CN113339130A - 一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统 - Google Patents

一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明为可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，涉及生物质燃烧发电领域，路线为：生物质加压燃烧产生高温烟气，通过换热将高温烟气中的热量传递给空气，空气驱动涡轮机带动发电机发电，产生的电能实时存储的可移动式发电系统。该系统内设备均安装于同一集装箱内，压气机、涡轮机和发电机同轴布置，加压燃烧炉内的压力通过压气机和涡轮机协同调节；生物质在加压燃烧炉内燃烧，产生的高温烟气与空气在烟气/空气热交换器内进行间接换热，被加热后的空气驱动涡轮机并带动发电机发电产生的电能并入海岛电网；涡轮机排出的加压空气与灰渣进行换热后进入加压燃烧炉，作为生物质燃烧的氧化介质。系统占地面积小，可置于运载设备。

Description

一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统
技术领域
本发明涉及生物质燃烧发电技术领域，更具体的说是构建一种集装箱式可应用于海岛地域生物质加压燃烧发电产热的新系统。
背景技术
海岛地理性质独特，四面环海，普遍距离大陆较远，除了部分距离大陆较近通过海底电缆即可与大陆电网并网的海岛外，大部分海岛由于经济性及技术实施难度问题，多为孤网运行，岛上居民生活以柴油发电为主，能源结构单一。柴油价格较高且需长距离运输，造成岛上发电成本高昂，柴油易爆易燃的化学性质使得大规模储存、运输存在着极大的安全隐患，一旦遇到恶劣天气致使运输柴油的轮船不能正常运行，则海岛或面临断电风险，从而对岛上居民正常生活造成影响。
海岛及其周围海域蕴藏着丰富的生物质资源，可投资建设生物质发电站。从地理环境角度考虑，海岛本身面积有限，岛上生态环境脆弱，生物质发电站若规模较大，消耗生物质过多，则极易对海岛生态环境造成破坏。从经济角度考虑，孤网海岛距离大陆较远，建设大型生物质发电站所需材料运输远，投资成本高。如何减少运输费用，因地制宜进行海岛生物质发电，提高发电效率、减小设备体积是目前海岛生物质发电所需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，由燃料仓、加压燃烧炉、旋风分离器、烟气/空气热交换器、压气机、涡轮机、发电机、逆变器、烟气净化器、外置换热器组成。设备均安装于同一集装箱内，压气机、涡轮机和发电机同轴布置，加压燃烧炉内的压力通过压气机和涡轮机协同调节；切碎后的生物质在加压燃烧炉内燃烧，产生的高温烟气与被压气机加压后的空气在烟气/空气热交换器内进行间接热交换，换热后的低温烟气经过烟气净化器脱硝，后直接排放入大气，被加热后的高温空气驱动涡轮机并带动发电机进行发电；产生的电能并入海岛电网；涡轮机排出的加压空气进入加压燃烧炉，作为生物质燃烧的氧化介质。系统为集装箱式布置，占地面积小，可置于运载设备，实现放置于海岛即将生物质进行处置发电的特点，发电机产生的电能通过逆变器并入海岛电网。
作为本发明的进一步方案：所述生物质是指农林业生产过程中除可食用或有较高使用价值的粮食、果实以外的农林业废弃物和有机固体废弃物等，例如麦秆、陈化粮、豆秆、高粱秆、棉花秆、玉米秆、酒糟等。
