一种锅炉梯级用能系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种锅炉梯级用能系统及方法，其将锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器中进行热交换，使超临界CO2温度升高；升温后的超临界CO2通过汽轮机对外做功，然后通入第二热交换器中；超临界CO2在第二热交换器中与水换热后降温，降温后的超临界CO2在压气机中进行等温压缩处理后通入第一热交换器或通入第三热交换器再通入第一热交换器以进行循环，以此实现烟气余热的利用。本发明可实现对锅炉尾部烟气余热的高效梯级利用，具备环保、高效、简单、成本低等优点。
【专利说明】
一种锅炉梯级用能系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于烟气余热利用技术领域，更具体地，涉及一种锅炉梯级用能系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前，电厂锅炉尾部烟气经过空气预热器及除尘器后温度仍高达130°C左右，此时的烟气中仍含有大量的热量，通常情况下尾部烟气经过脱硫处理后直接排入大气中，这部分热量没有得到有效利用而直接损失，降低了能源利用效率。
[0003]目前，现有技术中关于工业余热利用系统有诸多的方案，例如，CN105298567A公开了一种采用超临界二氧化碳工质的工业余热利用系统，该系统包括主工艺热源、烟气换热器和分级串联式的复合循环回路，其中分级串联式的复合循环回路包括发电机、透平、回热器、冷却器和压气机，工作介质在系统中经透平后需经过两个回热器回热之后再依次经过冷却器和压气机，即工作介质先加热又再冷却，造成能源的浪费，其需额外设置用于回热的回热器，且复合循环回路的线路结构复杂，增加了设备投入成本，并且其对余热利用系统的具体布置位置也没有给出指导。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锅炉梯级用能系统及方法，其中通过锅炉尾部烟气与超临界CO2交换热量，使得超临界CO2得到热量，该热量既可以保证梯级用能系统的正常运行又能对外做功，其无需额外设置回热器即可实现对外做功，结构简单、操作方便，并且将超临界CO2的热能直接作为压气机的动力源，进一步实现锅炉余热的利用，实现能源的高效梯级利用，进一步降低成本。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种锅炉梯级用能系统，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，其包括第一热交换器、汽轮机、第二热交换器和压气机，所述第一热交换器、汽轮机、第二热交换器和压气机依次相连，以形成超临界CO2的循环闭合通道，其中:
[0006]所述第一热交换器设于锅炉的空气预热器和除尘器之间或除尘器和引风机之间，其作为高温烟气与超临界CO2热量交换的场所，将烟气中的热量通过热量交换转化为超临界C02的内能，从而使超临界C02温度升尚；
[0007]所述汽轮机用于将超临界CO2获得的热能转化为机械能或电能，以实现烟气余热的回收利用；
[0008]所述第二热交换器用于对经过汽轮机后的超临界⑶2进行降温处理;所述压气机用于将降温处理后的超临界CO2进行等温压缩处理，然后送入第一热交换器中以进行循环，所述压气机的动力源由汽轮机提供。
[0009]作为进一步优选，所述超临界CO2在第二热交换器中降温至31°C。
[0010]作为进一步优选，所述第一热交换器的入口烟气温度为100°C_180°C，出口烟气温度为50°01101€
[0011]作为进一步优选，所述第一热交换器与汽轮机之间以及与压气机之间设置有阀门，该阀门用于控制超临界CO2的流量。
