一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了属于高效发电设备领域的一种高效换热的增压流化床锅炉S‑CO2循环发电系统及方法。该系统由增压锅炉系统、余热回收系统、一次再热再压缩循环系统组成，三个系统共同作用将煤燃烧产生的热量高效的转化为功。增压锅炉系统、尾部烟道系统的炉膛、尾部烟道内为可达1‑2MPa的高压状态。同时为了保证尾部烟道内烟气的热量被过热器、再热器内的CO2工质充分吸收，本发明专利技术中的过热器、再热器采用紧凑式换热器。所述余热回收系统的特点是烟气在烟气透平中做功，烟气透平出口烟气达到120℃左右。该发电系统解决了S‑CO2循环应用于燃煤发电领域面临的锅炉尺寸问题，在降低了锅炉尺寸的同时发挥了S‑CO2循环高效、简单、小巧的优势。

A S-CO2 circulating power generation system and method for pressurized fluidized bed boiler with high heat exchange efficiency

The invention discloses a pressurized fluidized bed boiler S_CO2 circulating power generation system and a method for high-efficiency heat transfer, belonging to the field of high-efficiency power generation equipment. The system consists of a pressurized boiler system, a waste heat recovery system and a reheat and recompression cycle system. The three systems work together to convert the heat generated by coal combustion into work efficiently. The supercharged boiler system, the flue system at the tail of the furnace, the flue system at the tail of the high-pressure state up to 1_2 MPa. At the same time, in order to ensure that the heat of the flue gas in the tail flue is fully absorbed by the CO2 working medium in the superheater and reheater, the superheater and Reheater in the invention adopt a compact heat exchanger. The characteristics of the waste heat recovery system are that the flue gas works in the flue gas turbine, and the flue gas at the outlet of the flue gas turbine reaches about 120 C. This power generation system solves the boiler size problem faced by the application of S_CO2 cycle in coal-fired power generation field. It not only reduces the boiler size, but also gives full play to the advantages of S_CO2 cycle such as high efficiency, simplicity and compactness.

【技术实现步骤摘要】
一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统及方法
本专利技术属于高效发电设备领域，具体涉及一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统及方法。技术背景超临界二氧化碳布雷顿循环(S-CO2循环)近年来在钠冷快堆发电、塔式太阳能光热发电、燃气轮机烟气余热利用等领域进行了较为广泛的研究。在水蒸气朗肯循环相关技术较为成熟的条件下进行这项研究是因为相比于水蒸气朗肯循环S-CO2循环能够提供一些非常有吸引力的优势。例如在相同的透平入口温度下，S-CO2循环相比于水蒸气朗肯循环在中等温区(550℃-700℃)能够有更高的效率。此外CO2化学性质不活泼，是一种性质很稳定的物质，故有可能使得CO2与管壁的腐蚀减弱。所以相比于水蒸气朗肯循环，在相同材料条件下，S-CO2循环的透平入口温度可能进一步提高，进而提升循环效率。所以S-CO2循环在效率提升方面有更高的潜力。目前燃煤发电为世界提供稳定、充足的电力供应，燃煤发电占全球发电总量的39.3％，根据英国石油公司统计，煤炭的使用还可持续153年，远高于石油和天然气。虽然资源、环境、气候变化的压力使得燃煤发电面临着挑战，但燃煤发电在各类发电技术中占主导地位的现状在短期、中期仍然不会改变。