CN110374703B - 一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用生物质作为燃料的热电联产系统，特别是一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，包括有汽水系统和生物质燃料系统，其要点在于，还包括有农业生产厂房、蒸汽联箱、制冷机和热交换器，汽水系统及生物质燃料系统均就近建设于农业生产厂房；农业生产厂房的生物质废料输送通道与生物质燃料系统连接，生物质燃料系统的输出端与生物质锅炉连接，生物质锅炉的蒸汽输出端与汽轮机连接，汽轮机的蒸汽输出通道分别经由蒸汽联箱、制冷机和热交换器连接到农业生产厂房。本发明要点在于：形成完整的生物质燃料系统，提供了完整的汽水循环，从而减少运输距离、降低运输成本、无需设置堆料场、有效形成循环效应。

Description

一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统

技术领域

本发明涉及一种采用生物质作为燃料的热电联产系统，特别是一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统。

背景技术

热电联产是建立在能量梯级利用的基础上，集成了供热、发电能量供应形式的系统。实施热电联产可以提高能源利用率，节约能源，减少环境污染。当前，利用生物质发电仅占很小的比重。如果生物质能仅用于发电，则热能利用效率大概在30%～40%；如果实现生物质的热电联产，则生物质能的利用效率可以达到80%以上。根据国家能源局发布的《生物质能发展“十三五”规划》，预计到2020年，我国生物质能年利用量大约5800万吨标准煤的当量，用生物质作为燃料发电的装机总容量达1500万千瓦，生物质年发电量大约900亿千瓦时。然而在实际应用过程中，实现生物质的热电联产还存在许多问题，主要体现在：

1）生物质燃料的热值通常低于标准煤，在获得相同锅炉能量的情况下，生物质锅炉要比普通燃煤锅炉的容量大，因此生物质热电联产的投资成本比普通燃煤热电联产高；

2）生物质燃料收集范围大，导致生物质燃料的运输成本大，并且生物质燃料往往具有季节性因素，冬季生物质燃料收集比其他季节更为困难，增加了热电联产的风险；

3）为了克服生物质燃料的季节性因素，一般需要设置大面积的堆料场储存一定量的生物质燃料，这会导致场地的浪费以及设备设施资金的投入。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种减少运输距离、降低运输成本、无需设置堆料场、有效形成循环效应的基于生物质燃料的背压式热电联产系统。

本发明所述技术目的是通过以下途径来实现的：

一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，包括有汽水系统和生物质燃料系统，汽水系统包括生物质锅炉、相互连接的背压式汽轮机和发电机以及与生物质锅炉连接的除氧给水装置，生物质燃料系统用于转化生物质，其要点在于，还包括有农业生产厂房、蒸汽联箱、制冷机和热交换器，汽水系统及生物质燃料系统均就近建设于农业生产厂房；农业生产厂房的生物质废料输送通道与生物质燃料系统连接，生物质燃料系统的输出端与生物质锅炉连接，生物质锅炉的蒸汽输出端与汽轮机连接，汽轮机的蒸汽输出通道分别经由蒸汽联箱、制冷机和热交换器连接到农业生产厂房；

农业生产厂房因生产产生的生物质废料通过输送通道传送到生物质燃料系统进行转化处理；生物质燃料系统将生物质废料转化成适合锅炉的燃料并直接送入生物质锅炉中；生物质锅炉加热给水后产生高温高压蒸汽供给汽轮机膨胀做功以发电，汽轮机经膨胀做功后的蒸汽分别进入供热蒸汽联箱、制冷机、热交换器和除氧给水装置，供热蒸汽联箱对不同机组的相同参数等级的蒸汽进行汇集，然后通过蒸汽管道连接至农业生产厂房；制冷机以蒸汽为热源，生成冷水后通过水管道进入农业生产厂房；热交换器通过蒸汽加热水，得到一定温度的热水，经过水管道将热水供给农业生产厂房；除氧给水装置以蒸汽作为热源与补水进行热交换进行除氧，将补水加热至除氧器运行压力下的饱和温度，用于生物质锅炉的给水需求。

由此，汽水系统和生物质燃料系统结合就近的农业生产厂房形成了完整的生物质燃料系统，提供了完整循环的汽水系统，达到了如下技术效果：

1）生物质燃料直接由生产厂房进入转化，并直达锅炉，减少了生物质燃料的运输距离，降低了生物质燃料的运输成本；

2）生物质废料随产生随消纳，不再设置大面积的生物质堆料场，节约了场地费用以及相关设备设施的费用；

3）生物质废料用于本发明所述热电联产系统，既能保证生产用热，又可以发电，而产品生产过程中又不断产生生物质废料，以生物质废料作为燃料提供热能，有效形成循环效应。

本发明可以进一步具体为：

生物质燃料系统包括依序串联布置的生物质破碎机，生物质干燥机，生物质筛选机，生物质研磨机，其中生物质破碎机的入口端连接农业生产厂房的生物质废料输送通道；生物质研磨机的输出端口连接生物质锅炉。

