CN112503497A - 基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，本发明降低了轻型燃机和生物质直燃炉排型锅炉的NOX排放量；生物质直燃炉排型锅炉内最高燃烧温度低于950℃，从根本上解决了结渣问题；轻型燃机排烟中的热量和氧气得到合理应用，锅炉输入热量大幅增加，系统发电效率明显提高；提高了可再生能源的发电量，化石能源的消耗和碳排放量也随之降低。本发明达到高效、节能、减排的效果，符合目前国家发展低碳经济的产业政策，有助于实现我国新的二氧化碳达峰目标与碳中和愿景。
Description
技术领域
本发明属于天然气与生物质两种燃料综合利用的技术领域，尤其是涉及轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的热力系统。
背景技术
天然气属于较为清洁的化石能源，通常作为燃气轮机或内燃机的驱动燃料。生物质是自然界中储量最大、范围最广、能源型式最稳定的可再生能源。在当前二氧化碳排放日益严格的背景下，生物质燃料以其“碳中性”的特点将成为我国能源结构改革中重要组成部分。生物质利用的技术路线较多，包括直接燃烧、固态气化、与化石能源掺烧、发酵制沼气、压块制成型燃料等，其中直接燃烧发电的成本最低，热效率虽然低于40％，但在生物质利用技术方案中已达到较高水平，热力系统也相对简单。通常采用的直燃锅炉型式有生物质直燃炉排型锅炉和循环流化床锅炉，生物质直燃炉排型锅炉的燃烧温度高、灰熔点低、热力型NOX生成量偏高，近年来国内生物质电厂更倾向于选择循环流化床锅炉，但循环流化床锅炉的热效率普遍较低，生物质灰掺杂了循环床料无法回收利用，而且对燃料颗粒度要求较高，需要对生物质散料进行破碎压块，导致燃料成本大幅提高，电厂严重依赖电价补贴来维持运营，市场竞争力较差。
基于生物质直燃炉排型锅炉存在的问题，行业内已经研究出多种生物质与传统能源的耦合热力系统，以提高生物质燃料的利用，目前做法一般有以下5种：
1、生物质散料或成型颗粒与燃煤混合后，直接投入燃煤锅炉燃烧
其存在的主要问题：
1)生物质灰熔点低，大型燃煤锅炉的炉温通常高于1600℃，因此存在炉内灰渣熔融后在炉内结渣的问题；
2)生物质燃料的特性与燃煤存在较大不同，磨损指数较低、水分波动大、热值低，原有的燃煤锅炉需要改造上料系统、磨煤系统、配风系统；
3)生物质掺烧比例低，以往工程经验生物质的掺烧比例上限是20～30％，否则会影响锅炉的燃烧效果；
4)生物质燃料的碱金属含量较高，排烟中的碱金属化合物极易导致燃煤锅炉的SCR脱硝催化剂中毒，进而缩短催化剂寿命；
5)生物质发电量无法计量，生物质发电无补贴。
2、生物质锅炉烟气与燃煤锅炉的烟气混合处理
其存在的主要问题：
1)生物质锅炉的建设需要尽量靠近燃煤锅炉，以减少烟道的距离，对于单独建设的生物质电厂来说并不适用；
2)生物质排烟中的碱金属化合物极易导致燃煤锅炉的SCR脱硝催化剂中毒，进而缩短催化剂寿命。
3)生物质发电量无法计量，生物质发电无补贴。
3、生物质经气化炉气化后，投入燃煤锅炉燃烧
其存在的主要问题：
1)气化炉的连续运行时间短，生物质气化系统复杂，气化成本较高；
2)生物质气化副产品焦油不易处理；
3)气化气回喷至燃煤锅炉燃烧，燃烧器区域局部易超温，导致炉内结渣；
4)生物质气化后燃烧的效率远低于生物质燃料直接燃烧。
4、生物质经气化炉气化后，燃气与天然气混合进入燃气轮机燃烧
其存在的主要问题：
1)气化炉的连续运行时间短，生物质气化系统复杂，气化成本较高；
2)生物质气化副产品焦油不易处理；
3)气化气热值低，成本高于天然气，且杂质含量高需要过滤净化处理；
4)气化气需加压处理，对于大型燃机电厂来说天然气压力较高，加压成本也相应较高；
5)气化炉规模通常较小，其气量对于大型燃机电厂来说比例过低，适合小型燃机，但小型燃机一般只在分布式能源及备用电源方面得到应用，其核心要求就是系统简单和输出稳定，气化炉不适用于此场景。
5、燃气联合循环机组的余热锅炉内投入生物质燃料补燃
1)燃气轮机排烟含氧量低，补燃的生物质燃料量较少；
2)生物质燃料燃烧不充分，不完全燃烧易造成二次污染；
