本发明涉及燃煤发电技术领域，具体涉及一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统及运行方法。
背景技术：
世界能源需求随着经济的高速发展持续增长，我国化石能源结构严重不平衡，因此煤炭一直是我国一次能源消费的主体。由于其他发电形式限制因素较多，且火力发电机组基数大，短时间内燃煤发电仍是我国主要发电方式。火电机组是我国煤炭的消费大户，每年的煤炭消费量约占全国煤炭消费总量的50％。
近年来，我国在火力发电行业取得了长足的进步，火电技术进步也从提高初参数、蒸汽再热等方式向全工况运行、余热深度利用等方向转变。同时，火电机组氮氧化物、硫化物和标准颗粒物排放标准不断降低，坚持走可持续发展道路。因此，改变火电发展思路，革新火力发电技术，提高火电发电效率，对我国节能减排工作具有重要意义。
超临界二氧化碳动力循环具有能量密度大、系统结构紧凑、循环效率高等优点。二氧化碳作为一种新型工质，无毒、不可燃，腐蚀性小，热稳定性，临界参数低；超临界状态的二氧化碳兼具有液体和气体的物理特性，密度大、粘性小、流动能力强、传热效率高、做功能力强。二氧化碳物性在临界点附近变化剧烈，当接近临界点时，密度急剧增大，压缩性减小，压缩机耗功减小，系统循环效率较高。超临界二氧化碳循环技术有良好的继承性，可基于现有的材料实现，避免开发耐高温镍基合金材料。超临界二氧化碳密度高，尺寸较小，结构紧凑，并且系统部件较少，初投资及维护成本较低。
因此，超临界二氧化碳动力循环有望取代蒸汽动力循环，大幅提高燃煤发电效率。而由于锅炉炉膛辐射热负荷较高，过热二氧化碳在锅炉中的吸热负荷较低，而在炉膛布置只布置单一的过热气冷壁会导致过热二氧化碳超温，从而造成管道金属壁温超温，影响锅炉安全运行，所以需要对锅炉炉膛内的辐射受热面进行合理布置；低温超临界二氧化碳经低温回热器、中温回热器和高温回热器加热，导致锅炉入口超临界二氧化碳温度较高，无法充分利用锅炉尾部烟道烟气热量，造成以下问题：
1、scr脱硝装置入口烟温过高，影响scr效率。
2、空气预热器入口烟温过高，空气预热器不可逆损失增大。
3、锅炉排烟温度过高，电除尘器效率降低，锅炉效率下降。
所以超临界二氧化碳动力循环系统构型有待进一步优化，急需通过合理布置加热器、回收烟气余热来满足各辅助设备运行温度、减少不可逆损失、提高循环效率。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统及运行方法，该锅炉炉膛内部上下布置一次再热器和过热气冷壁，共同承担炉膛辐射热负荷，减少过热二氧化碳吸热量，从而避免工质及金属壁温超温；该系统从高温回热器冷侧工质入口分流部分超临界二氧化碳吸收中温烟气热量，降低进入scr脱硝装置烟气温度，提升scr脱硝装置效率；利用低温回热器出口工质预热空气，之后再将空气送入空气预热器，一方面合理利用冷源损失，另一方面提升了空气预热器入口空气温度，可以将空气预热器出口烟气冷却至95℃而且不会发生低温腐蚀；从第二级主压缩机出口分流部分超临界二氧化碳吸收锅炉低温烟气热量，降低锅炉排烟温度，实现烟气热量的梯级利用，提高锅炉效率的同时提升电除尘器效率，进而提高发电效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统包括依次相连通的预空气预热器4、预冷器5、第一级主压缩机6、级间冷却器器7、第二级主压缩机8、低温回热器3、中温回热器2、高温回热器1、省煤器11、过热气冷壁12、高压透平13、一次再热器14、中压透平15、二次再热器16和低压透平17；还包括再压缩机9、回转式空气预热器19、scr脱硝装置20、电除尘器21、中温省煤器10和低温省煤器18；第二级主压缩机8出口同时与低温回热器3冷侧工质入口和低温省煤器18入口相连通；中温回热器2冷侧工质入口同时与低温回热器3冷侧工质出口和再压缩机9出口相连通；高温回热器1冷侧工质入口同时与中温回热器2冷侧工质出口、低温省煤器18出口和中温省煤器10入口相连通，省煤器11入口同时与高温回热器1冷侧工质出口和中温省煤器10出口相连通；预空气预热器4热侧工质出口同时与再压缩机9入口和预冷器5工质入口相连通；低压透平17排气依次在高温回热器1、中温回热器2和低温回热器3中放热，第二级主压缩机8出口低温工质依次在低温回热器3、中温回热器2和高温回热器1中吸热；第二级主压缩机8出口分流低温工质经过低温省煤器18吸热后返回高温回热器1入口；高温回热器1入口分流部分中温工质经过中温省煤器10吸热后返回省煤器11入口；冷空气在预空气预热器4中吸热后，送入回转式空气预热器19中进一步升温，之后再送入锅炉。
所述过热气冷壁12、一次再热器14布置于锅炉炉膛，二次再热器16布置于锅炉水平烟道，省煤器11和中温省煤器10布置于锅炉竖井烟道，scr脱硝装置20布置于尾部分流烟道入口，回转式空气预热器19和低温省煤器18分别布置于尾部分流烟道两侧，电除尘器21布置于尾部烟道，整体构成有尾部烟道分流装置的π型锅炉。