生物质破碎机将生物质废料预先经过破碎处理，送入生物质干燥机。生物质干燥机将破碎处理后的生物质经过干燥、脱水，然后送入生物质筛选机。生物质筛选机将干燥、脱水处理后的生物质筛选出合适的形状及大小，送入生物质研磨机。生物质研磨机将生物质研磨成锅炉允许的颗粒大小，并送入锅炉进行燃烧反应。这样的转化能够有效提高生物质燃料的燃烧效率。生物质燃料系统对产生的生物质废料进行即时处理和转化，因为直接连接生产厂房和锅炉，因此需要流水式处理转化，且确保能够符合整个系统运转的要求。

所述生物质锅炉为生物质直燃锅炉，具有多台生物质直燃锅炉通过母管制并联连接。

并联多台生物质锅炉可以通过设置备用锅炉来确保生产用汽的供应。

综上所述，本发明提供了一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，其集成了汽水系统和生物质燃料系统以及就近的农业生产厂房，构建完整的生物质燃料系统，提供了完整循环的汽水系统，减少了生物质燃料的运输距离，降低了生物质燃料的运输成本；无需设置堆料场，节约了相关成本；整个系统既能保证生产用热，又可以发电，而产品生产过程中又不断产生生物质废料，有效形成循环效应，大大提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明所述基于生物质燃料的背压式热电联产系统的系统结构示意图。

图2为本发明所述农业生产厂房的效能结构示意图。

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

参照附图1和附图2，一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，包括有汽水系统、生物质燃料系统和农业生产厂房；其中汽水系统包括生物质锅炉1、相互连接的背压式汽轮机2和发电机3以及与生物质锅炉1连接的除氧给水装置（包括除氧器7和给水泵8）。生物质燃料系统用于转化生物质，由生物质破碎机9、生物质干燥机10、生物质筛选机11、生物质研磨机12依序串联布置组合而成。汽水系统及生物质燃料系统均就近建设于农业生产厂房；农业生产厂房的生物质废料输送通道与生物质燃料系统中的生物质破碎机9连接，生物质燃料系统中的生物质研磨机12的输出端与生物质锅炉1连接，生物质锅炉1的蒸汽输出端与汽轮机2连接，汽轮机2的蒸汽输出通道分别经由蒸汽联箱4、溴化锂制冷机5和热交换器6连接到农业生产厂房。

农业生产厂房生产过程产生的生物质废料首先通过皮带运送至生物质破碎机9，生物质破碎机9将大尺寸的生物质进行预先破碎处理。破碎后的生物质经过皮带传输，将破碎后的生物质送入生物质干燥机10，使得生物质中大部分的水分被蒸干，生物质的体积进一步缩小。干燥处理后的生物质通过皮带运输至生物质筛选机11，筛选出合适大小和形状的生物质颗粒，再用皮带传输至生物质研磨机12，进一步将生物质颗粒研磨成生物质锅炉允许的大小，最后通过栈桥运送至生物质锅炉进行燃烧反应。

生物质锅炉1为生物质直燃锅炉，可以采用母管制的布置方式并联布置若干台锅炉。生物质燃料在锅炉内燃料并加热锅炉给水，产生高温高压或以上温度压力参数等级的蒸汽。蒸汽通过母管制的蒸汽管道分别进入若干台背压式汽轮机组，推动汽轮机叶片转动，并带动发电机发电，实现热能向电能的转化。经过膨胀做功后的较低参数等级的蒸汽从背压机中段抽出或者从背压机出口排出，按照一定的比例由蒸汽管道分别进入供热蒸汽联箱4、溴化锂制冷机5、热交换器6和除氧器7。

供热蒸汽联箱4对不同机组的相同参数等级的蒸汽进行汇集，然后通过蒸汽管道连接至农业生产厂房。溴化锂制冷机5以蒸汽为热源，生成冷水后通过水管道进入农业生产厂房。热交换器6通过蒸汽加热水，得到一定温度的热水，经过水管道将热水供给农业生产厂房。所述的热水或冷水直接喷淋至农业生产厂房内，均用于农业生产厂房保温，可以根据对温度的需求来选择供应热水或者冷水。除氧器7以蒸汽作为热源与补水进行热交换进行除氧，将补水加热至除氧器运行压力下的饱和温度。给水泵8可以布置若干台，用于保证生物质锅炉的给水需求。给水泵可以采用母管制的管道连接方式连接除氧器和生物质锅炉。除氧器的给水通过给水泵升压后进入锅炉加热。这样，就形成了完整的汽水系统。农业生产厂房的位置尽可能靠近汽水系统，接收汽水系统提供的蒸汽、冷水和热水作为生产所需的热、冷源。

