本发明涉及一种锅炉，尤其涉及一种超临界二氧化碳燃煤循环流化床锅炉及发电系统与发电方法，属于煤炭清洁、高效发电技术领域。
背景技术：
目前，以煤为主的一次能源结构决定未来长期内燃煤火力发电仍是主流方向，现有火电机组能耗较高、污染物和温室气体排放量大，而发展700℃超高参数超超临界机组受到材料成本及制造水平的限制，亟需发展清洁高效的新型燃煤发电技术，保证电力行业的可持续发展。
超临界二氧化碳在临界点附近具有高能量密度，良好的流动和传热特性，透平机械体积成倍缩小，系统结构紧凑，且二氧化碳化学性质不活泼，降低了发展超高参数机组对材料的要求。同时，以超临界二氧化碳为工质的闭式布雷顿循环发电系统在同等参数条件下可实现比蒸汽朗肯循环更高的热电转换效率，近年来受到国内外的广泛关注，成为热点研究方向之一。
传统的煤粉锅炉对煤质要求较高、炉内烟温水平较高、热负荷分布不均，负荷调节范围较窄，且需要加装额外的脱硫脱销装置，投资和运行成本提高。相比之下，循环流化床锅炉煤种适应性广，污染物排量少、燃烧强度大，由于炉内大量高温床料的存在，低负荷时可保证燃烧的稳定性和较高的燃烧效率，负荷调节范围宽，通过炉内低廉的石灰石脱硫和优化分级燃烧，能够有效抑制硫、氮污染物排放。
应用于化石燃料领域的超临界二氧化碳循环大多针对煤粉锅炉，也有少数针对循环流化床锅炉，但这些锅炉的冷却壁入口工质温度很高，如果透平入口工质参数为600℃/620℃/28Mpa，所设计的冷却壁入口工质温度为510℃～530℃；同时，已提出的主压缩机出口或低温回热器高压侧出口较低温度的工质分流进入省煤器，保证热空气的温度情况下，会造成省煤器较大的不可逆损失，且压缩机入口压力与透平排气压力紧密关联，系统灵活性较低。
现有火电机组效率提高主要依靠提高蒸汽参数，蒸汽参数受限于材料的高温强度、高温抗氧化腐蚀性能及焊接、加工技术，700℃等级高强度材料有待于进一步研发，700℃等级超临界机组的锅炉末级过热器、末级再热器、主管道、汽轮机高温段等部件需采用高昂的镍基合金材料，造成投资成本提高，整体经济性下降，且机组体积大，低负荷下运行效率低，不能满足调峰需求。
技术实现要素：
发明目的：本发明的第一目的是提供一种基于超临界二氧化碳工质的布置优化且热效率高的循环流化床锅炉；本发明的第二目的是提供由该循环流化床锅炉驱动的发电系统；本发明的第三目的是提供该发电系统的发电方法。
技术方案：本发明所述的超临界二氧化碳燃煤循环流化床锅炉，包括炉膛、分离器、尾部烟道和位于分离器回料段中的外置式换热器，所述炉膛内设有冷却壁和中温过热器，所述外置式换热器内设有高温再热器和分别与冷却壁和中温过热器连通的低温过热器，所述尾部烟道内设有低温再热器、高温过热器、上级省煤器、下级省煤器和空气预热器，其中，所述高温过热器与中温过热器连通，低温再热器与高温再热器连通；所述锅炉的工质为超临界二氧化碳。
优选的，所述高温过热器出口工质温度为560～700℃，压力为25～35Mpa；高温再热器出口工质温度为560℃～700℃，压力为12～14Mpa；所述冷却壁入口工质温度为420℃～540℃。本发明中，冷却壁入口温度相比于现有超临界二氧化碳锅炉降低40～60℃左右，更低的工质入口温度有利于管壁温度的控制和传热。
本发明中，尾部烟道由中间隔墙分隔为相互平行的前烟道和后烟道，其中，前烟道内布置低温再热器，后烟道内沿烟气流通方向布置高温过热器和上级省煤器，前后烟道合并后自上而下分别布置下级省煤器和空气预热器。其中，省煤器两级布置有利于降低高温省煤器的热偏差，中间隔墙分流烟气，前后烟道并列布置再热器、过热器和省煤器，有效降低烟温。
