CN111594813A - 一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法，降低了联合循环余热锅炉排烟温度，大幅度回收了联合循环余热锅炉烟气余热，提高了能源利用效率，具有显著的经济效益；同时提高了进入燃气轮机燃烧室空气湿度，降低了氧气浓度，最终降低了燃烧室内燃烧温度，减小了燃烧高温区域，从而达到了降低NOx原始排放浓度和延长燃气轮机高温部件寿命的目的，加湿后的干空气进入燃气轮机后，提高了燃气轮机的比功，增加了燃气轮机的发电量；由于大幅度降低烟气温度，缓解了白色烟羽的视觉污染现象，回收的烟气凝结水可减小电厂水耗。

Description

一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法
技术领域
本发明属于火力发电节能减排领域，具体涉及一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法。
背景技术
天然气燃烧后的烟气中含有大量的水蒸气，烟气中水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的比例达到10％～11％，目前的天然气烟气潜热基本上都没有利用而直接排放到环境中。另外，天然气烟气中的水蒸气直接排入大气，既造成水量损失，又形成白色烟羽现象，造成景观污染。深度回收利用包括水蒸气凝结潜热在内的烟气余热，对节省能源和减少污染物排放都有重要意义。烟气余热深度利用技术是在尾部烟道增设的冷凝式换热器，高湿度烟气在换热器内与中介水高效换热，烟气迅速降温冷凝，脱除大部分水蒸气后，送入烟囱。与烟气换热的中介水升温后，可以为联合循环提供额外的热源。
此外，天然气在燃烧过程中生成NOx的浓度主要受温度影响，热力型NOx排放量随温度升高呈指数上升。向燃气轮机助燃空气中注入水蒸气或水后，湿空气进入燃气轮机后，能降低燃烧过程中热力型NOx的生成。有研究显示，与干空气燃烧相比，空气含湿量增加至15g/kg时，扩散燃烧和预混燃烧NOx排放分别降低了38.8％和12.2％。此外，燃气轮机助燃空气湿度提高后，可以提高燃气轮机比功，从而提高燃气轮机发电功率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法，解决了现有技术中存在的资源浪费的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，包括燃气轮机压气机、燃气轮机燃烧室、燃气轮机透平、余热锅炉、汽轮机、烟气冷凝换热器和空气加湿器，其中，所述燃气轮机燃烧室上设置有高压空气入口，该高压空气入口连接燃气轮机压气机的高压空气出口；所述燃气轮机燃烧室上设置有高温高压燃气出口，该高温高压燃气出口连接燃气轮机透平，所述燃气轮机透平连接有发电机；所述燃气轮机透平的烟气出口连接余热锅炉的烟气入口；余热锅炉上设置的水蒸气出口连接汽轮机，所述汽轮机连接有发电机；所述余热锅炉的烟气出口连接烟气冷凝换热器的烟气入口；所述烟气冷凝换热器的底部设置有中介水出口，所述中介水出口连接空气加湿器；所述空气加湿器的顶部设置有湿空气出口，所述湿空气出口连接燃气轮机压气机的进风口；所述空气加湿器的底部设置有干空气入口。
优选地，所述汽轮机上设置有乏汽出口，所述乏汽出口连接凝汽器的入口；所述凝汽器的冷凝水出口连接余热锅炉的冷凝水入口。
优选地，烟气冷凝换热器和空气加湿器均为直接接触式结构。
优选地，所述烟气冷凝换热器的内腔中自上至下依次布置有第一除雾器、第一布液层和第一喷淋层；所述烟气冷凝换热器的烟气入口设置在第一喷淋层的下方。
优选地，所述烟气冷凝换热器的底部设置有凝结水储槽，所述凝结水储槽上开设有凝结水出口；所述凝结水储槽设置在烟气入口的下方。
优选地，所述烟气冷凝换热器的顶部设置有低温烟气出口，所述低温烟气出口连接有烟囱。
优选地，所述空气加湿器的内腔中自上至下依次布置有第二除雾器、第二布液层和第二喷淋层；所述空气加湿器的中介水出口置于第二喷淋层的下方。
一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电方法，基于所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，包括以下步骤：
天然气在燃气轮机燃烧室内与经过燃气轮机压气机压缩而来的高压空气发生燃烧反应，形成高温高压的燃气，送入燃气轮机透平，推动燃气轮机透平转动，实现热能向机械能的转化，燃气轮机透平带动发电机，实现机械能向电能的转化；
燃气轮机透平排出的较高温度的烟气送入余热锅炉，由余热锅炉回收烟气余热，并生成高温高压的水蒸气；该股水蒸气送入汽轮机，并带动发电机，输出电能；
