WO2022156218A1 - 一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉 - Google Patents

一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉 Download PDF

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Abstract

一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，包括炉膛、水平烟道及尾部竖直烟道，炉膛的烟气出口与水平烟道与尾部竖直烟道相连通，炉膛内设置有气冷壁(2)，水平烟道内沿烟气流动方向依次设置有屏式CO2过热器(5)、高温CO2过热器(6)及高温CO2再热器(9)，尾部竖直烟道内自上到下依次设置有低温CO2再热器(8)、低温CO2过热器(4)、过热器(15)、水冷壁(13)及省煤器(12)，其中，气冷壁(2)、低温CO2过热器(4)、屏式CO2过热器(5)、高温CO2过热器(6)、低温CO2再热器(8)及高温CO2再热器(9)内流通的工质为二氧化碳，省煤器(12)及水冷壁(13)内流通的工质为水，过热器(15)内流通的工质为水蒸气。

Description

一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉 技术领域
本发明属于火电厂锅炉技术领域，涉及一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉。
背景技术
现代燃煤电厂的发电工艺都是基于蒸汽朗肯循环。朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机中膨胀作功(带动发电机发电)，作功后的低压蒸汽进入冷凝器，被冷却凝结成水。再回到水泵中，从而完成一个做功循环。
超临界二氧化碳(S-CO 2)发电系统是一种以超临界状态的CO 2为工质的布雷顿循环系统，其循环过程是：首先，S-CO 2经过压缩机升压；然后，利用外源加热器将S-CO 2工质等压加热；其次，工质进入涡轮机，推动涡轮做功，涡轮带动电机发电；最后，S-CO 2工质进入冷却器，恢复到初始状态。再进入压缩机，就形成一个闭式循环。
二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时(即CO 2的临界点)，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。相比于水373.95℃/22.04MPa的临界值，较低的能耗就能使CO 2达到临界态，利 用它作为循环工质，能够有效提高机组的发电效率，因而超临界二氧化碳循环发电技术有着光明的发展前景。
然后，在设计与模拟计算中，发现超临界二氧化碳锅炉存在以下问题：
由于现有的超临界CO 2循环发电系统中设计有高/低温回热器，CO 2进入锅炉前受到它们的预热，温度高达500℃。相比于水蒸气锅炉平均300℃的给水温度，二氧化碳锅炉入口工质温度高了近200℃。较高温度的CO 2进入锅炉后，只能吸收比它温度更高的烟气的热量，而对于温度低于500℃的烟气，其对高温CO 2将失去加热作用。尾部烟道低温烟气无法被吸收，蕴含的热量只能排放大气。这必然会带来巨大的排烟损失，严重降低锅炉的热效率。
如何克服超临界CO 2工质温度高，尾部低温烟气热量吸收的困难，是设计具有实用前景的超临界二氧化碳锅炉不得不考虑的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，该锅炉能够克服超临界CO 2工质温度高、尾部低温烟气热量吸收困难的确定。
为达到上述目的，本发明所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉包括炉膛、水平烟道及尾部竖直烟道；
炉膛的烟气出口与水平烟道与尾部竖直烟道相连通，炉膛内设置有气冷壁，水平烟道内沿烟气流动方向依次设置有屏式CO 2过热器、高温CO 2过热器及高温CO 2再热器，尾部竖直烟道内自上到下依次设置有低 温CO 2再热器、低温CO 2过热器、过热器、水冷壁及省煤器，其中，气冷壁、低温CO 2过热器、屏式CO 2过热器、高温CO 2过热器、低温CO 2再热器及高温CO 2再热器内流通的工质为二氧化碳，省煤器及水冷壁内流通的工质为水，过热器内流通的工质为水蒸气。
外界的压缩机出口依次经气冷壁、低温CO 2过热器、屏式CO 2过热器、高温CO 2过热器、外界的高压透平、低温CO 2再热器、高温CO 2再热器及外界的低压透平与外界的压缩机入口相连通。
