CN114233404A - 一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统 - Google Patents

一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统 Download PDF

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Abstract

本案提供了一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，包括发电机及沿蒸汽流通顺序依次连通的余热锅炉、汽轮机高压缸、除湿再热器、汽轮机低压缸、凝汽器、凝结水泵、回热系统、除氧器和给水泵。焚烧炉的高温烟气通过余热锅炉将热量传递到给水，产生中温超高压蒸汽，在此过程中对余热锅炉必须进行防腐优化和锅炉水循环优化。中温超高压蒸汽作为主蒸汽接入汽轮机高压缸做功之后有一定湿度，通过除湿再热器除去排汽中的水，并吸收高压缸的二级抽汽的热量，达到低压缸的进汽参数后再进入低压缸做功。乏汽进入凝汽器放热变成凝结水后经过回热系统回热和除氧器除氧后，回到余热锅炉，在不大幅提高换热器表面温度、增大腐蚀风险的前提下，提高发电效率。

Description

一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统
技术领域
本发明属于热力发电技术领域，特别涉及一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统。
背景技术
垃圾焚烧是国内常用的生活垃圾处理方式。在垃圾焚烧发电中，通常使用焚烧垃圾得到的高温烟气来加热给水产生蒸汽。为此，焚烧炉会配备一个余热锅炉，余热锅炉由水冷壁、蒸发器、过热器、省煤器等换热管束组成，这些管束内输送水和蒸汽，管束外通过焚烧炉的烟气，烟气在流动过程中将热量交换给汽水。国内项目蒸汽通常过热到温度约为400℃～485℃，压力约为4.0MPa到7.0MPa。
国内一直在努力提高垃圾焚烧发电的余热利用效率，提高主蒸汽参数是最常用的方法之一。提高参数的难点在于，垃圾是一种成分复杂、Cl元素和碱金属盐含量较多、热值较低的燃料，其燃烧产生的烟气成分也更为复杂，相比而言更容易腐蚀锅炉中与烟气接触的部位，提高参数，尤其是提高主蒸汽温度，会进一步提高换热器表面温度，腐蚀的风险也更大。而对于汽轮机来说，在温度难以提高的前提下继续提高压力意味着末级湿度提高，末级水蚀风险随压力提高逐渐增大。因为以上原因，国内目前常见的较高参数仅为中温次高压，全厂热效率约为25％至26％。
能解决汽机水蚀问题并提高循环热效率的再热系统也是一种朗肯循环标准模型，尤其炉内再热在煤电燃气发电等行业中是很常规的方案。但在垃圾焚烧锅炉中，布置再热管束与过热器一样具有腐蚀问题，甚至会因为增加了再热管束的吸热需求而进一步提高过热器入口的烟温，增加腐蚀风险。
因此，常规垃圾焚烧发电技术中的炉内再热方案在垃圾焚烧厂中很少采用，一般采用中温中压热力系统，近几年中温次高压也逐渐增多，余热锅炉的防腐需求逐渐提高，发电效率也随着参数逐渐提高。如何在不大幅提高换热器表面温度、增大腐蚀风险的前提下，提高发电效率，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，在不大幅提高换热器表面温度、增大腐蚀风险的前提下，提高发电效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，包括余热锅炉、汽轮机、除湿再热器、凝汽器、凝结水泵、回热系统、除氧器、给水泵以及发电机，
其中，所述汽轮机包括汽轮机高压缸和汽轮机低压缸，
沿蒸汽流通顺序通过管道依次连通所述余热锅炉、所述汽轮机高压缸、所述除湿再热器、所述汽轮机低压缸、所述凝汽器、所述凝结水泵、所述回热系统、所述除氧器和所述给水泵，
所述余热锅炉的蒸汽管道与所述汽轮机高压缸的进汽口连通，所述汽轮机高压缸的出汽口与所述除湿再热器的除湿通道入口连通，所述除湿再热器的除湿通道出口与所述汽轮机低压缸的进汽口连通，所述除湿再热器的加热通道入口与所述汽轮机高压缸的高压段排汽口连通，所述除湿再热器的加热通道出口与所述除氧器的入口连通，