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是解决传统生物质直燃炉排型锅炉燃烧温度高、灰熔点低、热力型NOX生成量偏高的问题，减小生物质锅炉系统的厂用电负荷，优化汽水系统，降低发电热耗，提高机组的发电效率和发电功率，进而促进生物质能源的消耗，提高“绿电”在我国电力供应系统中的比例。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：轻型燃机排出的高温烟气作为生物质直燃炉排型锅炉的热一次风，并通过一次风机提供的冷风调节后进入锅炉热一次风进风口，调节入炉风温；调整二次风与轻型燃机排出的高温烟气的比例后进入锅炉二次风进风口，控用于制生物质直燃炉排型锅炉的燃烧温度和过量空气系数，使轻型燃机排烟中的NOX与生物质直燃炉排型锅炉燃烧产生的NOX通过炉内SNCR脱硝系统一并脱除。
优选地，生物质直燃炉排型锅炉的热一次风进风口开设在炉排下部。
优选地，生物质直燃炉排型锅炉的二次风进风口开设在炉膛前后墙的中上部。
优选地，生物质直燃炉排型锅炉的进料口开设在炉体中下部，位于炉排斜上方。
优选地，生物质直燃炉排型锅炉内的空气预热器与烟气-凝结水换热器并联设置，用于系统正常运行空气预热器停运时，通过锅炉内省煤器出口的中温烟气加热凝结水，减少汽轮机抽汽量。
优选地，轻型燃机系统和生物质直燃炉排型锅炉系统各自单独配置发电机，以便于计量生物质发电量。
本发明的有益效果是：
1、充分利用了轻型燃机排烟中的热量和氧量，拓展了轻型燃机的应用场景；
2、解决了轻型燃机排烟中NOX超标的问题——燃机排烟中过量的NOX在生物质直燃炉排型锅炉上部的SNCR脱硝系统中脱除；
3、解决了生物质直燃炉排型锅炉排烟中NOX超标的问题——低含氧量烟气可调节生物质直燃炉排型锅炉内温度场，控制炉内燃烧温度，减少热力型NOX生成；
4、生物质直燃炉排型锅炉的输入热量大幅提高，锅炉蒸发量和蒸汽参数都有明显提升，进而提高汽轮发电机组的发电功率和效率；
5、利用省煤器出口的中温烟气加热凝结水，减少汽轮机抽汽，降低机组热耗；
6、生物质直燃炉排型锅炉的一次风温大幅提高，提高了锅炉对燃料水分变化的适应能力；
7、轻型燃机排烟中烟尘含量极低，对炉排通风孔的磨损程度与常规方案相同，避免了传统烟气再循环方案中严重影响炉排寿命的情况发生；
8、轻型燃机启动快，生物质直燃系统的启动电源可由轻型燃机提供，机组启动系统可相应简化，初投资和启动费用也随之降低；
9、轻型燃机系统和生物质直燃系统单独配置发电机，两套系统的发电量可直观判断并计量，便于分别计算发电量；
10、整套系统的发电效率明显提升，以7MW等级的轻型燃机和40MW等级的生物质发电机组为例：轻型燃机配套的联合循环机组发电效率约为40％,生物质直燃炉排型锅炉-蒸汽轮机的发电效率为36％～38％，本套耦合系统的发电效率可达43％以上。
11、本项目中轻型燃机和生物质直燃炉排型锅炉均具备单循环运行能力，机组的运行灵活性大幅提高，尤其适用于有热电联产需求的生物质电厂。
综上所述，本发明降低了轻型燃机和生物质直燃炉排型锅炉的NOX排放量；生物质直燃炉排型锅炉内最高燃烧温度低于950℃，从根本上解决了结渣问题；轻型燃机排烟中的热量和氧气得到合理应用，锅炉输入热量大幅增加，系统发电效率明显提高；提高了可再生能源的发电量，化石能源的消耗和碳排放量也随之降低。本发明达到高效、节能、减排的效果，符合目前国家发展低碳经济的产业政策，有助于实现我国新的二氧化碳达峰目标与碳中和愿景。
附图说明
图1为本发明系统连接示意图。
图例：
1、燃气轮机驱动式发电机；2、轻型燃气轮机；3、生物质直燃炉排型锅炉；4、空气预热器；5、烟气-凝结水换热器；6、脱硫塔；7、除尘器；8、引风机；9、烟囱；10、空气压缩机；11、天然气调压站；12、一次风机；13、储料仓；14、分料仓；15、给料机；16、送风机；17、蒸汽轮机；18、汽轮机驱动式发电机。
具体实施方式