进一步地，中温过热器出口与高温过热器入口之间设置喷二氧化碳减温器。
本发明还可以在分离器的尾部与外置式换热器的入口之间设置灰控制阀。
所述冷却壁采用膜式壁垂直管屛，自下而上分别为内螺纹管、混合联箱和光管，因为入口工质温度较高，换热能力降低，下部内螺纹管内的凹凸表面可以强化传热，降低壁温，上部光管又可以降低沿程损失。
所述锅炉采用分级供风方式，设有一次风机、二次风机和高压风机。
本发明所述循环流化床驱动的发电系统，包括高压透平、低压透平，由高压透平驱动的预压缩机、主压缩机和第一发电机，由低压透平驱动的再压缩机和二级发电机；其中，所述高压透平的入口与高温过热器连接，出口与低温再热器连接，低压透平的入口与高温再热器连接，出口依次连接高温回热器、中温回热器和低温回热器的低压侧入口；该低温回热器的低压侧出口通过预冷器与预压缩机的入口连接，预压缩机的出口分为两条支路，其中一条支路通过中冷器、主压缩机连接低温回热器的高压侧入口，另一条支路通过再压缩机连接低温回热器高压侧出口和中温回热器的低压侧入口；所述中温回热器的高压侧出口分为两条支路，其中一条支路与高温回热器的高压侧入口连接，另一条支路依次连接下级省煤器和上级省煤器，上级省煤器的出口与高温回热器的高压侧出口汇集后连接炉膛内的冷却壁。
本发明所述发电系统的发电方法，包括如下步骤：所述中温回热器的高压侧出口工质分流，一部分进入高温回热器的高压侧，另一部分依次进入锅炉的下级省煤器和上级省煤器，上级省煤器出口与高温回热器高压侧出口的工质混合后依次进入冷却壁、低温过热器、中温过热器和高温过热器吸热，进入高压透平做功，驱动预压缩机和主压缩机，带动一级发电机发电，高压透平出口工质再次进入锅炉，经低温再热器和高温再热器再热后进入低压透平做功，驱动再压缩机，带动二级发电机发电；低压透平出口工质依次进入高温回热器、中温回热器和低温回热器的低压侧，回收热量后进入预冷器冷却，预冷器出口工质进入预压缩机，预压缩机出口工质分两路，一路进入再压缩机，另一路进入中冷器和主压缩机，主压缩机出口工质经低温回热器高压侧加热后与再压缩机出口工质混合，进入中温回热器高压侧加热。
优选的，中温回热器高压侧出口工质的5～10％依次进入锅炉的下级省煤器和上级省煤器，可用于回收350℃～550℃的烟气热量，降低排烟温度，减小换热温差过大造成的不可逆损失，同时使得高温回热器低压侧工质有效冷却，保证较高的系统效率。
所述预压缩机出口工质的35～45％进入再压缩机，匹配低温回热器高、低压侧换热温差，使得高压侧温升与低压侧温降相当，低温回热器高压侧出口被加热到一定温度，避免回热器“夹点”问题，提高换热效能。
所述发电效率为40～50％，循环中的多级压缩和中间冷却环节有效降低锅炉冷却壁入口温度、拓宽循环工质吸热温度区间，同时提高透平排气压力和压缩机入口压力控制的灵活性；再压缩机分流匹配低温回热器高、低压侧温差，提高换热效能；省煤器分流有效回收烟气余热，降低排烟温度，提高锅炉效率；一次再热进一步提高系统效率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明的循环流化床锅炉具有较低的温度水平(850℃～920℃)、均匀的热负荷和随炉膛高度增加而降低的热流密度分布特性有利于冷却壁壁温的控制，保证锅炉安全可靠运行；冷却壁入口温度相比于现有超临界二氧化碳锅炉降低40～60℃左右，更低的工质入口温度有利于强化传热和控制壁温；循环流化床炉内有大量高温床料，具有一定的储热能力，低负荷下可保证燃烧的稳定和较高的燃烧效率，变负荷适应性强；炉内反复煅烧脱硫、优化分级送风有效降低硫、氮污染物排放；
