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        輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)研究

        2021-04-06 08:40:36王澤鵬
        電力勘測設(shè)計 2021年3期
        關(guān)鍵詞:爐排燃機生物質(zhì)

        王澤鵬

        (中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司,吉林 長春 130021)

        0 引言

        天然氣被公認為是自然界中開采過程最環(huán)保、污染物排放量最低的化石能源,液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)更是以含硫量極低的優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)主要指農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)品,包括秸稈、稻殼、菌袋、枝葉等有機體,其突出特點就是可再生和資源分布范圍廣泛。在電力行業(yè)中,天然氣的主要應(yīng)用方式是驅(qū)動燃氣輪機或內(nèi)燃機發(fā)電;生物質(zhì)的利用技術(shù)路線較多,包括生物質(zhì)直燃、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)與化石能源摻燒、生物質(zhì)發(fā)酵制沼氣等,其中的生物質(zhì)直燃應(yīng)用成本最低,但發(fā)電效率仍低于傳統(tǒng)的火力發(fā)電機組。

        本文研究二者耦合發(fā)電的模式,以期兩種能源發(fā)揮各自的優(yōu)勢,提升系統(tǒng)整體的發(fā)電效率,同時促進生物質(zhì)能源的利用。

        1 常規(guī)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

        輕型燃機的發(fā)電功率普遍在300~15 000 kW范圍內(nèi),一般是在成熟的航空發(fā)動機技術(shù)基礎(chǔ)上研究發(fā)展的[1],具有設(shè)備體積小、啟動迅速等優(yōu)點。但應(yīng)用在發(fā)電領(lǐng)域時,其發(fā)電效率低、NOx排放高[2]的缺點不容忽視。近年來新建燃機的規(guī)模大都是E級、F級,甚至是H級重型燃機,而輕型燃機只在分布式能源及備用電源等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

        生物質(zhì)直燃鍋爐中,應(yīng)用最廣泛的是生物質(zhì)爐排型鍋爐(以下簡稱“生物質(zhì)爐排爐”)和循環(huán)流化床鍋爐。國外生物質(zhì)直燃應(yīng)用中,大都采用生物質(zhì)爐排爐的技術(shù)路線,以丹麥水冷震動爐排爐最為先進。我國由于燃料特點和NOx排放等原因,新建電廠較多采用循環(huán)流化床鍋爐[3]。但循環(huán)流化床鍋爐運行時需要不斷添加循環(huán)床料,這將導致灰渣和飛灰中混入大量的床料,原本可以用于生產(chǎn)農(nóng)業(yè)肥料或直接回填的生物質(zhì)灰將無法利用。另外,鍋爐對燃料粒徑和雜物的含量要求較高,電廠的燃料適應(yīng)性和運行可靠性較差[4]。

        生物質(zhì)爐排爐的燃燒溫度過高、NOx生成量偏高,但燃燒后的生物質(zhì)灰雜質(zhì)含量極低,可作為肥料直接回填至農(nóng)田,符合我國秸稈資源化利用政策。因此,有必要對生物質(zhì)爐排爐的系統(tǒng)進行優(yōu)化。

        2 輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)簡介

        輕型燃機排煙溫度較高,通??蛇_到450~600 ℃,含氧量也較高,約為12%~15%。傳統(tǒng)燃機系統(tǒng)中僅利用了排煙中的高品位熱量,煙氣中的大量氧氣攜帶熱量重新回到大氣中,這也是輕型燃機系統(tǒng)效率較低的原因之一。

        生物質(zhì)爐排爐的爐內(nèi)燃燒溫度較高,一般在900~1 200 ℃范圍內(nèi),最高可達1 600 ℃。而生物質(zhì)灰熔點較低,一般在1 200~1 400 ℃,爐內(nèi)高溫區(qū)極易結(jié)渣[5]。同時由于燃燒溫度過高會導致NOx生成量大幅增加,對脫硝系統(tǒng)的效率要求較高。以往工程經(jīng)驗中,控制爐內(nèi)燃燒溫度的最佳方案是煙氣再循環(huán)。對于生物質(zhì)爐排爐來說,未除塵的煙氣含塵量很高,對爐排通內(nèi)孔的磨損非常大,而除塵后的煙溫過低,且煙氣含氧量僅有6%左右,重新回到爐內(nèi)會造成鍋爐排煙溫度升高、爐膛容積加大,運行中極易導致鍋爐熄火。

