具有再加热循环的混合生物质处理的制作方法与工艺

本发明大体而言涉及通过将生物质燃烧系统与例如天然气或其它化石燃料燃烧系统等常规能量系统组合来生成电力的方法和系统。更具体而言，本发明针对于将来自生物质燃料循环的蒸汽输出与天然气联合循环或其它化石燃料燃烧发电设备的蒸汽输出组合来生成电力的方法和系统。

背景技术：
使用生物质作为生成电力的手段在纸浆和造纸行业中是完善确立的。生物质也用于独立的发电设施中。基于蒸汽的生成使用生物质作为燃料的发电技术的缺陷之一在于，相对于天然气或其它化石燃料燃烧发电设备的效率，其发电循环固有的低效率。使用生物质燃料源的发电的这种低水平的效率是由于两个主要缺点。首先，生物质燃料的水分含量通常高于40%，这降低了锅炉的燃烧效率。其次，生物质燃料燃烧发电设备的大小通常小于50MW，这导致比更大的天然气或化石燃料燃烧发电设备更低效率的蒸汽循环。本发明设法通过将从生物质处理所生成的蒸汽与从天然气或其它化石燃料循环所生成的蒸汽组合，来克服这些和其它缺点。

技术实现要素：
本发明针对于通过将生物质燃料燃烧循环与天然气或其它化石燃料燃烧循环的组合来发电的系统和方法。一般而言，混合循环格式利用来自生物质锅炉的蒸汽与来自传统天然气或化石燃料燃烧发电设备的蒸汽输出。在替代实施例中，来自生物质锅炉的蒸汽可以与来自固体燃料锅炉的蒸汽输出组合。通过这种组合来克服传统生物质发电设备的低效。将用于从两个源生成蒸汽的工艺保持为分离的。将来自生物质源的蒸汽与来自天然气、其它化石燃料循环或固体燃料循环的蒸汽组合，并且使其流到共同的蒸汽涡轮发电机。现在将描述本发明的示例性实施例。在第一示例性实施例中，使用非燃烧三汽包热回收蒸汽发生器(HRSG)。所组合的蒸汽流通过蒸汽涡轮发电机的高压段。当设备以化石燃料与生物质燃烧锅炉都工作的混合模式工作时，离开蒸汽涡轮发电机的高压段的组合蒸汽流沿着蒸汽管线传送到两个目的地。首先，蒸汽的一部分沿着冷再热蒸汽管线传送到HRSG的再加热段。来自电力产生循环的蒸汽在HRSG中再加热。在离开HRSG的再加热段时，该再加热后的蒸汽与来自HRSG的中压汽包的蒸汽组合。其次，离开蒸汽涡轮的高压段的蒸汽流的一部分沿着冷再热蒸汽管线传送，以在生物质锅炉中的再加热段中再加热。来自HRSG的再加热段、HRSG的中压汽包和生物质锅炉再加热器的输出然后组合，并且传送到蒸汽涡轮的中压段，并且然后膨胀到蒸汽涡轮发电机的低压段以生成电力。优选地，HRSG还包括连接到蒸汽涡轮发电机的低压段的蒸汽管线输出。蒸汽在低压段中膨胀以生成电力。离开蒸汽涡轮的低压段的蒸汽经过冷凝器上方，在那里被冷凝为给水。给水从冷凝器被泵送到HRSG和生物质锅炉，以用于再加热和蒸汽产生。当该设备仅以生物质模式工作时，离开蒸汽涡轮的高压段的蒸汽流沿着蒸汽管线传送到仅一个目的地。来自电力产生循环的冷再热蒸汽被传送到生物质锅炉的再加热段。来自生物质锅炉再加热循环的输出然后传送到蒸汽涡轮的中压段，并且然后膨胀到蒸汽涡轮发电机的低压段以生成电力。离开蒸汽涡轮的低压段的蒸汽经过冷凝器上方，在那里被冷凝为给水。给水然后被传送到生物质锅炉用于加热和蒸汽产生。在本发明的第二示例性实施例中，使用非燃烧的二汽包HRSG。该HRSG并不具有再加热能力。来自天然气循环和生物质锅炉的组合的蒸汽流被引导至蒸汽涡轮发电机的高压段。蒸汽涡轮的高压段的蒸汽输出然后被传送到生物质锅炉，在那里其被再加热并且然后传送到蒸汽涡轮发电机的低压段以生成电力。离开蒸汽涡轮的低压段的蒸汽经过冷凝器上方，在那里被冷凝为液态给水。然后可以将给水传送到HRSG和生物质锅炉用于加热和蒸汽产生。在本发明的其它示例性实施例中，可以使用其它化石燃料锅炉，例如煤锅炉、或者其它固体燃料锅炉来代替经由HRSG的天然气处理。附图说明图1为本发明的混合循环的第一示例性实施例。图2为本发明的混合循环的第二示例性实施例。应当指出的是附图不是按照比例绘制的。还应当指出的是附图仅旨在便于描述优选实施例。具体实施方式本发明的系统和方法允许从生物质燃料更高效地产生能量。通过在混合工艺中将典型的生物质燃料循环与天然气或化石燃料循环组合，来实现本方法的提高的效率。将从生物质燃料循环生成的蒸汽与从天然气或其它化石燃料循环生成的蒸汽组合，并且然后使组合的蒸汽流传送通过蒸汽涡轮发电机。所提出的工艺与天然气分离地燃烧生物质燃料。将燃烧后的气体保持分离，用于在排放到大气之前的燃烧后处理。