外界给水泵的出口经省煤器及水冷壁与外界汽包的入口相连通，外界汽包的蒸汽出口经过热器与外界背压机的入口相连通。
还包括气冷壁入口集箱，其中，外界的压缩机出口经气冷壁入口集箱与气冷壁相连通。
还包括气冷壁出口集箱，气冷壁经气冷壁出口集箱与低温CO 2过热器相连通。
还包括省煤器入口集箱，其中，外界给水泵的出口经省煤器入口集箱与省煤器相连通。
外界汽包的出水口连接有锅炉疏水管道。
尾部竖直烟道的出口连接有烟囱。
外界背压机的排汽口连通有工业供汽管道。
水冷壁采用螺旋式结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉在具体操作时，采用水蒸气及二氧化碳这两种工质，即气冷壁、低温CO 2过热器、 屏式CO 2过热器、高温CO 2过热器、低温CO 2再热器及高温CO 2再热器内流通的工质为二氧化碳；省煤器及水冷壁内流通的工质为水，过热器内流通的工质为水蒸气，即利用CO 2吸收高中温烟气的热量，利用水蒸气吸收尾部烟道低温烟气的热量，彻底解决超临界二氧化碳锅炉入口工质温度高、尾部低温烟气热量难吸收的问题，显著提高S-CO 2锅炉的效率，最终有效提高机组的发电效率。
附图说明
图1为本发明的原理图。
其中，1为气冷壁入口集箱、2为气冷壁、3为气冷壁出口集箱、4为低温CO 2过热器、5为屏式CO 2过热器、6为高温CO 2过热器、7为高压透平、8为低温CO 2再热器、9为高温CO 2再热器、10为低压透平、11为省煤器入口集箱、12为省煤器、13为水冷壁、14为汽包、15为过热器、16为背压机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉包括炉膛、水平烟道及尾部竖直烟道；炉膛的烟气出口与水平烟道与尾部竖直烟道相连通，炉膛内设置有气冷壁2，水平烟道内沿烟气流动方向依次设置有屏式CO 2过热器5、高温CO 2过热器6及高温CO 2再热器9，尾部竖直烟道内自上到下依次设置有低温CO 2再热器8、低温CO 2过热器4、过热器15、水冷壁13及省煤器12，其中，气冷壁2、低温CO 2过热器4、屏式CO 2过热器5、高温CO 2过热器6、低温CO 2再热器8 及高温CO 2再热器9内流通的工质为二氧化碳，省煤器12及水冷壁13内流通的工质为水，过热器15内流通的工质为水蒸气。
外界的压缩机出口依次经气冷壁2、低温CO 2过热器4、屏式CO 2过热器5、高温CO 2过热器6、外界的高压透平7、低温CO 2再热器8、高温CO 2再热器9及外界的低压透平10与外界的压缩机入口相连通。
外界给水泵的出口经省煤器12及水冷壁13与外界汽包14的入口相连通，外界汽包14的蒸汽出口经过热器15与外界背压机16的入口相连通。
本发明还包括气冷壁入口集箱1，其中，外界的压缩机出口经气冷壁入口集箱1与气冷壁2相连通。
本发明还包括气冷壁出口集箱3，气冷壁2经气冷壁出口集箱3与低温CO 2过热器4相连通。
本发明还包括省煤器入口集箱11，其中，外界给水泵的出口经省煤器入口集箱11与省煤器12相连通。
外界汽包14的出水口连接有锅炉疏水管道；尾部竖直烟道的出口连接有烟囱；外界背压机16的排汽口连通有工业供汽管道；水冷壁13采用螺旋式结构。
本发明的具体工作过程为：
本发明的2套受热面共享1个炉膛及烟道，燃料在炉膛中燃烧放热，压缩机输出的CO 2气体经气冷壁入口集箱1进入气冷壁2中，以辐射方式吸收炉膛火焰中心区域的高温(＞1000℃)烟气热量，然后依次经低温CO 2过热器4、屏式CO 2过热器5及高温CO 2过热器6继续吸热，最 终达到额定参数，然后送入高压透平7中膨胀做功，以带动叶轮旋转，并驱动发电机发电，高压透平7排出的乏气依次经低温CO 2再热器8及高温CO 2再热器9吸收热量，然后送入低压透平10中膨胀做功，以带动叶轮旋转，继而驱动发电机发电，低压透平10排出的乏气进入到压缩机中，准备进行下一次循环。
炉膛排出的烟气依次经屏式CO 2过热器5、高温CO 2过热器6、高温CO 2再热器9、低温CO 2再热器8及低温CO 2过热器4换热降温至600℃以下后进入到尾部竖直烟道内，再在尾部竖直烟道内，通过过热器15换热降温、水冷壁13换热降温及省煤器12换热降温至350℃左右后排出。
给水泵输出的锅炉给水经省煤器入口集箱11进入到省煤器12中进行换热预热，再进入到水冷壁13中进行吸收热量，其中，考虑到水动力工况的稳定性，水冷壁13采用螺旋式结构，水冷壁13输出的热水进入到汽包14中进行汽水分离，其中，分离出来的湿蒸气进入过热器15中继续加热成过热蒸汽，然后送入背压机16中做功，背压机16排出的尾汽输入至工业供汽系统中，为热用户提供生产用高温蒸汽，汽包14分离出来的水作为锅炉疏水输出。

