CN109099503A - 可变出力,多燃料,低排放,高效率的模块式热力系统 - Google Patents

可变出力,多燃料,低排放,高效率的模块式热力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统的建造。若干个使用如煤、秸秆捆、生活垃圾等其它燃料的燃烧模块产生的烟气通过汇集式后燃器继续实现清洁化充分燃烧。各燃烧模块方便开启与关闭调整热出力，从而更准确满足热力系统的热能需求变化。同时通过设置独立的、全部换热面积始终得到应用的换热器可以实现燃料的节约和经济效益的提高。

Description

可变出力，多燃料，低排放，高效率的模块式热力系统
技术领域
本发明涉及一种可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统的建造。
背景技术
在气候较冷的国家或地区，建筑物供暖一般占其总能源消耗的比例最高，因此改善建筑物供暖是非常必要和重要的。由于建筑内温度与外界温度存在关联关系，所以建筑物本身所需热能量也是有很大差异的。而满足建筑物供暖的锅炉一般则是为满足特定温度条件而设计，热能则是由这些根据特定需求设计的锅炉来供给的，这些锅炉的燃烧系统只有在达到最低设计负荷时才能保证燃料的清洁燃烧过程。
对于像天然气这样的优质燃料，即便其燃烧功率仅达到设计功率的20％也可以保证清洁排放，对优质燃煤这个数字则可能是60％，对于秸秆和褐煤则这个比例值就会要求更高。大型热力系统一般都会设计有几台锅炉，理论上这些锅炉可以通过开停运行数量来满足热出力变化并实现清洁排放，但现实中由于开停这些锅炉往往会滞后于热能需求变化并且耗时较长，所以实际结果往往是排放不达标和造成燃料的浪费。
CN 206207455 U(2017.05.31)说明书中提到了一种煤粉燃烧装置，装置由几个叠加的椎体燃烧单元组成，每个单元可通过独立关停而适应不同功率变化的要求。该装置只有以精细粉状优质燃煤为燃料才能实现以上目标，对于垃圾、秸秆捆或无法粉碎的木头等则该系统无法有效解决问题。
发明内容
本发明的目的是用一个热力系统可以混合燃烧包括秸秆和垃圾在内的各种不同燃料，满足从设计功率8％到100％的不同燃烧状态并实现清洁排放和更高热效率。
本发明是把传统锅炉的燃烧系统和换热系统一体化结构设计成分别独立的燃烧和换热系统。燃烧系统设计成由若干个燃烧模块组成，所有燃烧模块共用换热系统来产生热风、热水或蒸汽。
这些燃烧模块被独立设置，可以充分燃烧不同种类的燃料，这些独立的燃烧模块可以方便、及时的根据热力需求变化而开停。
对于一般小型燃烧装置，由于无法保证燃料充分的燃烧时间和足够的燃烧温度，往往会导致系统燃烧排放物状态的恶化。
本发明解决以上问题的方式是采用模块式燃烧结构，每个燃烧模块含有至少两个燃烧单元，各燃烧单元产生的烟气进入汇集式后燃烧系统混合后继续燃烧。
每个燃烧单元可以根据热力系统出力需求变化而随时开停。需要减少热出力时可关停一个或若干个燃烧单元，另外的燃烧单元则继续运行并保持汇集式后燃烧系统始终在一定温度下继续燃烧，这样可以保持排出气体始终都能达到排放标准。
这样的开停不会影响燃烧系统的清洁排放，同样来自各燃烧单元非优质燃料的烟气或未充分燃烧烟气最终也不会影响整个燃烧系统的排放指标。
本发明也可以使燃烧单元处于阴燃的伺服状态而不必完全关停，处于伺服状态燃烧单元的烟气可以与来自正常燃烧单元的烟气混合并在后燃烧系统充分燃烧和保证清洁排放。
本发明也可以通过改变燃烧单元燃料投放数量满足热力系统出力需求变化要求，每个燃烧模块烟气的充分燃烧和清洁排放不受每个燃烧单元使用的燃料不同的影响。
因为不需要完全开停燃烧单元的燃烧过程，这样可以简化控制过程和减轻人员劳动强度。
由于秸秆的燃烧特性，其燃烧过程会形成长火焰和需要特别长的燃烧时间，所以秸秆更适于高温度下的后燃烧过程，其烟气中的未燃烧成分经过充分燃烧释放出热辐射和光，而这个过程又会与煤烟气等的充分燃烧相辅相成。
本发明独立燃烧单元与汇集式后燃烧系统的结构布置特别适合于燃烧性能不好的燃料，比如褐煤燃烧时易产生较高煤烟和CO排放物，利用本发明则可将来自2个以上不同燃烧单元产生的秸秆烟气与褐煤烟气在汇集式后燃系统中混合燃烧，这样可有效解决褐煤等非优质燃料的充分燃烧和清洁排放问题。
利用本发明还可以以生活垃圾做为燃料。尽管城市垃圾等热值较低的燃料在燃烧时易产生二噁英等有害排放物，但本发明的汇集式后燃烧系统通过将生活垃圾等低热值燃料产生的烟气和优质燃料烟气以适宜的时间和温度继续充分燃烧，从而最大限度降低二噁英等有害物排放并提高了排放的安全性。
这种方法还可解决本发明以生物来源工业废料或某些化学工业废料用做燃料的燃烧问题。
热力系统一般只有在能量需求最大时(如冬季最冷天气时取暖)才满负荷运行，大多数时间只需部分负荷运行。本发明即便关闭部分燃烧模块或燃烧单元，仅保持一定比例运行负荷，独立换热模块(即不包含燃烧系统的换热器)都会始终处于全面运行状态从而降低系统平均排烟温度，这样可以减少燃料消耗量。但即便是仅有少量热负荷运行，系统排烟温度低到100度，或者再低也就是接近于热力系统冷凝器的温度，这样不会带来锈蚀风险而影响系统寿命。而传统的、由若干个锅炉(燃烧系统和换热系统一体化)组成的热力系统在仅保持部分负荷运行时，则因其无法降低排烟温度而使得热损耗会高于本发明的模块式热力系统。
