本发明属于高效发电设备领域，具体涉及一种高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电系统及方法。
技术背景
超临界二氧化碳布雷顿循环(s-co2循环)近年来在钠冷快堆发电、塔式太阳能光热发电、燃气轮机烟气余热利用等领域进行了较为广泛的研究。在水蒸气朗肯循环相关技术较为成熟的条件下进行这项研究是因为相比于水蒸气朗肯循环s-co2循环能够提供一些非常有吸引力的优势。
例如在相同的透平入口温度下，s-co2循环相比于水蒸气朗肯循环在中等温区(550℃-700℃)能够有更高的效率。此外co2化学性质不活泼，是一种性质很稳定的物质，故有可能使得co2与管壁的腐蚀减弱。所以相比于水蒸气朗肯循环，在相同材料条件下，s-co2循环的透平入口温度可能进一步提高，进而提升循环效率。所以s-co2循环在效率提升方面有更高的潜力。
目前燃煤发电为世界提供稳定、充足的电力供应，燃煤发电占全球发电总量的39.3％，根据英国石油公司统计，煤炭的使用还可持续153年，远高于石油和天然气。虽然资源、环境、气候变化的压力使得燃煤发电面临着挑战，但燃煤发电在各类发电技术中占主导地位的现状在短期、中期仍然不会改变。所以探索和推广高效清洁的燃煤发电技术仍然具有重要意义。将s-co2循环应用于燃煤发电领域是对燃煤发电技术的新的探索。
但是，s-co2布雷顿循环与水蒸气朗肯循环相比，由于co2工质在锅炉入口处的温度高，故在相同的主汽温度条件下，co2工质在锅炉内的温升小，且由于co2与水的物理性质上的差异，在锅炉中co2比热容比水的比热容小，故根据q＝cmδt可知，若吸收相同热量，s-co2循环的质量流量较大，对于相同容量的机组，s-co2机组的质量流量要比水机组大6-8倍。质量流量的增大使得锅炉内部件的压降增大，影响机组的热效率。若增加管束以降低工质的质量流速，则将增大锅炉尺寸，锅炉尺寸的增大一方面难以保证锅炉的稳定燃烧，另一方面使得锅炉造价提高。故合理的减小锅炉尺寸是s-co2循环应用于燃煤发电领域的一个关键问题。
增压流化床锅炉(pfbc)在上世纪60年代开始研究，在90年代便已发展到了商业示范阶段，其部分关键技术已经相对成熟。该锅炉的一个特点是炉膛内为高压状态，通常可达1-2mpa，炉膛为高压态使得该锅炉体积减小。
虽然炉膛的高压态提高了锅炉体积缩小的潜力，但要将炉内煤燃烧产生的热量被s-co2循环充分吸收，则需要换热器具有较高的换热效率，这样才可以保证在炉膛体积缩小的同时使得烟气热量充分传递给co2工质。目前紧凑式换热器(板翅式换热器、印刷电路板换热器等)在能源动力、化工等领域都有成功应用，故将此类换热器引入增压流化床锅炉中可以在降低锅炉体积的同时，使得炉内热量被s-co2循环充分吸收。
针对s-co2循环应用于燃煤发电领域面临的锅炉尺寸问题，本发明首次提出了一种高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电系统，该方案能够降低锅炉尺寸，同时发挥s-co2循环高效、简单、小巧的优势。
技术实现要素：
根据
背景技术：
中所提到的问题，本发明提供了一种适用于燃煤发电领域的一种高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电系统，包括：尾部烟道、烟气出口、增压锅炉系统、余热回收系统和一次再热再压缩循环系统，其中增压锅炉系统的烟气出口顺序与尾部烟道和烟气出口相连，一次再热再压缩循环系统中的过热器和再热器安装于尾部烟道内；余热回收系统设置于烟气出口外；过热器的工质入口与所述增压锅炉系统的co2工质出口相连，一次再热再压缩循环系统的co2工质出口与所述增压锅炉系统的co2工质入口相连；