(2)本发明由循环流化床锅炉驱动的超临界二氧化碳发电系统，一方面能有效集成循环流化床高效燃烧、低成本硫、氮污染物脱除和超临界二氧化碳系统循环效率高的特点，发电效率可提高2～5％；另一方面，发电系统通过多级压缩与中间冷却，有效降低冷却壁入口工质温度、拓宽循环工质吸热温度范围，还能保证较高的系统效率；同时，中温回热器高压侧出口工质分流，可减小省煤器换热的不可逆损失，回收尾部较高温度的烟气余热，降低排烟温度；此外，用透平直接驱动压缩机，避免了中间能量转化损失，提高系统效率，同时主压缩机、再压缩机与透平压力可实现独立调节和控制；最后，由于超临界二氧化碳循环压比小，工质密度较高，透平机械体积为传统蒸汽透平的1/10～1/30，系统整体趋于小型化，循环发电系统灵活性提高，可适应电网的深度调峰；
(3)本发明发电方法可实现高效、清洁发电，系统灵活性较高，可适应电力深度调峰，为可再生能源并网提供空间。
附图说明
图1为本发明锅炉及发电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明的循环流化床锅炉，沿烟气流通方向依次布置有炉膛、分离器3、尾部烟道和外置式换热器。其中，炉膛内布置冷却壁1和中温过热器2，优选的，冷却壁1采用膜式壁垂直管屏形式，设置有中间混合联箱，下部高热负荷区采用内螺纹管，上部较低热负荷区采用光管，这样布置的好处是，一方面，内螺纹管内的凹凸表面可加剧工质与管壁的热交换，管内换热面积增大，有利于强化传热，降低壁温和热偏差，且能提高锅炉的变负荷适应性；另一方面，上部相对较低的热负荷区采用光管，可降低阻力损失和电耗；中温过热器2优选为屏式过热器，接受炉内直接辐射以及与高温烟气对流换热，降低炉膛出口烟温。本发明中的分离器3优选为高温绝热旋风分离器，将较大的固体颗粒捕获，返回炉膛循环，部分循环灰通过灰控制阀12进入外置式换热器，外置式换热器内布置有高温再热器4和低温过热器5，如图所示，外置式换热器设于分离器的回料段中。分离器3上方出口与尾部烟道入口相连，尾部烟道由中间隔墙13分隔为相互平行的前烟道和后烟道，其中前烟道内布置有低温再热器6，后烟道内沿烟气流通方向布置有高温过热器7和上级省煤器8，向下前后烟道合并，自上而下为下级省煤器9和空气预热器10。
超临界二氧化碳发电系统包括高压透平17、一级发电机18、低压透平19、二级发电机20、高温回热器21、中温回热器22、低温回热器23、预冷器24、预压缩机25、中冷器26、主压缩机27和再压缩机28。在发电系统中，中温回热器22高压侧出口进行分流，一部分与高温回热器21高压侧入口相连，另一部分与下级省煤器9入口相连，下级省煤器9出口与上级省煤器8入口相连，上级省煤器8出口与高温回热器21高压侧出口工质混合后与冷却壁1入口相连，冷却壁1出口与低温过热器5入口相连，低温过热器5出口与中温过热器2入口相连，中温过热器2出口与高温过热器7入口相连，高温过热器7出口与高压透平17入口相连，中温回热器22高压侧出口抽取5～10％的超临界二氧化碳工质依次进入下级省煤器9、上级省煤器8，与高温回热器21高压侧出口工质混合之后，依次流经冷却壁1、低温过热器5、中温过热器2和高温过热器7吸热，进入高压透平17膨胀做功，带动一级发电机18发电；高压透平17出口与低温再热器6入口相连，低温再热器6出口与高温再热器4入口相连，高温再热器4出口与低压透平19入口相连，工质依次流经低温再热器6和高温再热器4再热后进入低压透平19膨胀做功，带动二级发电机20发电。
