[发明专利]超临界CO2布雷顿循环燃煤发电尾部高温烟气余热利用系统

说明书

本发明公开了属于高效发电设备领域的一种超临界CO₂布雷顿循环燃煤发电尾部高温烟气余热利用系统，本系统中超临界CO₂工质在锅炉中的流动采用分流的配置方式；烟气余热回收系统中的尾部空预器采用双级布置的形式；循环引入再热及中间冷却的布置形式。通过在锅炉中工质分流配置能够降低锅炉压降，通过尾部空预器的双级布置能够使二次风达到预设值，进一步吸收空预器无法吸收的尾部烟气剩余热量，降低锅炉排烟热损失；通过烟气冷却器配合空预器布置解决尾部烟气余热吸收难题。本发明解决超临界CO₂布雷顿循环与燃煤火力发电耦合的诸多关键问题，且系统布置简单、运行参数稳定、热力系统及锅炉效率较高。

技术领域

本发明属于高效发电设备领域，具体涉及一种超临界CO₂布雷顿循环燃煤发电尾部高温烟气余热利用系统。

技术背景

煤炭作为一次能源在全球用能结构中扮演着重要角色，其储量大、易开采、使用经验丰富，以中国为例，煤在中国一次能源消费结构中占75％，为世界燃煤消费总量的四分之一。尤其是电力部门，火电机组占总装机容量的70％以上，其中绝大多数为燃煤的汽轮机电站。然而煤炭的使用加重了环保负担，加剧了温室效应，在这样的现状下，开发先进动力循环技术提高机组性能对煤炭高效清洁利用具有重要意义。

超临界二氧化碳布雷顿循环(S-CO₂循环)作为一类先进动力循环近年来在太阳能及核能领域研究较多，但在燃煤火力发电领域研究较少。S-CO₂循环效率高，系统简单，结构紧凑，且CO₂工质临界参数较低、化学性质不活泼，这些特性使S-CO₂循环获得了越来越多的关注。众多学者以S-CO₂循环为基础针对不同热源探究高效、合理的热力系统布置形式。

故结合我国能源消费国情，将S-CO₂循环引入燃煤火力发电领域，构建合理、高效的燃煤火力发电系统，为高效低污染发电提供变革性技术。

目前诸多S-CO₂循环的变种中再压缩循环(recompression cycle)具有明显的效率优势，但当该循环采用再热布置时，CO₂工质在锅炉入口处的温度会大幅提升，这造成了尾部高温烟气余热利用困难的问题，该部分余热若不能合理利用，会使得锅炉效率降低，影响尾部烟道脱硫、脱硝设备正常运行；例如当再压缩循环耦合二次再热布置直接与π型煤粉炉耦合时，虽然在30MPa， 620℃/620℃/620℃的运行参数下(第一个压力和温度是高压透平入口压力、温度，第二个温度是中压透平入口温度，第三个温度是低压透平入口温度。)循环热效率可达52％左右，但当二次风温为400℃时，锅炉效率可降到87％左右，故如何合理的解决尾部烟气余热利用问题是提高S-CO₂循环特性的关键。

其次，相对于常规水蒸气朗肯循环，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，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。质量流量的提高使得锅炉受热面设计、布置困难，例如当水冷壁管内径为23mm、管数为1456根时水冷壁压降可达到几十兆帕，这对于循环来说是不可接受的，故如何合理选择管径、管数以及如何对受热面进行布置同样为提高S-CO₂循环特性的关键。