本發(fā)明屬于高效火力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超臨界二氧化碳循環(huán)流化床鍋爐加熱系統(tǒng)及加熱方法。

背景技術(shù)：

動(dòng)力循環(huán)是火力發(fā)電機(jī)組的核心和基礎(chǔ)，提高循環(huán)效率是電力行業(yè)追求的永恒目標(biāo)。常規(guī)火電機(jī)組多采用蒸汽朗肯循環(huán)，其效率的關(guān)鍵決定因素是主蒸汽參數(shù)，目前最先進(jìn)的700℃超超臨界機(jī)組效率理論上可突破50％。然而，受現(xiàn)有材料和工藝制約，蒸汽參數(shù)提高有其極限且成本高昂。如何在現(xiàn)有技術(shù)水平基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)技術(shù)的創(chuàng)新和突破，對(duì)于我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展和清潔化轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實(shí)與長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外能源動(dòng)力界在新型動(dòng)力循環(huán)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，其中又以超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)備受重視。該技術(shù)能夠在較低的溫度下達(dá)到與蒸汽朗肯循環(huán)相同的熱效率，機(jī)組占地面積小、比造價(jià)低且實(shí)現(xiàn)了二氧化碳資源化利用，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。然而，從目前公開(kāi)的文獻(xiàn)看，對(duì)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究主要面向核能、太陽(yáng)能及工業(yè)余熱，鮮有針對(duì)煤炭、生物質(zhì)等固體能源的火力發(fā)電系統(tǒng)的報(bào)道。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，同時(shí)我國(guó)又是生物質(zhì)資源大國(guó)，因而開(kāi)發(fā)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)符合我國(guó)國(guó)情，市場(chǎng)前景廣闊。

鍋爐是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備之一。對(duì)于小容量(<100mw)火力發(fā)電系統(tǒng)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)適合采用無(wú)再熱的再壓縮循環(huán)流程，此條件下，超臨界二氧化碳鍋爐在設(shè)計(jì)中面臨諸多障礙：首先，二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，吸熱過(guò)程不發(fā)生相變，尾部煙道中無(wú)需布置省煤器；其次，循環(huán)大量回?zé)崆也捎玫蛪罕龋R界二氧化碳在鍋爐內(nèi)溫升小(約150℃)但流量遠(yuǎn)高于同熱負(fù)荷下蒸汽鍋爐，使得過(guò)熱器布置難度增加；再次，進(jìn)入鍋爐的超臨界二氧化碳溫度較高(>400℃)，且比熱小于水蒸氣，使得爐膛內(nèi)輻射受熱面管壁易超溫，也使得排煙溫度較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種超臨界二氧化碳循環(huán)流化床鍋爐加熱系統(tǒng)及加熱方法。該鍋爐加熱系統(tǒng)可以用于小容量超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，具有較高熱效率、較低氮氧化物排放的優(yōu)勢(shì)，并能克服爐膛受熱面管壁超溫和受熱面布置空間不足等問(wèn)題。

為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種超臨界二氧化碳循環(huán)流化床鍋爐加熱系統(tǒng)，包括鍋爐、螺旋管圈過(guò)熱器、分離器、煙道和對(duì)流過(guò)熱器，其中，所述螺旋管圈過(guò)熱器安裝在鍋爐的爐膛內(nèi)部，其為螺旋管圈結(jié)構(gòu)，螺栓管圈提供超臨界二氧化碳流通通道；