所述过热气冷壁12和一次再热器14布置在锅炉炉膛内部，共同承担炉膛辐射热负荷。
所述二次再热器16的入口烟气温度为630℃。
所述烟气经过scr脱硝装置20之后进行分流，75％-85％烟气为回转式空气预热器19提供所需热量，其余烟气进入低温省煤器18。
所述回转式空气预热器19及低温省煤器18进口烟气温度为360-380℃，出口烟气温度为90-100℃。
所述高温回热器1冷侧工质入口分流部分中温工质进入中温省煤器10吸热后，进入省煤器11继续吸热。
所述低温回热器3冷侧工质出口分流部分低温工质在尾部分流烟道中的低温省煤器18吸收烟气热量，返回高温回热器1冷侧工质入口，用来回收尾部分流烟道烟气热量，降低锅炉排烟温度，减小锅炉排烟损失。
所述尾部分流烟道的烟气最终汇集进入尾部烟道，进入电除尘器21进行除尘。
所述系统使用的工质为超临界二氧化碳。
上述集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统的运行方法，工质经过第一级主压缩机6、级间冷却器7和第二次主压缩机8增压后，依次在低温回热器3、中温回热器2、高温回热器1以及锅炉内部的省煤器11和过热气冷壁12中吸热，温度升高后进入高压透平13部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉在一次再热器14中吸热，温度再次提高后进入中压透平15部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉在二次再热器16中吸热，温度再次提高后进入低压透平17完全膨胀做功，低压透平17排气依次在高温回热器1、中温回热器2、低温回热器3和预空气预热器4中放热后，分流成两股，30％-35％工质经再压缩机9增压后与中温回热器2冷侧入口工质混合，其余工质依次在预冷器5中冷却后，再次进入第一级主压缩机6，完成闭合循环；第二级主压缩机8出口分流工质在低温省煤器18吸热后返回高温回热器1冷侧工质出口；高温回热器1冷侧工质出口分流工质在中温省煤器10吸热后返回省煤器11入口；冷空气经过预空气预热器4加热至60-70℃，然后再送入回转式空气预热器19加热后进入锅炉炉膛辅助燃烧。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1本发明增加预空气预热器合理利用冷源损失，提升系统效率。
2本发明合理布置炉膛内辐射受热面，从而合理分配过热二氧化碳和一次再热二氧化碳在炉膛内的辐射吸热量，避免气冷壁金属壁温超温。
3本发明合理布置后竖井烟道及尾部分流烟道受热面，从而合理利用烟气热量，达到各辅助设备运行温度，提升scr脱硝装置及电除尘器效率。
3本发明可以充分利用锅炉中低温烟气热量，降低锅炉排烟温度，且实现能量的梯级利用，提高锅炉效率。
4本发明采用三级回热二次再热再压缩超临界二氧化碳动力循环构型，系统循环效率较高。
附图说明
图1为本发明一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，包括依次相连通的预空气预热器4、预冷器5、第一级主压缩机6、级间冷却器器7、第二级主压缩机8、低温回热器3、中温回热器2、高温回热器1、省煤器11、过热气冷壁12、高压透平13、一次再热器14、中压透平15、二次再热器16和低压透平17；还包括再压缩机9、回转式空气预热器19、scr脱硝装置20、电除尘器21、中温省煤器10和低温省煤器18；第二级主压缩机8出口同时与低温回热器3冷侧工质入口和低温省煤器18入口相连通；中温回热器2冷侧工质入口同时与低温回热器3冷侧工质出口和再压缩机9出口相连通；高温回热器1冷侧工质入口同时与中温回热器2冷侧工质出口、低温省煤器18出口和中温省煤器10入口相连通，省煤器11入口同时与高温回热器1冷侧工质出口和中温省煤器10出口相连通；预空气预热器4热侧工质出口同时与再压缩机9入口和预冷器5工质入口相连通；低压透平17排气依次在高温回热器1、中温回热器2和低温回热器3中放热，第二级主压缩机8出口低温工质依次在低温回热器3、中温回热器2和高温回热器1中吸热；第二级主压缩机8出口分流低温工质经过低温省煤器18吸热后返回高温回热器1入口；高温回热器1入口分流部分中温工质经过中温省煤器10吸热后返回省煤器11入口；冷空气在预空气预热器4中吸热后，送入回转式空气预热器19中进一步升温，之后再送入锅炉。
作为本发明的优选实施方式，过热气冷壁12、一次再热器14布置于锅炉炉膛，二次再热器16布置于锅炉水平烟道，省煤器11和中温省煤器10布置于锅炉竖井烟道，scr脱硝装置20布置于为部分流烟道入口，回转式空气预热器19和低温省煤器18分别布置于尾部分流烟道两侧，电除尘器21布置于尾部烟道，整体构成有尾部烟道分流装置的π型锅炉。
作为本发明的优选实施方式，过热气冷壁12和一次再热器14布置在锅炉炉膛内部，共同承担炉膛辐射热负荷。
