进入所述空气预热器，烟气被降温，用以加热送往所述锅炉本体的湿空气；从所述SCR脱硝单元排出的另一小部分烟气进入所述烟气/给水换热器，加热锅炉给水，烟气被降温。

优选地，所述系统还包括除尘单元，从所述SCR脱硝单元排出的两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入所述除尘单元中进行除尘，之后进入所述湿法脱硫单元。

优选地，所述热网回水温度为40-50℃以上。

优选地，从烟气洗涤塔顶部排出的烟气，其排烟温度可降低至30℃以下。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述系统进行碳基固体燃料热电联供的方法，其特征在于，

碳基固体燃料在所述锅炉本体中燃烧释放热量，用于加热锅炉给水产生过热蒸汽，所述锅炉本体产生的过热主蒸汽送入所述汽轮机，

从所述汽轮机的后部抽取部分蒸汽作为所述除氧器的除氧蒸汽，所述汽轮机的排汽进入到所述排汽与热网水换热器，热网回水被加热以后向热网外供；

所述汽轮机的排汽在所述排汽与热网水换热器中冷凝，冷凝水被送到所述除氧器中，

经过除氧以后的锅炉给水，被送入烟气/给水换热器，在所述烟气/给水换热器中，之后送至所述锅炉省煤器；

从所述锅炉省煤器排出的烟气进入所述SCR脱硝单元中，

从所述SCR脱硝单元排出的烟气分为两部分，其中一部分进入所述空气预热器，用以加热送往所述锅炉本体的湿空气，另一部分烟气进入所述烟气/给水换热器，加热锅炉给水，

从所述SCR脱硝单元排出的两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入所述湿法脱硫单元，从所述湿法脱硫单元底部抽取的脱硫浆液通入所述脱硫浆液/热网水换热器中与热网回水换热，之后被送至所述湿法脱硫单元的顶部，

从所述湿法脱硫单元顶部排出的烟气，送入所述烟气洗涤塔的底部，从顶部排出，

从所述烟气洗涤塔顶部喷入的水被加热以后从所述烟气洗涤塔的底部排出，热水经泵升压以后送到所述空气加湿塔的顶部，从所述空气加湿塔底部排出，经泵升压以后送至所述烟气洗涤塔的顶部，构成循环，

环境空气依次经所述空气湿化塔、空气预热器后被送到所述锅炉本体中。

本发明实现高效低污染物排放的原理是：

烟气中的潜热回收利用以及合理的梯级换热。常规燃煤锅炉湿法脱硫后的烟气直接从烟囱排走，而不回收利用烟气中的热量，从湿法脱硫塔排出的烟气一般是湿饱和烟气，温度在50℃左右，烟气中的蒸汽含量在12％vol左右，该烟气中含有大量的水蒸气和潜热。回收利用这部分潜热的难点之一在于其温度品位低。区域供热的热网回水温度一般在50℃左右，至少在40℃以上，如果采用热网回水与湿法脱硫后烟气换热，则只能回收很少的烟气潜热或者不能回收烟气潜热。本发明并未将脱硫后的烟气直接与热网水换热，而是把脱硫后的烟气与循环水换热，加热循环水，循环水再把这部分热量用于燃烧空气的加热加湿，由于空气的温度低、含湿量少，所以加热加湿空气所需的热量多而品位低，与从烟气中回收的低温潜热能够很好的匹配。传统的空气预热器是把所有的烟气通入空气预热器加热空气，而在本发明中，空气通过热水加热加湿提高了温度，本发明将SCR出口的烟气分为两部分，一部分进入空气预热器加热空气，另一部分用于锅炉给水的加热，这种并联的布置方式实现了烟气能量的梯级利用，可以提高锅炉给水温度或者减少汽轮机用于加热锅炉给水的抽汽量。燃烧空气被加湿以后，有利于降低锅炉燃烧的最高温度，从而实现降低NOx排放。由于燃烧空气的湿度增加，锅炉排烟中所含水蒸气的量也显著提高，排烟的露点温度升高，烟气中所含的潜热也相应增加，本发明在湿法脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，将烟气中增加的潜热通过热交换传递给热网水。通过上述流程，本发明实现了回收烟气的低温潜热，最终用于加热热网水，提高了系统的效率，同时实现了降低锅炉NOx排放的目的。