所述對(duì)流過(guò)熱器安裝在煙道的內(nèi)部，提供超臨界二氧化碳流通通道；

爐膛的上端與分離器的進(jìn)口連通，分離器的煙氣出口與所述煙道的一端連通，分離器的固體顆粒出口通過(guò)返料閥與鍋爐的爐膛連通；

螺旋管圈過(guò)熱器與對(duì)流過(guò)熱器并聯(lián)或串聯(lián)設(shè)置。

爐膛內(nèi)的過(guò)熱器采用螺旋管圈結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水冷壁結(jié)構(gòu)，與對(duì)流過(guò)熱器并聯(lián)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器中的超臨界二氧化碳的流量比，可有效避免對(duì)流過(guò)熱器煙氣出口溫度過(guò)高和超臨界二氧化碳流量大、進(jìn)出口溫差小造成的換熱面布置難題，同時(shí)還可節(jié)省省煤器使流程簡(jiǎn)化。

螺旋管圈過(guò)熱器與對(duì)流過(guò)熱器串聯(lián)時(shí)，低溫超臨界二氧化碳首先進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器，爐膛受熱面平均溫度低，可降低其非相變換熱帶來(lái)的管壁超溫風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)采用對(duì)流過(guò)熱器，利用煙道中的煙氣對(duì)超臨界二氧化碳加熱，增加了受熱面，可以解決爐膛內(nèi)受熱面布置空間不足的問(wèn)題。

利用分離器對(duì)煙氣進(jìn)行氣固分離，并利用固體顆粒對(duì)外置再熱器中的超臨界二氧化碳進(jìn)行加熱，回收了煙氣中固體顆粒的熱量，提高了能量的利用率。

進(jìn)一步的，所述分離器為旋風(fēng)分離器。

旋風(fēng)分離器是利用離心力分離氣流中固體顆粒或液滴的設(shè)備。

更進(jìn)一步的，螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器串聯(lián)時(shí)，在對(duì)流過(guò)熱器的下游安裝有省煤器。

再進(jìn)一步的，省煤器中的超臨界二氧化碳的流向與煙氣流向相反。

更進(jìn)一步的，所述省煤器的下游設(shè)置有一級(jí)空氣預(yù)熱器。

再進(jìn)一步的，所述一級(jí)空氣預(yù)熱器的下游設(shè)置有二級(jí)空氣預(yù)熱器。

更進(jìn)一步的，所述一級(jí)空氣預(yù)熱器與省煤器之間設(shè)置有與鍋爐的爐腔連通的再循環(huán)煙道，再循環(huán)煙道上設(shè)置有風(fēng)機(jī)。

通過(guò)風(fēng)機(jī)將煙道中的部分煙氣引入鍋爐的爐腔內(nèi)，使部分煙氣再循環(huán)，可以降低爐膛內(nèi)的氧氣的濃度，能有效減少氮氧化物的生成。同時(shí)尾部煙氣的流量增加，有利于強(qiáng)化煙氣側(cè)換熱，減少對(duì)流受熱面換熱面積。

利用所述超臨界二氧化碳循環(huán)流化床鍋爐加熱系統(tǒng)對(duì)超臨界二氧化碳加熱的方法，包括如下步驟：

螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器采用并聯(lián)或串聯(lián)方式工作：

并聯(lián)時(shí)：超臨界二氧化碳分為兩路，分別進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器，進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器的一路超臨界二氧化碳與爐膛中煙氣和固體顆粒的混合物換熱，進(jìn)入對(duì)流過(guò)熱器的一路超臨界二氧化碳與煙道中的煙氣換熱，兩路超臨界二氧化碳在螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器的出口匯合后送入透平。

串聯(lián)時(shí)：超臨界二氧化碳依次進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器進(jìn)行換熱，對(duì)流過(guò)熱器出口的超臨界二氧化碳送入透平。

透平出口的超臨界二氧化碳依次進(jìn)入高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鞯牡蛪簜?cè)被冷卻，高溫回?zé)崞鞒隹诘某R界二氧化碳分為兩路，一路經(jīng)冷卻器進(jìn)一步冷卻后進(jìn)入主壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后進(jìn)入低溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)，另一路進(jìn)入再壓壓縮機(jī)被壓縮，兩路在高溫回?zé)崞髑皡R合后進(jìn)入高溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)被加熱。進(jìn)入省煤器的超臨界二氧化碳從主壓縮機(jī)后引出，經(jīng)省煤器加熱后與高溫回?zé)崞鞒隹诘某R界二氧化碳匯合送入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器中，完成一個(gè)循環(huán)。