得益于平均非常低的排烟温度，本发明整个热力系统的热效率非常高，有利于燃料消耗量的管理。即便系统处于阴燃状态也不会有有害气体随废气排放和或者发生能源浪费问题。
因为排烟温度通常非常低，因此还可将排出烟气用来冷却进入冷凝器的水或空气。
冷凝热是一种额外的热增益，对于以水分含量较高的秸秆为燃料的燃烧系统尤其如此，因为秸秆燃烧过程中相当量的水蒸发。此外冷凝过程也有助于粉尘分离。
本发明将热力系统分成若干个较小的功能模块，将换热系统分成若干个对流换热模块。同时本发明采用与燃烧系统分离的热交换模块，热交换模块由若干各可分离的热交换单元连接在一起。
本发明热力系统的其它部分如上料系统、捆燃式气化系统、煤燃烧系统和汇集式旋风后燃系统等也都采用模块式结构，这些模块都可以在安装现场通过起重机等组装连接。
这种可移动、可扩展、标准化、模块式结构易于根据每个应用场景的个性化需求，低成本和高效的完成生产和制造。
本发明尤其还适用于在提高烟气排放标准的同时，各种品相的煤在热力系统的进一步应用。
附图说明
图1是本发明模块式结构热力系统最重要组成部分的俯视图。
图中：1-换热器模块，2-换热器单元，3-秸秆捆上料系统，4-整捆式气化系统，5-煤燃烧系统，6-垃圾燃烧模块，7-鼓式旋转燃烧室，8-第一级汇集式旋风后燃器，9-第二级汇集式旋风后燃器，10-热风管路，11-废气管路，12-引风机，13-废气管路，14-废气处理系统，15-引风机，16-烟囱，17-厂房，18-热风流量控制装置。
具体实施方式
位于中心位置的不带燃烧系统的是换热器模块(1)，模块由五个相同的换热器单元(2)组成，每个换热单元可吸收交换15MW的热力，共计75MW。
我们可以看到图中有五个捆燃式气化-燃烧模块，每个模块的热功率为9.4MW，每个模块有独立秸秆捆上料系统(3)和整捆式气化系统(4)。图中系统还有两个煤燃烧系统(5)、一个由垃圾燃烧模块(6)和鼓式旋转燃烧室(7)组成的垃圾燃烧模块。
系统将燃烧模块(4、5、7)的烟气分别导入第一级汇集式旋风后燃器(8)燃烧后再导入第二级汇集式旋风后燃器(9)，充分燃烧后经热风管路(10)进入换热器单元(2)。经废气管路(11)和引风机(12)进入废气管路(13)在进入废气处理系统(14)，处理后经烟囱(16)排出。
系统各模块主要部分设在厂房(17)内。秸秆捆上料系统(3)等其它部分设在厂房(17)外，燃烧剩余物等也被放置在厂房(17)外并可用车辆装载。
两个燃烧模块(4、5、7)的烟气被导入第一级汇集式旋风后燃器(8)。如果关掉第一级汇集式旋风后燃器(8)连接的两个燃烧模块(4、5、7)中的一个，由于该第一级汇集式旋风后燃器(8)内仍保持一定温度，这样就可以随时启动另外一个已经被关闭的燃烧模块(4、5、7)的燃烧过程。同时系统在关闭一个燃烧模块(4、5、7)的情况下，该第一级汇集式旋风后燃器 (8)虽出力减少50％但并未影响烟气的充分燃烧，所以也不会影响烟气排放物标准。
如图所示，每个第二级汇集式旋风后燃器(9)连接两个第一级汇集式旋风后燃器(8)，即便任意一个第一级汇集式旋风后燃器(8)连结的两个燃烧模块(4，5，7)同时停止运行，该第二级汇集式旋风后燃器(9)仍处于运行状态并保持一定温度，这样也很容易重新启动停止运行的燃烧模块(4，5，7)而不会导致整个系统排放物无法达标。如此通过调控，本发明则可便利实现调整整个系统出力到25％和12.5％，理论上我们还可以仅保持一个燃烧模块(4，5，7)把系统出力降低到8％。
实际操作中即便是第二级汇集式旋风后燃器(9)保持运行和一定温度，但如果要重新启动停止运行的燃烧模块(4，5，7)时，首先要把共用一个第一级汇集式旋风后燃器(8)、仍然处于运行状态的燃烧模块(4，5，7)调整为最大出力，然后再去启动另外停止运行的燃烧模块(4，5，7)。以此类推，就能比较轻松的重启停止运行的燃烧模块(4，5，7)。
整个热力系统的热出力通过在不同燃烧模块(4，5，7)间准确、合理配置运行数量即可实现较高的可变能力，从而可实现较好的投资收益、较高的热效率和较低的运行成本。
所有燃烧模块(4，5，7)都可以通过热风流量控制装置(18)实现热力的增减、开启和关停，该热风流量控制装置(18)可以是手动、机动或自动的。
热力系统运行损耗最大的是燃烧系统。对于传统电厂，如果燃烧系统(锅炉)停止运行往往就意味着整个电厂必须停机维修或维护。本发明由于采用模块式结构，热力系统可以把燃烧总出力设计的比实际需求高一些，这样即使某一燃烧模块(4，5，7)停机检修或维护，其它燃烧模块(4，5，7)乃至整个电厂仍可以保持不停机正常运行，这将提高电厂的年运行小时数和盈利能力。
本发明模块式结构还可以使所谓的低热值燃料和劣质燃料通过第一级集合旋风后燃器(8) 与优质燃料实现混烧，并且不影响整个热力系统的排放和出力表现，这也使得我们可以重新评价秸秆等燃料的内在价值。本发明系统鼓式旋转燃烧室(7)就是以生活垃圾为燃料，但仍可以保证整个系统的热出力和排放性能不受燃料种类的影响。
本发明使得大型热力系统的制造与安装可以实现模块化和集成化，从而节省制造与安装的时间和成本。同时还可以做到热出力可随时、方便的根据需要变化，更多使用所谓“非优质”燃料从而降低运行成本。改善系统排放性能，实现热力生产的环境友好。
总之本发明可以带来较好的包括经济效益在内的综合效益。