作为本发明的进一步方案：所述可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统具体结构为，燃料仓顶部不加料时密封，燃料出口位于燃料仓底部并与加压燃烧炉侧壁燃料入口相连接；二次风入口设置于燃料入口上方，使燃料燃烧更加充分，一次风入口设置于燃料入口略微偏下处，以便于燃料的输送及调节炉内压力；加压燃烧炉底侧设置排渣口，用于排放燃烧后产生的颗粒较大的灰渣、焦炭等；加压燃烧炉上侧炉膛出口与旋风分离器上侧进气管相连通，旋风分离器立管底端连接外置换热器，经过热交换后的灰渣由外置换热器底部排灰口离开系统，旋风分离器顶部设有排气管；离开旋风分离器的高温烟气从烟气/空气热交换器一端烟气入口进入，在烟气/空气热交换器中与空气间接换热后的低温烟气从另一端烟气出口排出；烟气/空气热交换器的烟气出口与烟气净化器入口相连通，烟气在烟气净化器中脱硝并进一步降温，达到烟气排放标准后的烟气由烟气净化器出口排出系统；空气由压气机进气口进入压气机，经压气机加压后的空气通过压气机的排气口排出，进入烟气/空气热交换器底侧空气入口，烟气/空气热交换器中，加压空气与高温烟气逆向流动以加强换热效果，换热后的高温空气进入烟气/空气热交换器的空气出口，通过涡轮机空气入口进入涡轮机，在涡轮机中推动涡轮叶片转动做功，做功后的空气进入涡轮机空气出口通过管道连通至外置换热器，旋风分离器分离出的高温灰渣通过立管进入外置换热器，进一步加热来自涡轮机的空气，并将其送往加压燃烧炉一、二次风入口，所述涡轮机和压气机共用同一主轴；并共同配置一台发电机布置连接，其中发电机与逆变器相连接，将产生的直流电转化为交流电并最终并入电网。
作为本发明的进一步方案：所述可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，在运行的过程中，生物质颗粒大小控制在30～50mm以下，加压燃烧炉炉内压力由压气机与涡轮机协同调节，炉内维持在0.2～0.4MPa的正压燃烧，因而加压燃烧炉的容积较小，燃烧效率高，正压有利于燃料燃烧的更加充分，炉内温度在1100～1300 ℃左右；压气机将空气由20～25℃，0.1MPa加压至180～200℃，0.3～0.5MPa，进入烟气/空气热交换器与800～900 ℃，0.11～0.12MPa的高温烟气进行间接换热，烟气/空气热交换器出口空气在400～600℃，0.2～0.5Mpa的状态下进入涡轮机，涡轮机中压力维持在0.2～0.5MPa，使涡轮转子转速处于5000～10000转的状况下运转，带动发电机发电；空气由涡轮机出口通往外置换热器，在外置换热器中与温度在750～900℃条件下的灰渣进行热量交换，空气离开外置换热器进入加压燃烧炉一、二次风入口时，温度处于350～400℃；系统整体占用面积在80～120m2。
作为本发明的进一步方案：所述可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，对生物质加压燃烧后产生的烟气通过旋风分离器及烟气净化器进行净化；其中，旋风分离器利用离心力将烟气中的固体颗粒分离出烟气，被分离出的高温固体颗粒通过立管排入外置换热器，在其中加热涡轮机排出的空气，以降低系统热损失，并进一步提高一、二次风温度，促使燃料燃烧的更加完全，并降低加压燃烧炉内炉膛温度波动；烟气净化器中采用尿素或氨水作为还原剂，喷入烟气反应区以达到脱硝降温目的。
同现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明采用生物质加压燃烧发电技术，改变孤网海岛仅利用柴油发电机发电的单一产电结构，生物质发电作为海岛电网供电补充，一方面加强了海岛电源的可靠性，使得海岛居民基本生活用电得到保障，另一方面减少了部分燃用柴油发电造成的碳排放，减轻了燃用柴油可能造成的环境污染。
(2)本发明中各设备均布置于集装箱中，占地面积小，且便于通过载具运输，相较于其他大型发电系统节省一定运费，即系统可较为方便的通过船只运送至距离大陆较远的孤网海岛，且实现系统运输至海岛即可将生物质进行处置发电产热的特点；并能随海岛生物质的分布情况进行发电产热系统的移动，满足海岛面积有限、生物质分布不均且生态环境脆弱情况下的发电需求，系统中设有烟气/空气热交换器、外置换热器能够使得生物质加压燃烧产生的高温烟气、灰渣与空气进行热量交换，实现热量的充分利用，提高系统整体热效率的同时提高加压燃烧炉一、二次风温度，减少加压燃烧炉内温度波动。
