CN109899780A - 一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，包括：循环流化床锅炉炉膛、旋风分离器、高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置和回料装置；所述循环流化床锅炉炉膛内的部分固体物料在炉膛中流态化燃烧后随烟气进入所述旋风分离器，经分离后烟气中夹带的高温固体颗粒落入所述高温料斗中，经后续在所述外置换热器和所述电加热装置中的换热后，再经过所述回料装置最终返回所述循环流化床锅炉炉膛，实现锅炉固体物料的往复循环燃烧和反应。本发明为热电机组提供了灵活性，提高了电出力调节能力。

Description

一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统

技术领域

本发明涉及热电联产机组技术领域，具体涉及一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统。

背景技术

在化石燃料资源紧张，新能源蓬勃发展的背景下，在热电联产机组侧增加电加热储热装置是增大新能源消纳空间，同时满足用户的热负荷需求，并提高热电机组的电出力调节能力，在电力辅助服务市场运行机制下为电厂带来更大经济效益的一个重要可行的途径。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统。

具体地，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，包括：循环流化床锅炉炉膛、旋风分离器、高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置和回料装置；

所述循环流化床锅炉炉膛内的部分固体物料在炉膛中流态化燃烧后随烟气进入所述旋风分离器，经分离后烟气中夹带的高温固体颗粒落入所述高温料斗中，经后续在所述外置换热器和所述电加热装置中的换热后，再经过所述回料装置最终返回所述循环流化床锅炉炉膛，实现锅炉固体物料的往复循环燃烧和反应；

所述高温料斗与所述旋风分离器连接，用于储存所述旋风分离器分离出的高温固体颗粒；所述低温料斗与所述外置换热器连接，用于储存冷却后的固体颗粒；所述高温料斗和所述低温料斗处的回料装置将部分固体物料按预设需求输送至所述循环流化床锅炉炉膛，用于调节炉温，剩余物料输送至后续换热装置；

所述电加热装置与所述低温料斗连接，并通过所述回料装置与所述高温料斗连接，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，加热低温固体物料，被加热后的高温物料在高温料斗中储存，再通过回料装置返回到循环流化床锅炉炉膛后用于减少锅炉的耗煤量。

进一步地，所述外置换热器是由多个舱室构成的非燃烧、细粒子鼓泡流化床，内部布置有蒸发、过热或再热受热面，用于冷却高温颗粒。

进一步地，所述回料装置为自动调整型回料阀，能随锅炉负荷变化自动改变回料量。

进一步地，所述电加热装置布置在所述循环流化床锅炉炉膛外部。

进一步地，所述电加热装置为内装加热管型流动床电加热结构，包括电加热管群，电加热管群插入在流动床内，加热床料所需的热量由插入流动床内的电加热管群供给；所述电加热装置在床料流化状态下通过电加热装置中的空气来使床料升温；所述电加热装置设置于与所述低温料斗和与所述高温料斗相连的回料装置之间，被加热后的流化状态的高温床料输送至所述高温料斗储存。

进一步地，所述内装加热管型流动床电加热结构中的电加热管群的传热面积为流动床底部面积的10～15倍。

进一步地，所述电加热装置布置在所述循环流化床锅炉炉膛内部。

进一步地，所述电加热装置为设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁下部的直立式电加热管群组，加热流态化的床料，在炉膛的不同高度上，固体颗粒沿炉膛边壁下落，形成物料的内循环，其中，固体颗粒在下落的过程中受到设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁上的电加热管群的加热作用。

进一步地，所述外置换热器能够将高温物料冷却到500℃左右。

进一步地，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，所述电加热装置加热固体物料，被加热后的固体物料温度为850～950℃，加热后的固体物料返回循环流化床锅炉炉膛时直接参与炉膛燃烧反应。