所述汽轮机高压缸和所述汽轮机低压缸传动连接所述发电机，
所述蒸汽为中温超高压蒸汽。
可选的，所述回热系统设置有加热通道，所述加热通道用于与所述回热系统的凝结水换热，所述加热通道的两端分别与所述汽轮机低压缸和所述凝汽器的出口连通。
可选的，所述回热系统包括相互串联的低压加热器和轴封加热器。
可选的，所述余热锅炉包括炉膛、烟道和汽包，所述余热锅炉的烟道包括竖直烟道和水平烟道，
所述竖直烟道迂回布置，且末端连通所述水平烟道。
可选的，所述余热锅炉的顶棚和所述水平烟道的侧墙布置的受热管面为过热管束。
可选的，所述竖直烟道内设有顶棚过热器和蒸发屏，所述水平烟道内设有多级过热器，所述汽包依次与所述顶棚过热器和所述多级过热器连通。
可选的，所述多级过热器包括依次连接的一级过热器、二级过热器、三级过热器、四级过热器和五级过热器，沿所述水平烟道的烟气流通方向上依次布置所述三级过热器、所述五级过热器、所述四级过热器、所述二级过热器和所述一级过热器。
可选的，所述二级过热器、所述三级过热器、所述四级过热器和所述五级过热器之间串联有喷水减温器。
可选的，所述除湿再热器的加热通道串联有控制阀门。
本发明所提供的一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其有益效果在于：
焚烧炉的高温烟气通过余热锅炉将热量传递到给水，产生中温超高压蒸汽，在此过程中对余热锅炉必须进行防腐优化和锅炉水循环优化。中温超高压蒸汽作为主蒸汽接入汽轮机高压缸做功之后有一定湿度，通过除湿再热器除去排汽中的水，并吸收汽轮机高压缸的二级抽汽的热量，达到汽轮机低压缸的进汽参数后再进入汽轮机低压缸做功。乏汽进入凝汽器放热变成凝结水后经过回热系统回热和除氧器除氧后，回到余热锅炉。通过上述设置，在不大幅提高换热器表面温度、增大腐蚀风险的前提下，提高发电效率。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统的结构示意图；
图2为本发明提供的余热锅炉的烟道结构示意图；
图3为本发明提供的余热锅炉的水循环示意图。
上图中：
1-余热锅炉；101-竖直烟道；102-水平烟道；103-汽包；104-顶棚过热器；105-蒸发屏；106-一级过热器；107-二级过热器；108-三级过热器；109-四级过热器；110-五级过热器；111-喷水减温器；112-省煤器；
201-汽轮机高压缸；202-汽轮机低压缸；
3-发电机；4-凝汽器；501-低压加热器；502-轴封加热器；6-除氧器；7-给水泵；8-除湿再热器；9-凝结水泵。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的核心是提供一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，在不大幅提高换热器表面温度、增大腐蚀风险的前提下，提高发电效率。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
余热锅炉：焚烧炉产生的高温烟气与管道内水或蒸汽换热的设备，降低烟气温度的同时将烟气热量转化为蒸汽的内能。
水冷壁：内部为饱和水或水汽混合物，外部为高温烟气的膜式壁。
蒸发屏：内部为饱和水或水汽混合物，外部为高温烟气的对流换热面。
过热器：内部为干蒸汽，外部为高温烟气的对流换热面。
省煤器：内部为不饱和水，外部为低温烟气的对流换热面。
汽包：锅炉顶部的容器，下部为水，上部为蒸汽，连接水冷壁、蒸发器、过热器和省煤器。
汽轮发电机组：将汽轮机和发电机通过机械连接组成的成套设备。汽轮机将蒸汽内能转化为转动的机械能，发电机将机械能转化为电能。
汽轮机高压缸：利用锅炉产出的中温次高压过热蒸汽做功的设备。
汽轮机低压缸：利用高压缸排出的蒸汽除湿再热后再做功的设备。
凝汽器：将汽轮机排出的乏汽(无做功能力的蒸汽)凝结下来的设备，需要通入常温的循环水作为冷却介质。
具体请参考图1-图3，图1为本发明提供的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统的结构示意图；图2为本发明提供的余热锅炉的烟道结构示意图；图3为本发明提供的余热锅炉的水循环示意图。