(3)本发明可直接燃用稍加破碎的生物质，避免繁复的加工成型过程，节省人工费及投资，迎合了系统于海岛上可移动式将生物质进行处置发电的需求；系统可燃用生物质范围广泛，符合当前中国海岛上生物质分布范围大、生物质种类多、种植区域集中化的特点，实现生物质的就地消纳。
(4)本发明中涡轮机、压气机、发电机同轴布置，具有发电效率高，占用面积少，节省辅助设备及金属耗材的优势。
(5)本发明采用一次风、二次风协同调节加压燃烧炉，使得加压燃烧炉内进行正压燃烧，炉内氧化介质充足，燃烧效率高；且由于加压燃烧炉内气压较高，系统内烟气可自行沿系统管道流动，无需设置引风机，节省投资；空气在进入加压燃烧炉之前先是于烟气/空气热交换器内与烟气进行了热交换，再于外置换热器中与旋风分离器中排出的灰渣进行了再一次的热交换，一方面降低了烟气的温度，减少了系统排烟热损失，提高了系统整体效率，另一方面提升了空气温度，即提高了加压燃烧炉一次风二次风的温度，从而有利于减少炉内温度的波动，使得炉内生物质燃料更充分的燃烧。
(6)本发明燃料为生物质，其生长过程中通过光合作用所吸附的大量二氧化碳，与在燃烧过程中释放出的二氧化碳总量相近，即燃用生物质燃料的净碳排放量近零，且生物质产量受温度光照的影响较小，系统发电稳定。
附图说明
图1、本发明的结构示意图；
附图标记列表：
1-燃料仓、2-加压燃烧炉、4-旋风分离器、7-烟气/空气热交换器、8-涡轮机、9-压气机、10-发电机、14-逆变器、15-烟气净化器、16-外置换热器、11-燃料出口、201-燃料入口、205-二次风入口、203-排渣口、204-加压燃烧炉炉膛出口、202-一次风入口、401-进气管、402-立管、403-排气管、701-烟气/空气热交换器烟气入口、704-烟气/空气热交换器空气入口、702-烟气/空气热交换器烟气出口、703-烟气/空气热交换器空气出口、801-涡轮机空气入口、802-涡轮机空气出口、901-压气机进气口、902-压气机排气口、101-涡轮发电机主轴、1601-排灰口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，本实施例提供了一种可应用于海岛的集装箱式生物质发电系统，是由燃料仓1、外置换热器16、加压燃烧炉2、旋风分离器4、烟气/空气热交换器7、烟气净化器15、涡轮机8、压气机9、发电机10、逆变器14依次连接形成的循环回路。燃料仓1顶部不加料时密封，燃料出口11位于燃料仓1底部并与加压燃烧炉2侧壁燃料入口201相连接；二次风入口205设置于燃料入口201上方，使燃料燃烧更加充分，一次风入口202设置于燃料入口略微偏下处，以便于燃料的输送及调节炉内压力；加压燃烧炉2底侧设置排渣口203，用于排放燃烧后产生的颗粒较大的灰渣、焦炭等；加压燃烧炉2上侧炉膛出口204与旋风分离器4上侧进气管401相连通，旋风分离器4立管402底端设置外置换热器16，分离出的高温灰渣由外置换热器顶部进入换热器，旋风分离器4顶部设有排气管403；离开旋风分离器4的高温烟气从烟气/空气热交换器7一端烟气入口701进入，在烟气/空气热交换器7中与空气间接换热后的低温烟气从另一端烟气出口702排出；烟气/空气热交换器7的烟气出口702与烟气净化器15入口相连通，烟气在烟气净化器15中脱硝并进一步降温，达到烟气排放标准后的烟气由烟气净化器15出口排出系统；空气由压气机9进气口901进入压气机9，经压气机9加压后的空气通过压气机9的排气口902排出，进入烟气/空气热交换器7底侧空气入口704，烟气/空气热交换器7中，加压空气与高温烟气逆向流动以加强换热效果，换热后的高温空气进入烟气/空气热交换器7的空气出口703，通过涡轮机8空气入口801进入涡轮机8，推动涡轮机8转动并进而带动发电机10发电后，产生的电能通过逆变器14转化为交流电并入海岛微电网，推动涡轮机做功后的空气通过管道进入外置换热器16与换热器中的高温灰渣进行热量交换，被冷却后的灰渣通过外置换热器底部的排灰口1601离开系统，被加热后的空气则进入加压燃烧炉2的一、二次风入口202、205进入加压燃烧炉2，在作为氧化剂使燃料燃烧的更加充分的同时使炉内压力维持在稳定的正压燃烧状态。