参照图1，轻型燃气轮机2与生物质直燃炉排型锅炉3正常运行时，天然气调压站11出口的天然气和空气压缩机10出口的高压空气在轻型燃气轮机2内燃烧并带动燃气轮机驱动式发电机1发电，高温烟气经烟道直接进入生物质直燃炉排型锅炉3下方的热一次风进风口，与一次风机12出口的冷风混合后为滚落至炉排的生物质燃料进行干燥及预热，部分燃料在炉排上开始分解并燃烧。二次风经送风机16升压后送入炉膛上方，与高温烟气在同一位置喷入炉膛，对燃烧区进行扰动的同时补充足够的氧气，以保证生物质未燃烬部分和中间产物能够彻底分解并燃烧。在烟温合适区域750～850℃通过SNCR系统脱除大部分NOX，高温烟气与锅炉各级换热器充分换热后，产生高温、高压蒸汽驱动蒸汽轮机17，省煤器出口烟气全部通过烟气-凝结水换热器5回收余热，随后经脱硫塔6和除尘器7进入烟囱9排至大气。
轻型燃气轮机2正常运行而生物质燃烧系统停运时，高温烟气直接经炉排直接进入生物质直燃炉排型锅炉3，此时生物质给料机15不投入，生物质直燃炉排型锅炉3仅作为余热锅炉使用。由于燃机排烟无需除尘、脱硫，因此锅炉出口的烟气直接经烟气旁路接引至烟囱9。系统内减少了生物质燃料产生的热量，因此锅炉的蒸汽量将大幅降低，此时应相应降低蒸汽轮机17及配套辅机的负荷。
生物质燃烧系统正常运行而轻型燃气轮机2停运时，一次风机12和送风机16出口的冷空气经锅炉空气预热器加热后，直接喷入炉膛，给料机15正常投运，烟气系统正常投运。系统内减少了轻型燃气轮机2排烟的热量，因此锅炉的蒸发量也将有所降低，需相应降低蒸汽轮机17及配套辅机的负荷。
生物质直燃炉排型锅炉的热一次风进风口开设在炉排下方。生物质直燃炉排型锅炉的二次风进风口开设在炉膛中上部。生物质直燃炉排型锅炉的进料口开设在炉体中下部炉排前面，生物质燃料由储料仓13经分料仓14在给料机15的作用下进入炉内。
轻型燃气轮机系统单独配置燃气轮机驱动式发电机1，生物质直燃炉排型锅炉系统单独配置汽轮机驱动式发电机18。
本发明的工作过程如下：
轻型燃气轮机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统正常运行时，天然气和空气压缩机出口的高压空气在燃气轮机内燃烧并做功，驱动发电机发电。燃气轮机排出的大部分高温烟气直接接至水冷震动炉排下方的一次风口，与冷一次风混合后为滚落至炉排的生物质进行干燥及预热，部分生物质在炉排上开始分解并燃烧，同时析出大量挥发分。二次风经送风机升压后，与剩余部分燃机排烟混合后喷入炉膛上方，对燃烧区进行扰动，同时补充足够的氧气，以保证生物质未燃尽部分和中间产物能够彻底分解并燃烧。高温烟气通过各级换热器产生高温高压蒸汽驱动汽轮发电机组。采用烟气-凝结水换热器对锅炉省煤器出口的中温烟气余热进行回收。尾部烟气经净化处理后排入大气。
Claims (6)
1.基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：轻型燃机排出的高温烟气作为生物质直燃炉排型锅炉的热一次风，并与一次风机提供的冷风汇合后进入锅炉的热一次风进风口，用于调节入炉风温；二次风与轻型燃机排出的高温烟气汇合进入锅炉的二次风进风口，用于控制生物质直燃炉排型锅炉内的燃烧温度和过量空气系数，使得轻型燃机排烟中的NOX与生物质直燃炉排型锅炉燃烧产生的NOX通过炉内SNCR脱硝系统一并脱除。
2.根据权利要求1所述的基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：生物质直燃炉排型锅炉的热一次风进风口开设在炉排下部。
3.根据权利要求1所述的基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：生物质直燃炉排型锅炉的二次风进风口开设在炉膛前后墙的中上部。
4.根据权利要求1所述的基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：生物质直燃炉排型锅炉的进料口开设在炉体中下部，位于炉排斜上方。
5.根据权利要求1所述的基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：生物质直燃炉排型锅炉内的空气预热器与烟气-凝结水换热器并联设置，用于减少汽轮机抽汽量。
6.根据权利要求1所述的基于轻型燃机与生物质直燃炉排型锅炉耦合的联合循环热力系统，其特征在于：轻型燃机系统和生物质直燃炉排型锅炉系统各自单独配置发电机。
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