        本文研究的輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)(以下簡稱“耦合系統(tǒng)”)主要是通過對輕型燃機的高溫排煙重新利用,進而實現(xiàn)輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐的耦合:將輕型燃機的高溫排煙與生物質(zhì)爐排爐所需的一、二次內(nèi)混合,通過降低爐內(nèi)氧含量的方式控制爐內(nèi)燃燒溫度,從而徹底解決生物質(zhì)爐排爐的結(jié)渣問題,同時抑制NOx的生成量。燃機排煙攜帶的熱量和氧量在生物質(zhì)爐排爐內(nèi)得到充分利用,可有效降低排煙熱損失,提高系統(tǒng)效率。

        3 耦合系統(tǒng)的主要工藝流程

        耦合系統(tǒng)的核心目標是解決生物質(zhì)爐排爐普遍存在的結(jié)渣、NOx排放超標等問題,同時提高生物質(zhì)直燃發(fā)電廠的熱效率。主要的工藝流程如下:

        1)燃機排煙再燃燒

        天然氣與空氣在輕型燃機內(nèi)燃燒做功后,排出的高溫煙氣與熱一次內(nèi)混合后直接通入爐排下方的一次內(nèi)口?;旌虾蟮囊淮蝺?nèi)具有溫度高、含氧量低的特點,能夠快速預熱爐排上的生物質(zhì)燃料,同時析出大量揮發(fā)分。與以往的煙道內(nèi)補燃方式不同,燃機排煙作為主要工質(zhì)將在鍋爐內(nèi)重新參與燃燒,煙氣中的氧量和熱量能夠得到充分利用。

        2)二次內(nèi)調(diào)節(jié)燃燒

        通過調(diào)整二次內(nèi)與高溫煙氣混合的比例控制爐內(nèi)燃燒溫度和過量空氣系數(shù)。二次內(nèi)具有溫度和含氧量均略低于傳統(tǒng)方案的特點,鍋爐主燃區(qū)將處于還原性氣氛,燃燒速率下降,溫度下降,在降低NOx生成的同時,可以大幅緩解爐內(nèi)生物質(zhì)灰結(jié)渣的情況[6]。

        3)聯(lián)合脫硝

        輕型燃機排煙中的NOx與生物質(zhì)爐排爐產(chǎn)生的NOx通過選擇性非催化還原(selective noncatalytic reduction,SNCR)脫硝系統(tǒng)一并脫除。輕型燃機的排煙和生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣已完全融合在一起,在鍋爐出口附近的煙溫適宜區(qū)域(850~950 ℃),通過成本較低的SNCR脫硝系統(tǒng)即可解決NOx超標的問題。

        4)煙氣余熱利用

        由于空預器出口的一、二次熱內(nèi)需要與燃機的高溫煙氣混合,因此,設(shè)計時空氣預熱器出口內(nèi)溫將大幅降低,從而導致鍋爐排煙溫度升高。通過設(shè)置低溫省煤器,由凝結(jié)水回收煙氣余熱,熱力系統(tǒng)中的汽輪機抽汽量相應(yīng)減少,機組的熱耗和汽耗隨之降低。

        5)煙氣凈化及排放

        低溫煙氣依次經(jīng)過脫硫塔、除塵器凈化,凈煙氣經(jīng)引內(nèi)機增壓后通過煙囪排入大氣。耦合系統(tǒng)的主要工藝流程如圖1所示。

        圖1 輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)主要工藝流程圖

        4 耦合系統(tǒng)運行方式

        輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐耦合發(fā)電系統(tǒng)共設(shè)兩套發(fā)電機:一套由燃氣輪機驅(qū)動,另一套由蒸汽輪機驅(qū)動。這樣不僅可以單獨計量天然氣發(fā)電量和生物質(zhì)發(fā)電量,便于分別計算相應(yīng)的上網(wǎng)電價,同時能夠避免燃機系統(tǒng)和生物質(zhì)系統(tǒng)互相干擾,也因此為耦合系統(tǒng)提供了多種運行方式的可能,大幅提高電廠的運行靈活性。耦合系統(tǒng)主要的運行方式有正常運行、生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運和天然氣系統(tǒng)停運三種。