[0012]作为本发明的另一个方面，提出了一种锅炉梯级用能系统，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，其包括第一热交换器、汽轮机、第二热交换器、压气机和第三热交换器，所述第一热交换器、汽轮机、第二热交换器、压气机和第三热交换器依次相连，以形成超临界CO2的循环闭合通道，其中:
[0013]所述第一热交换器设于锅炉的空气预热器和除尘器之间，其作为高温烟气与超临界CO2热量交换的场所，将烟气中的热量通过热量交换转化为超临界CO2的内能，从而使超临界CO2温度升高；
[0014]所述汽轮机用于将超临界CO2获得的热能转化为机械能或电能，以实现烟气余热的回收利用；
[0015]所述第二热交换器用于对经过汽轮机后的超临界⑶^^进行降温处理;所述压气机用于将降温处理后的超临界CO2进行等温压缩处理，然后送入第三热交换器中，所述压气机的动力源由汽轮机提供；
[0016]所述第三热交换器设于锅炉的除尘器和引风机之间，所述超临界⑶2经第三热交换器后再次进入第一热交换器以进行循环。
[0017]作为进一步优选，所述第一热交换器采用翅片式或管式高压换热器；当出口烟气温度大于90°C时，采用耐高压合金钢材料制成，当出口烟气温度小于等于90°C时，采用氟塑料或金属喷涂耐腐蚀材料制成。
[0018]作为本发明的另一个方面，提出了一种锅炉梯级用能方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0019]经过预热或除尘后的锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器中进行热交换，所述烟气温度降低生成凝结水，烟气中的烟尘随凝结水排出，超临界CO2温度升高；
[0020]升温后的超临界CO2通过汽轮机对外做功，然后通入第二热交换器中；
[0021]超临界⑶^^在第二热交换器中与水换热后降温至31°C，降温后的超临界CO2在压气机中进行等温压缩处理后通入第一热交换器或通入第三热交换器再通入第一热交换器以进行循环，以此实现烟气余热的利用。
[0022]作为进一步优选，所述压气机的动力源由汽轮机提供。
[0023]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0024]1.本发明通过超临界CO2在汽轮机中将获得的能量对外做功，使能量形式得到转化，系统中将汽轮机部分功用于带动压缩机做功，将其直接用于超临界CO2的等温压缩，而汽轮机另一部分转动功则用于进行发电或直接连接其他耗能系统，可有效利用锅炉烟气热量，实现能量的高效梯级利用，提高了能源利用效率。本发明无需额外设置回热器即可实现对外做功，结构简单、操作方便。
[0025]2.本发明系统中工作介质的流动不需要另外提供动力，通过锅炉尾部烟气与超临界CO2交换热量，超临界CO2得到的热量既可以保证梯级用能系统的正常运行又能对外做功，运行费用低。
[0026]3.本发明的超临界CO2具有粘度低、密度高、安全不易燃易爆、无毒无腐蚀等特点，在系统中能够安全的利用，不会对设备存在潜在危害;本发明在除尘器前加装本系统，可以有效降低除尘器入口烟温，提高除尘器除尘效率。
[0027]4.本发明还对交换器的入口烟气温度和出口烟气温度进行研究和限定，适用于不同电厂锅炉尾部烟气的回收利用，整套系统应用范围广，调节灵活;本发明还对锅炉梯级用能系统的具体布置位置进行研究和设定，当其设置在空气预热器和除尘器之间时，烟气在热交换器中换热降温后，可以减少烟气中颗粒物的比电阻，从而提高除尘器的除尘效率，当其设置在除尘器和引风机之间时，通过除尘器后烟气中颗粒物含量极少，烟气与超临界CO2在热交换器中进行换热时效率提高，且对热交换器的磨损减小，有利于提高热交换器的使用寿命。
[0028]5.本发明中的热交换器、阀门、压气机及汽轮机均为常用机械，维修方便，容易实现，且汽轮机大小可根据不同系统容量进行相应调整，整套系统简单灵活、适用范围广。
【附图说明】
[0029]图1是本发明实施例的锅炉梯级用能系统结构示意图；