煤在增压锅炉系统内燃烧产热，携带热量的高温烟气进入尾部烟道后由烟气出口排出至余热回收系统，烟气中的热量被一次再热再压缩循环系统吸收后被余热回收系统吸收，一次再热再压缩循环系统中的co2工质先后在增压锅炉系统和尾部烟道中吸收热量。
所述增压锅炉系统中，增压罐包围在增压锅炉系统的其余各部件外，空气布风板的入口为增压锅炉系统的空气入口，床料贮存器与炉膛相连，第一煤仓和第二煤仓分别通过第一加煤喷射器和第二加煤喷射器与炉膛相连，第一脱硫剂仓和第二脱硫剂仓分别通过第一加料喷射器和第二加料喷射器与炉膛相连，排灰管安装于炉膛的底部并伸出增压罐的底部外；
co2工质换热器设置于炉膛的下半部内，co2工质换热器内的co2工质吸收用于吸收燃烧产生的热量，co2工质换热器的入口为增压锅炉系统的co2工质入口，co2工质换热器的出口为增压锅炉系统的co2工质出口；第一一级高效旋风分离器和第二一级高效旋风分离器的中部分别与炉膛的上部相连，第一一级高效旋风分离器的底部出口和第二一级高效旋风分离器的底部出口分别通过第一一级返料管和第二一级返料管与炉膛相连；第一一级高效旋风分离器的顶部出口和第二一级高效旋风分离器的顶部出口分别与第一二级高效旋风分离器的中部和第二二级高效旋风分离器的中部相连；第一二级高效旋风分离器的底部出口和第二二级高效旋风分离器的底部出口分别通过第一二级返料管和第二二级返料管与炉膛相连，第一二级高效旋风分离器的顶部出口和第二二级高效旋风分离器的顶部出口汇合后成为增压锅炉系统的烟气出口。
所述余热回收系统包括：主轴相连的烟气透平和空气压缩机；其中烟气透平的出口与自然环境相连，烟气透平的入口为余热回收系统的烟气侧入口；空气压缩机的出口为余热回收系统的空气侧出口，空气压缩机的入口与自然环境相连；
所述余热回收系统的烟气侧入口与烟气出口相连，余热回收系统的空气侧出口与增压锅炉系统的空气入口相连；烟气透平将高压烟气能量转化为功，并驱动空气压缩机压缩空气。
所述烟气透平出口的烟气温度为115℃～130℃
所述一次再热再压缩循环系统包括：冷却器、第一压缩机、低温回热器、第二压缩机分流阀门、第二压缩机、高温回热器、第一透平和第二透平；所述过热器的co2工质出口、第一透平的入出口和再热器的co2工质入出口、第二透平的入出口、高温回热器低压侧的入出口与低温回热器低压侧的入口顺序相连；低温回热器低压侧的出口分别与冷却器与第二压缩机分流阀门相连，冷却器的出口、第一压缩机的入出口与低温回热器高压侧的入口顺序相连，第二压缩机分流阀门与第二压缩机的入口相连，低温回热器高压侧的出口与第二压缩机的出口汇合后和高温回热器高压侧的入口相连，高温回热器的高压侧出口为一次再热再压缩循环系统的co2工质出口。
所述过热器和所述再热器为紧凑式换热器，减少了尾部烟道的体积。
一种高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电系统的高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电方法，其特征在于，超临界二氧化碳工质的工作流程如下所述：
超临界二氧化碳工质在低温回热器低压侧工质管道的出口分流，其中一路流经冷却器，冷却后的co2工质进入第一压缩机，在第一压缩机内压缩后进入低温回热器的高压侧，在低温回热器的高压侧内与低温侧co2工质换热，另一路在流经第二压缩机分流阀门后进入第二压缩机，在第二压缩机内压缩后与低温回热器的高压侧出口工质汇合，汇合后的工质进入高温回热器的高压侧，随后工质进入co2工质换热器，在co2工质换热器内吸收煤燃烧产生的热量后进入过热器，在过热器内co2工质吸收烟气中的热量后进入第一透平，在第一透平内做功后进入再热器，在再热器内co2工质吸收烟气中的热量，吸热后的工质进入第二透平，在第二透平内做功后进入高温回热器低压侧将热量传递给低压侧，传热后的co2工质进入低温回热器低压侧将热量传递给高压侧。
