一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法，包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、外置式换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器，其中，所述螺旋管圈过热器安装在锅炉的炉膛内部，其为螺旋管圈结构，螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道；外置再热器安装在外置式换热器的内部；所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部；炉膛的上端与分离器的进口连通，分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通，分离器的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口，外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连通；螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置；外置再热器与对流再热器并联设置。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法
本专利技术属于高效火力发电
，具体涉及一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法。
技术介绍
常规火力发电机组采用蒸汽朗肯循环工作，其效率的关键决定因素是主蒸汽参数，目前最先进的700℃超临界机组效率理论上可突破50％。然而，受现有材料和工艺制约，蒸汽参数提高有其极限且会带来机组造价的大幅攀升。如何在现有温度水平上，提高火力发电机组效率对于我国能源可持续发展和节能减排具有现实与长远意义。超临界二氧化碳布雷顿循环是一种高效的新型动力循环，它利用二氧化碳临界温度较低的特点，通过在临界点以上压缩工质以减少压缩机耗功，从而使得循环热效率有效提高。该技术能够在较低的温度下达到与蒸汽朗肯循环相同的热效率，机组占地面积小、比造价低且实现了二氧化碳资源化利用，具有很好的发展潜力。然而，从目前公开的文献看，对超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的研究主要面向核能、太阳能及工业余热，鲜有针对煤炭、生物质等固体能源的火力发电系统的报道。我国的能源结构以煤为主，同时我国又是生物质资源大国，因而开发超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统符合我国国情，市场前景广阔。锅炉是超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统的关键装备之一，对于300或600MW的火力发电系统，超临界二氧化碳布雷顿循环可采用一次再热的再压缩循环流程，此条件下，超临界二氧化碳锅炉在设计中面临诸多障碍：首先，进入锅炉的二氧化碳温度超过500℃，且比热小于水蒸气，使得炉膛内受热面管壁易超温，同时也使得导致锅炉排烟温度高，烟气热损失大；其次，循环大量回热且采用低压比，超临界二氧化碳在锅炉内温升小(约100℃)但流量远高于同热负荷下蒸汽锅炉，使得受热面布置方式不同于蒸汽锅炉；最后，超临界二氧化碳在锅炉内不发生相变，换热系数较低，所需换热面积大，会导致炉膛和尾部烟道受热面布置空间不足。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是提供一种超临界二氧化碳锅炉加热系统及加热方法。该锅炉加热系统可以用于300MW及600MW超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，具有较高加热效率、较低氮氧化物排放的优势，并能克服炉膛受热面管壁超温和受热面布置空间不足等问题。为了解决以上问题，本专利技术的技术方案为：一种超临界二氧化碳锅炉加热系统，包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、外置式换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器，其中，所述螺旋管圈过热器安装在锅炉的炉膛内部，其为螺旋管圈结构，螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道；所述外置再热器安装在外置式换热器的内部，提供超临界二氧化碳流通通道；所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部，均提供超临界二氧化碳流通通道；炉膛的上端与分离器的进口连通，分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通，分离器的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口，外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连通；螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置；外置再热器与对流再热器并联设置。炉膛内的过热器采用螺旋管圈结构代替传统的水冷壁结构，与对流过热器并联，通过调节进入螺旋管圈过热器和对流过热器中的超临界二氧化碳的流量比，可有效避免过热器进口温度过高和非相变换热带来的管壁超温问题。同时采用对流过热器，利用烟道中的烟气对超临界二氧化碳加热，增加了受热面，可以解决炉膛内受热面布置空间不足的问题。采用外置再热器和对流再热器并联，可以方便、灵活的调节超临界二氧化碳的再热温度。利用分离器对烟气进行气固分离，并利用固体颗粒对外置再热器中的超临界二氧化碳进行加热，回收了烟气中固体颗粒的热量，提高了能量的利用率。进一步的，所述分离器的固体颗粒出口端还与返料阀连通，返料阀与外置式换热器并联，且返料阀与锅炉的炉腔连通。外置式换热器与返料阀并联设置，可以通过改变进入两者的固体颗粒的流量比例来调节炉膛内的温度，更利于达到最佳的炉膛温度。进一步的，所述分离器为旋风分离器。旋风分离器是利用离心力分离气流中固体颗粒或液滴的设备。进一步的，所述对流过热器和对流再热器并排设置，且超临界二氧化碳的流向均与烟气逆流。就有更好的加热效果。更进一步的，对流过热器和对流再热器之间布置炉墙。再进一步的，所述炉墙的一端活动安装有可以调节流经对流过热器和对流再热器的挡板。