CN109027994B - 利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统 - Google Patents

利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于燃煤电厂发电技术领域的一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统。该系统包括燃煤发电子系统、脱碳子系统、脱碳废热利用子系统和烟气热利用子系统。本发明采取了三个措施：(1)利用脱碳过程废热预热空气，节省部分锅炉较高温烟气旁路加热给水，减少回热系统用汽轮机抽汽；(2)通过吸收式热泵回收脱碳过程废热，替代部分脱碳用汽为再沸器提供热量；(3)通过再沸器疏水再循环，充分利用抽汽过热度，从而减少脱碳用抽汽量。本发明相较于常规基于MEA脱碳的燃煤系统，集成吸收式热泵和烟气余热利用两种节能手段，对电厂燃煤脱碳进行优化，为脱碳过程余热的利用提供了方向。

Description

利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统
技术领域
本发明属于燃煤电厂发电技术领域，特别涉及一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统。
背景技术
长期以来我国煤炭消费量占到一次能源消费总量的70％左右。其中，以火力发电为主的电力行业，其原煤消耗量占到国内煤炭消费总量的50％以上。电力生产的不断发展，随之而来的是空气污染和温室效应的日益加重，这已严重威胁到人类赖以生存的自然环境。CO2作为主要的温室气体，其排放量约占人类活动排放温室气体总量的80％，我国作为CO2排放大国，努力开展碳捕集技术的研究势在必行。基于MEA(一乙醇胺)吸收的燃烧后脱碳被广泛认为是相对成熟且具有大规模应用潜力的技术，受到广大学者的关注。
然而，基于MEA的化学吸收法脱碳过程需要消耗大量热量，同时释放出大量低品位废热。一般来说，脱碳过程所需热量由汽轮机中低压缸连通管的抽汽供给，这意味着脱碳过程将减少系统有效功的输出，造成较高的能效惩罚，并给低压缸的安全性带来一定的影响。为了在实现CO2减排的同时有效降低能效惩罚，集成吸收式热泵和烟气余热利用两种节能手段，通过系统集成对燃煤脱碳电厂进行优化，为脱碳过程余热的利用提供了方向。针对MEA脱碳给机组带来的巨大能效惩罚这一问题
发明内容
本发明的目的是提出一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统。该系统包括燃煤发电子系统、脱碳废热利用子系统和烟气热利用子系统，其特征在于：1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3、主空气预热器4、锅炉5空气入口依次串联，锅炉5主蒸汽出口与高压缸6蒸汽入口相连，高压缸6各抽汽出口与高压加热器组15相连，高压缸6排汽口与锅炉5再热冷段入口相连，锅炉5再热热段出口与中压缸7蒸汽入口相连，中压缸7各抽汽出口与高压加热器组15、除氧器13、低压加热器组12相连，中压缸7排气口与节流阀18、低压缸8蒸汽入口相连，低压缸8各抽汽口与低压加热器组12相连，低压缸8与发电机9连接；低压缸8排汽口与凝汽器10、凝结水泵11、低压加热器组12、除氧器13、给水泵14、高压加热器组15、锅炉5给水入口串联，低温省煤器16水侧与高压加热器组15水侧、低压加热器组12水侧并联，锅炉5排烟分为两路，一路与主空气预热器4烟气侧、烟气尾部预处理17相连，另一路与低温省煤器16、烟气尾部预处理17相连；烟气尾部预处理17、烟气冷却器22、烟气压缩机23、吸收塔24烟气侧入口依次串联，吸收塔24底部与富液泵25、贫富液换热器26、再生塔27依次串联，再生塔27底部与贫液泵28、贫富液换热器26、贫液-水换热器29、贫液冷却器30、吸收塔24串联，再生塔27顶部与1#CO2冷却器31、CO2-水换热器32、2#CO2冷却器33、CO2–水分离器34相连，CO2–水分离器34底部与再生塔27相连，CO2–水分离器34顶部与多级压缩单元36入口相连，多级压缩单元36入口与1#CO2-水换热器35、2#CO2-水换热器37、3#CO2-水换热器38依次串联；再沸器19疏水出口分为三路，一路是疏水循环泵20与再沸器19并联，第二路是与第二类吸收式热泵21蒸发器和再生器、凝汽器10串联，第三路是第二类吸收式热泵21与再沸器19并联。
