一種帶煙氣再循環的超臨界CO2鍋爐裝置的製作方法

2023-11-30 20:34:41 2

本實用新型屬於超臨界CO2布雷頓循環高效火力發電領域，涉及一種帶煙氣再循環的超臨界CO2鍋爐裝置。

背景技術：

不斷提高發電機組的效率是電力行業研究的永恆主題和目標。對於發電企業而言，系統的循環效率越高，單位發電量的能耗就越低，對應的能源消耗量和汙染物排放量就越低。對於傳統的以蒸汽朗肯循環為能量轉換系統的發電機組，若提高發電效率至50％左右，則需將主蒸汽參數提高至700℃，這就意味著需要花費高昂的經濟代價和時間成本來研發新型鎳基高溫合金。為了避開材料方面的技術瓶頸，各國學者紛紛將目光轉移到新型動力循環系統，以期實現發電效率的提升。經過各國學者大量的前期研究和論證，目前普遍認可的超臨界CO2布雷頓循環是極具潛力的新概念先進動力系統。這主要是由於超臨界CO2具有能量密度大、傳熱效率高等特點，超臨界CO2布雷頓循環高效發電系統可以在620℃溫度範圍內達到常規蒸汽朗肯循環700℃的效率，不需要再開發新型的高溫鎳基合金，且設備尺寸小於同參數的蒸汽機組，經濟性非常好。

我國能源稟賦的特點決定了燃煤發電仍然是未來很長時期內我國電力結構的主體，因此，開發大型煤基超臨界CO2布雷頓循環高效發電系統非常符合我國的基本國情，具有十分廣闊的應用前景。超臨界CO2鍋爐作為煤基超臨界CO2布雷頓循環發電機組的核心設備之一，其經濟性和安全性直接關係到整個發電系統的穩定運行。因此，如何通過合理的受熱面布置，既能降低鍋爐成本，又能確保鍋爐的長期安全穩定運行是煤基超臨界CO2發電技術的難點之一。

對於煤基超臨界CO2布雷頓循環高效發電系統來講，由於整個循環系統中包含大量回熱系統，其鍋爐入口超臨界CO2工質溫度一般都要超過500℃。以系統參數為25MPa，600/600/32℃的超臨界CO2布雷頓循環發電系統為例，相應的超臨界CO2鍋爐入口工質溫度約為480～530℃，而同等參數條件下用於朗肯循環的超臨界蒸汽鍋爐的入口工質溫度為300～320℃左右。因此，超臨界CO2鍋爐輻射受熱面的管壁溫度要明顯高於同參數的蒸汽鍋爐，特別地，鍋爐燃燒器區域的輻射受熱面工作條件最惡劣，此處管壁溫度也最容易超過材料的許用溫度。針對超臨界CO2鍋爐的這種特點，如何通過受熱面的合理布置儘可能地降低鍋爐燃燒器區域輻射受熱面的管壁溫度就顯得非常重要。此外，對於超臨界CO2鍋爐來講，運行過程中如何實現鍋爐一次氣和二次氣的氣溫調節也是需要解決的技術難題。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本實用新型提供一種帶煙氣再循環的超臨界CO2鍋爐裝置，不僅能夠有效降低超臨界CO2鍋爐燃燒器區域一次氣輻射受熱面的管壁溫度，而且還能在鍋爐變負荷運行時有效地調節一次氣和二次氣的溫度。

本實用新型是通過以下技術方案來實現：

一種帶煙氣再循環的超臨界CO2鍋爐裝置，包括依次相連通的塔式鍋爐爐膛、水平煙道及尾部煙道；

所述的塔式鍋爐爐膛內沿煙氣流通的方向依次布置有二次氣輻射受熱面、一次氣輻射受熱面、二次氣牆式再熱器、高溫過熱器、高溫再熱器、低溫再熱器和低溫過熱器；尾部煙道內布置有煙氣冷卻器；

所述的超臨界CO2鍋爐裝置與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統連接；煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中低溫回熱器的冷端出口分為兩路，其中一路與煙氣冷卻器的入口相連通，另一路與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中高溫回熱器的冷側入口相連通，煙氣冷卻器的出口及煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中高溫回熱器的冷側出口通過管道並管後與一次氣輻射受熱面的入口相連通；

一次氣輻射受熱面的出口與低溫過熱器的入口相連通，低溫過熱器的出口與高溫過熱器的入口相連通，高溫過熱器的出口與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中的高壓透平的入口相連通；

煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中高壓透平的出口與二次氣輻射受熱面的入口相連通，二次氣輻射受熱面出口與二次氣牆式再熱器入口相連通，二次氣牆式再熱器的出口與低溫再熱器入口相連通，低溫再熱器出口與高溫再熱器入口相連通，高溫再熱器的出口與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中的低壓透平相連通，低壓透平的出口與高溫回熱器的熱側入口相連通，高溫回熱器的熱側出口與低溫回熱器的熱側入口相連通，低壓透平的輸出軸與發電機的驅動軸相連接。

優選的，所述的二次氣輻射受熱面布置在鍋爐底部包括冷灰鬥的區域。

優選的，所述的一次氣輻射受熱面布置在鍋爐燃燒器的區域。

優選的，尾部煙道沿煙氣流通的方向依次在煙氣冷卻器後布置有SCR脫硝裝置、空氣預熱器和除塵器。

進一步，尾部煙道除塵器後的煙道上布置有煙氣再循環抽菸口；所述煙氣再循環抽菸口與煙氣再循環煙道相連通，煙氣再循環煙道通過膨脹節與塔式鍋爐爐膛底部的冷灰鬥相連通。

再進一步，煙氣再循環煙道上布置有煙氣再循環風機。

與現有技術相比，本實用新型具有以下有益的技術效果：

本實用新型所述的一種帶煙氣再循環的超臨界CO2鍋爐裝置，通過將超臨界CO2鍋爐中工質溫度最低、管內工質對流換熱係數更高的一次氣輻射受熱面布置在鍋爐中熱負荷最高的燃燒器區域，從而能夠有效降低超臨界CO2鍋爐一次氣輻射受熱面的管壁溫度，提高鍋爐工作的安全性。此外，為了在超臨界CO2鍋爐變負荷運行時有效地調節鍋爐一次氣溫和二次氣溫，本實用新型在鍋爐尾部煙道除塵器後的煙道上布置有煙氣再循環抽菸口，此處煙氣溫度大約在100～150℃左右，且煙氣中含塵量少，煙氣對再循環煙道及再循環風機的磨損減輕，再循環煙道設計材質要求低。實際運行過程中，通過調整再循環煙氣的抽取量，並將其送入鍋爐爐膛底部，可實現對鍋爐調峰時一次氣和二次氣溫度的方便調節。

附圖說明

圖1為本實用新型實例中所述超臨界CO2鍋爐裝置的結構示意圖。

圖中：1為二次氣輻射受熱面、2為一次氣輻射受熱面、3為燃燒器、4為二次氣牆式再熱器、5為高溫過熱器、6為高溫再熱器、7為低溫再熱器、8為低溫過熱器、9為煙氣冷卻器、10為SCR脫硝裝置、11為空氣預熱器、12為除塵器、13為煙氣再循環抽菸口、14為煙氣再循環風機、15為膨脹節。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。

參考圖1，本實用新型所述的一種帶煙氣再循環的超臨界CO2鍋爐裝置包括依次相連通的塔式鍋爐爐膛、水平煙道及尾部煙道，其中，塔式鍋爐爐膛通過水平煙道與尾部煙道相連，塔式鍋爐爐膛內沿煙氣流通的方向依次布置有二次氣輻射受熱面1、一次氣輻射受熱面2、二次氣牆式再熱器4、高溫過熱器5、高溫再熱器6、低溫再熱器7和低溫過熱器8，尾部煙道沿煙氣流通的方向依次布置有煙氣冷卻器9、SCR脫硝裝置10、空氣預熱器11和除塵器12；所述的超臨界CO2鍋爐裝置與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統連接；

煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中低溫回熱器的冷端出口分為兩路，其中一路與煙氣冷卻器9的入口相連通，另一路與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中高溫回熱器的冷側入口相連通，煙氣冷卻器9的出口及煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中高溫回熱器的冷側出口通過管道並管後與一次氣輻射受熱面2的入口相連通；

一次氣輻射受熱面2的出口與低溫過熱器8的入口相連通，低溫過熱器8的出口與高溫過熱器5的入口相連通，高溫過熱器5的出口與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中的高壓透平的入口相連通；

煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中高壓透平的出口與二次氣輻射受熱面1的入口相連通，二次氣輻射受熱面1出口與二次氣牆式再熱器4入口相連通，二次氣牆式再熱器4的出口與低溫再熱器7入口相連通，低溫再熱器7出口與高溫再熱器6入口相連通，高溫再熱器6的出口與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中的低壓透平相連通。