第二压缩机分流阀门内流过超临界二氧化碳工质的流量占总流量的32.57％。
本发明的有益效果为：
本发明通过增压锅炉系统、余热回收系统、一次再热再压缩循环系统共同作用将煤燃烧产生的热量高效的转化为功。
煤在增压锅炉系统内燃烧产热，携带热量的高温烟气进入过热器和再热器，一次再热再压缩循环系统流出的co2工质先后在增压锅炉系统、过热器和再热器中吸收热量，烟气中的热量被一次再热再压缩循环系统吸收后被余热回收系统吸收，最后烟气被冷却至120℃左右后排放到环境中。
由于增压锅炉系统的炉膛内为高压状态，通常可达1-2mpa，这一特点使得增压锅炉系统相比于常压锅炉体积减小。
由于尾部烟道内也是高压态，这使得尾部烟道体积较小，同时为使得尾部烟道内烟气的热量被过热器、再热器内的co2工质充分吸收，过热器、再热器采用紧凑式换热器，紧凑式换热器换热效率较高，在吸收相同热量时，比传统尾部受热面体积更小。
由于使用了余热回收系统，烟气在烟气透平中做功，而烟气透平出口烟气达到120℃左右。余热回收系统通过烟气透平与空气压缩机实现了将烟气的能量传递给空气，实现了余热的高效吸收。
本再热再压缩循环系统效率较高，所以本装置能够解决该循环应用于燃煤发电领域面临的循环质量流量高，进入锅炉系统的co2工质温度高的问题。
本发电系统解决了s-co2循环应用于燃煤发电领域所面临关于锅炉尺寸的问题，在降低锅炉尺寸的同时，发挥了s-co2循环高效、简单、小巧的优势。
附图说明
图1为本发明一种高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电系统实施例的流程图；
图中：1-增压罐、2-床料贮存器、3-炉膛、4-空气布风板、5-第一煤仓、6-第一加煤喷射器、7-第一脱硫剂仓、8-第一加料喷射器、9-第二煤仓、10-第二加煤喷射器、11-第二脱硫剂仓、12-第二加料喷射器、13-排灰管、14-炉内co2工质换热器、15-第一一级高效旋风分离器、16-第一一级返料管、17-第一二级高效旋风分离器、18-第一二级返料管、19-第二一级高效旋风分离器、20-第二一级返料管、21-第二二级高效旋风分离器、22-第二二级返料管、23-尾部烟道、26-烟气出口、327-烟气透平、328-空气压缩机、424-过热器、425-再热器、429-冷却器、430-第一压缩机、431-低温回热器、432-第二压缩机分流阀门、433-第二压缩机、434-高温回热器、435-第一透平、436-第二透平。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明一种高效换热的增压流化床锅炉s-co2循环发电系统的实施例如图1所示，包括：尾部烟道23、烟气出口26、增压锅炉系统100、余热回收系统300、一次再热再压缩循环系统400，其中三个系统共同作用将煤燃烧产生的热量高效的转化为功；增压锅炉系统100的烟气出口顺序与尾部烟道23和烟气出口26相连，一次再热再压缩循环系统400中的过热器424和再热器425安装于尾部烟道23内；余热回收系统300设置于烟气出口26外；煤首先在增压锅炉系统100内燃烧产热，携带热量的高温烟气进入尾部烟道23后由烟气出口26排出至余热回收系统300，最后烟气被冷却至120℃左右后排放到环境中，烟气中的热量被一次再热再压缩循环系统400吸收后被余热回收系统300吸收，一次再热再压缩循环系统400流出的co2工质在增压锅炉系统100中吸收热量。