传统的湿法脱硫是一个耗水的过程。一般来讲，进入脱硫塔的烟气是过热烟气，根据脱硫塔前是否设置低温省煤器，进入脱硫塔的烟气温度一般在80℃到150℃甚至更高不等。过热的烟气进入脱硫塔后，与脱硫浆液接触，最终成为饱和烟气排出脱硫塔，烟气的一部分显热转变为水蒸气的潜热，烟气的露点温度升高，水蒸气含量升高，这是脱硫塔的主要耗水。本发明中，在脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，实现从脱硫塔中取热，脱硫塔出口烟气的露点温度与进口烟气相比基本相同，从而大幅降低脱硫塔的耗水。

同现有技术相比，本发明的系统，其技术特点主要在于：

1)烟气减温减湿和空气加热加湿过程的匹配，实现烟气低温潜热的回收；

2)空气加热加湿过程与空气预热器、高温省煤器匹配，实现烟气显热的梯级利用；

3)针对高露点烟气，直接从脱硫塔浆液取热加热热网回水，简化系统并实现脱硫过程的近零耗水；

4)将上述过程有机集成，同时实现热回收利用与低NOx、低耗水；

5)本发明的系统可以在热网回水温度40-50℃以上时，不通过传统的吸收式或者压缩式热泵即实现烟气的低温潜热和水回收，烟气排烟温度可降低至30℃以下。湿空气的燃烧还可以降低锅炉的NOx排放。

附图说明

图1为本发明的应用于区域供热的高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的应用于区域供热的高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供系统，包括锅炉本体1，锅炉省煤器2，SCR脱硝单元3，空气预热器4，除尘器5，湿法脱硫单元6，烟气减湿塔7，空气加湿塔8，汽轮机9，排汽与热网水换热器10，凝结水泵11，除氧器12，给水泵13，空气/给水换热器14，脱硫浆液/热网水换热器15。

碳基固体燃料在锅炉本体1中燃烧释放热量，用于加热锅炉给水产生过热蒸汽，锅炉本体1产生的过热主蒸汽送入汽轮机9，汽轮机9一般为抽背式，从汽轮机9的中部抽取蒸汽供工业蒸汽用户，从汽轮机9的后部抽取部分蒸汽作为除氧器12的除氧蒸汽；汽轮机9的排汽进入到排汽与热网水换热器10，热网水被加热以后向热网外供；汽轮机的排汽在排汽与热网水换热器10中被冷却以后冷凝，冷凝水经凝结水泵11加压以后，送到除氧器12，经过除氧以后的锅炉给水，经过给水泵13加压以后送入烟气/给水换热器14，在烟气/给水换热器14中，给水与烟气换热，被进一步加热以后送至锅炉省煤器2。

从锅炉省煤器2排出的烟气进入SCR脱硝单元3中脱除烟气中的NOx，从SCR脱硝单元3排出的烟气分为两部分，其中大部分进入空气预热器4，烟气被降温，用以加热送往锅炉本体1的湿空气，从SCR脱硝单元3排出的另一小部分烟气进入烟气/给水换热器14，加热锅炉给水，烟气被降温，两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入除尘单元5中脱除烟气中的固体颗粒，除尘以后的烟气进入湿法脱硫单元6，从脱硫塔底部抽取的脱硫浆液通入脱硫浆液/热网水换热器15中与热网回水换热，加热热网回水，浆液温度降低以后，再送至脱硫喷淋塔6的顶部，从脱硫塔6顶部排出的烟气，送入烟气洗涤塔7的底部，在烟气洗涤塔7中，烟气从下向上流动，与从烟气洗涤塔7顶部喷下的水直接逆流接触，烟气被冷却以后从顶部排出，最后通过烟囱排掉。