        4.1 正常運行

        耦合系統(tǒng)的正常運行方式即為天然氣和生物質(zhì)燃料同時消耗,此時熱力系統(tǒng)全部投運,機組處于額定工況。主要的工藝流程如下:

        前置模塊出口的天然氣和壓氣機出口的高壓空氣在輕型燃機內(nèi)燃燒并帶動燃機發(fā)電機發(fā)電,高溫煙氣經(jīng)煙道直接進入生物質(zhì)直燃爐排型鍋爐下方的一次內(nèi)口,與空預器出口的熱一次內(nèi)混合后為滾落至爐排的生物質(zhì)燃料進行干燥及預熱,部分燃料在爐排上開始分解并燃燒。空預器出口的二次熱內(nèi)與高溫煙氣混合后噴入爐膛,對燃燒區(qū)進行擾動,同時補充足夠的氧氣,以保證生物質(zhì)未燃盡部分和中間產(chǎn)物能夠徹底分解并燃燒。在煙溫合適區(qū)域750~850 ℃通過SNCR系統(tǒng)脫除大部分NOx,高溫煙氣與鍋爐各級換熱器充分換熱后,產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機,空氣預熱器出口的中溫煙氣通過低溫省煤器回收余熱,隨后經(jīng)脫硫塔和除塵器進入煙囪排至大氣。

        4.2 生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運

        當生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運、僅采用天然氣為燃料時,輕型燃機正常運行,爐排爐可作為余熱鍋爐繼續(xù)投運,開啟鍋爐的煙氣旁路,此時仍屬于燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。由于系統(tǒng)內(nèi)輸入熱量大幅減少,鍋爐的蒸汽量也隨之降低,同時為了克服爐排及煙道的阻力,引內(nèi)機不能退出運行,因此,凈輸出功率將低于同等容量常規(guī)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的凈出力。此工況系統(tǒng)流程見圖2。

        圖2 輕型燃機+余熱鍋爐系統(tǒng)流程圖

        4.3 天然氣系統(tǒng)停運

        當僅采用生物質(zhì)為燃料時,燃機相關(guān)系統(tǒng)退出運行,生物質(zhì)爐排爐單獨運行。一、二次內(nèi)的熱源全部來自于空氣預熱器,此時低溫省煤器停運,形成完整的生物質(zhì)直燃發(fā)電機組。此工況系統(tǒng)流程見圖3。

        圖3 生物質(zhì)直燃系統(tǒng)流程圖

        結(jié)合以上三種運行方式可以做出初步判斷:系統(tǒng)的最大出力為正常運行方式,最小出力為生物質(zhì)燃料系統(tǒng)停運方式。當電廠負荷率較高時,主要消耗生物質(zhì)燃料;當電廠處于深度調(diào)峰時段,采用熱值高、來源穩(wěn)定地天然氣作為主燃料。這不僅可以最大程度地利用生物質(zhì),同時能夠大幅增強生物質(zhì)電廠的運行靈活性,進而提高機組的調(diào)峰能力。

        5 耦合系統(tǒng)主要性能參數(shù)及特點

        5.1 主要性能參數(shù)

        本文以國產(chǎn)某型號輕型燃機和額定功率為40 MW的生物質(zhì)直燃純凝發(fā)電機組的前期研究為例,計算額定工況下耦合系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。該輕型燃機可采用天然氣和柴油兩種燃料驅(qū)動,單循環(huán)發(fā)電效率29.5%(額定功率7 200 kW),聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達40%(額定功率9 760 kW)。壓氣機的壓比為12.626,排煙溫度551 ℃,背壓2 500 Pa,煙氣含氧量14.27%。該輕型燃機是一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、設(shè)備及材料國產(chǎn)化率接近100%的輕型燃氣輪機。

