CN210948818U

CN210948818U - 一种与co2循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统

Info

Publication number: CN210948818U
Application number: CN201921188863.0U
Authority: CN
Inventors: 陈衡; 张美妍; 曾宇川; 徐钢; 陈志董; 刘彤
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2029-07-26

Abstract

本实用新型公开了一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统,该系统包括：垃圾焚烧系统、CO₂循环发电系统和燃煤发电系统。其中，CO₂循环发电系统采用超临界CO₂布雷顿循环发电，该系统利用垃圾焚烧烟气在余热锅炉过热器中加热CO₂工质，即作为CO₂循环的热源，并将燃煤发电系统的凝结水用于冷却CO₂工质，即作为CO₂循环的冷源；燃煤发电系统的部分给水进入余热锅炉的省煤器和蒸发器吸收烟气热量，出口饱和蒸汽与燃煤发电系统的抽汽混合作为高压加热器的热源；燃煤发电系统的给水/凝结水分级加热垃圾焚烧炉的一二次风。本实用新型通过垃圾焚烧系统、CO₂循环发电系统和燃煤发电系统的集成，提高了垃圾焚烧所产生热量的利用效率，增加了系统的总发电功率。

Description

一种与CO2循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统

技术领域

本实用新型属于垃圾焚烧发电技术领域，特别涉及一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统。

背景技术

近年来，随着我国社会经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，“垃圾围城”现象日益严峻，如何安全，无害化处理垃圾已成为我国目前发展所面临的主要问题之一。垃圾焚烧是垃圾处理的一种主要方式，其焚烧释放的热量可用来发电、供热、供冷等，具有减量化、无害化、资源化等优点。“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划指出，2020年底我国城市生活垃圾无害化处理率要高于95%，其中垃圾焚烧处理将占无害化处理总能力50%以上。因此，推进垃圾资源化利用，大力发展垃圾焚烧发电是我国垃圾处理行业今后发展的重点之一。然而，垃圾焚烧发电机组的发电效率约为18%~25%，远低于燃煤发电系统发电机组可达到的38%~50%的效率范围。由此，对垃圾焚烧发电系统与大型燃煤发电系统和临界CO₂循环发电系统进行集成，有望实现垃圾焚烧所产生热量的高效利用，进而解决垃圾焚烧发电厂效率偏低的问题。

常规燃煤发电是一种大型化、规模化、高效化的发电方式，其单位投资成本较低，是垃圾焚烧发电厂的单位投资的1/4左右。根据中国电力企业联合会发布的2018年全国电力统计数据，火电机组的总装机容量已达到1143.67 GW，其满足了超过70%的全国电力需求，并且根据预测，火电机组将继续承担超过50%的电力需求直到2030年。

超临界CO₂布雷顿循环具有高效、环保等优点，被视为未来发电的主要发展方向之一，其在核能及太阳能领域的研究较多，但在常规燃煤发电与垃圾焚烧发电领域的研究较少。超临界CO₂布是一种理想工质，其成本低、不可燃、无腐蚀性且化学性质不活泼。当高温热源温度在600℃左右时，超临界CO₂布雷顿循环的发电效率可达到的40%。并且，在中等压力（8~20MPa）和中等温度（200℃~650℃）下，超临界CO₂布雷顿循环的效率高于水蒸气朗肯循环。超临界CO₂布雷顿循环核系统心设备结构简单，可模块化制造，电站的制造成本和运行成本较低。另外，由于超临界CO₂密度较大，相应的涡轮机械尺寸较小，系统结构紧凑。

而现有的垃圾焚烧发电系统规模小，发电效率偏低，但其发电系统完备程度高，设备配置齐全，配有垃圾焚烧炉、汽轮机、发电机、烟气处理装置等一系列设备，以致垃圾焚烧发电厂投资成本高，建成后的运行与维护成本更是巨大。因此，对垃圾焚烧发电系统与大型燃煤发电系统和CO₂循环发电系统进行系统集成，可节省垃圾焚烧系统的汽轮机、回热系统及烟囱等设备的投资与运行维护费用，并可高效利用垃圾焚烧所产生热量。

发明内容

根据背景技术中所提到的问题，本实用新型提供了一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是：包括垃圾焚烧系统、燃煤发电系统和CO₂循环发电系统，其中CO₂循环发电系统即超临界CO₂布雷顿循环发电系统。