从烟气洗涤塔7顶部喷入的水在与烟气逆流接触以后，被烟气加热，同时将烟气中的水分凝结下来，水被加热以后成为热水从烟气洗涤塔7的底部排出，热水经泵升压以后送到空气加湿塔8的顶部，在空气加湿塔8中与空气逆流接触，对空气加热加湿，热水温度降低，从空气加湿塔底部排出，经泵升压以后送至烟气洗涤塔7的顶部，构成循环，环境空气首先经过空气湿化塔8加热加湿，增加温度和湿度，经过加温加湿的空气被送入空气预热器4升温，进一步预热以后的空气被送到锅炉本体1中。

本发明实现高效低污染物排放的原理是：烟气中的潜热回收利用以及合理的梯级换热。常规燃煤锅炉湿法脱硫后的烟气直接从烟囱排走，而不回收利用烟气中的热量，从湿法脱硫塔排出的烟气一般是湿饱和烟气，温度在50℃左右，烟气中的蒸汽含量在12％vol左右，该烟气中含有大量的水蒸气和潜热。回收利用这部分潜热的难点之一在于其温度品位低。区域供热的热网回水温度一般在50℃左右，至少在40℃以上，如果采用热网回水与湿法脱硫后烟气换热，则只能回收很少的烟气潜热或者不能回收烟气潜热。本发明并未将脱硫后的烟气直接与热网水换热，而是把脱硫后的烟气与循环水换热，加热循环水，循环水再把这部分热量用于燃烧空气的加热加湿，由于空气的温度低、含湿量少，所以加热加湿空气所需的热量多而品位低，与从烟气中回收的低温潜热能够很好的匹配。传统的空气预热器是把所有的烟气通入空气预热器加热空气，而在本发明中，空气通过热水加热加湿提高了温度，本发明将SCR出口的烟气分为两部分，一部分进入空气预热器加热空气，另一部分用于锅炉给水的加热，这种并联的布置方式实现了烟气能量的梯级利用，可以提高锅炉给水温度或者减少汽轮机用于加热锅炉给水的抽汽量。燃烧空气被加湿以后，有利于降低锅炉燃烧的最高温度，从而实现降低NOx排放。由于燃烧空气的湿度增加，锅炉排烟中所含水蒸气的量也显著提高，排烟的露点温度升高，烟气中所含的潜热也相应增加，本发明在湿法脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，将烟气中增加的潜热通过热交换传递给热网水。通过上述流程，本发明实现了回收烟气的低温潜热，最终用于加热热网水，提高了系统的效率，同时实现了降低锅炉NOx排放的目的。

传统的湿法脱硫是一个耗水的过程。一般来讲，进入脱硫塔的烟气是过热烟气，根据脱硫塔前是否设置低温省煤器，进入脱硫塔的烟气温度一般在80℃到150℃甚至更高不等。过热的烟气进入脱硫塔后，与脱硫浆液接触，最终成为饱和烟气排出脱硫塔，烟气的一部分显热转变为水蒸气的潜热，烟气的露点温度升高，水蒸气含量升高，这是脱硫塔的主要耗水。本发明中，在脱硫过程中设置浆液/热网水换热器，实现从脱硫塔中取热，脱硫塔出口烟气的露点温度与进口烟气相比基本相同，从而大幅降低脱硫塔的耗水。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于区域供热的高效低污染物排放的碳基固体燃料热电联供系统，包括锅炉本体、锅炉省煤器、SCR脱硝单元、空气预热器、湿法脱硫单元、烟气减湿塔、空气加湿塔、汽轮机、排汽与热网水换热器、除氧器、空气/给水换热器、脱硫浆液/热网水换热器，其特征在于，

碳基固体燃料在所述锅炉本体中燃烧释放热量，用于加热锅炉给水产生过热蒸汽，所述锅炉本体产生的过热主蒸汽送入所述汽轮机，

从所述汽轮机的后部抽取部分蒸汽作为所述除氧器的除氧蒸汽，所述汽轮机的排汽进入到所述排汽与热网水换热器，热网回水被加热以后向热网外供；

所述汽轮机的排汽在所述排汽与热网水换热器中冷凝，冷凝水被送到所述除氧器中，

经过除氧以后的锅炉给水，被送入烟气/给水换热器，在所述烟气/给水换热器中，之后送至所述锅炉省煤器；

从所述锅炉省煤器排出的烟气进入所述SCR脱硝单元中，

从所述SCR脱硝单元排出的烟气分为两部分，其中一部分进入所述空气预热器，用以加热送往所述锅炉本体的湿空气，另一部分烟气进入所述烟气/给水换热器，加热锅炉给水，

从所述SCR脱硝单元排出的两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入所述湿法脱硫单元，从所述湿法脱硫单元底部抽取的脱硫浆液通入所述脱硫浆液/热网水换热器中与热网回水换热，之后被送至所述湿法脱硫单元的顶部，

