一种光伏-富氧燃烧耦合发电系统及方法

1.本发明属于煤炭高效清洁燃烧及新能源利用领域，特别涉及一种光伏-富氧燃烧耦合发电系统及方法，适用于解决富氧燃烧系统的高能耗和太阳能发电余热浪费的问题。


背景技术：

2.我国煤炭资源总量虽然丰富，但优质煤比例不高，低阶煤占煤炭总储量的55％以上。将低阶煤热解是其清洁高效利用的一种重要方式，但热解副产品半焦末料的利用率较低，将这部分热值高、价格低的半焦末料燃烧发电，可有效缓减由于煤价增长带来的电厂经济效益的下降问题。然而半焦的挥发分含量很低，燃烧过程存在着火困难、燃尽率低、no
x
排放高等问题。
3.富氧燃烧技术，采用纯氧与循环烟气代替空气进行助燃，既能直接获得高浓度co2，又能降低排烟损失、提高锅炉热效率，同时具有高效脱硫和脱硝的效能，是一种高效低污染燃烧发电的方式。相比传统电厂，富氧燃烧电厂主要增加了制氧系统和烟气循环系统，其中制氧系统的投资和运行成本占新增成本的绝大部分(消耗了较多的发电功率)。
4.因此提出一种在较低能耗的富氧燃烧系统上大规模利用半焦进行清洁燃烧发电的方法具有广泛的现实意义，且对我国煤炭利用技术的发展和经济效益将起到巨大的推动作用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种光伏-富氧燃烧耦合发电系统及方法。具体是在富氧燃烧条件下将低挥发分的半焦和高挥发分的褐煤在锅炉内分层掺烧发电。利用光伏发电给空气分离器供电以降低能耗，构建热泵系统，利用光伏发电组件的背板余热干燥褐煤，降低光伏组件背板温度以提高光伏发电效率，节省了干燥褐煤的外部热源，将褐煤在锅炉燃烧器的底层和顶层喷入，半焦从锅炉燃烧器的中间层喷入，形成“易燃燃料包裹难燃燃料”的炉膛燃烧组织方式，在尾部烟道除尘器前增设供暖器，在利用烟气余热的同时省去了减温装置，烟气中分离出来的水经净化处理后进行电解，氧气用作助燃剂的补给，氢气用作工业原料，电解水过程的耗能由光伏发电提供。本发明在利用煤炭资源和太阳能的同时，提高了光电转换效率，降低了能耗，降低了电站污染物的排放。
6.本发明采用如下技术方案来实现的：
7.一种光伏-富氧燃烧耦合发电方法，包括：
8.在富氧燃烧条件下将低挥发分的半焦和高挥发分的褐煤在锅炉内分层掺烧发电；利用光伏发电给空气分离器供电，利用光伏发电组件的背板余热干燥褐煤，将褐煤在锅炉燃烧器的底层和顶层喷入，半焦从锅炉燃烧器的中间层喷入，在尾部烟道除尘器前增设供暖器，烟气中分离出来的水经净化处理后进行电解，氧气用作助燃剂的补给，氢气用作工业原料，电解水过程的耗能由光伏发电提供。
9.一种光伏-富氧燃烧耦合发电系统，包括光伏发电单元、光伏组件背板余热利用单
元和富氧燃烧发电单元；
10.光伏发电单元包括光伏组件和并网逆变器；
11.光伏组件背板余热利用单元包括光伏组件背板换热器、压缩机、除尘烟气换热器、膨胀阀、第一引风机和第二引风机；
12.富氧燃烧发电单元包括空气分离器、钢球磨煤机、锅炉燃烧器、对流过热器和屏式过热器；
13.光伏组件与并网逆变器相连，并网逆变器通过空气分离器所需的输电网与空气分离器的供电设备相连，光伏组件的背板与光伏组件背板换热器相连，光伏组件背板换热器依次与压缩机、除尘烟气换热器和膨胀阀相连，构成一个热泵系统，除尘烟气换热器的热风出口与褐煤储存装置的入口相连，钢球磨煤机的出口与锅炉燃烧器的中间层燃烧器相连，对流过热器和屏式过热器布置在炉膛顶层，锅炉尾部依次通过烟气管道连接有脱硝装置、供暖器、除尘器、脱硫装置、冷凝器和co2转化装置，第一引风机的入口与除尘器的出口相连，第一引风机的出口与除尘烟气换热器的进风口相连，第二引风机的入口与冷凝器的烟气出口相连，第二引风机的出口与光伏组件背板换热器的进风口相连，冷凝器的水出口与水净化装置的入口相连，水净化装置的出口与电解水装置的入口相连，电解水装置的一个出口与锅炉燃烧器的送风喷口相连，另一个出口与氢气储存装置相连。