所述烟气热利用子系统中贫液-水换热器29、CO2-水换热器32、1#CO2-水换热器35的水侧出口分别与1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3的水侧入口相连，对入炉空气分级加热，1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3的水侧出口分别与贫液-水换热器29、CO2-水换热器32、1#CO2-水换热器35入口相连；经过分级加热入炉空气依次经过1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3三级预热器吸热后，经主空气预热器4进入锅炉5；旁路烟道内低温省煤器16的水侧入口与凝结水泵11的出口相连接，低温省煤器16的水侧出口与高压加热器组15的水侧出口相连接，低温省煤器16的排烟与主空气预热器4排烟汇合后进入烟气尾部预处理17，进一步利用烟气余热.进行脱硫脱硝除尘处理。
所述脱碳废热利用子系统中,再沸器19出口的疏水分为三路，第一路经疏水循环泵20循环至再沸器19入口；第二路疏水首先进入脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵21蒸发器和再生器放热，随后打回至凝汽器10热井；第三路疏水进入脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵21吸收器吸热并形成饱和蒸汽，再与节流阀18出口的过热抽汽、疏水循环泵20出口的疏水混合后进入再沸器19放热。
所述脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵21再生器和蒸发器的放热水侧入口与1#CO2冷却器31、2#CO2-水换热器37水侧出口相连，第二类吸收式热泵21再生器和蒸发器放热水侧出口与1#CO2冷却器31、2#CO2-水换热器37水侧入口相连；第二类吸收式热泵21吸收器产生的高温热能使蒸发再沸器19出口的部分疏水形成饱和蒸汽。
本发明的有益效果是：(1)利用脱碳过程废热预热空气，节省部分锅炉较高温烟气旁路加热给水，减少回热系统用汽轮机抽汽；(2)通过吸收式热泵回收脱碳过程废热，替代部分脱碳用汽为再沸器提供热量；(3)通过再沸器疏水再循环，充分利用抽汽过热度，从而减少脱碳用抽汽量。
附图说明
图1为一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统的流程示意图。
图中各编号的具体含义为：1-1号水媒式空气预热器；2-2号水媒式空气预热器；3-3号水媒式空气预热器；4-主空气预热器；5-锅炉；6-高压缸；7-中压缸；8-低压缸；9-发电机；10-凝汽器；11-凝结水泵；12-低压加热器组；13-除氧器；14-给水泵；15-高压加热器组；16-低温省煤器；17-烟气尾部预处理；18-节流阀；19-再沸器；20-疏水循环泵；21-第二类吸收式热泵；22-烟气冷却器；23-烟气压缩机；24-吸收塔；25-富液泵；26-贫富液换热器；27-再生塔；28-贫液泵；29-贫液-水换热器；30-贫液冷却器；31-1#CO2冷却器；32-CO2-水换热器；33-2#CO2冷却器；34-CO2–水分离器；35-1#CO2-水换热器；36-多级压缩单元；37-2#CO2-水换热器；38-3#CO2-水换热器。
具体实施方式
本发明提出一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统。下面结合附图对本发明进一步予以说明。
如图1所示，该系统包括燃煤发电子系统、脱碳废热利用子系统和烟气余热利用子系统，图中所示，1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3、主空气预热器4、锅炉5空气入口依次串联，锅炉5主蒸汽出口与高压缸6蒸汽入口相连，高压缸6各抽汽出口与高压加热器组15相连，高压缸6排汽口与锅炉5再热冷段入口相连，锅炉5再热热段出口与中压缸7蒸汽入口相连，中压缸7各抽汽出口与高压加热器组15、除氧器13、低压加热器组12相连，中压缸7排气口与节流阀18、低压缸8蒸汽入口相连，低压缸8各抽汽口与低压加热器组12相连，低压缸8与发电机9连接；低压缸8排汽口与凝汽器10、凝结水泵11、低压加热器组12、除氧器13、给水泵14、高压加热器组15、锅炉5给水入口串联，低温省煤器16水侧与高压加热器组15水侧、低压加热器组12水侧并联，锅炉5排烟分为两路，一路与主空气预热器4烟气侧、烟气尾部预处理17相连，另一路与低温省煤器16、烟气尾部预处理17相连；烟气尾部预处理17、烟气冷却器22