所述垃圾焚烧系统包括垃圾焚烧炉、余热锅炉蒸发器、余热锅炉省煤器、垃圾焚烧系统给水泵、垃圾焚烧炉一次风预热器、垃圾焚烧炉二次风预热器、烟气净化塔、布袋除尘器；其中垃圾焚烧炉给水经垃圾焚烧系统给水泵泵入余热锅炉省煤器，吸收烟气热量后变为饱和水，经余热锅炉蒸发器吸收烟气热量后，出口的饱和蒸汽进入燃煤回热系统中的1#高压加热器，与一级抽汽一起作为热源；余热锅炉过热器作为CO₂循环发电系统的高温热源加热器，回热器出口的CO₂循环工质进入余热锅炉过热器吸收垃圾焚烧烟气的热量，余热锅炉过热器出口CO₂循环工质进入CO₂循环发电系统透平；垃圾焚烧炉一次风预热器和垃圾焚烧炉二次风预热器均为两级加热，5#低压加热器出口凝结水作为垃圾焚烧炉一次风预热器和垃圾焚烧炉二次风预热器的第一级加热热源，放热后送回至8#低压加热器入口，2#高压加热器出口给水作为垃圾焚烧炉一次风预热器的第二级热源，放热后送回至燃煤发电系统给水泵入口，3#高压加热器出口给水作为垃圾焚烧炉二次风预热器的第二级热源，放热后送回至燃煤发电系统给水泵入口；余热锅炉出口烟气依次经烟气净化塔与布袋除尘器，后进入烟囱排向大气。

所述燃煤发电系统包括燃煤锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、燃煤发电系统发电机、凝汽器、凝结水泵、8#低压加热器、7#低压加热器、6#低压加热器、5#低压加热器、除氧器、燃煤发电系统给水泵、3#高压加热器、2#高压加热器、1#高压加热器、静电除尘器、脱硫塔、烟囱；其中燃煤锅炉出口过热蒸汽依次进入汽轮机高压缸，汽轮机中压缸膨胀做功，汽轮机中压缸排汽进入燃煤锅炉再热，出口再热蒸汽进入汽轮机低压缸膨胀做功，带动燃煤发电系统发电机发电；汽轮机低压缸排汽进入凝汽器冷凝，凝汽器出口凝结水经凝结水泵加压后，依次经过8#低压加热器、7#低压加热器、6#低压加热器、5#低压加热器吸收热量，汽轮机低压缸抽汽作为低压加热器热源，5#低压加热器出口凝结水进入除氧器，汽轮机中压缸抽汽作为除氧器的热源，出后给水经燃煤发电系统给水泵加压后，依次流经3#高压加热器、2#高压加热器、1#高压加热器，而后进入燃煤锅炉，汽轮机中压缸抽汽作为3#高压加热器的热源，汽轮机高压缸排汽作为2#高压加热器的热源，汽轮机高压缸抽汽与垃圾焚烧炉汽包出口饱和蒸汽作为1#高压加热器的热源；燃煤锅炉出口烟气依次经静电除尘器与脱硫塔，后进入烟囱排向大气。

所述CO₂循环发电系统包括余热锅炉过热器、CO₂循环发电系统透平、CO₂循环发电系统发电机、回热器、预冷器、压缩机；其中余热锅炉过热器出口CO₂循环工质进入CO₂循环发电系统透平膨胀做功，带动CO₂循环发电系统发电机发电；CO₂循环发电系统透平出口超临界CO₂进入回热器释放热量，之后进入预冷器进一步冷却，预冷器出口超临界CO₂进入压缩机加压，而后进入回热器吸收热量，之后进入余热锅炉过热器。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出的与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，是将垃圾焚烧系统、燃煤发电系统和CO₂循环发电系统进行系统集成，该集成系统在垃圾焚烧量与燃煤量不变的情况下，总发电量大于原相互独立的燃煤发电系统与垃圾焚烧发电系统的发电量之和，若将集成系统中燃煤侧的发电量看作不变，则垃圾焚烧侧的发电量增加，即垃圾焚烧所产生的热量得到了高效利用。原垃圾焚烧发电机组效率偏低的主要原因在于，受垃圾焚烧量以及焚烧产生烟气可能造成的高温腐蚀与低温腐蚀的限制，垃圾焚烧炉出口过热蒸汽参数较低，垃圾焚烧汽轮机机组容量较小，效率约为29~30.6%，远低于燃煤汽轮机组可达到的40%，因此将余热锅炉省煤器和余热锅炉蒸发器与燃煤机组回热系统进行耦合，减少了燃煤机组一级抽汽流量，进而增加了发电量。而且，在中等压力（8~20MPa）和中等温度（200℃~650℃）下，超临界CO₂布雷顿循环的效率高于水蒸气朗肯循环。