本发明为集装箱式布置，占地面积小，能够良好的适应海岛的工作环境，可置于运载设备，实现可移动式将生物质进行处置发电的特点，系统中设有烟气/空气热交换器，能够使得生物质加压燃烧产生的高温烟气与从压气机出来的空气进行热量交换，从而实现热量的充分利用，降低排烟损失，空气进入涡轮机做功后进入外置换热器，与旋风分离器分离出的高温灰渣进行热量交换，从而降低系统排出的灰渣温度，提高系统整体热效率。
下面就具体实施方式进行举例阐述：
放入燃料仓尺寸在30～50mm以下的生物质燃料进入加压燃烧炉2在适宜温度条件下的一、二次风带来充足的空气，使生物质燃料得以完全燃烧并产生高温烟气，高温烟气进入旋风分离器4其中的固体颗粒被分离，通过立管进入外置换热器，其余烟气通过排气管进入空气/烟气热交换器7与经由压气机9入的空气进行换热，将高温烟气中的热量传递给空气，加热后的空气驱动涡轮发电机发电，过程中产生的电能并入电网的集装箱式发电系统。该系统由燃料仓、加压燃烧炉2、风分离器、烟气/空气热交换器、储热器、压气机、涡轮机、发电机、逆变器、外置换热器组成；设备均安装于同一集装箱内，压气机9、涡轮机8和发电机10同轴布置，加压燃烧炉2内的压力通过压气机9和涡轮机8协同调节；生物质在加压燃烧炉内燃烧，产生的高温烟气与空气在烟气/空气热交换器内进行间接热交换，被加热后的高温空气驱动涡轮机8并带动发电机10进行发电；产生的电能通过逆变器并入电网；涡轮机8排出的加压空气进入外置换热器16，与由旋风分离器4分离出的高温灰渣进行热量交换，被进一步提高温度后的空气进入加压燃烧炉2，作为生物质燃烧的氧化介质，被冷却后的灰渣则排出系统。系统为集装箱式布置，占地面积小，可置于运载设备，实现实现系统运输至海岛即可将生物质进行处置发电产热的特点，并能随海岛生物质的分布情况进行发电产热系统的移动，满足海岛面积有限、生物质分布不均且生态环境脆弱情况下的发电需求，并减小海岛供电压力。
在运行的过程中，生物质颗粒大小控制在30～50mm以下，加压燃烧炉炉内压力由压气机与涡轮机协同调节，炉内维持在0.2～0.4MPa的正压燃烧，因而加压燃烧炉的容积较小，燃烧效率高，正压有利于燃料燃烧的更加充分，炉内温度在1100～1300 ℃左右；压气机将空气由20～25℃，0.1MPa加压至180～200℃，0.3～0.5MPa，进入烟气/空气热交换器与800～900 ℃，0.11～0.12MPa的高温烟气进行间接换热，烟气/空气热交换器出口空气在400～600℃，0.2～0.5Mpa的状态下进入涡轮机，涡轮机中压力维持在0.2～0.5MPa，使涡轮转子转速处于5000～10000转的状况下运转，带动发电机发电；空气由涡轮机出口通往外置换热器，在外置换热器中与温度在750～900℃条件下的灰渣进行热量交换，空气离开外置换热器进入加压燃烧炉一、二次风入口时，温度处于350～400℃；系统整体占用面积在80～120m2。
上述说明并非对本发明的限制，且本发明的实际使用并不仅限于上述案例，一切未背离本发明的精神实质、原理的简化、改变、修饰、组合均应为本发明的保护。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，其特征在于：是由燃料仓（1）、加压燃烧炉（2）、旋风分离器（4）、外置换热器（16）、烟气/空气热交换器（7）、烟气净化器（15）、涡轮机（8）、压气机（9）、发电机（10）、逆变器（14）依次连接形成的循环回路；其中燃料仓（1）的顶部不加料时密封，燃料出口（11）位于燃料仓（1）的底部并与加压燃烧炉（2）侧壁的燃料入口 （201）相连接，二次风入口（205）设置于燃料入口（201）的上方，一次风入口(202)设置于燃料入口（201）略微偏下处，加压燃烧炉（2）的底侧设置排渣口（203），其中位于加压燃烧炉(2)上侧的炉膛出口(204)与旋风分离器(4)上侧的进气管(401)相连通，
