采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统及方法与流程

本发明涉及一种采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统及其工作方法，属于生物质发电技术领域。

背景技术：

生物质是重要的可再生能源之一，具有资源丰富、可再生、分布地域广、二氧化碳零排放、大气污染物排放少等优点，国内外均在大力发展生物质能源发电技术。生物质发电技术主要有直接燃烧发电、混合燃烧发电、热解气化发电和沼气发电四类。利用生物质直接燃烧发电技术建设的发电厂容量大、效率高，同时环保效益突出。目前，生物质燃烧电厂普遍采用蒸汽朗肯循环的发电系统。

近年来，超临界二氧化碳循环成为研究热点，并且被认为具有诸多潜在优势。二氧化碳的临界点为31℃/7.4MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。超临界二氧化碳循环的研究始于上世纪四十年代，在六、七十年代取得阶段性研究成果，之后主要由于透平机械、紧凑式热交换器制造技术不成熟而中止，直至本世纪初，超临界二氧化碳循环的研究在美国再度兴起，并为世界其它国家所关注。由于二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本、循环系统简单、结构紧凑、效率高，超临界二氧化碳循环可以与各种热源组合成发电系统，被认为在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电等领域具有良好的应用前景。

简单的不带回热的超临界二氧化碳循环系统主要由压缩机、透平、发电机、热交换器、冷却器等组成。低温低压工质首先进入压缩机压缩至高压，经热交换器从热源吸收热量达到最高温度，然后进入透平做功推动发电机工作，透平排出的工质经冷却器冷却后进入下一个循环过程。对此简单循环结构进行改进和优化，可以提高循环的热效率，例如：回热、分流再压缩、再热等。

超临界二氧化碳循环可以与生物质燃烧相结合形成新型的发电系统，其系统简单、结构紧凑、能量利用率高，可实现电厂的小型化和模块化，并有利于降低建造成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何简化生物质燃烧发电系统的结构，提高其能量利用率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统，其特征在于：包括燃烧炉，料仓通过给料机连接燃烧炉的进料口，送风机连接空气加热器的低压侧进口，空气加热器的低压侧出口连接燃烧炉的进风口和烘干机，烘干机连接料仓，燃烧炉的排烟口、除尘器、引风机、烟囱依次连接；

换热器设于燃烧炉内，压缩机出口连接换热器进口，换热器出口连接透平入口，透平与发电机相连，透平出口连接空气加热器的高压侧进口，空气加热器的高压侧出口连接带中间冷却的压缩机，带中间冷却的压缩机连接冷却器，冷却器连接压缩机入口。

优选地，所述带中间冷却的压缩机，用于将空气加热器高压侧出口的二氧化碳工质升至临界压力。

优选地，所述冷却器，用于将带中间冷却的压缩机输出的二氧化碳工质冷却至临界温度。

本发明还提供了一种采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电方法，其特征在于：采用上述的采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统，步骤为：

给料机将料仓内的生物质燃料输送给燃烧炉，通过燃烧炉直接燃烧生物质燃料，燃烧产生的灰渣由燃烧炉的出灰口排出，燃烧产生的烟气经除尘器除尘后、经引风机从烟囱排放；

压缩机将二氧化碳工质增压后送入换热器内，二氧化碳工质经换热器加热后进入透平，透平推动发电机做功发电，二氧化碳工质温度和压力均下降，透平排出的二氧化碳工质进入空气加热器内与送风机送入的空气进行热交换，自空气加热器出来的二氧化碳工质经带中间冷却的压缩机增压后，送入冷却器进一步降温，再送入压缩机，进行循环工作；

空气加热器出来的空气，小部分进入燃烧炉，大部分送入烘干机用于干燥潮湿的生物质燃料，烘干后的生物质燃料暂存于料仓内。

优选地，所述生物质燃料燃烧产生的热量经换热器传递给超临界二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能。

优选地，自空气加热器出来的二氧化碳工质经带中间冷却的压缩机增压至临界压力，采用中间冷却降低二氧化碳工质压缩过程中的升温。

优选地，所述冷却器对其内的二氧化碳工质进一步降温至液态或临界点，再送入压缩机增压至超临界，进行循环工作。

优选地，进入所述透平的二氧化碳工质的温度为450-650℃、压力为20-30MPa。

优选地，所述透平排出的二氧化碳工质的温度250-350℃、压力为1-3MPa。

优选地，所述压缩机入口的二氧化碳工质的温度为15-35℃、压力为7-8MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的系统简单，结构紧凑，能量利用率高，可实现电厂的小型化和模块化，并有利于降低建造成本。