本实用新型是针对与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，提出了对于现有机组的改造变动以及安全性影响较小的方案，解决了垃圾焚烧发电效率过低的问题，同时减少了垃圾焚烧发电的汽轮机、发电机、烟囱等设备的投资，缩小了占地面积，为如何高效利用垃圾焚烧产生热量提供了更为高效和经济的思路。

附图说明

图1为一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统结构示意图。

图中：1-燃煤锅炉；2-汽轮机高压缸；3-汽轮机中压缸；4-汽轮机低压缸；5-燃煤发电系统发电机；6-凝汽器；7-凝结水泵；8-8#低压加热器；9-7#低压加热器；10-6#低压加热器；11-5#低压加热器；12-除氧器；13-燃煤发电系统给水泵；14-3#高压加热器；15-2#高压加热器；16-1#高压加热器；17-静电除尘器；18-脱硫塔；19-烟囱；20-垃圾焚烧炉；21-余热锅炉；22-余热锅炉蒸发器；23-余热锅炉过热器；24-余热锅炉省煤器；25-垃圾焚烧系统给水泵；26-烟气净化塔；27-布袋除尘器；28-垃圾焚烧炉一次风预热器；29-垃圾焚烧炉二次风预热器；30-CO₂循环发电系统透平；31-CO₂循环发电系统发电机；32-回热器；33-预冷器；34-压缩机。

具体实施方式

本实用新型提供了一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及应用。

图1所示为一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统。

如图1所示，本实用新型提供的与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，是将垃圾焚烧系统、燃煤发电系统和CO₂循环发电系统进行系统集成，利用余热锅炉过热器23加热CO₂循环工质，即作为CO₂循环发电系统的高温热源，同时燃煤发电系统中凝结水泵7出口凝结水用于冷却CO₂循环工质，即作为CO₂循环发电系统的冷源；燃煤发电系统中除氧器12出口部分给水进入余热锅炉省煤器24和余热锅炉蒸发器22吸收垃圾焚烧产生烟气的热量，出口饱和蒸汽与燃煤发电系统的一级抽汽混合作为1#高压加热器16的热源；从燃煤发电系统的回热系统抽取部分给水及凝结水在垃圾焚烧炉一次风预热器28中加热垃圾焚烧炉一次风，垃圾焚烧炉一次风达到设计温度后从炉排下部送入垃圾焚烧炉20用于干燥和助燃；从燃煤发电系统的回热系统抽取部分给水及凝结水在垃圾焚烧炉二次风预热器29中加热垃圾焚烧炉二次风，垃圾焚烧炉二次风达到设计温度后送入垃圾焚烧炉20用于提高燃烧效果及保持燃烧室的温度。

具体地，回热器32出口CO₂循环工质进入余热锅炉过热器23吸收垃圾焚烧产生的烟气热量，余热锅炉过热器23出口的高温高压CO₂循环工质进入CO₂循环发电系统透平30进行膨胀做功，推动CO₂循环发电系统发电机31发电；CO₂循环发电系统透平30出口CO₂循环工质进入回热器32释放热量，而后进入预冷器33进一步冷却，之后进入压缩机34加压，随后进入回热器32吸收热量，由此完成整个超临界CO₂布雷顿循环；燃煤发电系统中凝结水泵7出口凝结水作为冷源进入预冷器33吸收热量，出口凝结水根据温度匹配送至6#低压加热器10的出口，与6#低压加热器10出口凝结水混合进入5#低压加热器11。

具体地，燃煤发电系统中除氧器12出口给水分两路，一路进入燃煤发电系统给水泵13升压，另一路经垃圾焚烧系统给水泵25升压后进入余热锅炉省煤器24吸收垃圾焚烧产生烟气的热量，而后经余热锅炉蒸发器22变为饱和蒸汽后与燃煤发电系统一级抽汽混合共同作为1#高压加热器16的热源。

具体地，5#低压加热器11出口凝结水分两路，一路凝结水进入燃煤锅炉除氧器12，另一路进入垃圾焚烧炉一次风预热器28与垃圾焚烧炉二次风预热器29的第一级放热，放热后凝结水送至8#低压加热器8入口；2#高压加热器15出口部分给水进入垃圾焚烧炉一次风预热器28的第二级放热，给水达到设计温度后打到燃煤发电系统给水泵13出口，而后依次进入高压加热器加热；3#高压加热器14出口部分给水进入垃圾焚烧炉二次风预热器29的第二级放热，给水达到设计温度后送至燃煤发电系统给水泵13出口，而后依次进入高压加热器加热。