Claims (7)

1.可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统采用模块式结构，可以调整热出力和提高燃料效率，系统中也包含必需的水处理装置、泵和管道、风机、净化装置、烟囱等；其特征在于，在换热器模块(1)以外配置若干个分离的燃烧模块(4，5，7)。
2.根据权利要求1所述的可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统，其特征在于，燃烧模块(4、5、7)的烟气经过汇集式旋风后燃器(8，9)完全燃烧后进入换热器模块(1)。
3.根据权利要求1所述的可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统，其特征在于，所有燃烧模块(4，5，7)，包括秸秆捆上料系统(3)，整捆式气化系统(4)、煤燃烧模块(5)和垃圾燃烧模块(6，7)、换热器模块(1)和换热器单元(2)等都可以在工厂独立制造并直接运输至热力系统所在地组合装配。
4.根据权利要求1所述的可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统，其特征在于，在一个第一级汇集式旋风后燃器(8)上连接至少两个燃烧模块(4，5，7)。
5.根据权利要求1所述的可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统，其特征在于，第一级汇集式旋风后燃器(8)后配置第二级汇集式旋风后燃器(9)。
6.根据权利要求3所述的可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统，其特征在于，在汇集式旋风后燃器(8，9)上连接若干个使用不同燃料的燃烧模块(4，5，7)。
7.根据权利要求3所述的可变出力，多燃料，低排放、高效率的模块式热力系统，其特征在于，燃烧模块(4，5，7)中设置热风流量控制装置(18)。
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