2、本发明中的超临界二氧化碳透平的排气热量大部分得到回收，可用于生物质燃料的干燥，特别适合于含水量大(如：50％以上)的生物质以及城市生活垃圾的利用，多余的热量也可以用于污水处理、供热及其它用途。

附图说明

图1为本实施例提供的采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统结构示意图；

其中，1-压缩机，2-换热器，3-透平，4-发电机，5-空气加热器，6-带中间冷却的压缩机，7-冷却器，8-送风机，9-燃烧炉，10-烘干机，11-料仓，12-给料机，13-燃烧炉的出灰口，14-除尘器，15-除尘器的出灰口，16-引风机，17-烟囱。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1为本实施例提供的采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统结构示意图，所述的采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统由以下部件组成：

压缩机1，用于将二氧化碳工质增压至高压；

换热器2，用于从热源吸收热量将二氧化碳工质升至高温；

透平3，与发电机4相连，做功完成后排出的工质输入空气加热器5；

具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口的空气加热器5，透平3排出的二氧化碳工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出，同时，空气由空气加热器5低压侧进口进入自低压侧出口输出，二氧化碳的热量传递给空气；

带中间冷却的压缩机6，用于将低压的二氧化碳工质升至临界压力附近；

冷却器7，用于将二氧化碳工质冷却至临界温度附近；

燃烧炉9，用于生物质燃料的燃料；

烘干机10，用于生物质燃料的干燥；

料仓11，用于生物质燃料的暂存；

给料机12，用于将生物质燃料送入燃烧炉；

送风机8，用于将空气送入空气加热器低压侧进口，自空气加热器低压侧出口输出的一小部分空气进入燃烧炉，大部分送入烘干机；

除尘器14，用于烟气除尘；

引风机16，用于将烟气吸入烟囱；

烟囱17，用于排烟。

料仓11通过给料机12连接燃烧炉9的进料口，送风机8连接空气加热器5的低压侧进口，空气加热器5的低压侧出口连接燃烧炉9的进风口和烘干机10，烘干机10连接料仓11，燃烧炉9的排烟口、除尘器14、引风机16、烟囱17依次连接。

换热器2设于燃烧炉9的尾部烟道内，压缩机1出口连接换热器2进口，换热器2出口连接透平3入口，透平3与发电机4相连，透平3出口连接空气加热器5的高压侧进口，空气加热器5的高压侧出口连接带中间冷却的压缩机6，压缩机6连接冷却器7，冷却器7连接压缩机1入口。

压缩机1、换热器2、透平3，发电机4、带中间冷却的压缩机6、冷却器7构成简单的超临界二氧化碳循环子系统。

送风机8、燃烧炉9、料仓11、给料机12、燃烧炉9的出灰口13、除尘器14、除尘器14的出灰口15、引风机16、烟囱17构成生物质燃料子系统。

送风机8、空气加热器5、烘干机10构成生物质干燥子系统。

系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、仪控系统等。

上述采用超临界二氧化碳循环的生物质燃烧发电系统的工作方法如下：

通过燃烧炉9直接燃烧生物质燃料，燃料由给料机12供给，空气由送风机8提供，燃烧产生的灰渣由燃烧炉9的出灰口13排出，燃烧产生的烟气经除尘器14除尘，将飞灰从除尘器14的出灰口15排出，最终除尘后的烟气经引风机16从烟囱17排放。

生物质燃烧产生的热量经换热器2传递给超临界二氧化碳工质，通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能。由压缩机1将二氧化碳工质增压至高压，例如：20MPa，然后送入换热器2内，二氧化碳工质经换热器2加热至高温，例如：600℃，然后进入透平3，透平3推动发电机4做功，二氧化碳工质温度下降至例如：350℃，压力下降至例如：2MPa，透平3排出的二氧化碳工质进入空气加热器5与空气进行热交换，自空气加热器5出来的二氧化碳工质经带中间冷却的压缩机6增压至临界压力附近，采用中间冷却来降低二氧化碳压缩过程中的升温，最后二氧化碳工质经冷却器7进一步降温至液态或临界点附近，再送入压缩机1增压至超临界，进行循环工作。

空气加热器5将二氧化碳的热量传递给来自送风机8的空气，一小部分空气进入燃烧炉9，大部分送入烘干机10用于干燥潮湿的生物质燃料，烘干后的生物质燃料暂存于料仓11。料仓11内的燃料通过给料机12供给燃烧炉9燃烧。

本发明系统运行时，生物质热值的20％左右转变成了电能，50％左右可用于生物质干燥，少量用于空气预热，其余通过冷却、排烟释放至环境中，能量利用率高。

本发明特别适合于含水量大的生物质以及城市生活垃圾的利用，可以通过超临界二氧化碳透平排出的热量进行干燥，满足人工干燥所需的热能。