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鍋爐加熱系統(tǒng)及加熱方法。

背景技術(shù)：

常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組采用蒸汽朗肯循環(huán)工作，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)提高有其極限且會帶來機(jī)組造價的大幅攀升。如何在現(xiàn)有溫度水平上，提高火力發(fā)電機(jī)組效率對于我國能源可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排具有現(xiàn)實與長遠(yuǎn)意義。

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)是一種高效的新型動力循環(huán)，它利用二氧化碳臨界溫度較低的特點(diǎn)，通過在臨界點(diǎn)以上壓縮工質(zhì)以減少壓縮機(jī)耗功，從而使得循環(huán)熱效率有效提高。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、比造價低且實現(xiàn)了二氧化碳資源化利用，具有很好的發(fā)展?jié)摿?。然而，從目前公開的文獻(xiàn)看，對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、太陽能及工業(yè)余熱，鮮有針對煤炭、生物質(zhì)等固體能源的火力發(fā)電系統(tǒng)的報道。我國的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，同時我國又是生物質(zhì)資源大國，因而開發(fā)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)符合我國國情，市場前景廣闊。

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，對于300或600mw的火力發(fā)電系統(tǒng)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可采用一次再熱的再壓縮循環(huán)流程，此條件下，超臨界二氧化碳鍋爐在設(shè)計中面臨諸多障礙：首先，進(jìn)入鍋爐的二氧化碳溫度超過500℃，且比熱小于水蒸氣，使得爐膛內(nèi)受熱面管壁易超溫，同時也使得導(dǎo)致鍋爐排煙溫度高，煙氣熱損失大；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100℃)但流量遠(yuǎn)高于同熱負(fù)荷下蒸汽鍋爐，使得受熱面布置方式不同于蒸汽鍋爐；最后，超臨界二氧化碳在鍋爐內(nèi)不發(fā)生相變，換熱系數(shù)較低，所需換熱面積大，會導(dǎo)致爐膛和尾部煙道受熱面布置空間不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種超臨界二氧化碳鍋爐加熱系統(tǒng)及加熱方法。該鍋爐加熱系統(tǒng)可以用于300mw及600mw超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)，具有較高加熱效率、較低氮氧化物排放的優(yōu)勢，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題。

為了解決以上問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種超臨界二氧化碳鍋爐加熱系統(tǒng)，包括鍋爐、螺旋管圈過熱器、分離器、外置式換熱器、外置再熱器、煙道、對流過熱器和對流再熱器，其中，所述螺旋管圈過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；

所述外置再熱器安裝在外置式換熱器的內(nèi)部，提供超臨界二氧化碳流通通道；

所述對流過熱器和對流再熱器安裝在煙道的內(nèi)部，均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與所述外置式換熱器的進(jìn)口，外置式換熱器的出口與鍋爐的爐膛連通；

螺旋管圈過熱器與對流過熱器并聯(lián)設(shè)置；

外置再熱器與對流再熱器并聯(lián)設(shè)置。

爐膛內(nèi)的過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)，與對流過熱器并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入螺旋管圈過熱器和對流過熱器中的超臨界二氧化碳的流量比，可有效避免過熱器進(jìn)口溫度過高和非相變換熱帶來的管壁超溫問題。同時采用對流過熱器，利用煙道中的煙氣對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題。

采用外置再熱器和對流再熱器并聯(lián)，可以方便、靈活的調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳的再熱溫度。

利用分離器對煙氣進(jìn)行氣固分離，并利用固體顆粒對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，所述分離器的固體顆粒出口端還與返料閥連通，返料閥與外置式換熱器并聯(lián)，且返料閥與鍋爐的爐腔連通。

外置式換熱器與返料閥并聯(lián)設(shè)置，可以通過改變進(jìn)入兩者的固體顆粒的流量比例來調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)的溫度，更利于達(dá)到最佳的爐膛溫度。

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?；蛞旱蔚脑O(shè)備。

進(jìn)一步的，所述對流過熱器和對流再熱器并排設(shè)置，且超臨界二氧化碳的流向均與煙氣逆流。就有更好的加熱效果。

更進(jìn)一步的，對流過熱器和對流再熱器之間布置爐墻。

再進(jìn)一步的，所述爐墻的一端活動安裝有可以調(diào)節(jié)流經(jīng)對流過熱器和對流再熱器的擋板。擋板可以鉸接在爐墻上，通過調(diào)節(jié)擋板的位置，調(diào)節(jié)流經(jīng)對流過熱器和對流再熱器的煙氣流量。

更進(jìn)一步的，對流過熱器和對流再熱器的下游安裝有省煤器，對流過熱器和對流再熱器的出口均與省煤器的進(jìn)口連通。

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)置有空氣預(yù)熱器。

更進(jìn)一步的，所述空氣預(yù)熱器與省煤器之間設(shè)置有與鍋爐的爐腔連通的煙道，該煙道上設(shè)置有風(fēng)機(jī)。

通過風(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。同時尾部煙氣的流量增加，有利于強(qiáng)化煙氣側(cè)換熱，減少對流受熱面換熱面積。

利用所述一種超臨界二氧化碳鍋爐加熱系統(tǒng)對超臨界二氧化碳進(jìn)行加熱的方法，包括如下步驟：

超臨界二氧化碳分為兩路，分別進(jìn)入螺旋管圈過熱器和對流過熱器，進(jìn)入螺旋管圈過熱器的一路超臨界二氧化碳與爐膛中的煙氣和固體顆粒的混合物換熱，進(jìn)入對流過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熱器和對流過熱器的出口匯合后送入高壓透平；