由上述技术方案可知，本发明提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，相比于传统中小型循环流化床锅炉，本发明增加了高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置以及在高温料斗、低温料斗和电加热装置处的回料装置；锅炉内的部分固体物料在炉膛中流态化燃烧后随烟气进入高温绝热旋风分离器，经分离后烟气中夹带的高温固体颗粒落入高温料斗中，经后续在外置换热器和电加热装置中的换热后，再经过回料装置最终返回炉膛，实现锅炉固体物料的往复循环燃烧和反应。高温料斗与旋风分离器连接，用于储存分离器分离出的高温固体颗粒；低温料斗与外置换热连接，用于储存冷却后的固体颗粒；高温料斗和低温料斗处的回料装置将部分固体物料按需求输送至炉膛，用于调节炉温，剩余物料输送至后续换热装置。所述电加热装置与所述低温料斗连接，并通过所述回料装置与所述高温料斗连接，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，加热低温固体物料，被加热后的高温物料在高温料斗中储存，再通过回料装置返回到循环流化床锅炉炉膛后用于减少锅炉的耗煤量。本发明能够提高热电机组的电出力调节能力，对于背压式供热机组，可以维持热力学第一定律效率为100％，适当降低热力学第二定律效率来有效提升机组的灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的内装加热管型流动床电加热装置的系统示意图；

图3是本发明一实施例提供的加热管群设置在锅炉炉膛中的电加热装置的系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在可再生能源发展迅速，清洁供暖需求迫切的背景下，在热电联产机组侧安装电加热储热系统能够在满足用户的热需求的前提下，提高热电机组的灵活性，为可再生能源提供消纳空间。本发明提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统热力学第一定律效率为100％，虽然一定程度降低了热电联产机组的热功转换效率，但是为热电机组提供了灵活性，提高了电出力调节能力。因此，在北方地区的电力辅助服务市场运行机制下，是有效提升热电联产机组经济效益的一个重要的可行途径。

下面将通过具体实施例对本发明提供的系统进行详细说明。

图1示出了本发明一实施例提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统的结构示意图。如图1所示，本发明一实施例提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，包括：循环流化床锅炉炉膛、旋风分离器、高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置和回料装置；可见，本实施例提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，相比于传统中小型循环流化床锅炉，增加了高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置以及高温料斗、低温料斗和电加热装置处的回料装置。

所述循环流化床锅炉内的固体物料循环，部分固体物料在炉膛中流态化燃烧后随烟气进入高温绝热旋风分离器，经分离后烟气中夹带的高温固体颗粒落入高温料斗中，经后续在外置换热器和电加热装置中的换热后，再经过回料装置最终返回炉膛，实现锅炉固体物料的往复循环燃烧和反应。

所述高温料斗，其进口与所述旋风分离器相连，储存分离器分离出的固体颗粒，颗粒温度约为900℃；料斗外壁布置保温材料；料斗出口与回料装置相连，回料装置按照锅炉炉膛温度调节需求，将一部分高温物料直接输送至炉膛用于调节炉温，剩余物料输送至外置换热器。另外，所述电加热装置布置方案一中的高温料斗还有一个通过回料装置与电加热装置相连的入口，储存来自电加热装置的高温固体物料。

所述的回料装置通有流化风用于输送固体物料，且回料装置是一种自动调整型回料阀，能随锅炉负荷变化自动改变回料量。

所述外置换热器是由多个仓室构成的非燃烧、细粒子鼓泡流化床，内可布置各种受热面，如蒸发、过热或再热受热面，将高温物料冷却到500℃左右。采用所述外置换热器的优点：为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的调节提供良好手段；增加循环流化床锅炉的符合调节范围等。

所述低温料斗进口与所述外置换热器相连，用于储存换热后温度较低的固体物料；料斗外壁布置保温材料；料斗出口与回料装置相连，回料装置按照锅炉炉膛温度调节需求，将一部分高温物料直接输送至炉膛用于调节炉温，剩余物料输送至电加热装置。