在例如图1和图2所示的优选实施例中，生物质燃烧锅炉与联合循环热回收锅炉(HRSG)并行地工作。这具有若干效果。首先，生物质锅炉的工作蒸汽压力不再受到蒸汽涡轮发电机的大小限制。其次，来自生物质锅炉的蒸汽现在能够以再加热(或非再加热)型朗肯循环工作。第三，避免了用于生物质燃料的单独的发电循环，从而产生资本节约和改进的效率，并避免了单独的工作人员。第四，从生物质燃料源产生的蒸汽可以取代天然气或化石燃料的使用，作为HRSG中的补充燃料。通常，生物质工艺限于使用工业级的蒸汽涡轮发电机。在本发明中描述的循环的组合允许使用公用级的蒸汽涡轮发电机。因为公用级的蒸汽涡轮发电机比工业级的蒸汽涡轮发电机显著地更高效，所以使用公用级的蒸汽涡轮发电机的能力提供了本系统和方法优于从生物质生成电力的传统系统的更高的效率。很多种生物质产品可以与本公开的发明一起使用。燃料或原料可以包括可再生的固体燃料中的任何燃料，例如绿树屑、森林残留物、庭院废物、木屑、城市废木材、拆建废木材、甘蔗纤维(甘蔗渣)或其它农业废弃物。本发明的构思还可以与高氯含量的燃料一起使用，诸如城市固体废弃物(MSW)或垃圾衍生燃料(RDF)。在使用高氯含量燃料的应用中，与低氯含量燃料相比，将降低循环的蒸汽温度。也可以使用轮胎。本发明提供了示例性生物质能量燃料源，但本发明的范围并不限于这些特定示例。相反，可以使用能与天然气或其它化石燃料循环兼容的产生蒸汽温度的任何生物质燃料源。可以利用本领域中已知的任何手段，例如卡车、火车或驳船将生物质燃料运送到设备地点，并且以与生物质操作中的常规实践相同的方式卸载、储存和回收利用。可以使用本领域中已知的任何方法从生物质燃料生成高压蒸汽。例如，使用机械加煤燃烧、鼓泡流化床、循环流化床技术等全都在本发明的范围内。在优选实施例中，蒸汽锅炉操作压力和温度将处于当前实践的高端，使得从生物质燃料循环获得的蒸汽压力和温度与天然气或化石燃料循环的蒸汽压力和温度处于同一数量级。一般而言，用于联合循环的生物质燃料部分的蒸汽生成工艺将以与正在进行的生物质燃料发电项目相似的方式操作，除了蒸汽并不直接传送到专用的蒸汽涡轮发电机以外。替代地，如将在下文中进一步讨论的那样，从生物质燃料部分生成的蒸汽与从天然气或化石燃料循环生成的蒸汽组合，并且所组合的蒸汽流传送到蒸汽涡轮发电机。从天然气或化石燃料生成的蒸汽可以本领域中已知的任何手段获得，并且本发明并不限于任何特定方法。在图1中示出了本发明的示例性实施例。图1描绘了使用新木材作为原料的示例性木材锅炉102，但如上文所描述的那样，本发明的构思并不限于使用木材锅炉或者将新木材用作原料。使用该行业中标准的并且本领域技术人员熟知的处理方法，在木材锅炉102中处理新木材104以产生蒸汽。通过燃气轮机110来处理天然气108以产生热气体112。天然气108的处理也经由发电机114产生能量。从燃气轮机110产生热气体112。热气体112然后进入热回收蒸汽发生器(HRSG)单元116。在图1的示例性实施例中，HRSG116为非燃烧的三汽包HRSG。来自HRSG116的高压蒸汽输出118与来自木材锅炉102的蒸汽输出106组合。然后将所组合的蒸汽流120传送到蒸汽涡轮发电机124的高压(HP)段122。在蒸汽涡轮发电机124的HP段122中膨胀到更低压力之后，蒸汽126优选地进入再加热循环。如果该系统以天然气和生物质锅炉都工作的混合模式工作，则蒸汽126可以被传送到两个目的地之一。首先，冷再热蒸汽126可以传送到HRSG116用于再加热。然后再加热蒸汽128与来自HRSG116的第二蒸汽输出(中压)130组合，作为蒸汽管线132的部分。其次，冷再热蒸汽126的一部分可以沿着蒸汽管线164传送到生物质锅炉102用于再加热。在生物质锅炉102中再加热之后，热的再热物沿着蒸汽管线168行进以与蒸汽管线132组合。如果该系统仅以生物质模式工作，则所有的冷再热蒸汽126被传送到生物质锅炉102用于再加热。在该操作模式中，一旦再加热，热的再热物就沿着蒸汽管线168传送到蒸汽管线132。再加热循环改进了蒸汽涡轮发电机124的性能，并且向本文中所公开的系统和方法提供增加的效率水平。在混合操作模式或者仅生物质模式中，蒸汽管线132被传送到蒸汽涡轮发电机124的中压段。然后蒸汽膨胀到蒸汽涡轮发电机124的低压段138以经由发电机148生成电力。