14.本发明进一步的改进在于，褐煤储存装置的出口与风扇磨煤机的入口相连，风扇磨煤机的出口与锅炉燃烧器的底层燃烧器和顶层燃烧器相连，半焦仓的出口与钢球磨煤机的入口相连。
15.本发明进一步的改进在于，屏式过热器的出口与汽轮机的蒸汽入口相连，汽轮机的转子与发电机的转子通过法兰相连，汽轮机的抽汽通过管道与锅炉的省煤器相连。
16.本发明进一步的改进在于，利用光伏组件给空气分离器供电，降低对燃煤发电的消耗，降低整体能耗。
17.本发明进一步的改进在于，半焦和褐煤在富氧燃烧条件下掺烧时，干燥褐煤从锅炉燃烧器的底层和顶层喷入，半焦从锅炉燃烧器的中间层喷入，在炉膛内形成易燃燃料包裹难燃燃料的分层燃烧方式。
18.本发明进一步的改进在于，在光伏组件的背板布置光伏组件背板换热器，将冷凝器后的部分低温烟气通过第二引风机送入光伏组件背板换热器，将除尘器后的部分较高温烟气通过第一引风机送入除尘烟气换热器，压缩机耗能由光伏发电通过光伏组件余热利用单元所需的输电网提供；由此，光伏组件背板换热器、压缩机、除尘烟气换热器和膨胀阀构成一个热泵系统，获得的高co2浓度热风通入褐煤储存装置，用于干燥褐煤。
19.本发明进一步的改进在于，烟气在冷凝器中冷凝后，液态水在水净化装置中净化处理后在电解水装置中电解生成氢气和氧气，其中获得的氢气用于化工产业，氧气进入锅炉燃烧器作为补充的助燃剂，电解水所需的电能由光伏发电单元提供。
20.本发明进一步的改进在于，工作时，光伏组件经并网逆变器处理后，发出的电经输电网向空气分离器供电，分离制得的氧气经风管送入锅炉燃烧器的送风喷口，制得的氮气根据其纯度用于工业的各行各业，利用光伏组件给空气分离器供电；
21.在光伏组件的背板布置光伏组件背板换热器，将冷凝器后的部分低温烟气通过第二引风机送入光伏组件背板换热器，将除尘器后的部分较高温烟气通过第一引风机送入除
尘烟气换热器，由光伏组件背板换热器、压缩机、除尘烟气换热器和膨胀阀构成一个热泵系统，获得的高co2浓度热风通入褐煤储存装置，用于干燥褐煤，干燥褐煤经风扇磨磨制后从锅炉燃烧器的底层和顶层喷入，半焦仓中的半焦经钢球磨煤机磨制后，从锅炉燃烧器的中间层喷入，在炉膛内形成易燃燃料包裹难燃燃料的分层燃烧方式；
22.锅炉炉膛高温烟气经对流过热器、屏式过热器后，过热器吸热后将热量传给汽轮机，通过能量转换带动发电机发电，该过程中汽轮机抽汽经除氧处理后作为回水返回省煤器；
23.在锅炉尾部烟道的除尘器前增设供暖器，为厂区和附近居民供暖，在利用烟气余热的同时，省去了除尘前的降温系统；
24.烟气在除尘器、脱硫装置中除尘和脱硫处理后，在冷凝器中冷凝和气水分离，液态水在水净化装置中净化处理后在电解水装置中电解生成氢气和氧气，其中获得的氢气用于化工产业，氧气进入锅炉燃烧器作为补充的助燃剂，电解水所需的电能由光伏发电单元提供，干烟气经co2转化装置进行合理转化利用或者进行封存处理；
25.光伏发电单元所发的电除了通过空气分离器所需的输电网、电解水装置所需的输电网和光伏组件余热利用单元所需的输电网用于给空气分离器、电解水装置和压缩机供电外，还将剩余电通过其余用电所需的输电网进行储存以配合燃煤发电的调峰任务，或者将其进行售卖。
26.本发明至少具有如下有益的技术效果：
27.本发明所述的一种光伏-富氧燃烧耦合发电系统及方法，在利用富氧燃烧发电机组消纳热解副产品半焦时，配套建设光伏发电单元，用光伏发电补偿富氧燃烧系统因空气分离而增耗的厂用电，不仅可提高电力供应总量，还可解决富氧燃烧发电系统运行成本高的问题。同时利用光伏发电组件背板的余热干燥褐煤，提高了光伏发电效率且节省了大量的外部热源。
28.在尾部烟道除尘器前增设供暖器，在利用烟气余热的同时省去了减温装置。烟气中分离出来的水经净化处理后进行电解，电解水过程的耗能由光伏发电提供，分离出高品位的氢气用作工业原料，氧气用作富氧燃烧系统助燃剂的补给。
29.综上所述，本发明充分利用了大自然赋予的太阳能资源，消耗了煤炭转化过程中的副产品半焦，降低了能耗，降低了电站污染物的排放，实现“低碳经济、循环减排”的目的。
附图说明