作为本发明的优选实施方式，二次再热器16的入口烟气温度为630℃。
作为本发明的优选实施方式，烟气经过scr脱硝装置20之后进行分流，75％-85％烟气为回转式空气预热器19提供所需热量，其余烟气进入低温省煤器18。
作为本发明的优选实施方式，回转式空气预热器19及低温省煤器18进口烟气温度为360-380℃，出口烟气温度为90-100℃。
作为本发明的优选实施方式，高温回热器1冷侧工质入口分流部分中温工质进入中温省煤器10吸热后，进入省煤器11继续吸热。
作为本发明的优选实施方式，低温回热器3冷侧工质出口分流部分低温工质在尾部分流烟道中的低温省煤器18吸收烟气热量，返回高温回热器1冷侧工质入口，用来回收尾部分流烟道烟气热量，降低锅炉排烟温度，减小锅炉排烟损失。
作为本发明的优选实施方式，尾部分流烟道的烟气最终汇集进入尾部烟道，进入电除尘器21进行除尘。
作为本发明的优选实施方式，系统使用的工质为超临界二氧化碳。
本发明集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统的运行方法，工质经过第一级主压缩机6、级间冷却器7和第二次主压缩机8增压后，依次在低温回热器3、中温回热器2、高温回热器1以及锅炉内部的省煤器11和过热气冷壁12中吸热，温度升高后进入高压透平13部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉在一次再热器14中吸热，温度再次提高后进入中压透平15部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉在二次再热器16中吸热，温度再次提高后进入低压透平17完全膨胀做功，低压透平17排气依次在高温回热器1、中温回热器2、低温回热器3和预空气预热器4中放热后，分流成两股，30％-35％工质经再压缩机9增压后与中温回热器2冷侧入口工质混合，其余工质依次在预冷器5中冷却后，再次进入第一级主压缩机6，完成闭合循环；第二级主压缩机8出口分流工质在低温省煤器18吸热后返回高温回热器1冷侧工质出口；高温回热器1冷侧工质出口分流工质在中温省煤器10吸热后返回省煤器11入口；冷空气经过预空气预热器4加热至60-70℃，然后再送入回转式空气预热器19加热后进入锅炉炉膛辅助燃烧。
本发明通过增加预空气预热器合理利用冷源损失，提升系统效率。合理布置炉膛内辐射受热面，从而合理分配过热二氧化碳和一次再热二氧化碳在炉膛内的辐射吸热量，避免气冷壁金属壁温超温，保证锅炉的安全运行。合理布置后竖井烟道及尾部分流烟道受热面，利用中温回热器出口分流二氧化碳工质在中温省煤器中吸收热量，降低烟气温度，达到scr脱硝装置运行温度范围，同时利用回转式空气预热器吸收部分中温烟气热量，从第二级主压缩机出口分流部分超临界二氧化碳在低温省煤器中吸热，降低烟气温度至95℃，提高电除尘器效率，这种方式可以全部吸收锅炉尾部中低温烟气的热量，实现能量的梯级利用，提高锅炉效率。此外，采用三级回热二次再热再压缩超临界二氧化碳动力循环构型，系统循环效率较高。
技术特征：
1.集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：包括依次相连通的预空气预热器(4)、预冷器(5)、第一级主压缩机(6)、级间冷却器器(7)、第二级主压缩机(8)、低温回热器(3)、中温回热器(2)、高温回热器(1)、省煤器(11)、过热气冷壁(12)、高压透平(13)、一次再热器(14)、中压透平(15)、二次再热器(16)和低压透平(17)；还包括再压缩机(9)、回转式空气预热器(19)、scr脱硝装置(20)、电除尘器(21)、中温省煤器(10)和低温省煤器(18)；第二级主压缩机(8)出口同时与低温回热器(3)冷侧工质入口和低温省煤器(18)入口相连通；中温回热器(2)冷侧工质入口同时与低温回热器(3)冷侧工质出口和再压缩机(9)出口相连通；高温回热器(1)冷侧工质入口同时与中温回热器(2)冷侧工质出口、低温省煤器(18)出口和中温省煤器(10)入口相连通，省煤器(11)入口同时与高温回热器(1)冷侧工质出口和中温省煤器(10)出口相连通；预空气预热器(4)热侧工质出口同时与再压缩机(9)入口和预冷器(5)工质入口相连通；低压透平(17)排气依次在高温回热器(1)、中温回热器(2)和低温回热器(3)中放热，第二级主压缩机(8)出口低温工质依次在低温回热器(3)、中温回热器(2)和高温回热器(1)中吸热；第二级主压缩机(8)出口分流低温工质经过低温省煤器(18)吸热后返回高温回热器(1)入口；高温回热器(1)入口分流部分中温工质经过中温省煤器(10)吸热后返回省煤器(11)入口；冷空气在预空气预热器(4)中吸热后，送入回转式空气预热器(19)中进一步升温，之后再送入锅炉。