增压锅炉系统100包括：增压罐1、床料贮存器2、炉膛3、空气布风板4、第一煤仓5、第一加煤喷射器6、第一脱硫剂仓7、第一加料喷射器8、第二煤仓9、第二加煤喷射器10、第二脱硫剂仓11、第二加料喷射器12、排灰管13、炉内co2工质换热器14、第一一级高效旋风分离器15、第一一级返料管16、第一二级高效旋风分离器17、第一二级返料管18、第二一级高效旋风分离器19、第二一级返料管20、第二二级高效旋风分离器21、第二二级返料管22；其中，增压锅炉系统100内包括的其余各部件都被增压罐1包围，空气布风板4的入口为增压锅炉系统100的空气入口，燃烧所需的空气经空气布风板4进入炉膛3，床料贮存器2与炉膛3相连，燃烧所需的煤储存在第一煤仓5与第二煤仓9中，第一煤仓5和第二煤仓9分别通过第一加煤喷射器6和第二加煤喷射器10与炉膛3相连，燃烧脱硫所需的脱硫剂(通常为：石灰石、白云石)储存在第一脱硫剂仓7、第二脱硫剂仓11中，第一脱硫剂仓7和第二脱硫剂仓11分别通过第一加料喷射器8和第二加料喷射器12与炉膛3相连，进入炉膛3的空气、煤、脱硫剂、床料在炉膛3内混合并燃烧，燃烧后产生的灰渣经安装于炉膛3底部的排灰管13排出，燃烧产生的部分热量由炉内co2工质换热器14内的co2工质吸收，co2工质换热器14设置于炉膛3的下半部内，co2工质换热器14的入口为增压锅炉系统100的co2工质入口，co2工质换热器14的出口为增压锅炉系统100的co2工质出口；第一一级高效旋风分离器15和第二一级高效旋风分离器19的中部分别与炉膛3的上部相连，第一一级高效旋风分离器15的底部出口和第二一级高效旋风分离器19的底部出口分别通过第一一级返料管16和第二一级返料管20与炉膛3相连；第一一级高效旋风分离器15的顶部出口和第二一级高效旋风分离器19的顶部出口分别与第一二级高效旋风分离器17的中部和第二二级高效旋风分离器21的中部相连；第一二级高效旋风分离器17的底部出口和第二二级高效旋风分离器21的底部出口分别通过第一二级返料管18和第二二级返料管22与炉膛3相连，第一二级高效旋风分离器17的顶部出口和第二二级高效旋风分离器21的顶部出口汇合后成为增压锅炉系统100的烟气出口并与尾部烟道23相连。
余热回收系统300设于烟气出口26外，余热回收系统300的烟气侧入口与烟气出口26相连，余热回收系统300的空气侧出口与增压锅炉系统100的空气入口也就是空气布风板4相连，余热回收系统300包括主轴相连的烟气透平327和空气压缩机328；其中烟气透平327的出口与自然环境相连，烟气透平327的入口为余热回收系统300的烟气侧入口；空气压缩机328的出口为余热回收系统300的空气侧出口，空气压缩机328的入口与自然环境相连。
烟气透平327将高压烟气能量转化为功，并驱动空气压缩机328压缩空气，这种利用形式充分利用了烟气剩余的能量，保证了较高的锅炉效率，实现了烟气能量的高效梯级利用。
一次再热再压缩循环系统400包括：过热器424、再热器425、冷却器429、第一压缩机430、低温回热器431、第二压缩机分流阀门432、第二压缩机433、高温回热器434、第一透平435和第二透平436；在工质管道的连接中，过热器424的co2工质入口与增压锅炉系统100的co2工质出口相连，过热器424的co2工质出口、第一透平435的入出口和再热器425的co2工质入出口、第二透平436的入出口、高温回热器434低压侧的入出口与低温回热器431低压侧的入口顺序相连；低温回热器431低压侧的出口分别与冷却器429与第二压缩机分流阀门432相连，冷却器429的出口、第一压缩机430的入出口与低温回热器431高压侧的入口顺序相连，第二压缩机分流阀门432与第二压缩机433的入口相连，低温回热器431高压侧的出口与第二压缩机433的出口汇合后和高温回热器434高压侧的入口相连，高温回热器434的高压侧出口为一次再热再压缩循环系统400的co2工质出口并与增压锅炉系统100的co2工质入口相连。