30.图1为本发明的结构原理图。
31.附图标记说明：
32.1为光伏组件，2为并网逆变器，3为空气分离器，4为空气分离器所需的输电网，5为电解水装置所需的输电网，6为光伏组件余热利用单元所需的输电网，7为其余用电所需的输电网，8为光伏组件背板换热器，9为压缩机，10为除尘烟气换热器，11为膨胀阀，12为褐煤储存装置，13为风扇磨煤机，14为半焦仓，15为钢球磨煤机，16为锅炉燃烧器，17为对流过热器，18为屏式过热器、19为汽轮机，20为发电机，21为省煤器，22为脱硝装置，23为供暖器，24为除尘器，25为第一引风机，26为脱硫装置，27为冷凝器，28为co2转化装置，29为水净化装置，30为电解水装置，31为第二引风机。
33.a为空气，b为氮气，c为氧气。
具体实施方式
34.以下结合附图对本发明做进一步的详细说明
35.如图1所示，本发明提供的一种光伏-富氧燃烧耦合发电系统，包括光伏发电单元、光伏组件背板余热利用单元和富氧燃烧发电单元。
36.所述的光伏发电单元包括光伏组件1、并网逆变器2、空气分离器所需的输电网4、电解水装置所需的输电网5、光伏组件余热利用单元所需的输电网6和其余用电所需的输电网7。
37.所述的光伏组件余热利用单元包括光伏组件背板换热器8、压缩机9、除尘烟气换热器10、膨胀阀11、褐煤储存装置12及褐煤输送装置、第一引风机25和第二引风机31。
38.所述的富氧燃烧发电单元包括空气分离器3、褐煤储存装置12及褐煤输送装置、风扇磨煤机13、半焦仓14、钢球磨煤机15、锅炉燃烧器16、对流过热器17、屏式过热器18、汽轮机19、发电机20、省煤器21、脱硝装置22、供暖器23、除尘器24、脱硫装置22、冷凝器27、co2转化装置28、水净化装置29和电解水装置30。
39.所述的光伏组件1与并网逆变器2相连，所述的并网逆变器2通过空气分离器所需的输电网4与空气分离器3的供电设备相连；所述的光伏组件1的背板与光伏组件背板换热器8相连，光伏组件背板换热器8依次与压缩机9、除尘烟气换热器10、膨胀阀11相连，构成一个热泵系统，所述的除尘烟气换热器10的热风出口与褐煤储存装置12的入口相连，褐煤储存装置12的出口与风扇磨煤机13的入口相连，风扇磨煤机13的出口与所述的锅炉燃烧器16的底层燃烧器和顶层燃烧器相连，所述的半焦仓14的出口与钢球磨煤机15的入口相连，所述的钢球磨煤机15的出口与锅炉燃烧器16的中间层燃烧器相连，所述的对流过热器17、屏式过热器18布置在炉膛顶层，所述的屏式过热器18的出口与汽轮机19的蒸汽入口相连，所述的汽轮机19的转子与发电机20的转子通过法兰相连，汽轮机19的抽汽通过管道与锅炉的省煤器21相连，锅炉尾部依次布置的脱硝装置22、供暖器23、除尘器24、脱硫装置26、冷凝器27和co2转化装置28均通过烟气管道相连，所述的第一引风机25的入口与除尘器24的出口相连，第一引风机25的出口与除尘烟气换热器10的进风口相连，所述的第二引风机31的入口与冷凝器27的烟气出口相连，第二引风机31的出口与光伏组件背板换热器8的进风口相连，所述的冷凝器27的水出口与水净化装置29的入口相连，水净化装置29的出口与所述的电解水装置30的入口相连，电解水装置30的一个出口与锅炉燃烧器16的送风喷口相连，另一个出口与氢气储存装置相连。
40.进一步的，利用光伏组件1给空气分离器3供电，可降低对燃煤发电的消耗，降低整体能耗。
41.进一步的，利用光伏组件1背板的热量来干燥褐煤，可节省外部热源提供的能量。
42.进一步的，半焦和褐煤在富氧燃烧条件下掺烧时，干燥褐煤从锅炉燃烧器16的底层和顶层喷入，半焦从锅炉燃烧器16的中间层喷入，在炉膛内形成易燃燃料包裹难燃燃料的分层燃烧方式，底层燃烧器的褐煤对半焦有引燃和助燃的作用，顶层燃烧器的褐煤对半焦有促进燃尽的作用。
43.进一步的，在锅炉尾部烟道的除尘器前增设供暖器23，在利用烟气余热的同时，省
去了除尘前的降温系统。