所述电加热装置有两种布置方案，可布置在炉膛外部，如图2所示的方案一，也可布置在炉膛内部，如图3所示的方案二。

所述电加热装置布置方案一中的电加热装置为内装加热管型流动床电加热结构，包括电加热管群，电加热管群插入在流动床内，加热固体物料所需的热量由电加热管群供给。电加热装置在固体物料流化状态下通过加热装置中的空气来使物料升温。流动床传热特性优良，温度分布均匀，固体颗粒与热风接触面积大，容易控制固体颗粒物停留时间，处理固体粒子容易。并且，一般可把这种内装热交换管群的传热面积配置成流动床底部面积的10～15倍。优良的传热性能和由这样的加热管群配置带来与床料颗粒接触的效果非常好。所述电加热装置与所述低温料斗连接，并通过所述回料装置与所述高温料斗连接，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，加热低温固体物料，被加热后的高温物料在高温料斗中储存，再通过回料装置返回到循环流化床锅炉炉膛后用于减少锅炉的耗煤量。

所述电加热装置布置方案二中的电加热装置为设置在所述循环流化床锅炉的炉膛边壁下部的直立式电加热管群组。在炉膛的不同高度上，固体颗粒沿炉膛边壁下落，形成物料的内循环，其中，固体颗粒在下落的过程中受到设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁上的电加热管群的加热作用。

需要说明的是，循环流化床锅炉中存在着高速度、高浓度、高通量的固体物料流态化循环过程。锅炉内的固体物料(包括燃料、脱硫剂、残渣、石灰石粉、砂子等)通过物料循环系统，由炉膛、分离器、料斗和回料装置等组成外循环。同时在炉膛内部因壁面效应还存在着内循环。在流化风的作用下，物料随烟气进入高温绝热旋风分离器，经分离器分离后烟气中夹带的固体颗粒落入料斗，经与炉膛相连的回料装置，物料最终返回炉膛，实现锅炉固体物料的往复循环燃烧和反应。在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，加热低温固体物料，被加热后的高温物料返回炉膛后用于减少锅炉的耗煤量。本发明能够提高热电机组的电出力调节能力。针对背压式供热机组，可以在保证热力学第一定律效率为100％的基础上，适当降低热力学第二定律效率有效提升机组灵活性。

由上述技术方案可知，本实施例提供的用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，相比于传统中小型循环流化床锅炉，本发明增加了高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置以及高温料斗、低温料斗和电加热装置处的回料装置；锅炉内的部分固体物料在炉膛中流态化燃烧后随烟气进入高温绝热旋风分离器，经分离后烟气中夹带的固体颗粒落入高温料斗，高温料斗进口与旋风分离器相连，储存分离器分离出的固体颗粒，料斗出口与回料装置相连，回料装置按照锅炉炉膛温度调节需求，将一部分高温物料直接输送至炉膛用于调节炉温，剩余物料输送至外置换热器；另外，电加热装置布置方案一中的高温料斗还有一个通过回料装置与电加热装置相连的入口，储存来自电加热装置的高温固体物料。回料装置通有流化风，用于输送固体物料，且回料装置是一种自动调整型回料阀，能随锅炉负荷变化自动改变回料量。外置换热器是由多个仓室构成的非燃烧、细粒子鼓泡流化床，内可布置各种受热面，将高温物料冷却到500℃左右。低温料斗进口与外置换热器相连，用于储存换热后温度较低的固体物料；料斗出口与回料装置相连，回料装置按照锅炉炉膛温度调节需求，将一部分高温物料直接输送至炉膛用于调节炉温，剩余物料输送至电加热装置。在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到电加热装置中，加热低温固体物料，被加热后的高温物料返回炉膛。可见，在本实施例中，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到电加热装置中，加热固体物料，被加热后的物料温度可达900℃左右，而循环流化床锅炉的炉膛温度一般控制在850～950℃之间，因此加热后的固体物料再通过回料装置返回炉膛时可直接参与炉膛燃烧反应。这样，电加热储热系统的引入可用于减少锅炉的耗煤量以及提高热电机组的电出力调节能力。针对背压式供热机组，可以在保证热力学第一定律效率为100％的基础上，适当降低热力学第二定律效率有效提升机组的灵活性。