2.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述过热气冷壁(12)、一次再热器(14)布置于锅炉炉膛内部，共同承担炉膛辐射热负荷，二次再热器(16)布置于锅炉水平烟道，省煤器(11)和中温省煤器(10)布置于锅炉竖井烟道，scr脱硝装置(20)布置于尾部分流烟道入口，回转式空气预热器(19)和低温省煤器(18)分别布置于尾部分流烟道两侧，电除尘器(21)布置于尾部烟道，整体构成有尾部烟道分流装置的π型锅炉。
3.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述二次再热器(16)的入口烟气温度为630℃。
4.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述烟气经过scr脱硝装置(20)之后进行分流，75％-85％烟气为回转式空气预热器(19)提供所需热量，其余烟气进入低温省煤器(18)。
5.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述回转式空气预热器(19)及低温省煤器(18)进口烟气温度为360-380℃，出口烟气温度为90-100℃。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环烟气余热回收燃煤发电系统，其特征在于：所述高温回热器(1)冷侧工质入口分流部分中温工质进入中温省煤器(10)吸热后，进入省煤器(11)继续吸热。
7.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述低温回热器(3)冷侧工质出口分流部分低温工质在尾部分流烟道中的低温省煤器(18)吸收烟气热量，返回高温回热器(1)冷侧工质入口，用来回收尾部分流烟道烟气热量，降低锅炉排烟温度，减小锅炉排烟损失。
8.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述尾部分流烟道的烟气最终汇集进入尾部烟道，进入电除尘器(21)进行除尘。
9.根据权利要求1所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述系统使用的工质为超临界二氧化碳。
10.权利要求1至9任一项所述的一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统的运行方法，其特征在于：工质经过第一级主压缩机(6)、级间冷却器(7)和第二次主压缩机(8)增压后，依次在低温回热器(3)、中温回热器(2)、高温回热器(1)以及锅炉内部的省煤器(11)和过热气冷壁(12)中吸热，温度升高后进入高压透平(13)部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉在一次再热器(14)中吸热，温度再次提高后进入中压透平(15)部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉在二次再热器(16)中吸热，温度再次提高后进入低压透平(17)完全膨胀做功，低压透平(17)排气依次在高温回热器(1)、中温回热器(2)、低温回热器(3)和预空气预热器(4)中放热后，分流成两股，30％-35％工质经再压缩机(9)增压后与中温回热器(2)冷侧入口工质混合，其余工质依次在预冷器(5)中冷却后，再次进入第一级主压缩机(6)，完成闭合循环；第二级主压缩机(8)出口分流工质在低温省煤器(18)吸热后返回高温回热器(1)冷侧工质出口；高温回热器(1)冷侧工质出口分流工质在中温省煤器(10)吸热后返回省煤器(11)入口；冷空气经过预空气预热器(4)加热至60-70℃，然后再送入回转式空气预热器(19)加热后进入锅炉炉膛辅助燃烧。
技术总结
本发明公开了一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环烟气燃煤发电系统及运行方法，该系统包括两级主压缩机、级间冷却器、再压缩机、预冷器、三级回热器、锅炉、高压透平、中压透平、低压透平；锅炉炉膛内通过布置过热气冷壁和一次再热器共同承担炉膛辐射热负荷，防止过热超临界二氧化碳超温；本发明从中温回热器出口分流部分超临界二氧化碳工质进入锅炉后竖井烟道中温省煤器吸收高温烟气热量，从第二级主压缩机出口分流部分超临界二氧化碳工质进入锅炉尾部分流烟道低温省煤器吸收低温烟气热量，从而达到各辅助设备运行所需温度，提升辅助设备效率，同时实现锅炉中低温烟气热量梯级利用，降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率及电效率。
技术研发人员：刘明;杨凯旋;严俊杰;种道彤;刘继平;邢秦安
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：.11.15
技术公布日：.02.28
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