Claims (10)

  1. 一种具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，包括炉膛、水平烟道及尾部竖直烟道；
    炉膛的烟气出口与水平烟道与尾部竖直烟道相连通，炉膛内设置有气冷壁(2)，水平烟道内沿烟气流动方向依次设置有屏式CO 2过热器(5)、高温CO 2过热器(6)及高温CO 2再热器(9)，尾部竖直烟道内自上到下依次设置有低温CO 2再热器(8)、低温CO 2过热器(4)、过热器(15)、水冷壁(13)及省煤器(12)，其中，气冷壁(2)、低温CO 2过热器(4)、屏式CO 2过热器(5)、高温CO 2过热器(6)、低温CO 2再热器(8)及高温CO 2再热器(9)内流通的工质为二氧化碳，省煤器(12)及水冷壁(13)内流通的工质为水，过热器(15)内流通的工质为水蒸气。
  2. 根据权利要求1所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，外界的压缩机出口依次经气冷壁(2)、低温CO 2过热器(4)、屏式CO 2过热器(5)、高温CO 2过热器(6)、外界的高压透平(7)、低温CO 2再热器(8)、高温CO 2再热器(9)及外界的低压透平(10)与外界的压缩机入口相连通。
  3. 根据权利要求1所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，外界给水泵的出口经省煤器(12)及水冷壁(13)与外界汽包(14)的入口相连通，外界汽包(14)的蒸汽出口经过热器(15)与外界背压机(16)的入口相连通。
  4. 根据权利要求2所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，还包括气冷壁入口集箱(1)，其中，外界的压缩机出口经气冷壁入口集箱(1)与气冷壁(2)相连通。
  5. 根据权利要求2所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉， 其特征在于，还包括气冷壁出口集箱(3)，气冷壁(2)经气冷壁出口集箱(3)与低温CO 2过热器(4)相连通。
  6. 根据权利要求3所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，还包括省煤器入口集箱(11)，其中，外界给水泵的出口经省煤器入口集箱(11)与省煤器(12)相连通。
  7. 根据权利要求1所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，外界汽包(14)的出水口连接有锅炉疏水管道。
  8. 根据权利要求1所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，尾部竖直烟道的出口连接有烟囱。
  9. 根据权利要求1所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，外界背压机(16)的排汽口连通有工业供汽管道。
  10. 根据权利要求1所述的具有双工质的高效超临界二氧化碳锅炉，其特征在于，水冷壁(13)采用螺旋式结构。
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