优选地，HRSG116还包括低压进入管线140，低压进入管线140向低压段138提供蒸汽输入。离开蒸汽涡轮发电机124的低压段138的蒸汽经过冷凝器142上方，在冷凝器142中，蒸汽被冷凝为给水。给水从冷凝器进入冷凝液泵143，并且如果系统以混合操作模式工作，则给水被泵送到两个目的地。首先，给水经由管线144泵送通过HRSG116中的节能器段，用于预热并且然后到达HRSG的低压汽包。低压汽包经由锅炉供给泵184将水供应到HRSG的中压段和高压段中用于产生蒸汽。其次，给水经由管线145通过低压给水加热器175，其中从低压蒸汽涡轮抽汽机供应热输入174。给水从低压给水加热器175传送到除气器176，除气器176具有从低压进入管线140的供给管线供应的热输入172。给水在离开除气器176时经由锅炉供给泵178通过高压给水加热器182泵送到生物质锅炉102。高压给水加热器182从中压蒸汽涡轮抽汽机177接收热输入。然后加热给水用于在木材锅炉102中生成蒸汽。如果该系统仅以生物质模式工作，则全部给水传送到生物质锅炉102。在图2所描绘的第二示例性实施例中，在燃气轮机210中处理天然气208以产生热气体212。非燃烧的二汽包HRSG216接收热气体212，并且形成高压蒸汽输出218和低蒸汽压力蒸汽输出230。高压蒸汽输出218与来自木材锅炉202的蒸汽输出206组合，蒸汽输出206从木材燃料204或其它生物质燃料的处理形成。然后将所组合的蒸汽流220传送到蒸汽涡轮发电机224的高压段。在蒸汽涡轮发电机224的高压段中膨胀到更低压力之后，蒸汽进入再加热循环。冷的再加热蒸汽管线225将所有蒸汽传送到木材锅炉202。然后将锅炉再热物268传送到蒸汽涡轮发电机224的低压段。蒸汽涡轮发电机的低压段也从HRSG216接收低压进入蒸汽输出230。然后蒸汽在蒸汽涡轮发电机224的低压段中膨胀以经由发电机248生成电力。冷凝器242接收蒸汽涡轮发电机24的低压段的输出。离开低压段的蒸汽被冷凝为给水并且进入冷凝液泵243。来自冷凝液泵243的输出被传送到低压加热器275并且然后通过HRSG216中的节能器段。低压加热器275从低压抽汽管线245接收热输入。在离开HRSG216之后，将给水传送到除气器276，除气器276从低压进入管线接收热输入。如果该系统以混合模式工作，则给水从除气器由锅炉供给泵278传送到两个目的地。首先，给水被传送到HRSG节能器用于加热和生成高压蒸汽和低压蒸汽。其次，给水进入高压加热器282，并且被传送到木材锅炉202以被加热从而生成蒸汽。高压加热器282从低压蒸汽涡轮抽汽机255接收热输入。如果该系统仅以生物质模式操作，则所有给水被引导通过加热器并且然后到达木材锅炉202。图示的示例在HRSG中并不使用任何补充燃烧。当该设备的生物质部分不运转以进行维护时，HRSG中补充燃烧的使用可以用于替代生物质蒸汽源。这允许在生物质设备不工作时维持该设备的电输出。各种燃气涡轮制造商提供预先设计的基于化石燃料的联合循环包装，其中(多个)燃气涡轮作为用于联合循环的原动力。燃气涡轮越大，联合循环设计就越复杂。这种复杂性的意图是为了改进发电循环的总效率。使用上述方案和其它优化特征，联合循环发电设备能够实现接近50%的发电效率。另一方面，传统的可再生的生物质燃烧电力设备以23-25%的效率范围工作。混合构思并不限于任何特定的联合循环布置。对该示例而言，生物质燃烧锅炉与非燃烧的三汽包HRSG(图1)或非燃烧的二汽包HRSG(图2)和具有或不具有蒸汽抽汽机的单个三段式(图1)和两段式(图2)凝气式蒸汽涡轮发电机组合。在其它情形下，可以使用固体燃料锅炉或者可以使用利用蒸汽循环的其它化石燃料燃烧发电技术，例如但不限于煤锅炉、燃气锅炉或燃油锅炉。此外，循环可以用于热电联产应用中，其中，在联合循环和混合循环中形成的蒸汽部分地用于工业目的。而且，混合构思并不限于基于再加热的联合循环。在前述说明书中，参考本发明的特定实施例描述了本发明。但是，显然在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种变更和变化。例如，一个实施例的每一个特征可以与在其它实施例中示出的其它特征混合和匹配。相似地根据期望可以结合本领域普通技术人员已知的特征和工艺。作为补充并且显然，可以根据期望添加或减去特征。因此，除了根据所附权利要求及其等同物之外，本发明并不受限制。