、烟气压缩机23、吸收塔24烟气侧入口依次串联，吸收塔24底部与富液泵25、贫富液换热器26、再生塔27依次串联，再生塔27底部与贫液泵28、贫富液换热器26、贫液-水换热器29、贫液冷却器30、吸收塔24串联，再生塔27顶部与1#CO2冷却器31、CO2-水换热器32、2#CO2冷却器33、CO2–水分离器34相连，CO2–水分离器34底部与再生塔27相连，CO2–水分离器34顶部与多级压缩单元36入口相连，多级压缩单元36入口与1#CO2-水换热器35、2#CO2-水换热器37、3#CO2-水换热器38依次串联；再沸器19疏水出口分为三路，一路是疏水循环泵20与再沸器19并联，第二路是与第二类吸收式热泵21蒸发器和再生器、凝汽器10串联，第三路是第二类吸收式热泵21与再沸器19并联。
所述在贫液-水换热器29、CO2-水换热器32、1#CO2-水换热器35中，水侧出口分别与1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3水侧入口相连，分级加热入炉空气，放热后水侧出口分别与贫液-水换热器29、CO2-水换热器32、1#CO2-水换热器35入口相连；空气依次经过三级预热器吸热后，经主空气预热器4进入锅炉5；旁路烟道内低温省煤器16水侧入口与凝结水泵11出口相连接，低温省煤器16水侧出口与高压加热器组15水侧出口相连接，低温省煤器17排烟与主空气预热器4排烟汇合后进入烟气尾部预处理17，进一步利用烟气余热中进行脱硫脱硝除尘处理。
所述脱碳废热利用子系统的再沸器19出口的疏水分为三路，第一路经疏水循环泵20循环至再沸器19入口；第二路疏水首先进入脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵21蒸发器和再生器放热，随后打回至凝汽器10热井；第三路疏水进入脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵21吸收器吸热并形成饱和蒸汽，再与节流阀18出口的过热抽汽、疏水循环泵20出口的疏水混合后进入再沸器19放热。
所述脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵21再生器和蒸发器放热水侧入口与1#CO2冷却器31、2#CO2-水换热器37水侧出口相连，第二类吸收式热泵21再生器和蒸发器放热水侧出口与1#CO2冷却器31、2#CO2-水换热器37水侧入口相连；第二类吸收式热泵21吸收器产生的高温热能蒸发再沸器19出口的部分疏水，使请形成饱和蒸汽。
实施例
一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统的具体实现方式为：
空气分两级预热，首先在1号水媒式空气预热器1、2号水媒式空气预热器2、3号水媒式空气预热器3中利用工质水在贫液-水换热器29、CO2-水换热器32、1#CO2-水换热器35中吸收脱碳过程的废热加热入炉空气，加热的入炉空气再进入主空气预热器4中利用烟气再加热，最终与煤进入锅炉5，给水通过汽轮机抽汽和部分烟气加热后，在锅炉5吸热变为主蒸汽，并依次进入高压缸6、中压缸7和低压缸8膨胀做功，驱动发电机9发电；其中中压缸7排汽分为三路，一路与节流阀18和再沸器19相连，第二路与低压加热器组12相连，第三路与低压缸8入口相连；锅炉5排烟分为两路，一路在低温省煤器16加热部分给水，另一路在主空气预热器4加热空气，最终两路烟气混合并进入烟气尾部预处理17中进行脱硫脱硝除尘处理，随后经烟气冷却器22冷却，烟气压缩机23增压后由吸收塔24底部进入，与自上而下流入吸收塔24的MEA水溶液逆流接触反应，脱除CO2后的烟气由吸收塔24顶部排出，反应生成的富液则从吸收塔24底流出，经富液泵25、贫富液换热器26后进入再生塔27；再生塔27中，解吸后的贫液由再生塔27底部流出，经贫液泵28、贫富液换热器26、贫液-水换热器29、贫液冷却器30返回吸收塔24循环使用；解析出的CO2则经再生塔27顶部1#CO2冷却器31、CO2-水换热器32、2#CO2冷却器33后进入CO2–水分离器34提纯，CO2–水分离器34底部的冷凝水回流到再生塔27中，顶部流出的高纯度CO2进入多级压缩单元36进行增压冷却，且多级压缩单元36每级压缩后CO2工质均首先进入1#CO2-水换热器35加热空气，再进入2#CO2-水换热器37放热给第二类吸收式热泵21的蒸发器和再生器，随后在3#CO2-水换热器38冷却到合适温度后进行下一级压缩；再沸器19出口疏水分为三路，一路放热给第二类吸收式热泵21后打入凝汽器10，第二路经疏水循环泵20循环至再沸器19入口，第三路作为吸热介质进入第二类吸收式热泵21吸收器吸收高温热能，形成饱和蒸汽后与疏水循环泵20出口疏水、节流阀18后过热蒸汽一起进入再沸器19进行放热；如此循环，由此充分利用抽汽过热度，从而减少脱碳用抽汽量。