本发明提供了一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，包括余热锅炉1、汽轮机、除湿再热器8、凝汽器4、回热系统、除氧器6、给水泵7以及发电机3。
其中，余热锅炉1、汽轮机、凝汽器4、回热系统、除氧器6和给水泵7通过管道依次连通，蒸汽从余热锅炉1进入汽轮机做功后，排气通过冷凝器4进行冷凝，冷凝水经过回热系统、除氧器6后通过给水泵7加压，重新进入余热锅炉1中。
汽轮机包括汽轮机高压缸201和汽轮机低压缸202。
余热锅炉1的蒸汽进入汽轮机高压缸201，大部分蒸汽从出汽口排出，经除湿再热器8的除湿通道进行除湿，剩余一小部分蒸汽从汽轮机高压缸201的高压段抽出至除湿再热器8的加热通道，对除湿通道内的蒸汽进行加热。随后，高压段抽汽进入除氧器6，再热后的蒸汽进入汽轮机低压缸202。蒸汽进入汽轮机低压缸202膨胀做功，并且汽轮机高压缸201和汽轮机低压缸202通过主轴将机械能传动至发电机3进行发电。
即，选用MSR降低汽轮机高压缸排汽湿度，MSR热源采用汽轮机高压缸抽汽。
蒸汽为中温超高压蒸汽，采用中温超高压的蒸汽参数，使得循环效率高。
具体各部件的连接方式为：
余热锅炉1的蒸汽管道与汽轮机高压缸201的进汽口连通，汽轮机高压缸201的出汽口与除湿再热器8的除湿通道入口连通，除湿再热器8的除湿通道出口与汽轮机低压缸202的进汽口连通，除湿再热器8的加热通道入口与汽轮机高压缸201的高压段排汽口连通，除湿再热器8的加热通道出口与除氧器6的入口连通。
汽轮机低压缸202的出汽口与凝汽器4的入口连通，凝汽器4的出口与回热系统的入口连通，回热系统的出口与除氧器6的入口连通，除氧器6的出口与余热锅炉1的冷凝水入口连通。
本案提供的一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，焚烧炉的高温烟气通过余热锅炉1将热量传递到给水，产生中温超高压蒸汽，在此过程中对余热锅炉1必须进行防腐优化和锅炉水循环优化。中温超高压蒸汽作为主蒸汽接入汽轮机的汽轮机高压缸做功之后有一定湿度，通过除湿再热器8(MSR)吸收汽轮机高压缸的二级抽汽的热量，达到汽轮机低压缸的进汽参数后再进入汽轮机低压缸做功。乏汽进入凝汽器4放热变成凝结水后经过回热系统回热和除氧器6除氧后，回到余热锅炉1。
本案利用垃圾焚烧炉余热产生蒸汽发电的方法和装置，产生的蒸汽用于汽轮机发电，通过机外除湿和利用汽轮机高压缸抽汽对汽轮机高压缸排汽进行再热，来解决炉内再热带来的腐蚀问题。
其中，除湿可以减少再热蒸汽的用量，选用合适的汽轮机高压缸抽汽作为再热热源，也可以减少再热的火用消耗。汽轮机高压缸抽汽加热汽轮机高压缸排汽的再热方式，系统简单，控制方便，选用合适参数可以大大减少换热器的面积。
通过上述设置，在不大幅提高换热器表面温度、增大腐蚀风险的前提下，提高发电效率。
在具体实施例中，回热系统设置有加热通道，加热通道用于与回热系统的管道换热，加热通道的两端分别与汽轮机低压缸202的抽气口和凝汽器4的出口连通。
为了提高传输速度，回热系统和凝汽器4之间串联有凝结水泵9。
进一步地，回热系统包括相互串联的低压加热器501和轴封加热器502，当然，为了提高回热效果，可以设置一到两级低压加热器501。冷凝水依次经过轴封加热器和低压加热器，进入除氧器6。
在具体实施例中，余热锅炉1包括炉膛、烟道和汽包103。
余热锅炉1的烟道包括竖直烟道101和水平烟道102，竖直烟道101迂回布置，且末端连通水平烟道102。如图2所示，竖直烟道101包括第一烟道、第二烟道和第三烟道。竖直烟道101可根据实际情况选择设置形式和数量，在此不做进一步限定。
为使余热锅炉1在中温次高压参数下仍能稳定运行，需针对性地进行优化设计，垃圾焚烧炉主要位于焚烧炉喉口以上的竖直烟道(所谓的第一排风口)至少高15米，最好是20米至25米，烟气流速最好是3米/秒至5米/秒，其中第一烟道出口烟气的温度应小于900℃，最好小于800℃，烟气在第二烟道向下流动，高度至少为8米，然后连接到第三烟道，三烟道出口烟气的温度应小于720℃，更好小于630℃，其中第三烟道结束时烟气流速应在3米/秒到4米/秒。