挡板可以铰接在炉墙上，通过调节挡板的位置，调节流经对流过热器和对流再热器的烟气流量。更进一步的，对流过热器和对流再热器的下游安装有省煤器，对流过热器和对流再热器的出口均与省煤器的进口连通。再进一步的，省煤器中的超临界二氧化碳的流向与烟气流向相反。更进一步的，所述省煤器的下游设置有空气预热器。更进一步的，所述空气预热器与省煤器之间设置有与锅炉的炉腔连通的烟道，该烟道上设置有风机。通过风机将烟道中的部分烟气引入锅炉的炉腔内，使部分烟气再循环，可以降低炉膛内的氧气的浓度，能有效减少氮氧化物的生成。同时尾部烟气的流量增加，有利于强化烟气侧换热，减少对流受热面换热面积。利用所述一种超临界二氧化碳锅炉加热系统对超临界二氧化碳进行加热的方法，包括如下步骤：超临界二氧化碳分为两路，分别进入螺旋管圈过热器和对流过热器，进入螺旋管圈过热器的一路超临界二氧化碳与炉膛中的烟气和固体颗粒的混合物换热，进入对流过热器的一路超临界二氧化碳与烟道中的烟气换热，两路超临界二氧化碳在螺旋管圈过热器和对流过热器的出口汇合后送入高压透平；高压透平出口的超临界二氧化碳分为两路，分别进入外置再热器和对流再热器，进入外置再热器的一路超临界二氧化碳与从烟气中分离出的固体颗粒换热，进入对流再热器的一路超临界二氧化碳与烟道中的烟气换热；两路超临界二氧化碳在两者出口汇合后送入低压透平进口；低压透平出口的超临界二氧化碳依次进入高温回热器和低温回热器的低压侧被冷却，高温回热器出口的超临界二氧化碳分为两路，一路经冷却器进一步冷却后进入主压缩机，经压缩后进入低温回热器高压侧，另一路进入再压压缩机被压缩，两路在高温回热器前汇合后进入高温回热器高压侧被加热。进入省煤器的超临界二氧化碳从主压缩机后引出，经省煤器加热后与高温回热器出口的超临界二氧化碳分为两路，分别进入螺旋管圈过热器和对流过热器。进一步的，进入螺旋管圈过热器的超临界二氧化碳流量占超临界二氧化碳总流量的55-65％。进一步的，进入外置再热器的超临界二氧化碳流量占超临界二氧化碳总流量的55-65％。进一步的，上述方法还包括将省煤器下游的烟气部分引入锅炉中循环利用的步骤，引入锅炉的烟气量为烟气总量的12-17％。进一步的，螺旋管圈过热器的超临界二氧化碳工质进口布置在炉膛底部，其流动方向与烟气流动方向布置为顺流；外置再热器中超临界二氧化碳工质流动方向与固体颗粒运动方向布置为顺流；对流过热器中超临界二氧化碳工质流动方向与烟气流动方向布置为逆流；对流再热器中超临界二氧化碳工质流动方向与烟气流动方向布置为逆流。本专利技术的有益效果为：1)采用循环流化床锅炉型式，炉膛内温度维持在850-900℃，减少辐射传热量。炉膛内过热器采用螺旋管圈结构代替传统的水冷壁结构，与对流过热器并联，通过调节进入螺旋管圈过热器和对流过热器的超临界二氧化碳流量比，有效避免由其进口温度高和非相变换热带来的管壁超温问题；2)采用对流过热器解决炉膛内受热面布置空间不足问题，外置式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、外置式换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器，其中，所述螺旋管圈过热器安装在锅炉的炉膛内部，其为螺旋管圈结构，螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道；所述外置再热器安装在外置式换热器的内部，提供超临界二氧化碳流通通道；所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部，均提供超临界二氧化碳流通通道；炉膛的上端与分离器的进口连通，分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通，分离器的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口，外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连通；螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置；外置再热器与对流再热器并联设置。

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：包括锅炉、螺旋管圈过热器、分离器、外置式换热器、外置再热器、烟道、对流过热器和对流再热器，其中，所述螺旋管圈过热器安装在锅炉的炉膛内部，其为螺旋管圈结构，螺栓管圈提供超临界二氧化碳流通通道；所述外置再热器安装在外置式换热器的内部，提供超临界二氧化碳流通通道；所述对流过热器和对流再热器安装在烟道的内部，均提供超临界二氧化碳流通通道；炉膛的上端与分离器的进口连通，分离器的烟气出口与所述烟道的一端连通，分离器的固体颗粒出口与所述外置式换热器的进口，外置式换热器的出口与锅炉的炉膛连通；螺旋管圈过热器与对流过热器并联设置；外置再热器与对流再热器并联设置。2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：所述分离器的固体颗粒出口端还与返料阀连通，返料阀与外置式换热器并联，且返料阀与锅炉的炉腔连通。3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：所述对流过热器和对流再热器并排设置，且超临界二氧化碳的流向均与烟气逆流；优选的，对流过热器和对流再热器之间布置炉墙。4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：所述炉墙的一端活动安装有可以调节流经对流过热器和对流再热器的挡板。5.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：对流过热器和对流再热器的下游安装有省煤器，对流过热器和对流再热器的出口均与省煤器的进口连通；优选的，省煤器中的超临界二氧化碳的流向与烟气流向相反。6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：所述省煤器的下游设置有空气预热器。7.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳锅炉加热系统，其特征在于：所述空气预热器与省煤器之间设置有与锅炉的炉腔连通的烟道，该烟道上设置有风机。8.利用权利要求1-7任一所述一种超临界二氧化碳锅炉加热系统对超临界二...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐震，王志强，马春元，董勇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37