基于上述实施例的内容，在一种优选实施方式中，所述高温料斗外壁布置保温材料，用于储存分离器分离出的固体颗粒，颗粒温度约为900℃。所述的回料装置通有流化风，用于输送固体物料，且回料装置是一种自动调整型回料阀，能随锅炉负荷变化自动改变回料量。所述外置换热器是由多个仓室构成的非燃烧、细粒子鼓泡流化床，内可布置各种受热面，将高温物料冷却到500℃左右。

需要说明的是采用外置换热器有以下优点：为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的调节提供良好手段；增加循环流化床锅炉的符合调节范围等。

所述低温料斗外壁布置保温材料，用于储存换热后温度较低的固体物料，物料温度约为500℃。

所述电加热装置有两种布置方案，可布置在炉膛外部，也可以布置在炉膛内部。

需要说明的是，布置在炉膛外部的电加热装置为内装加热管型流动床电加热结构，电加热装置在固体物料流化状态下通过加热装置中的空气来使物料升温。流动床传热特性优良，温度分布均匀，固体颗粒与热风接触面积大，容易控制固体颗粒物停留时间，处理固体粒子容易；电加热装置在固体物料流化状态下通过加热装置中的空气来使物料升温。并且，一般可把这种内装热交换管群的传热面积配置成流动床底部面积的10～15倍。

需要说明的是，布置在炉膛内部的电加热装置为直立式电加热管群组。在炉膛的不同高度上，固体颗粒沿炉膛边壁下落，在下落的过程中受到设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁上的电加热管群的加热作用。

在本实施例中，给出了如图2和图3所示的两种类型的电加热装置。具体地，图2示出了本发明一实施例提供的内装加热管型流动床电加热装置的系统示意图。如图2所示，所述电加热装置为内装加热管型流动床电加热装置，所述电加热装置包括电加热管群，所述电加热管群插入在流动床内，加热床料所需的热量由插入流动床内的电加热管群供给。所述电加热装置设置于与所述低温料斗和与高温料斗相连的回料装置之间，被加热后的流化状态的高温床料输送至高温料斗储存。

图3示出了本发明一实施例提供的加热管群设置在锅炉炉膛中的电加热装置的系统示意图。如图3所示，在炉膛的不同高度上，固体颗粒沿炉膛边壁下落，形成物料的内循环，其中，固体颗粒在下落的过程中受到设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁上的电加热管群的加热作用。

需要说明的是，针对电加热装置两种布置方案，不同的布置方案有不同的运行模式。在流化风的作用下，炉膛中的固体物料流态化燃烧，部分固体颗粒随烟气进入旋风分离器，分离器将高温烟气中的固体颗粒分离至高温料斗，高温气体进入锅炉汽水系统，与过热器、再热器、省煤器等换热器换热；高温固体颗粒温度约900℃，储存在高温料斗中，高温料斗外壁设有保温材料。回料装置通有流化风输送固体物料，且回料装置是一种自动调整型回料阀，能随锅炉负荷变化自动改变回料量。在有调节炉温的需求下，部分高温固体颗粒通过回料装置输送至炉膛，剩余高温固体颗粒进入外置换热器，外置换热器内布置有各种换热面，固体颗粒经换热后温度降至500℃左右。低温固体颗粒输送至低温料斗储存。在有调节炉温的需求下，部分低温固体颗粒通过回料装置输送至炉膛用于调节炉温。

在电负荷低谷期，需要热电机组降低电出力时，电加热装置工作，消耗热电机组的电能。在方案一中，低温料斗中的低温固体颗粒进入电加热装置流化加热，温度升高至900℃左右成为高温固体颗粒，与炉膛燃烧温度相同。经过回料装置，高温固体颗粒进入高温料斗储存。在方案二中，低温固体物料进入炉膛，在炉膛中被电加热管群流化加热。