以下通过实际应用的数据对本发明做进一步阐述：

生物质锅炉采用三台锅炉并排布置，每台生物质锅炉的出口蒸汽温度均为540℃，出口蒸汽压力均为13.8MPa，锅炉容量均为150t/h。根据GB 50049-2011 《小型火力发电厂设计规范》要求，热电厂当1台容量最大的锅炉停用时，其余锅炉处理应满足热用户连续生产所需的生产用汽量。因此正常工况下三台生物质锅炉其中两台生物质锅炉运行，一台生物质锅炉作为备用锅炉。三台生物质锅炉采用母管制并联两台背压式汽轮机，每台汽轮机的额定进汽压力为12.8MPa，额定进汽温度为535℃。每台背压式汽轮机连接一台发电机，蒸汽通过背压式汽轮机做功后推动汽轮机叶片转动做功，接着带动发电机发电。其中背压式汽轮机采用高效率的汽轮机，效率可达75%～85%，每台发电机的转速可达3000rpm，发电功率为19.7MW。汽轮机出口蒸汽温度为200℃，压力为1.0MPa，通过与每台汽轮机出口相连的管道分别进入蒸汽联箱、溴化锂制冷机、热交换器、除氧器。蒸汽联箱出口和农业生产厂房之间通过蒸汽管道连接，到达农业生产厂房的蒸汽温度>180℃，压力>0.9MPa，并保证蒸汽为过热蒸汽。溴化锂制冷机与农业生产厂房之间通过水管道连接，蒸汽通入溴化锂制冷机后可以形成5～8℃的冷水。热交换器与农业生产厂房直接通过水管连接，蒸汽进入热交换器内经过换热作用可以形成50～60℃的热水。环境温度高的时候向农业生产厂房内喷淋冷水降温，环境温度低的时候向农业生产厂房内喷淋热水升温，最终控制厂房温度在22～25℃。蒸汽进入除氧器，并将除氧器水箱里的水加热至除氧器工作压力对应的饱和温度，饱和水由3台母管制连接的给水泵抽出（其中一台给水泵备用），并进入生物质锅炉加热。

本实例所述农业生产厂房用于生产食用菌，生物质原料主要用到木屑、棉籽壳等原材料，分装后用热电厂提供的蒸汽进行杀菌消毒，冷却后形成无菌的培养基。接着对培养基进行接种，使食用菌在恒温的厂房内生产。成熟的食用菌进行采摘并使用热电厂提供的蒸汽进行烘干处理，采摘后的培养基作为生物质废料。这样形成了完整的生产周期，产品的生产周期为40天，一个周期内可以产生大约3万吨生物质废料，年产生的生物质废料约为27万吨。所产生的生物质废料热值约为4000kcal/kg。生物质废料产生后不断通过皮带转运至生物质干燥机，进行脱水处理。经脱水处理的生物质经过皮带运输至生物质筛选机，筛选出合适大小和形状的生物质颗粒并通过皮带运输至生物质研磨机，将生物质颗粒研磨至锅炉燃烧允许的大小。最后经过栈桥运输至生物质锅炉进行燃烧反应。经测算，生物质锅炉每年消耗的生物质燃料量大约为26.1万吨，产生的生物质废料大部分可以被热电联产利用，并可以保证对农业生产厂房供热的安全性。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (3)

1.一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，包括有汽水系统和生物质燃料系统，汽水系统包括生物质锅炉、相互连接的背压式汽轮机和发电机以及与生物质锅炉连接的除氧给水装置，生物质燃料系统用于转化生物质，其特征在于，还包括有农业生产厂房、蒸汽联箱、制冷机和热交换器，汽水系统及生物质燃料系统均就近建设于农业生产厂房；农业生产厂房的生物质废料输送通道与生物质燃料系统连接，生物质燃料系统的输出端与生物质锅炉连接，生物质锅炉的蒸汽输出端与汽轮机连接，汽轮机的蒸汽输出通道分别经由蒸汽联箱、制冷机和热交换器连接到农业生产厂房；

农业生产厂房因生产产生的生物质废料通过输送通道传送到生物质燃料系统进行转化处理；生物质燃料系统将生物质废料转化成适合锅炉的燃料并直接送入生物质锅炉中；生物质锅炉加热给水后产生高温高压蒸汽供给汽轮机膨胀做功以发电，汽轮机经膨胀做功后的蒸汽分别进入供热蒸汽联箱、制冷机、热交换器和除氧给水装置，供热蒸汽联箱对不同机组的相同参数等级的蒸汽进行汇集，然后通过蒸汽管道连接至农业生产厂房；制冷机以蒸汽为热源，生成冷水后通过水管道进入农业生产厂房；热交换器通过蒸汽加热水，得到一定温度的热水，经过水管道将热水供给农业生产厂房；除氧给水装置以蒸汽作为热源与补水进行热交换进行除氧，将补水加热至除氧器运行压力下的饱和温度，用于生物质锅炉的给水需求。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，其特征在于，生物质燃料系统包括依序串联布置的生物质破碎机，生物质干燥机，生物质筛选机，生物质研磨机，其中生物质破碎机的入口端连接农业生产厂房的生物质废料输送通道；生物质研磨机的输出端口连接生物质锅炉。

3.根据权利要求1所述的一种基于生物质燃料的背压式热电联产系统，其特征在于，所述生物质锅炉为生物质直燃锅炉，具有多台生物质直燃锅炉通过母管制并联连接。