过热器424、再热器425为紧凑式换热器，紧凑式换热器的应用使得尾部烟道23体积缩小，降低了造价。
烟气从增压锅炉系统100进入安装于尾部烟道23内的过热器424和再热器425，烟气在过热器424和再热器425的烟气通道内与co2工质通道的co2工质换热。
煤燃烧产生的烟气在发电系统中的工作流程如下所述：
烟气由煤在炉膛3内燃烧所得，煤燃烧产生的热量首先由炉内co2工质换热器14内的co2工质吸收，随后烟气分别进入第一一级高效旋风分离器15、第二一级高效旋风分离器19，旋风分离器将烟气所含飞灰的浓度与粒度降低，分离出来的飞灰等杂质通过第一一级返料管16、第二一级返料管20返回炉膛3，分离后的烟气分别进入第一二级高效旋风分离器17、第二二级高效旋风分离器21，分离器作用与上述作用相同，进一步分离出来的飞灰等杂质通过第一二级返料管18、第二二级返料管22返回炉膛3，进一步分离后的烟气汇合后进入增压锅炉的尾部烟道23内(此时烟气的状态为：800-850℃，1.75-2.23mpa)，烟气在尾部烟道23内同时流经过热器424、再热器425，过热器424、再热器425有两种通道，一种为烟气通道，另一种为co2工质通道。烟气在过热器424、再热器425的烟气通道内与co2工质通道的co2工质换热，换热后的烟气通过烟气出口26进入余热回收系统300(此时烟气的状态为：459.14-502.98℃，1.55-2.03mpa)，烟气在余热回收系统300中驱动烟气透平327做功，做功后的烟气离开系统(此时烟气的状态为：129.75℃，0.1mpa)。
超临界二氧化碳工质在发电系统中的工作流程如下所述：
超临界二氧化碳工质在低温回热器431低压侧工质管道的出口(此时工质的状态为：90.78℃，7.70mpa)分流，其中一路流经冷却器429，冷却后的co2工质(此时工质的状态为：32.00℃，7.60mpa)进入第一压缩机430，在第一压缩机430内压缩后(此时工质的状态为：80.78℃，31.70mpa)进入低温回热器431高压侧，在低温回热器431高压侧内与低温侧co2工质换热，另一路在流经第二压缩机分流阀门432后进入第二压缩机433(此时工质的状态为：90.78℃，7.70mpa，第二压缩机分流阀门432内流过的流量占总流量的32.57％)，在第二压缩机433内压缩后与低温回热器431高压侧出口工质汇合(此时工质的状态为：233.06℃，31.60mpa)，汇合后的工质进入高温回热器434高压侧，随后工质进入增压锅炉系统100内的co2工质换热器14，在co2工质换热器14内吸收煤燃烧产生的热量后(此时工质的状态为：429.14-472.98℃，31.50mpa)进入过热器424，在过热器424内co2工质吸收烟气中的热量，随后进入第一透平435(此时工质的状态为：550.00-600.00℃，30.00mpa)，在第一透平435内做功后(此时工质的状态为：464.87-511.80℃，15.39mpa)进入再热器425，在再热器425内co2工质吸收烟气中的热量，吸热后的工质(此时工质的状态为：550.00-600.00℃，15.19mpa)进入第二透平436，在第二透平436内做功后(此时工质的状态为：468.84-515.71℃，7.90mpa)进入高温回热器434低压侧将热量传递给低压侧，传热后的co2工质(此时工质的状态为：243.06℃，7.80mpa)进入低温回热器431低压侧将热量传递给高压侧，至此co2工质完成一个循环。