本发明中，省煤器上、下两级布置以减小高温省煤器的热偏差，上级省煤器8布置于尾部后烟道高温过热器7下方，下级省煤器9布置于合并后的烟道下方。与此同时，还可以在中温过热器2出口与高温过热器7入口之间设置喷二氧化碳减温器11，抽取下级省煤器9入口的低温二氧化碳工质调节过热气温，改变灰控制阀12开度控制进入外置床换热器的灰量比例调节过热气温、再热气温和床温。
本发明的循环流化床采取分级燃烧方式，设置一次风机14、二次风机15和高压风机16。其中，一次风分三路，经空气预热器10预热至300℃的热一次风提供燃烧流化风和播煤风，未预热的冷一次风作为给煤密封风，保证煤均匀的送入炉内，防止烟气反窜，保证物料流化，提供燃烧所需的部分氧量；二次风机15经空气预热器10预热至300℃分三层由密相区上方前、后墙分别送入，补充燃烧后续氧量、加强湍流混合强度，实现分级燃烧，有效抑制燃料型NOx的生成；高压风机16经空气预热器10预热至300℃提供外置床换热器和回料器流化风和松动风，保证正常的物料循环。
本发明将循环流化床燃烧与超临界二氧化碳循环有机结合，以超临界二氧化碳作为循环工质，包括循环流化床锅炉和超临界二氧化碳发电系统，其中循环流化床锅炉为超临界二氧化碳发电系统提供热源，超临界二氧化碳发电系统利用高温高压的超临界二氧化碳工质推动高、低压透平做功，带动发电机发电，实现高效热电转换。本发明旨在降低超临界二氧化碳锅炉冷却壁入口温度、降低锅炉排烟温度、透平排气压力与压缩机入口压力独立控制、实现高效、清洁发电，发电效率提高，且机组趋于小型化，具有更快的负荷响应速度，深度调峰适应性强，有望突破传统火电机组发展的技术瓶颈，充分发挥煤炭资源优势，提高能源利用率，保障能源安全。
实施例1
循环流化床锅炉高温过热器7出口28Mpa，600℃的高温、高压超临界二氧化碳工质进入高压透平17膨胀做功至12.3Mpa，493℃，依次进入低温再热器6、高温再热器4再热至620℃，之后进入低压透平19膨胀做功至5.35Mpa，515℃，低压透平19出口排气依次进入高温回热器21低压侧、中温回热器22低压侧、低温回热器23低压侧冷却，之后进入预冷器24冷却至32℃，经预压缩机25压缩压缩至7.65Mpa，67℃，约41.7％的工质进入再压缩机28压缩至28.6Mpa，188℃，另一部分工质进入中冷器26冷却至32℃，经主压缩机27压缩至28.7Mpa，79℃，进入低温回热器23高压侧加热后与再压缩机28出口工质混合，进入中温回热器22高压侧加热，中温回热器22高压侧出口分流，92％的工质进入高温回热器21加热，8％的工质依次进入循环流化床内下级省煤器9、上级省煤器8加热，与高温回热器21高压侧出口物流混合，利用循环中低温工质吸收350～500℃的中温烟气余热，降低排烟温度，提高系统效率，474℃的混合工质依次进入循环流化床内冷却壁1、低温过热器5、屏式过热器2和高温过热器7加热至600℃，构成闭式循环。
本发明中，预压缩机25、主压缩机27和再压缩机28由高压透平17和低压透平19直接驱动，减少中间能量转化损失，其中高压透平17驱动预压缩机25和主压缩机27，低压透平19驱动再压缩机28，主压缩机27和再压缩机28入口压力与低压透平19排气压力相互独立，易于调节控制。
上述实施例1中，超临界二氧化碳工质参数为600℃/620℃/28Mpa时，发电效率可达46.9％。
参照上述实施例1，实施例2～5改变主气温度和压力、再热温度和压力，得到优化的进入再压缩机的分流比例，以及分流5～10％的工质进入省煤器对应的设计冷却壁入口温度和发电效率，详见表1。
表1实施例2～5选取不同工质参数计算得到的冷却壁入口温度和发电效率