从所述湿法脱硫单元顶部排出的烟气，送入所述烟气洗涤塔的底部，从顶部排出，

从所述烟气洗涤塔顶部喷入的水被加热以后从所述烟气洗涤塔的底部排出，热水经泵升压以后送到所述空气加湿塔的顶部，从所述空气加湿塔底部排出，经泵升压以后送至所述烟气洗涤塔的顶部，构成循环，

环境空气依次经所述空气湿化塔、空气预热器后被送到所述锅炉本体中。

2.根据权利要求1所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，所述汽轮机为抽背式汽轮机，从所述汽轮机的中部抽取蒸汽供工业蒸汽用户。

3.根据权利要求1所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，所述汽轮机的排汽在所述排汽与热网水换热器中被冷却以后冷凝，冷凝水经凝结水泵加压以后，送到所述除氧器。

4.根据权利要求3所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，经过除氧以后的锅炉给水，经过给水泵加压以后送入烟气/给水换热器。

5.根据权利要求1和4之一所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，从所述SCR脱硝单元排出的烟气大部分进入所述空气预热器，烟气被降温，用以加热送往所述锅炉本体的湿空气；从所述SCR脱硝单元排出的另一小部分烟气进入所述烟气/给水换热器，加热锅炉给水，烟气被降温。

6.根据权利要求5所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，所述系统还包括除尘单元，从所述SCR脱硝单元排出的两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入所述除尘单元中进行除尘，之后进入所述湿法脱硫单元。

7.根据权利要求1所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，所述热网回水温度为40-50℃以上。

8.根据权利要求1所述的碳基固体燃料热电联供系统，其特征在于，从烟气洗涤塔顶部排出的烟气，其排烟温度可降低至30℃以下。

9.一种利用上述任一项权利要求所述的系统进行碳基固体燃料热电联供的方法，其特征在于，

碳基固体燃料在所述锅炉本体中燃烧释放热量，用于加热锅炉给水产生过热蒸汽，所述锅炉本体产生的过热主蒸汽送入所述汽轮机，

从所述汽轮机的后部抽取部分蒸汽作为所述除氧器的除氧蒸汽，所述汽轮机的排汽进入到所述排汽与热网水换热器，热网回水被加热以后向热网外供；

所述汽轮机的排汽在所述排汽与热网水换热器中冷凝，冷凝水被送到所述除氧器中，

经过除氧以后的锅炉给水，被送入烟气/给水换热器，在所述烟气/给水换热器中，之后送至所述锅炉省煤器；

从所述锅炉省煤器排出的烟气进入所述SCR脱硝单元中，

从所述SCR脱硝单元排出的烟气分为两部分，其中一部分进入所述空气预热器，用以加热送往所述锅炉本体的湿空气，另一部分烟气进入所述烟气/给水换热器，加热锅炉给水，

从所述SCR脱硝单元排出的两部分烟气经换热降温后汇总到一起，进入所述湿法脱硫单元，从所述湿法脱硫单元底部抽取的脱硫浆液通入所述脱硫浆液/热网水换热器中与热网回水换热，之后被送至所述湿法脱硫单元的顶部，

从所述湿法脱硫单元顶部排出的烟气，送入所述烟气洗涤塔的底部，从顶部排出，

从所述烟气洗涤塔顶部喷入的水被加热以后从所述烟气洗涤塔的底部排出，热水经泵升压以后送到所述空气加湿塔的顶部，从所述空气加湿塔底部排出，经泵升压以后送至所述烟气洗涤塔的顶部，构成循环，

环境空气依次经所述空气湿化塔、空气预热器后被送到所述锅炉本体中。