在热电机组不需降低电出力时，电加热装置关闭。方案一中，高温料斗中储存的固体颗粒进入炉膛，降低热电机组的用煤量或进入外置换热器换热；低温固体颗粒储存在低温料斗中，若有调节炉温的需求，部分低温料斗中的固体颗粒进入炉膛调节炉温。方案二中，电加热管群开关关闭，物料循环后高温料斗中的高温固体颗粒进入炉膛，降低热电机组的用煤量或进入外置换热器换热；低温固体颗粒储存在低温料斗中，若有调节炉温的需求，部分低温料斗中的固体颗粒进入炉膛调节炉温。

在电负荷低谷期，需要电厂降低电出力为新能源腾出消纳空间时，电加热储热系统运行可消耗热电机组的发电量，加热循环流化床锅炉的低温固体物料，使之温度升高到与炉膛的燃烧温度相同，可减少锅炉的用煤量。针对背压式热电联产机组，电加热储热系统的嵌入可使得整个发电系统热力学第一定律效率维持为100％，适当降低热力学第二定律效率来有效提升机组灵活性。

在本发明的描述中，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于热电联产机组的循环流化床锅炉电加热储热系统，其特征在于，包括：循环流化床锅炉炉膛、旋风分离器、高温料斗、外置换热器、低温料斗、电加热装置和回料装置；

所述循环流化床锅炉炉膛内的部分固体物料在炉膛中流态化燃烧后随烟气进入所述旋风分离器，经分离后烟气中夹带的高温固体颗粒落入所述高温料斗中，经后续在所述外置换热器和所述电加热装置中的换热后，再经过所述回料装置最终返回所述循环流化床锅炉炉膛，实现锅炉固体物料的往复循环燃烧和反应；

所述高温料斗与所述旋风分离器连接，用于储存所述旋风分离器分离出的高温固体颗粒；所述低温料斗与所述外置换热器连接，用于储存冷却后的固体颗粒；所述高温料斗和所述低温料斗处的回料装置将部分固体物料按预设需求输送至所述循环流化床锅炉炉膛，用于调节炉温，剩余物料输送至后续换热装置；

所述电加热装置与所述低温料斗连接，并通过所述回料装置与高温料斗连接，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，加热低温固体物料，被加热后的高温物料储存在高温料斗中，通过回料装置返回到循环流化床锅炉炉膛后用于减少锅炉的耗煤量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外置换热器是由多个舱室构成的非燃烧、细粒子鼓泡流化床，内部布置有蒸发、过热或再热受热面，用于冷却高温颗粒。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回料装置为自动调整型回料阀，能随锅炉负荷变化自动改变回料量。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电加热装置布置在所述循环流化床锅炉炉膛外部。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电加热装置为内装加热管型流动床电加热结构，包括电加热管群，电加热管群插入在流动床内，加热床料所需的热量由插入流动床内的电加热管群供给；所述电加热装置在床料流化状态下通过电加热装置中的空气来使床料升温；所述电加热装置设置于与所述低温料斗和与所述高温料斗相连的回料装置之间，被加热后的流化状态的高温床料输送至所述高温料斗储存。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述内装加热管型流动床电加热结构中的电加热管群的传热面积为流动床底部面积的10～15倍。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电加热装置布置在所述循环流化床锅炉炉膛内部。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电加热装置为设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁下部的直立式电加热管群组，加热流态化的床料，在炉膛的不同高度上，固体颗粒沿炉膛边壁下落，形成物料的内循环，其中，固体颗粒在下落的过程中受到设置在所述循环流化床锅炉炉膛边壁上的电加热管群的加热作用。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述外置换热器能够将高温物料冷却到500℃左右。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在电负荷低谷时段，热电联产机组所发的电传输到所述电加热装置中，所述电加热装置加热固体物料，被加热后的固体物料温度为850～950℃，加热后的固体物料返回循环流化床锅炉炉膛时直接参与炉膛燃烧反应。