可以理解的是，第一烟道出口烟气的温度相比常规设计更低，从而可以减少第二烟道的积灰。
此外，通过调整第二烟道和第三种烟道通流方式，具体为提高或扩大通风面积方式，即第一烟道的流通面积小于第二烟道和第三烟道的流通面积，使烟气流速限制在低于5米/秒的速度，最好是降到3米/秒到4米/秒，控制低流速既能让烟气有更多的时间冷却，也使得烟气中飞灰更容易分离。
竖直烟道101内设有顶棚过热器104和蒸发屏105，水平烟道102内设有多级过热器，汽包103依次与顶棚过热器104和多级过热器连通。
多级过热器包括依次连接的一级过热器106、二级过热器107、三级过热器108、四级过热器109和五级过热器110，沿水平烟道102的烟气流通方向上依次布置三级过热器108、五级过热器110、四级过热器109、二级过热器107和一级过热器106。
需要说明的是，由于三级过热器108的管内工质温度低于四级过热器109和五级过热器110，通过采用低温工质过热器前置的布置方式，可以降低高温烟气区域的管壁温度，从而减少管道高温腐蚀的影响，降低爆管概率。
其中，二级过热器107、三级过热器108、四级过热器109和五级过热器110之间串联有喷水减温器111。
由于镍铬合金在650℃到700℃及更高温度下的耐腐蚀性能要低得多，所以最好将管道壁面温度控制在600℃到650℃。
为此，本发明过热器布置采用低温工质的过热器前置。如图2和图3中所示的实施方式，把三级过热器108调整到水平烟道102的最前端，过热器沿烟气流向布置为三级过热器-五级过热器-四级过热器-二级过热器-一级过热器。在二级过热器107、三级过热器108、四级过热器109和五级过热器110之间分别设置了三级喷水减温器111。
除高温腐蚀以外，超高压余热锅炉还存在水循环压头不足的问题。因此，本发明将余热锅炉顶棚及水平烟道侧墙的蒸发管束改为过热管束，通过合理的换热面布置，避免水循环恶化导致爆管。
在具体实施例中，可在除湿再热器8的加热通道串联有控制阀门，用于控制加热通道的通断。当选择适当的主蒸汽参数时，再热器不抽汽，仅仅采用除湿措施也可以确保汽机正常运行，此时再热抽汽可以作为低负荷或者变工况运行的备用系统。
在一种具体实施例中，余热锅炉1产生的超高压主蒸汽压力为11.8MPa～14.7MPa，进入汽轮机高压缸201做功，做功后以湿蒸汽的形式排出，压力约为0.2～0.5MPa。湿蒸汽进入除湿再热器8(MSR)被除湿和再热，除湿再热器热源为汽机高压段抽出的1.3～3.5MPa抽汽。换热完成后，湿蒸汽转化为温度约在170～220℃，压力不低于0.2MPa的过热蒸汽，进入汽轮机低压缸202做功后成为乏汽排出，其温度一般在30℃～60℃，压力一般在0.003MPa～0.018MPa。经由凝汽器4排出的凝结水经过轴封加热器502和一到两级低压加热器501后，接入除氧器6。除氧器6工作压力选取在0.25MPa～0.6MPa，除氧器后不再设高压加热器，给水直接用给水泵7送至余热锅炉1。
从热力学原理上来讲，为了保证朗肯循环高效率稳定运行，更高的蒸汽压力需要匹配更高的蒸汽温度，也有利于控制排汽的湿度。但蒸汽温度的提高也会影响蒸汽过热器管壁的温度。由于过热器管道完全有镍铬合金制成，或被镍铬合金包裹，其温度可以提高到400℃～450℃。考虑到此，进入蒸汽过热器的烟气温度应该分布均匀，且经过合理设计。
为了让中温超高压蒸汽能在汽轮机中的稳定做功，必须要对汽轮机高压缸201的出口蒸汽做除湿处理，以免蒸汽在膨胀做功后湿度过高从而对汽轮机叶片造成明显水蚀。该汽轮机高压缸的排汽经过除湿再热器8除湿之后被高压段抽汽加热。
相比炉内再热，本发明的一个优势是，汽轮机低压缸入口蒸汽的温度可以自由控制。当选择适当的主蒸汽参数时，再热器不抽汽，仅仅采用除湿措施也可以确保汽机正常运行，此时再热抽汽可以作为低负荷或者变工况运行的备用系统。因此对于任意选定的最高蒸汽温度，可以尽可能的提高蒸汽循环的平均温度，即可以提高效率。并且采用以上措施后，汽轮机末级湿度低于常规的技术方案，末级叶片水蚀的可能性会大大降低。
综合运用上述措施可以提高垃圾发电厂全厂效率。本发明推荐的最优方案是：