所述的二次氣輻射受熱面1布置在鍋爐底部含冷灰鬥區域，所述的一次氣輻射受熱面2布置在鍋爐燃燒器3區域。

尾部煙道除塵器12後的煙道上布置有煙氣再循環抽菸口13，所述煙氣再循環抽菸口13與煙氣再循環煙道相連通，所述煙氣再循環煙道通過膨脹節15與塔式鍋爐爐膛底部冷灰鬥相連通，所述煙氣再循環煙道上布置有煙氣再循環風機14。

超臨界CO2布雷頓循環發電系統包括預冷器、主壓縮機、再壓縮機、低溫回熱器、高溫回熱器、鍋爐、高壓透平、低壓透平及發電機；低溫回熱器的熱側出口分為兩路，其中一路經預冷器與主壓縮機的入口相連通，主壓縮機的出口與低溫回熱器的冷側入口相連通，另一路與再壓縮機的入口相連通，再壓縮機的出口與低溫回熱器的冷側出口通過管道並管後與高溫回熱器的冷側入口相連通，高溫回熱器的冷側出口與一次氣輻射受熱面2的入口相連通，一次氣輻射受熱面2的出口與低溫過熱器8的入口相連通，低溫過熱器8的出口與高溫過熱器5的入口相連通，高溫過熱器5的出口與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中的高壓透平的入口相連通，高壓透平的出口與二次氣輻射受熱面1的入口相連通，二次氣輻射受熱面1出口與二次氣牆式再熱器4入口相連通，二次氣牆式再熱器4的出口與低溫再熱器7入口相連通，低溫再熱器7出口與高溫再熱器6入口相連通，高溫再熱器6的出口與煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中的低壓透平入口相連通，低壓透平的出口與高溫回熱器的熱側入口相連通，高溫回熱器的熱側出口與低溫回熱器的熱側入口相連通，低壓透平的輸出軸與發電機的驅動軸相連接。

本實用新型的具體工作工程為：

將一次氣輻射受熱面2布置在鍋爐爐膛內熱負荷最高的燃燒器3區域，超臨界CO2鍋爐由於一次氣工質的溫度最低，且一次氣輻射受熱面管內工質的換熱係數更高，從而能夠有效降低超臨界CO2鍋爐一次氣輻射受熱面2的管壁溫度，提高鍋爐工作的安全性。此外，為了在超臨界CO2鍋爐變負荷運行時有效地調節鍋爐一次氣溫和二次氣溫，本實用新型在鍋爐尾部煙道除塵器12後的煙道上布置有煙氣再循環抽菸口13，此處煙氣溫度大約在100～150℃左右，且煙氣中含塵量少，煙氣對再循環煙道及再循環風機14的磨損減輕，再循環煙道設計材質要求低。實際運行過程中，通過調整再循環煙氣的抽取量，並將其送入鍋爐爐膛底部，可實現對鍋爐調峰時一次氣和二次氣溫度的方便調節。

此外，為了進一步降低鍋爐排煙溫度，提高鍋爐熱效率，本實用新型在鍋爐尾部煙道內布置有煙氣冷卻器9，將煤基超臨界CO2布雷頓循環發電系統中低溫回熱器冷端輸出的超臨界CO2工質分為兩路，其中一路依次進入到煙氣冷卻器9中與尾部煙道中的煙氣進行換熱，另一路進入到CO2布雷頓循環發電系統中高溫回熱器的冷側入口，煙氣冷卻器9輸出的超臨界CO2工質與高溫回熱器的冷側出口輸出的超臨界CO2工質匯流後進入到一次氣輻射受熱面2中，換熱後煙氣的煙溫降低到SCR脫硝反應的適宜溫度區間，即350℃～400℃，然後降溫後的煙氣進入SCR脫硝裝置10進行脫硝處理，脫硝處理後的煙氣進入到空氣預熱器11中對進入到鍋爐中的空氣進行加熱，使加熱後空氣的溫度滿足爐膛燃燒及傳熱要求。

超臨界CO2工質進入一次氣輻射受熱面2後被加熱，被加熱後的超臨界CO2工質依次進入到低溫過熱器8和高溫過熱器5中被加熱到額定一次氣溫度，然後再進入到高壓透平膨脹做功放熱，放熱後的超臨界CO2工質依次進入到二次氣輻射受熱面1、二次氣牆式再熱器4、低溫再熱器7及高溫再熱器6中被加熱到額定再熱氣溫，然後再進入低壓透平膨脹做功。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，並不用於限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。