高壓透平出口的超臨界二氧化碳分為兩路，分別進(jìn)入外置再熱器和對流再熱器，進(jìn)入外置再熱器的一路超臨界二氧化碳與從煙氣中分離出的固體顆粒換熱，進(jìn)入對流再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兩者出口匯合后送入低壓透平進(jìn)口；

低壓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界二氧化碳分為兩路，分別進(jìn)入螺旋管圈過熱器和對流過熱器。

進(jìn)一步的，進(jìn)入螺旋管圈過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，進(jìn)入外置再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12-17％。

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

外置再熱器中超臨界二氧化碳工質(zhì)流動方向與固體顆粒運(yùn)動方向布置為順流；

對流過熱器中超臨界二氧化碳工質(zhì)流動方向與煙氣流動方向布置為逆流；

對流再熱器中超臨界二氧化碳工質(zhì)流動方向與煙氣流動方向布置為逆流。

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)過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)，與對流過熱器并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入螺旋管圈過熱器和對流過熱器的超臨界二氧化碳流量比，有效避免由其進(jìn)口溫度高和非相變換熱帶來的管壁超溫問題；

2)采用對流過熱器解決爐膛內(nèi)受熱面布置空間不足問題，外置式換熱器內(nèi)布置外置再熱器，且與對流再熱器并聯(lián)，可方便、靈活的調(diào)節(jié)超臨界二氧化碳再熱溫度；

3)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，同時尾部煙道流量增加，有利于強(qiáng)化煙氣側(cè)換熱，減少對流受熱面換熱面積；

4)裝置流程簡單、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。

附圖說明

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

圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1、爐膛，2、螺旋管圈過熱器，2a、螺旋管圈過熱器工質(zhì)進(jìn)口，2b、螺旋管圈過熱器工質(zhì)出口，3、旋風(fēng)分離器，4、返料閥，5、外置式換熱器，6、外置再熱器，6a、外置再熱器工質(zhì)進(jìn)口，6b、外置再熱器工質(zhì)出口，7、對流過熱器，7a、對流過熱器工質(zhì)進(jìn)口，7b、對流過熱器工質(zhì)出口，8、對流再熱器，8a、對流再熱器工質(zhì)進(jìn)口，8b、對流再熱器工質(zhì)出口，9、省煤器，10、二級空氣預(yù)熱器，11、一級空氣預(yù)熱器，12、再循環(huán)煙道，13、再循環(huán)風(fēng)機(jī)。

具體實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(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)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。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)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

如圖1所示，一種超臨界二氧化碳鍋爐加熱系統(tǒng)，爐膛1的爐墻內(nèi)布置螺旋管圈過熱器2，布置方式采用半埋管式，螺旋管圈過熱器工質(zhì)進(jìn)口2a布置在爐膛下部，螺旋管過熱器工質(zhì)出口2b布置在爐膛上部，換熱管圈數(shù)為1-1.5圈。各螺旋管進(jìn)口連接進(jìn)口集液器以達(dá)到均勻分配管內(nèi)工質(zhì)的目的，各螺旋管出口連接出口集液器。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下部固體顆粒出口分為兩路，一路與返料閥4進(jìn)口連通，一路與外置式換熱器5進(jìn)口連通，返料閥4的固體顆粒出口和外置式換熱器5的固體顆粒出口分別與爐膛1底部連通。外置式換熱器5內(nèi)布置外置再熱器6，外置再熱器6內(nèi)的超臨界二氧化碳工質(zhì)流動方向與外置式換熱器5內(nèi)固體顆粒的流動方向相同。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)依次布置對流過熱器7，對流再熱器8，省煤器9，二次煙氣預(yù)熱器,10和一次煙氣預(yù)熱器11，其中對流過熱器7和對流再熱器8并排布置。再循環(huán)煙氣抽取點(diǎn)布置在省煤器9和二次煙氣預(yù)熱器10之間的尾部煙道上，通過再循環(huán)煙道12和再循環(huán)風(fēng)機(jī)13送入爐膛一次風(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％。

螺旋管圈過熱器2與對流過熱器7采用并聯(lián)方式，螺旋管圈過熱器工質(zhì)進(jìn)口2a與對流過熱器工質(zhì)進(jìn)口7a連通，螺旋管圈過熱器工質(zhì)出口2b與對流過熱器工質(zhì)出口7b連通，兩路工質(zhì)流量分配通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

外置再熱器6與對流再熱器8采用并聯(lián)方式，外置再熱器工質(zhì)進(jìn)口6a與對流再熱器工質(zhì)進(jìn)口8a連通，外置再熱器工質(zhì)出口6b與對流再熱器工質(zhì)出口7b連通，兩路工質(zhì)流量分配通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

尾部煙道中并排布置的對流過熱器7和對流過熱器8之間布置爐墻，并通過煙道擋板調(diào)節(jié)兩裝置的煙氣流量。

進(jìn)入螺旋管圈過熱器2的工質(zhì)流量占總流量的比例為60％；進(jìn)入外置再熱器6的工質(zhì)流量占總流量的比例為60％。

循環(huán)流化床鍋爐燃料為煙煤、褐煤、泥煤、生物質(zhì)的一種或幾種的混合物。

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