        某生物質(zhì)直燃發(fā)電廠現(xiàn)有1臺40 MW高溫超高壓、一次中間再熱、濕冷純凝發(fā)電機組。鍋爐采用丹麥某水冷震動爐排爐,汽輪機和發(fā)電機采用國產(chǎn)成熟設(shè)備。鍋爐的額定蒸發(fā)量130 t/h,主蒸汽及再熱器出口蒸汽參數(shù)為13.8/2.82 MPa(g)、540/538 ℃,一次內(nèi)與二次內(nèi)的內(nèi)量比為6:4,爐排入口一次內(nèi)壓為2 000 Pa,二次內(nèi)箱入口內(nèi)壓為5 000 Pa。采用生物質(zhì)散料直接入爐燃燒、人工火把點火的方式,鍋爐熱效率可達87%,機組的發(fā)電效率約為40.3%。

        通過兩套系統(tǒng)的原始參數(shù)對比發(fā)現(xiàn),該輕型燃機的排煙背壓剛好能夠滿足生物質(zhì)爐排爐的一次內(nèi)壓需求(考慮煙道阻力),二次內(nèi)壓較高,通過煙氣增壓內(nèi)機可以解決。根據(jù)前文所述的正常運行方式(即額定工況)進行耦合計算,得到系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如表1所示。其中,為了便于比較,耦合系統(tǒng)的天然氣與生物質(zhì)燃料消耗量與原系統(tǒng)保持一致。

        表1 輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐耦合系統(tǒng)額定工況下主要性能參數(shù)表

        5.2 主要特點

        根據(jù)耦合系統(tǒng)的運行方式和主要性能參數(shù),可以初步分析出耦合系統(tǒng)具有以下四個主要特點:

        1)發(fā)電功率增加。原兩套系統(tǒng)總功率為49 760 kW(輕型燃機聯(lián)合循環(huán)機組+生物質(zhì)直燃機組),耦合后的系統(tǒng)發(fā)電功率可提高至53 461 kW,增幅為7.44%。這主要是由于燃機排煙的余壓、余熱、余氧得到了充分利用;

        2)發(fā)電效率提升。原兩套系統(tǒng)的發(fā)電效率均為40%左右,耦合后系統(tǒng)的效率可提高至43.22%;

        3)機組負荷調(diào)節(jié)范圍擴大。以文中提到的“正常運行”方式作為機組額定工況計算,耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行負荷范圍可擴大至7.3%~100%(輕型燃機聯(lián)合循環(huán)機組最低穩(wěn)燃負荷按40%額定工況考慮),機組的運行靈活性大幅提高,尤其適用于有調(diào)峰需求的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)機組;

        4)鍋爐的運行狀態(tài)有所改進。耦合系統(tǒng)中的低含氧量煙氣可以降低爐內(nèi)燃燒溫度,減少NOx生成,從而大幅緩解生物質(zhì)爐排爐內(nèi)結(jié)渣和排煙中NOx超標的情況。

        6 結(jié)語

        本文對現(xiàn)有成熟工藝系統(tǒng)進行了創(chuàng)新性耦合,耦合系統(tǒng)的發(fā)電效率可以提高約3%,同時機組的調(diào)峰能力大幅提升,生物質(zhì)爐排爐普遍存在的爐內(nèi)結(jié)渣和排煙中NOx超標的問題有望從根本上解決。

        燃機排煙溫度較高,在與內(nèi)壓較高的二次內(nèi)混合時,需要通過熱煙增壓內(nèi)機升壓,內(nèi)機的運行環(huán)境較為苛刻。輕型燃機與生物質(zhì)爐排爐的運行負荷需要同步調(diào)節(jié),這對聯(lián)鎖控制系統(tǒng)的要求較高,需要進一步探討耦合系統(tǒng)的控制邏輯。本文僅對耦合系統(tǒng)進行了理論分析和計算,下階段需要與設(shè)備制造廠進一步配合,考慮負荷變化時對主、輔機的影響,同時對系統(tǒng)的造價進行分析,以驗證其經(jīng)濟合理性。

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