旋风分离器(4)立管(402)底端与外置换热器(16)顶部相连，旋风分离器(4)顶部设有排气管(403)；离开旋风分离器(4)的高温烟气从烟气/空气热交换器(7)端部烟气入口(701)进入，在烟气/空气热交换器(7)中与空气间接换热后的低温烟气从另一端烟气出口(702)排出，烟气/空气热交换器(7)的烟气出口(702)与烟气净化器(15)入口相连通，其中压气机(9)上设有供空气进入的进气口(901)且顶部设有排气口（902）；所述所述排气口（902）与所述烟气/空气热交换器(7)底侧的空气入口(704)相连通，所述烟气/空气热交换器(7)上的空气出口(703)与涡轮机(8)上的空气入口(801)相连，在所述涡轮机(8)上的空气出口(802)通过管道连通至外置换热器(16)连接相通；
所述外置换热器（16）的一端的空气出口分别与加压燃烧炉(2)上的一、二次风入口(202)、(205) 相通连接，所述涡轮机(8)和压气机(9) 共用同一主轴（101）；并共同配置一台发电机(10)布置连接，其中发电机(10)与逆变器(14)相连接，将产生的直流电转化为交流电并最终并入电网。
2.如权利要求1所述的一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，其特征在于：其中所述燃料仓(1)、加压燃烧炉(2)、旋风分离器(4)、烟气/空气热交换器(7)、烟气净化器(15)、压气机(9)、涡轮机(8)、发电机(10)、逆变器(14)和外置换热器(16)均安装于同一集装箱内。
3.根据权利要求1所述的一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，其特征在于：所述加压燃烧炉(2)内的压力通过压气机(9)和涡轮机(8)协同调节；生物质在加压燃烧炉(2)内燃烧，产生的高温烟气与被压气机(9)加压后的空气在烟气/空气热交换器(7)内进行间接热交换，换热后的低温烟气经过烟气净化器(15)脱硝，后直接排放入大气，被加热后的高温空气驱动涡轮机(8)并带动发电机(10)进行发电；产生的电能通过逆变器(14)转化为交流电后并入海岛电网；涡轮机(8)排出的加压空气进入外置换热器(16)，在其中与由旋风分离器(4)分离出的高温灰渣进行热量交换，灰渣被冷却后由外置换热器底部排灰口(1601)排出系统。
4.如权利要求1所述一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，其特征在于：在运行的过程中，生物质颗粒的粒径小于30-50mm，加压燃烧炉(2)炉内压力由压气机(9)与涡轮机(8)协同调节，炉内维持在0.2～0.4MPa的正压燃烧，因而加压燃烧炉(2)的容积较小，燃烧效率高，正压有利于燃料燃烧的更加充分，炉内温度在1100～1300 ℃左右；压气机(9)将空气由20～25℃，0.1MPa加压至180～200℃，0.3～0.5MPa，进入烟气/空气热交换器(7)与1000～1100℃，0.11～0.12MPa的高温烟气进行间接换热，烟气/空气热交换器(7)出口空气在400～600℃，0.2～0.5Mpa的状态下进入涡轮机(8)，涡轮机(8)中压力维持在0.2～0.5MPa，使涡轮转子转速处于5000～10000转的状况下运转，带动发电机(10)发电；空气由涡轮机(8)出口通往外置换热器(16)，在外置换热器中与温度在750～900℃条件下的灰渣进行热量交换，空气离开外置换热器(16)进入加压燃烧炉(2)一、二次风入口时，温度处于350～400℃；系统整体占用面积在80～120 m2。
5.如权利要求1所述一种可应用于海岛的集装箱式生物质加压燃烧发电系统，其特征在于：其中，旋风分离器(4)利用离心力将烟气中的固体颗粒分离出烟气，被分离出的固体颗粒通过立管(402)排入外置换热器(16)，其中烟气净化器(15)中采用尿素或氨水作为还原剂。
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