44.进一步的，在光伏组件1的背板布置光伏组件背板换热器8，将冷凝器27后的部分低温烟气通过第二引风机31送入光伏组件背板换热器8，将除尘器24后的部分较高温烟气通过第一引风机25送入除尘烟气换热器10，压缩机9耗能由光伏发电通过光伏组件余热利用单元所需的输电网6提供。由此，光伏组件背板换热器8、压缩机9、除尘烟气换热器10和膨胀阀11构成一个热泵系统，获得的高co2浓度热风通入褐煤储存装置12，用于干燥褐煤，既可降低光伏组件背板温度，提高光伏发电效率，又能节省褐煤干燥所需的外部热源提供的能量，还能避免褐煤自燃。
45.进一步的，烟气在冷凝器27中冷凝后，液态水在水净化装置29中净化处理后在电解水装置30中电解生成氢气和氧气，其中获得的氢气用于化工产业，氧气进入锅炉燃烧器作为补充的助燃剂。电解水所需的电能由光伏发电单元提供。这部分洁净的液态水还可采用传统方法作为锅炉回水利用。
46.本发明提供的一种光伏-富氧燃烧耦合发电方法，包括如下步骤：
47.1)光伏组件1经并网逆变器2处理后，发出的电经输电网向空气分离器3供电，空气分离器采用结构简单、成本较低的变压吸附式分离装置，分离制得的氧气经风管送入锅炉燃烧器16的送风喷口，制得的氮气根据其纯度用于工业的各行各业，利用光伏组件1给空气分离器3供电，可降低煤电的消耗，降低整体能耗；
48.2)在光伏组件1的背板布置光伏组件背板换热器8，将冷凝器27后的部分低温烟气通过第二引风机31送入光伏组件背板换热器8，将除尘器24后的部分较高温烟气通过第一引风机25送入除尘烟气换热器10，由光伏组件背板换热器8、压缩机9、除尘烟气换热器10和膨胀阀11构成一个热泵系统，获得的高co2浓度热风通入褐煤储存装置12，用于干燥褐煤，干燥褐煤经风扇磨13磨制后从锅炉燃烧器16的底层和顶层喷入，半焦仓14中的半焦经钢球磨煤机15磨制后，从锅炉燃烧器16的中间层喷入，在炉膛内形成易燃燃料包裹难燃燃料的分层燃烧方式；
49.3)锅炉炉膛高温烟气经对流过热器17、屏式过热器18后，过热器吸热后将热量传给汽轮机19，通过能量转换带动发电机20发电，该过程中汽轮机抽汽经除氧等处理后作为回水返回省煤器
50.4)在锅炉尾部烟道的除尘器前增设供暖器23，可为厂区和附近居民供暖，在利用烟气余热的同时，省去了除尘前的降温系统。
51.5)烟气在除尘器24、脱硫装置26中除尘和脱硫处理后，在冷凝器27中冷凝和气水分离，液态水在水净化装置29中净化处理后在电解水装置30中电解生成氢气和氧气，其中获得的氢气用于化工产业，氧气进入锅炉燃烧器16作为补充的助燃剂。电解水所需的电能由光伏发电单元提供。这部分洁净的液态水还可采用传统方法作为锅炉回水利用。干烟气经co2转化装置28进行合理转化利用或者进行封存处理。
52.光伏发电单元所发的电除了通过空气分离器所需的输电网4、电解水装置所需的输电网5和光伏组件余热利用单元所需的输电网6用于给空气分离器3、电解水装置30和压缩机9供电外，还可将剩余电通过其余用电所需的输电网7进行储存以配合燃煤发电的调峰任务，或者将其进行售卖。
53.概括来说，本发明将富氧燃烧发电系统和光伏发电单元耦合以高效清洁利用煤热
解副产品半焦，用光伏发电补偿富氧燃烧系统因空气分离而增耗的厂用电，不仅可提高电力供应总量，还可降低富氧燃烧发电系统的运行成本，同时利用光伏发电组件背板的余热干燥褐煤，在节省大量的外部热源的同时提高了光伏发电效率；将低挥发分的半焦和高挥发分褐煤在锅炉炉膛内形成“易燃燃料包裹难燃燃料”的分层掺烧方式，可改善半焦的着火和燃尽特性；在尾部烟道除尘器前增设供暖器，在利用烟气余热的同时省去了减温装置，避免了热量的浪费。该系统充分利用了太阳能资源和煤炭转化过程中的副产品半焦，降低了能耗，降低了电站污染物的排放，解决了半焦堆积带来的资源浪费、土地占用、粉尘污染等诸多问题，对推动“低碳经济、循环减排”的战略目标有重大意义。
54.应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。