[0030]图2是本发明另一实施例的锅炉梯级用能系统结构示意图；
[0031]图3是本发明另一实施例的锅炉梯级用能系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033]本发明的基本原理是通过将高温锅炉尾部烟气通入热交换器2中与超临界⑶2进行热量交换，使得部分烟气热量交换到超临界CO2中，通过超临界CO2在汽轮机中对外做功使得这部分能量转化为电能或机械能，从而使得部分烟气热量能得到有效的利用;做功后的超临界CO2在热交换器7中与冷源进行热量交换后降温，通过压气机等温压缩后通入热交换器2中进行循环利用，从而保证整套系统的连续运行。
[0034]如图1所示，本发明实施例提供的一种锅炉梯级用能系统，该系统主要包括第一热交换器2、汽轮机6、第二热交换器7和压气机8，第一热交换器2、汽轮机6、第二热交换器7和压气机8依次相连，以形成工作介质流动的循环闭合通道，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，由于电厂锅炉尾部烟气经过空气预热器及除尘器后温度仍高达130°C，采用普通介质很难利用此部分烟气的热量，本发明采用的超临界CO2具有临界压力为7.377MPa，临界温度为30.98°C的物理特性，由于其临界温度低，因此在第一热交换器2中能与烟气顺利的进行热量交换，获得烟气的部分余热，同时其临界压力高，升温后的超临界CO2可以冲转汽轮机从而将从烟气处得到的热能转化为可利用的机械能。
[0035]下面对系统中的各个部件进行详细说明。
[0036]第一热交换器2提供高温烟气与超临界CO2热量交换的场所，其用于将烟气中的部分热量通过热量交换转化为超临界0)2的内能，从而使超临界CO2温度升高，其可以设于空气预热器I和除尘器3之间，如图1所示，或者设于除尘器3和引风机4之间，如图2所示，超临界CO2与烟气在第一热交换器2中进行热量交换使烟气温度降低，使得烟气的含湿率降低，此时，烟气温度降低，烟气中水蒸气凝结成水，烟气中颗粒物也进入水烟气含湿率降低，烟尘浓度下降，而工作介质超临界0)2则通过与烟气的热中，量交换获得烟气的部分热能，从而温度升高。
[0037]汽轮机6分别与第一热交换器2和第二热交换器7相连，其用于将超临界C02在第一热交换器2中获得的烟气的热能转化为机械能或电能而对外做功，以实现烟气余热的回收利用，通过汽轮机6后的超临界CO2的压力和温度均会有所降低。
[0038]第二热交换器7用于对经过汽轮机6后的降温降压的超临界⑶2进行降温处理，具体的，超临界CO2在第二换热器7中与水进行热量交换降温到31°C，本发明采用的超临界CO2具有临界压力为7.377MPa，临界温度为30.98 °C的物理特性，在第二换热器7中将超临界CO2降温至31°C，保证了整个循环中CO2都处于超临界状态。
[0039]压气机8是超临界CO2等温压缩系统，通过汽轮机6后的超临界CO2压力会降低，为保证介质在热交换器中顺利流动并始终保持超临界状态，通过压气机对其进行等温压缩，然后将等温压气处理后的超临界CO2送入第一热交换器2中以进行循环。本发明中压气机的动力源由汽轮机提供，即直接利用超临界CO2获得的烟气的热能作为压气机的动力源，带动汽轮机的转动做功从而带动压气机运行，实现烟气余热的多次利用。
[0040]为了便于超临界CO2流量的控制，在第一热交换器2与汽轮机6之间设置有阀门5，第一热交换器2与压气机8之间设置有阀门5，阀门5可用来控制超临界CO2的流量，当锅炉工况发生变化时能通过阀门调整系统中超临界CO2的流量，从而保证整套系统的顺利运行。[0041 ] 进一步的，第一热交换器2的入口烟气温度为100°C_180°C，出口烟气温度为50°C-110°c，设置此出口烟气温度既充分利用了烟气的热量，又保证了后续脱硫设备的正常运行。本发明的热交换器2采用翅片式或管式高压换热器，当热交换器2的设计出口烟气温度大于90°C时，其采用耐高压合金钢等金属材料制成，当设计出口烟气温度不大于90°C时，其采用氟塑料或金属喷涂耐腐蚀材料制成，根据出口温度的不同选择不同的制备材料，可有效避免烟气对热交换器2的低温腐蚀。