Claims (2)

1.一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统，该系统包括燃煤发电子系统、脱碳子系统、脱碳废热利用子系统和烟气热利用子系统，其特征在于：1号水媒式空气预热器（1）、2号水媒式空气预热器（2）、3号水媒式空气预热器（3）、主空气预热器（4）、锅炉（5）空气入口依次串联，锅炉（5）主蒸汽出口与高压缸（6）蒸汽入口相连，高压缸（6）各抽汽出口与高压加热器组（15）相连，高压缸（6）排汽口与锅炉（5）再热冷段入口相连，锅炉（5）再热热段出口与中压缸（7）蒸汽入口相连，中压缸（7）各抽汽出口与高压加热器组（15）、除氧器（13）、低压加热器组（12）相连，中压缸（7）排气口与节流阀（18）、低压缸（8）蒸汽入口相连，低压缸（8）各抽汽口与低压加热器组（12）相连，低压缸（8）与发电机（9）连接；低压缸（8）排汽口与凝汽器（10）、凝结水泵（11）、低压加热器组（12）、除氧器（13）、给水泵（14）、高压加热器组（15）、锅炉（5）给水入口串联， 低温省煤器（16）水侧与高压加热器组（15）水侧、低压加热器组（12）水侧并联，锅炉（5）排烟分为两路，一路与主空气预热器（4）烟气侧、烟气尾部预处理（17）相连，另一路与低温省煤器（16）、烟气尾部预处理（17）相连；烟气尾部预处理（17）、烟气冷却器（22）、烟气压缩机（23）、吸收塔（24）烟气侧入口依次串联，吸收塔（24）底部与富液泵（25）、贫富液换热器（26）、再生塔（27）依次串联，再生塔（27）底部与贫液泵（28）、贫富液换热器（26）、贫液-水换热器（29）、贫液冷却器（30）、吸收塔（24）串联，再生塔（27）顶部与1#CO2冷却器（31）、CO2-水换热器（32）、2#CO2冷却器（33）、CO2–水分离器（34）相连，CO2–水分离器（34）底部与再生塔（27）相连，CO2–水分离器（34）顶部与多级压缩单元（36）入口相连，多级压缩单元（36）入口与1#CO2-水换热器（35）、2#CO2-水换热器（37）、3#CO2-水换热器（38）依次串联；再沸器（19）疏水出口分为三路，一路是疏水循环泵（20）与再沸器（19）并联，第二路是第二类吸收式热泵（21）蒸发器和再生器、凝汽器（10）串联，第三路是第二类吸收式热泵（21）与再沸器（19）并联；
所述再沸器（19）出口的疏水分为三路，第一路在脱碳废热利用子系统中经疏水循环泵（20）循环至再沸器（19）入口；第二路疏水首先进入脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵（21）蒸发器和再生器放热，随后打回至凝汽器（10）热井；第三路疏水进入脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵（21）吸收器吸热并形成饱和蒸汽，再与节流阀（18）出口的过热抽汽、疏水循环泵（20）出口的疏水混合后进入再沸器（19）放热；
所述脱碳废热利用子系统的第二类吸收式热泵（21）中，再生器和蒸发器放热水侧入口与1#CO2冷却器（31）、2#CO2-水换热器（37）水侧出口相连，再生器和蒸发器放热水侧出口与1#CO2冷却器（31）、2#CO2-水换热器（37）水侧入口相连；第二类吸收式热泵（21）吸收器产生的高温热能用于蒸发再沸器（19）出口部分疏水形成饱和蒸汽。
2.根据权利要求1所述的一种利用锅炉烟气余热、脱碳废热与吸收式热泵燃煤发电系统，其特征在于：所述贫液-水换热器（29）、CO2-水换热器（32）、1#CO2-水换热器（35）中，水侧出口分别与1号水媒式空气预热器（1）、2号水媒式空气预热器（2）、3号水媒式空气预热器（3）水侧入口相连，分级加热入炉空气，放热后水侧出口分别与贫液-水换热器（29）、CO2-水换热器（32）、1#CO2-水换热器（35）入口相连；空气依次经过三级预热器吸热后，经主空气预热器（4）进入锅炉（5）；旁路烟道内低温省煤器（16）水侧入口与凝结水泵（11）出口相连接，低温省煤器（16）水侧出口与高压加热器组（15）水侧出口相连接，低温省煤器（17）排烟与主空气预热器（4）排烟汇合后进入烟气尾部预处理（17）。
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