進(jìn)一步的，進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器的超臨界二氧化碳流量占超臨界二氧化碳總流量的55-65％。

進(jìn)一步的，上述方法還包括將省煤器下游的煙氣部分引入鍋爐中循環(huán)利用的步驟，引入鍋爐的煙氣量為煙氣總量的15-20％。

進(jìn)一步的，螺旋管圈過(guò)熱器的超臨界二氧化碳工質(zhì)進(jìn)口布置在爐膛底部，其流動(dòng)方向與煙氣流動(dòng)方向布置為順流；

對(duì)流過(guò)熱器中超臨界二氧化碳工質(zhì)流動(dòng)方向與煙氣流動(dòng)方向布置為逆流。

本發(fā)明的有益效果為：

1)采用循環(huán)流化床鍋爐型式，爐膛內(nèi)溫度維持在850-900℃，減少輻射傳熱量。爐膛內(nèi)超臨界二氧化碳受熱面采用螺旋管圈結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水冷壁結(jié)構(gòu)，并采用與尾部對(duì)流受熱面并聯(lián)方式，爐膛受熱面受熱均勻，鍋爐部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)方便，可有效避免由超臨界二氧化碳進(jìn)口溫度高和非相變換熱帶來(lái)的管壁超溫問(wèn)題，同時(shí)空氣預(yù)熱溫度可達(dá)400℃以上，有利于燃用高灰分、低熱值劣質(zhì)燃料；

2)采用煙氣再循環(huán)，降低爐膛內(nèi)氧濃度，能有效減少氮氧化物生成，同時(shí)尾部煙道流量增加，有利于強(qiáng)化煙氣側(cè)換熱，減少對(duì)流受熱面換熱面積；

3)裝置流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)備集成度高，可節(jié)省占地面積，減少工藝管線。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、爐膛，2、螺旋管圈過(guò)熱器，2a、螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)進(jìn)口，2b、螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)出口，3、旋風(fēng)分離器，4、返料閥，5、對(duì)流過(guò)熱器，5a、對(duì)流過(guò)熱器工質(zhì)進(jìn)口，5b、對(duì)流過(guò)熱器工質(zhì)出口，6、一級(jí)空氣預(yù)熱器，7、二級(jí)空氣預(yù)熱器，8、再循環(huán)煙道，9、再循環(huán)風(fēng)機(jī)，10、分流省煤器。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種小型超臨界二氧化碳循環(huán)流化床鍋爐裝置，包括鍋爐爐膛1、螺旋管圈過(guò)熱器2、旋風(fēng)分離器3、返料閥4、對(duì)流過(guò)熱器5、一級(jí)空氣預(yù)熱器6、二級(jí)空氣預(yù)熱器7、再循環(huán)煙道8、再循環(huán)風(fēng)機(jī)9以及連接管道。

鍋爐爐膛1的爐墻內(nèi)布置半埋管式螺旋管圈過(guò)熱器2，螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)進(jìn)口2a布置在爐膛下部，螺旋管過(guò)熱器工質(zhì)出口2b布置在爐膛上部，換熱管圈數(shù)為1.5-2圈。鍋爐爐膛1上部煙氣出口與旋風(fēng)分離器3進(jìn)口連通，旋風(fēng)分離器3下部固體顆粒出口與返料閥4進(jìn)口連通，返料閥4出口與鍋爐爐膛1下部連通，以形成固體顆粒循環(huán)通道。旋風(fēng)分離器3上部煙氣出口與鍋爐尾部煙道連通，尾部煙道內(nèi)依次布置對(duì)流過(guò)熱器5，二次煙氣預(yù)熱器6和一次煙氣預(yù)熱器7。再循環(huán)煙氣抽取點(diǎn)布置在對(duì)流過(guò)熱器5和二次煙氣預(yù)熱器6之間的尾部煙道上，通過(guò)再循環(huán)煙道8和再循環(huán)風(fēng)機(jī)9送入爐膛1一次風(fēng)進(jìn)口或二次風(fēng)進(jìn)口，再循環(huán)煙氣量為理論煙氣量的15-20％。