[0042]本发明的锅炉梯级用能系统除了可放在锅炉空气预热器器I之后、除尘器3之前，或者放于除尘器3之后、引风机4之前，其还可以设置两级热交换器，串联运行，用于锅炉尾部烟气热量回收，即设置三个热交换器，包括第一热交换器2、第二热交换器7和第三热交换器9。如图3所示，第一热交换器2设于锅炉的空气预热器I和除尘器3之间，其作为高温烟气与超临界CO2热量交换的场所，将烟气中的热量通过热量交换转化为超临界CO2的内能，从而使超临界CO2温度升高;第二热交换器7用于对经过汽轮机6后的超临界CO2进行降温处理;第三热交换器9设于锅炉的除尘器3和引风机4之间，超临界CO2经第三热交换器9后再进入第一热交换器2以进行循环。
[0043]本发明通过超临界CO2在汽轮机中将获得的能量对外做功，使能量形式得到转化，系统中将汽轮机部分功用于带动压缩机做功，而另一部分的汽轮机转动功则可用于进行发电或直接连接其他耗能系统，通过此发明可有效的利用锅炉烟气热量，通过该系统不同的设计方法，可以实现能量的高效梯级利用。
[0044]本发明还提供了一种锅炉梯级用能方法，其主要包括如下步骤:
[0045]经过预热或除尘后的锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器2中进行热交换，所述烟气温度降低生成凝结水，烟气中的烟尘随凝结水排出，超临界CO2温度升高;通过热交换器2后的烟气经过后续处理后由烟囱排入大气；
[0046]升温后的超临界CO2通过汽轮机6对外做功，然后通入第二热交换器7中；
[0047]通过汽轮机后的超临界⑶2在热交换器7中与冷源进行热量交换后降温至热交换器2入口处温度，具体降温至31°C，为保证整个梯级用能系统的连续进行，将降温后的超临界CO2在压气机8中进行等温压缩至热交换器2入口压力，压缩后的超临界CO2由管道持续通入热交换器2中进行吸热换热，或通入第三热交换器9再通入第一热交换器2中进行循环，以此实现烟气余热的利用。
[0048]以下为本发明的具体实施例，通过本实施例进一步对本发明的工作过程进行描述和说明。
[0049]—般通过空气预热器后的烟气温度在130°C左右，此时的烟气可作为干烟气处理设计热交换器2出口温度为90°C，由此可计算出烟气比焓降为40.2KJ/kg，并设置热交换器2入口超临界CO2的压力为lOOatm，温度为31°C，出口温度为85°C，由于阻力超临界CO2压力会有损失，则此时出口压力为98atm。
[0050]本例中烟气的质量流量为140kg/h，每小时烟气换热量为5628KJ，超临界⑶2进入第一热交换器2时的参数(即入口参数)为10atm(标准大气压)，31°C。超临界⑶2在第一热交换器2与烟气换热后升温至85°C，通过第一热交换器2换热后的超临界⑶2通过管路进入汽轮机6，超临界CO2在汽轮机6中将内能转化为机械能，通过汽轮机6后超临界CO2压力温度均有所降低，在换热器7中超临界CO2与水进行换热后降温至31°C，降温后的超临界CO2在压气机8中被等温压缩到10atm(标准大气压)，压缩后的CO2通入第一热交换器2中进行循环流动。通过此工作过程超临界CO2与烟气进行热交换获得能量后升温，此部分能量推动汽轮机转动，一部分用于超临界CO2的压缩，另一部分可驱动发电机对外供能，实现锅炉余热的梯级利用。
[0051]综上，本系统能够对烟气余热进行利用，由于锅炉中烟气量大，因此通过本发明系统可以大幅利用锅炉热量，达到工业节能目标。