余热锅炉1的主蒸汽参数采用13.5MPa、450℃，烟道设计时将烟气在烟道中的流速控制在3m/s到4m/s，烟气进入换热器的流速应小于等于5m/s，出口流速应在5m/s到12m/s之间；烟气进入换热器时的温度应小于750℃，最好不超过690℃，并在炉顶设置过热管束。MSR加热抽汽压力采用1.7MPa，高压缸排汽压力采用0.35MPa。
采用本发明可以在实际生产中实现29％的全厂电效率；对于单机30MW以上的规模，可以达到不低于31％的全厂电效率；对于大规模垃圾发电项目，甚至可以到达35％的全厂电效率。
本说明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，包括余热锅炉(1)、汽轮机、除湿再热器(8)、凝汽器(4)、凝结水泵(9)、回热系统、除氧器(6)、给水泵(7)以及发电机(3)，
其中，所述汽轮机包括汽轮机高压缸(201)和汽轮机低压缸(202)，
沿蒸汽流通顺序通过管道依次连通所述余热锅炉(1)、所述汽轮机高压缸(201)、所述除湿再热器(8)、所述汽轮机低压缸(202)、所述凝汽器(4)、所述凝结水泵(9)、所述回热系统、所述除氧器(6)和所述给水泵(7)，
所述余热锅炉(1)的蒸汽管道与所述汽轮机高压缸(201)的进汽口连通，所述汽轮机高压缸(201)的出汽口与所述除湿再热器(8)的除湿通道入口连通，所述除湿再热器(8)的除湿通道出口与所述汽轮机低压缸(202)的进汽口连通，所述除湿再热器(8)的加热通道入口与所述汽轮机高压缸(201)的高压段排汽口连通，所述除湿再热器(8)的加热通道出口与所述除氧器(6)的入口连通，
所述汽轮机高压缸(201)和所述汽轮机低压缸(202)传动连接所述发电机(3)，
所述蒸汽为中温超高压蒸汽。
2.根据权利要求1所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述回热系统设置有加热通道，所述加热通道用于与所述回热系统的凝结水换热，所述加热通道的两端分别与所述汽轮机低压缸(202)和所述凝汽器(4)的出口连通。
3.根据权利要求1或2所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述回热系统包括相互串联的低压加热器(501)和轴封加热器(502)。
4.根据权利要求1所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述余热锅炉(1)包括炉膛、烟道和汽包(103)，所述余热锅炉(1)的烟道包括竖直烟道(101)和水平烟道(102)，
所述竖直烟道(101)迂回布置，且末端连通所述水平烟道(102)。
5.根据权利要求4所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述余热锅炉(1)的顶棚和所述水平烟道(102)的侧墙布置的受热管面为过热管束。
6.根据权利要求4所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述竖直烟道(101)内设有顶棚过热器(104)和蒸发屏(105)，所述水平烟道(102)内设有多级过热器，所述汽包(103)依次与所述顶棚过热器(104)和所述多级过热器连通。
7.根据权利要求6所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述多级过热器包括依次连接的一级过热器(106)、二级过热器(107)、三级过热器(108)、四级过热器(109)和五级过热器(110)，沿所述水平烟道(102)的烟气流通方向上依次布置所述三级过热器(108)、所述五级过热器(110)、所述四级过热器(109)、所述二级过热器(107)和所述一级过热器(106)。
8.根据权利要求7所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述二级过热器(107)、所述三级过热器(108)、所述四级过热器(109)和所述五级过热器(110)之间串联有喷水减温器(111)。
9.根据权利要求1所述的高效率的垃圾焚烧余热利用发电系统，其特征在于，所述除湿再热器(8)的加热通道串联有控制阀门。
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