[發明專利]一種增壓流化床鍋爐S-CO2循環發電系統及方法

有效

• 申請號: 201810384686.7
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108662577B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 孫恩慧;徐進良;雷蕾;胡涵
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F23C10/10
• 分類號: F23C10/10;F23C10/26;F23J15/02;F23J15/06;F28D21/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

本發明公開了屬于高效發電設備領域的一種高效換熱的增壓流化床鍋爐S?CO₂循環發電系統及方法。該系統由增壓鍋爐系統、余熱回收系統、一次再熱再壓縮循環系統組成，三個系統共同作用將煤燃燒產生的熱量高效的轉化為功。增壓鍋爐系統、尾部煙道系統的爐膛、尾部煙道內為可達1?2MPa的高壓狀態。同時為了保證尾部煙道內煙氣的熱量被過熱器、再熱器內的CO₂工質充分吸收，本發明中的過熱器、再熱器采用緊湊式換熱器。所述余熱回收系統的特點是煙氣在煙氣透平中做功，煙氣透平出口煙氣達到120℃左右。該發電系統解決了S?CO₂循環應用于燃煤發電領域面臨的鍋爐尺寸問題，在降低了鍋爐尺寸的同時發揮了S?CO₂循環高效、簡單、小巧的優勢。

技術領域

本發明屬于高效發電設備領域，具體涉及一種高效換熱的增壓流化床鍋爐 S-CO₂循環發電系統及方法。

技術背景

超臨界二氧化碳布雷頓循環(S-CO₂循環)近年來在鈉冷快堆發電、塔式太陽能光熱發電、燃氣輪機煙氣余熱利用等領域進行了較為廣泛的研究。在水蒸氣朗肯循環相關技術較為成熟的條件下進行這項研究是因為相比于水蒸氣朗肯循環S-CO₂循環能夠提供一些非常有吸引力的優勢。

例如在相同的透平入口溫度下，S-CO₂循環相比于水蒸氣朗肯循環在中等溫區(550℃-700℃)能夠有更高的效率。此外CO₂化學性質不活潑，是一種性質很穩定的物質，故有可能使得CO₂與管壁的腐蝕減弱。所以相比于水蒸氣朗肯循環，在相同材料條件下，S-CO₂循環的透平入口溫度可能進一步提高，進而提升循環效率。所以S-CO₂循環在效率提升方面有更高的潛力。

目前燃煤發電為世界提供穩定、充足的電力供應，燃煤發電占全球發電總量的39.3％，根據英國石油公司統計，煤炭的使用還可持續153年，遠高于石油和天然氣。雖然資源、環境、氣候變化的壓力使得燃煤發電面臨著挑戰，但燃煤發電在各類發電技術中占主導地位的現狀在短期、中期仍然不會改變。所以探索和推廣高效清潔的燃煤發電技術仍然具有重要意義。將S-CO₂循環應用于燃煤發電領域是對燃煤發電技術的新的探索。

但是，S-CO₂布雷頓循環與水蒸氣朗肯循環相比，由于CO₂工質在鍋爐入口處的溫度高，故在相同的主汽溫度條件下，CO₂工質在鍋爐內的溫升小，且由于 CO₂與水的物理性質上的差異，在鍋爐中CO₂比熱容比水的比熱容小，故根據 Q＝cmΔt可知，若吸收相同熱量，S-CO₂循環的質量流量較大，對于相同容量的機組，S-CO₂機組的質量流量要比水機組大6-8倍。質量流量的增大使得鍋爐內部件的壓降增大，影響機組的熱效率。若增加管束以降低工質的質量流速，則將增大鍋爐尺寸，鍋爐尺寸的增大一方面難以保證鍋爐的穩定燃燒，另一方面使得鍋爐造價提高。故合理的減小鍋爐尺寸是S-CO₂循環應用于燃煤發電領域的一個關鍵問題。

增壓流化床鍋爐(PFBC)在上世紀60年代開始研究，在90年代便已發展到了商業示范階段，其部分關鍵技術已經相對成熟。該鍋爐的一個特點是爐膛內為高壓狀態，通常可達1-2MPa，爐膛為高壓態使得該鍋爐體積減小。

雖然爐膛的高壓態提高了鍋爐體積縮小的潛力，但要將爐內煤燃燒產生的熱量被S-CO₂循環充分吸收，則需要換熱器具有較高的換熱效率，這樣才可以保證在爐膛體積縮小的同時使得煙氣熱量充分傳遞給CO₂工質。目前緊湊式換熱器 (板翅式換熱器、印刷電路板換熱器等)在能源動力、化工等領域都有成功應用，故將此類換熱器引入增壓流化床鍋爐中可以在降低鍋爐體積的同時，使得爐內熱量被S-CO₂循環充分吸收。