所以探索和推广高效清洁的燃煤发电技术仍然具有重要意义。将S-CO2循环应用于燃煤发电领域是对燃煤发电技术的新的探索。但是，S-CO2布雷顿循环与水蒸气朗肯循环相比，由于CO2工质在锅炉入口处的温度高，故在相同的主汽温度条件下，CO2工质在锅炉内的温升小，且由于CO2与水的物理性质上的差异，在锅炉中CO2比热容比水的比热容小，故根据Q＝cmΔt可知，若吸收相同热量，S-CO2循环的质量流量较大，对于相同容量的机组，S-CO2机组的质量流量要比水机组大6-8倍。质量流量的增大使得锅炉内部件的压降增大，影响机组的热效率。若增加管束以降低工质的质量流速，则将增大锅炉尺寸，锅炉尺寸的增大一方面难以保证锅炉的稳定燃烧，另一方面使得锅炉造价提高。故合理的减小锅炉尺寸是S-CO2循环应用于燃煤发电领域的一个关键问题。增压流化床锅炉(PFBC)在上世纪60年代开始研究，在90年代便已发展到了商业示范阶段，其部分关键技术已经相对成熟。该锅炉的一个特点是炉膛内为高压状态，通常可达1-2MPa，炉膛为高压态使得该锅炉体积减小。虽然炉膛的高压态提高了锅炉体积缩小的潜力，但要将炉内煤燃烧产生的热量被S-CO2循环充分吸收，则需要换热器具有较高的换热效率，这样才可以保证在炉膛体积缩小的同时使得烟气热量充分传递给CO2工质。目前紧凑式换热器(板翅式换热器、印刷电路板换热器等)在能源动力、化工等领域都有成功应用，故将此类换热器引入增压流化床锅炉中可以在降低锅炉体积的同时，使得炉内热量被S-CO2循环充分吸收。针对S-CO2循环应用于燃煤发电领域面临的锅炉尺寸问题，本专利技术首次提出了一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统，该方案能够降低锅炉尺寸，同时发挥S-CO2循环高效、简单、小巧的优势。
技术实现思路
根据
技术介绍
中所提到的问题，本专利技术提供了一种适用于燃煤发电领域的一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统，包括：尾部烟道、烟气出口、增压锅炉系统、余热回收系统和一次再热再压缩循环系统，其中增压锅炉系统的烟气出口顺序与尾部烟道和烟气出口相连，一次再热再压缩循环系统中的过热器和再热器安装于尾部烟道内；余热回收系统设置于烟气出口外；过热器的工质入口与所述增压锅炉系统的CO2工质出口相连，一次再热再压缩循环系统的CO2工质出口与所述增压锅炉系统的CO2工质入口相连；煤在增压锅炉系统内燃烧产热，携带热量的高温烟气进入尾部烟道后由烟气出口排出至余热回收系统，烟气中的热量被一次再热再压缩循环系统吸收后被余热回收系统吸收，一次再热再压缩循环系统中的CO2工质先后在增压锅炉系统和尾部烟道中吸收热量。所述增压锅炉系统中，增压罐包围在增压锅炉系统的其余各部件外，空气布风板的入口为增压锅炉系统的空气入口，床料贮存器与炉膛相连，第一煤仓和第二煤仓分别通过第一加煤喷射器和第二加煤喷射器与炉膛相连，第一脱硫剂仓和第二脱硫剂仓分别通过第一加料喷射器和第二加料喷射器与炉膛相连，排灰管安装于炉膛的底部并伸出增压罐的底部外；CO2工质换热器设置于炉膛的下半部内，CO2工质换热器内的CO2工质吸收用于吸收燃烧产生的热量，CO2工质换热器的入口为增压锅炉系统的CO2工质入口，CO2工质换热器的出口为增压锅炉系统的CO2工质出口；第一一级高效旋风分离器和第二一级高效旋风分离器的中部分别与炉膛的上部相连，第一一级高效旋风分离器的底部出口和第二一级高效旋风分离器的底部出口分别通过第一一级返料管和第二一级返料管与炉膛相连；第一一级高效旋风分离器的顶部出口和第二一级高效旋风分离器的顶部出口分别与第一二级高效旋风分离器的中部和第二二级高效旋风分离器的中部相连；第一二级高效旋风分离器的底部出口和第二二级高效旋风分离器的底部出口分别通过第一二级返料管和第二二级返料管与炉膛相连，第一二级高效旋风分离器的顶部出口和第二二级高效旋风分离器的顶部出口汇合后成为增压锅炉系统的烟气出口。所述余热回收系统包括：主轴相连的烟气透平和空气压缩机；其中烟气透平的出口与自然环境相连，烟气透平的入口为余热回收系统的烟气侧入口；空气压缩机的出口为余热回收系统的空气侧出口，空气压缩机的入口与自然环境相连；所述余热回收系统的烟气侧入口与烟气出口相连，余热回收系统的空气侧出口与增压锅炉系统的空气入口相连；烟气透平将高压烟气能量转化为功，并驱动空气压缩机压缩空气。所述烟气透平出口的烟气温度为115℃～130℃所述一次再热再压缩循环系统包括：冷却器、第一压缩机、低温回热器、第二压缩机分流阀门、第二压缩机、高温回热器、第一透平和第二透平；所述过热器的CO2工质出口、第一透平的入出口和再热器的CO2工质入出口、第二透平的入出口、高温回热器低压侧的入出口与低温回热器低压侧的入口顺序相连；低温回热器低压侧的出口分别与冷却器与第二压缩机分流阀门相连，冷却器的出口、第一压缩机的入出口与低温回热器高压侧的入口顺序相连，第二压缩机分流阀门与第二压缩机的入口相连，低温回热器高压侧的出口与第二压缩机的出口汇合后和高温回热器高压侧的入口相连，高温回热器的高压侧出口为一次再热再压缩循环系统的CO2工质出口。所述过热器和所述再热器为紧凑式换热器，减少了尾部烟道的体积。