[0052]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种锅炉梯级用能系统，其特征在于，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，其包括第一热交换器(2)、汽轮机(6)、第二热交换器(7)和压气机(8)，所述第一热交换器(2)、汽轮机(6)、第二热交换器(7)和压气机(8)依次相连，以形成超临界CO2的循环闭合通道，其中: 所述第一热交换器(2)设于锅炉的空气预热器(I)和除尘器(3)之间或除尘器(3)和引风机(4)之间，其作为高温烟气与超临界CO2热量交换的场所，将烟气中的热量通过热量交换转化为超临界CO2的内能，从而使超临界CO2温度升高； 所述汽轮机(6)用于将超临界CO2获得的热能转化为机械能或电能，以实现烟气余热的回收利用； 所述第二热交换器(7)用于对经过汽轮机(6)后的超临界CO2进行降温处理;所述压气机(8)用于将降温处理后的超临界CO2进行等温压缩处理，然后送入第一热交换器(2)中以进行循环，所述压气机(8)的动力源由汽轮机(6)提供。2.如权利要求1所述的锅炉梯级用能系统，其特征在于，所述超临界CO2在第二热交换器(7)中降温至31°C。3.如权利要求2所述的锅炉梯级用能系统，其特征在于，所述第一热交换器(2)的入口烟气温度为100°C-180°C，出口烟气温度为50°C-110°C。4.如权利要求2所述的锅炉梯级用能系统，其特征在于，所述第一热交换器(2)与汽轮机(6)之间以及与压气机(8)之间设置有阀门(5)，该阀门用于控制超临界CO2的流量。5.—种锅炉梯级用能系统，其特征在于，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，其包括第一热交换器(2)、汽轮机(6)、第二热交换器(7)、压气机(8)和第三热交换器(9)，所述第一热交换器(2)、汽轮机(6)、第二热交换器(7)、压气机(8)和第三热交换器(9)依次相连，以形成超临界CO2的循环闭合通道，其中: 所述第一热交换器(2)设于锅炉的空气预热器(I)和除尘器(3)之间，其作为高温烟气与超临界CO2热量交换的场所，将烟气中的热量通过热量交换转化为超临界CO2的内能，从而使超临界CO2温度升高； 所述汽轮机(6)用于将超临界CO2获得的热能转化为机械能或电能，以实现烟气余热的回收利用； 所述第二热交换器(7)用于对经过汽轮机(6)后的超临界CO2进行降温处理;所述压气机(8)用于将降温处理后的超临界CO2进行等温压缩处理，然后送入第三热交换器(9)中，所述压气机(8)的动力源由汽轮机(6)提供； 所述第三热交换器(9)设于锅炉的除尘器(3)和引风机(4)之间，所述超临界CO2经第三热交换器(9)后再次进入第一热交换器(2)以进行循环。6.如权利要求1-5所述的锅炉梯级用能系统，其特征在于，所述第一热交换器(2)采用翅片式或管式高压换热器;当出口烟气温度大于90 V时，采用耐高压合金钢材料制成，当出口烟气温度小于等于90°C时，采用氟塑料或金属喷涂耐腐蚀材料制成。7.一种锅炉梯级用能方法，其特征在于，包括如下步骤: 经过预热或除尘后的锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器(2)中进行热交换，所述烟气温度降低生成凝结水，烟气中的烟尘随凝结水排出，超临界CO2温度升高； 升温后的超临界CO2通过汽轮机(6)对外做功，然后通入第二热交换器(7)中； 超临界⑶2在第二热交换器(7)中与水换热后降温至31°C，降温后的超临界CO2在压气机(8)中进行等温压缩处理后通入第一热交换器(2)或通入第三热交换器(9)再通入第一热交换器(2)以进行循环，以此实现烟气余热的利用。8.如权利要求7所述的锅炉梯级用能方法，其特征在于，所述压气机(8)的动力源由汽轮机(6)提供。
【文档编号】F01K27/02GK105840260SQ201610171816
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】向军, 卿梦霞, 胡松, 苏胜, 汪, 汪一, 徐俊, 唐浩, 孙志君
【申请人】华中科技大学