具体地，垃圾焚烧炉20出口烟气流入余热锅炉21，依次流经余热锅炉蒸发器22，余热锅炉过热器23和余热锅炉省煤器24，而后依次经烟气净化塔26与布袋除尘器27，后进入烟囱19排向大气；燃煤锅炉1出口烟气依次经静电除尘器17与脱硫塔18，后进入烟囱19排向大气。

下面结合算例，对实用新型的效果进行说明。

将机组容量为300MW的燃煤发电系统发电机组与日处理垃圾量为500t/d的垃圾焚烧炉结合起来，图1为与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统的结构示意图。以THA工况为参比系统，对图1所述实施例进行模拟，在燃煤发电功率基本保持不变的情况下，与常规同规模的垃圾焚烧发电站相比，集成发电系统将垃圾焚烧炉的烟气能量利用率提高了10%左右。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，可对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims

1.一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是：包括垃圾焚烧系统、燃煤发电系统和CO₂循环发电系统；燃煤锅炉（1）主蒸汽出口与汽轮机高压缸（2）入口连接，汽轮机高压缸（2）、汽轮机中压缸（3）、汽轮机低压缸（4）和燃煤发电系统发电机（5）同轴依次连接，汽轮机低压缸（4）乏汽经凝汽器（6）冷凝后通过凝结水泵（7）与燃煤回热系统相连，燃煤回热系统中1#高压加热器（16）、2#高压加热器（15）、3#高压加热器（14）、燃煤发电系统给水泵（13）、除氧器（12）、5#低压加热器（11）、6#低压加热器（10）、7#低压加热器（9）、8#低压加热器（8）、凝结水泵（7）依次连接，1#高压加热器（16）蒸汽入口与汽轮机高压缸（2）和余热锅炉蒸发器（22）相连，2#高压加热器（15）蒸汽入口与汽轮机高压缸（2）相连，3#高压加热器（14）蒸汽入口与除氧器（12）与汽轮机中压缸（3）相连，5#低压加热器（11）、6#低压加热器（10）、7#低压加热器（9）与8#低压加热器（8）蒸汽入口与汽轮机低压缸（4）相连，1#高压加热器（16）出口给水进入燃煤锅炉（1），各回热加热器疏水逐级自流进入下一级加热器；除氧器（12）与燃煤发电系统给水泵（13）和垃圾焚烧系统给水泵（25）分别相连，垃圾焚烧系统给水泵（25）出口经余热锅炉省煤器（24）与余热锅炉蒸发器（22），1#高压加热器（16）蒸汽入口依次连接；垃圾焚烧炉一次风预热器（28）和垃圾焚烧炉二次风预热器（29）的第一级均由燃煤发电系统的凝结水加热，第二级均由燃煤发电系统的给水加热；回热器（32）出口与余热锅炉过热器（23），CO₂循环发电系统透平（30），CO₂循环发电系统发电机（31）依次连接，CO₂循环发电系统透平（30）出口与回热器（32），预冷器（33），压缩机（34），回热器（32）依次连接；脱硫塔（18）与布袋除尘器（27）出口均与烟囱（19）的入口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是回热器（32）出口与余热锅炉过热器（23）入口相连，余热锅炉过热器（23）出口与CO₂循环发电系统透平（30）入口相连。

3.根据权利要求1所述的一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是预冷器（33）冷端入口与凝结水泵（7）出口相连，预冷器（33）冷端出口与5#低压加热器（11）入口相连。

4.根据权利要求1所述的一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是除氧器（12）出口分别与燃煤发电系统给水泵（13）和垃圾焚烧系统给水泵（25）相连，垃圾焚烧系统给水泵（25）与余热锅炉省煤器（24），余热锅炉蒸发器（22），1#高压加热器（16）蒸汽入口依次串联。

5.根据权利要求1所述的一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是垃圾焚烧炉一次风预热器（28）和垃圾焚烧炉二次风预热器（29）均分两级加热，第一级加热入口均与5#低压加热器（11）出口相连，第一级加热出口均与凝结水泵（7）出口相连，垃圾焚烧炉一次风预热器（28）的第二级加热入口与2#高压加热器（15）出口相连，第二级加热出口与3#高压加热器（14）入口相连，垃圾焚烧炉二次风预热器（29）的第二级加热入口与3#高压加热器（14）出口相连，第二级加热出口与3#高压加热器（14）入口相连。

6.根据权利要求1所述的一种与CO₂循环和燃煤电站耦合的垃圾焚烧发电系统，其特征是燃煤锅（1）出口烟气依次经过静电除尘器（17），脱硫塔（18）后进入烟囱（19）排出；余热锅炉（21）出口烟气依次经烟气净化塔（26），布袋除尘器（27）后与燃煤锅炉（1）的烟气混合后进入烟囱（19）排出。