一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统的高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电方法，其特征在于，超临界二氧化碳工质的工作流程如下所述：超临界二氧化碳工质在低温回热器低压侧工质管道的出口分流，其中一路流经冷却器，冷却后的CO2工质进入第一压缩机，在第一压缩机内压缩后进入低温回热器的高压侧，在低温回热器的高压侧内与低温侧CO2工质换热，另一路在流经第二压缩机分流阀门后进入第二压缩机，在第二压缩机内压缩后与低温回热器的高压侧出口工质汇合，汇合后的工质进入高温回热器的高压侧，随后工质进入CO2工质换热器，在CO2工质换热器内吸收煤燃烧产生的热量后进入过热器，在过热器内CO2工质吸收烟气中的热量后进入第一透平，在第一透平内做功后进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效换热的增压流化床锅炉S‑CO2循环发电系统，其特征在于，包括：尾部烟道(23)、烟气出口(26)、增压锅炉系统(100)、余热回收系统(300)和一次再热再压缩循环系统(400)，其中增压锅炉系统(100)的烟气出口顺序与尾部烟道(23)和烟气出口(26)相连，一次再热再压缩循环系统(400)中的过热器(424)和再热器(425)安装于尾部烟道(23)内；余热回收系统(300)设置于烟气出口(26)外；过热器(424)的工质入口与所述增压锅炉系统(100)的CO2工质出口相连，一次再热再压缩循环系统(400)的CO2工质出口与所述增压锅炉系统(100)的CO2工质入口相连；煤在增压锅炉系统(100)内燃烧产热，携带热量的高温烟气进入尾部烟道(23)后由烟气出口(26)排出至余热回收系统(300)，烟气中的热量被一次再热再压缩循环系统(400)吸收后被余热回收系统(300)吸收，一次再热再压缩循环系统(400)中的CO2工质先后在增压锅炉系统(100)和尾部烟道(23)中吸收热量。

【技术特征摘要】
1.一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统，其特征在于，包括：尾部烟道(23)、烟气出口(26)、增压锅炉系统(100)、余热回收系统(300)和一次再热再压缩循环系统(400)，其中增压锅炉系统(100)的烟气出口顺序与尾部烟道(23)和烟气出口(26)相连，一次再热再压缩循环系统(400)中的过热器(424)和再热器(425)安装于尾部烟道(23)内；余热回收系统(300)设置于烟气出口(26)外；过热器(424)的工质入口与所述增压锅炉系统(100)的CO2工质出口相连，一次再热再压缩循环系统(400)的CO2工质出口与所述增压锅炉系统(100)的CO2工质入口相连；煤在增压锅炉系统(100)内燃烧产热，携带热量的高温烟气进入尾部烟道(23)后由烟气出口(26)排出至余热回收系统(300)，烟气中的热量被一次再热再压缩循环系统(400)吸收后被余热回收系统(300)吸收，一次再热再压缩循环系统(400)中的CO2工质先后在增压锅炉系统(100)和尾部烟道(23)中吸收热量。2.根据权利要求1所述的一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统，其特征在于，所述增压锅炉系统(100)中，增压罐(1)包围在增压锅炉系统(100)的其余各部件外，空气布风板(4)的入口为增压锅炉系统(100)的空气入口，床料贮存器(2)与炉膛(3)相连，第一煤仓(5)和第二煤仓(9)分别通过第一加煤喷射器(6)和第二加煤喷射器(10)与炉膛(3)相连，第一脱硫剂仓(7)和第二脱硫剂仓(11)分别通过第一加料喷射器(8)和第二加料喷射器(12)与炉膛(3)相连，排灰管(13)安装于炉膛(3)的底部并伸出增压罐(1)的底部外；CO2工质换热器(14)设置于炉膛(3)的下半部内，CO2工质换热器(14)内的CO2工质吸收用于吸收燃烧产生的热量，CO2工质换热器(14)的入口为增压锅炉系统(100)的CO2工质入口，CO2工质换热器(14)的出口为增压锅炉系统(100)的CO2工质出口；第一一级高效旋风分离器(15)和第二一级高效旋风分离器(19)的中部分别与炉膛(3)的上部相连，第一一级高效旋风分离器(15)的底部出口和第二一级高效旋风分离器(19)的底部出口分别通过第一一级返料管(16)和第二一级返料管(20)与炉膛(3)相连；第一一级高效旋风分离器(15)的顶部出口和第二一级高效旋风分离器(19)的顶部出口分别与第一二级高效旋风分离器(17)的中部和第二二级高效旋风分离器(21)的中部相连；第一二级高效旋风分离器(17)的底部出口和第二二级高效旋风分离器(21)的底部出口分别通过第一二级返料管(18)和第二二级返料管(22)与炉膛(3)相连，第一二级高效旋风分离器(17)的顶部出口和第二二级高效旋风分离器(21)的顶部出口汇合后成为增压锅炉系统(100)的烟气出口。3.根据权利要求1所述的一种高效换热的增压流化床锅炉S-CO2循环发电系统，其特征在于，所述余热回收系统(300)包括：主轴相连的烟气透平(327)和空气压缩机(328)；其中烟气透平(327)的出口与自然环境相连，烟气透平(327)的入口为余热回收系统(300)的烟气侧入口；空气压缩机(328)的出口为余热回收系统(300)的空气侧出口，空气压缩机(328...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙恩慧，徐进良，雷蕾，胡涵，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11