螺旋管圈過(guò)熱器2與對(duì)流過(guò)熱器5采用并聯(lián)方式，螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)進(jìn)口2a與對(duì)流過(guò)熱器工質(zhì)進(jìn)口5a連通，螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)出口2b與對(duì)流過(guò)熱器工質(zhì)出口5b連通，進(jìn)入鍋爐的超臨界二氧化碳工質(zhì)分為兩路，兩路工質(zhì)流量分配通過(guò)調(diào)節(jié)閥2c和調(diào)節(jié)閥5c調(diào)節(jié)。

所述螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)與煙氣流動(dòng)方式為順流式，對(duì)流過(guò)熱器工質(zhì)與煙氣流動(dòng)方式為逆流式。所述進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器2的工質(zhì)占總流量的比例為60％。

實(shí)施例2

如圖2所示，一種小型超臨界二氧化碳循環(huán)流化床鍋爐裝置，包括鍋爐爐膛1、螺旋管圈過(guò)熱器2、旋風(fēng)分離器3、返料閥4、對(duì)流過(guò)熱器5、二級(jí)空氣預(yù)熱器6、一級(jí)空氣預(yù)熱器7、再循環(huán)煙道8、再循環(huán)風(fēng)機(jī)9、分流省煤器10以及連接管道。

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別是：

螺旋管圈過(guò)熱器與對(duì)流過(guò)熱器采用串聯(lián)方式，螺旋管圈過(guò)熱器工質(zhì)出口2b與對(duì)流過(guò)熱器工質(zhì)5a連通，進(jìn)入鍋爐的超臨界二氧化碳工質(zhì)依次通過(guò)螺旋管圈過(guò)熱器2和對(duì)流過(guò)熱器5。尾部煙道中對(duì)流過(guò)熱器5與二級(jí)煙氣預(yù)熱器6間布置分流省煤器10，再循環(huán)煙氣抽氣點(diǎn)布置在分流省煤器10與二級(jí)空氣預(yù)熱器6之間的煙道上。

螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器采用并聯(lián)或串聯(lián)方式工作：

并聯(lián)時(shí)：超臨界二氧化碳分為兩路，分別進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器，進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器的一路超臨界二氧化碳與爐膛中煙氣和固體顆粒的混合物換熱，進(jìn)入對(duì)流過(guò)熱器的一路超臨界二氧化碳與煙道中的煙氣換熱，兩路超臨界二氧化碳在螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器的出口匯合后送入透平。

串聯(lián)時(shí)：超臨界二氧化碳依次進(jìn)入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器進(jìn)行換熱，對(duì)流過(guò)熱器出口的超臨界二氧化碳送入透平。

透平出口的超臨界二氧化碳依次進(jìn)入高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鞯牡蛪簜?cè)被冷卻，高溫回?zé)崞鞒隹诘某R界二氧化碳分為兩路，一路經(jīng)冷卻器進(jìn)一步冷卻后進(jìn)入主壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后進(jìn)入低溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)，另一路進(jìn)入再壓壓縮機(jī)被壓縮，兩路在高溫回?zé)崞髑皡R合后進(jìn)入高溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)被加熱。進(jìn)入省煤器的超臨界二氧化碳從主壓縮機(jī)后引出，經(jīng)省煤器加熱后與高溫回?zé)崞鞒隹诘某R界二氧化碳匯合送入螺旋管圈過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器中，完成一個(gè)循環(huán)。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。