余热锅炉出口烟气送入烟气冷凝换热器，并在烟气冷凝换热器内与中介水换热并降温至水露点以下；中介水升温后送入空气加湿器，与干冷空气进行逆流传热传质过程，降温后的中介水；干冷空气形成湿空气送入燃气轮机压气机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法，降低了联合循环余热锅炉排烟温度，大幅度回收了联合循环余热锅炉烟气余热，提高了能源利用效率，具有显著的经济效益；同时提高了进入燃气轮机燃烧室空气湿度，降低了氧气浓度，最终降低了燃烧室内燃烧温度，减小了燃烧高温区域，从而达到了降低NOx原始排放浓度和延长燃气轮机高温部件寿命的目的，加湿后的干空气进入燃气轮机后，提高了燃气轮机的比功，增加了燃气轮机的发电量；由于大幅度降低烟气温度，缓解了白色烟羽的视觉污染现象，回收的烟气凝结水可减小电厂水耗。
进一步的，烟气冷凝换热器与空气加湿器的直接接触式结构，使得中介水稀释了烟气中的杂质，对换热器材质防腐要求较低，烟气阻力也可控制在可接受范围以内。
附图说明
图1是本发明涉及的发电装置结构示意图。
具体实施方式
本发明的主要目的在于提供一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置及方法，该***在联合循环余热锅炉尾部设置直接接触式烟气冷凝换热器，采用中介水将烟气温度降低至露点温度以下，回收低温余热。升温后的中介水送入燃气轮机压气机入口处设置的直接接触式空气加湿器，与干冷空气进行逆流传热传质过程，提高空气湿度与温度。该***所涉及的技术成熟可靠，能够有效提高能源利用效率，回收烟气冷凝水，降低NOx原始排放浓度，缓解白色烟羽视觉污染现象，具有显著的经济效益与环保效益。
具体地，本发明提供了一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，包括燃气轮机压气机1、燃气轮机燃烧室2、燃气轮机透平3、余热锅炉4、汽轮机5、凝汽器6、直接接触式烟气冷凝换热器7、烟囱8、直接接触式空气加湿器9、第一喷淋层10、第一布液层11、第一除雾器12、第二喷淋层13、第二布液层14、第二除雾器15、第二水泵16和第一水泵17，其中，所述燃气轮机燃烧室2上设置有高压空气入口，该高压空气入口连接燃气轮机压气机1的高压空气出口；所述燃气轮机燃烧室2上设置有高温高压燃气出口，该高温高压燃气出口连接燃气轮机透平3，推动燃气轮机透平3转动。
所述燃气轮机透平3连接有发电机。
所述燃气轮机透平3的烟气出口连接余热锅炉4的烟气入口；余热锅炉4上设置的水蒸气出口连接汽轮机5，所述汽轮机5连接有发电机。
所述汽轮机5上设置有乏汽出口，所述乏汽出口连接凝汽器6的入口；所述凝汽器6的冷凝水出口连接余热锅炉4的冷凝水入口。
所述余热锅炉4的烟气出口连接直接接触式烟气冷凝换热器7的烟气入口。
所述直接接触式烟气冷凝换热器7的内腔中自上至下依次布置有第一除雾器12、第一布液层11和第一喷淋层10；所述直接接触式烟气冷凝换热器7的烟气入口设置在第一喷淋层10的下方。
所述直接接触式烟气冷凝换热器7的底部设置有凝结水储槽，所述凝结水储槽上开设有凝结水出口。
所述凝结水储槽设置在烟气入口的下方。
所述直接接触式烟气冷凝换热器7的顶部设置有低温烟气出口，所述低温烟气出口连接有烟囱8。
所述直接接触式烟气冷凝换热器7的底部设置有中介水出口，所述中介水出口通过第一水泵17连接直接接触式空气加湿器9。
所述直接接触式空气加湿器9的内腔中自上至下依次布置有第二除雾器15、第二布液层14和第二喷淋层13。
所述直接接触式空气加湿器9的底部设置有中介水出口，所述中介水出口通过第二水泵16连接直接接触式烟气冷凝换热器7顶部设置的中介水入口。
所述直接接触式空气加湿器9的底部设置有干空气入口。
所述直接接触式空气加湿器9的顶部设置有湿空气出口，所述湿空气出口连接燃气轮机压气机1的进风口。
工作过程：
天然气在燃气轮机燃烧室2内与经过燃气轮机压气机1压缩而来的高压空气发生燃烧反应，形成高温高压的燃气，送入燃气轮机透平3，推动燃气轮机透平3转动，实现热能向机械能的转化，燃气轮机透平3带动发电机，实现机械能向电能的转化。
燃气轮机透平3排出的较高温度的烟气送入余热锅炉4，由余热锅炉4回收烟气余热，并生成高温高压的水蒸气；该股水蒸气送入汽轮机5，并带动发电机，输出电能。
汽轮机5排出的乏汽送入凝汽器6，在凝汽器6形成冷凝水，随后送入余热锅炉4继续回收烟气余热。
余热锅炉4出口烟气送入直接接触式烟气冷凝换热器7，并在直接接触式烟气冷凝换热器7内依次通过第一喷淋层10、第一布液层11和第一除雾器12，与中介水换热并降温至水露点以下，同时排出凝结水。
直接接触式烟气冷凝换热器7出口的低温烟气直接送入烟囱8，排入大气；中介水升温后由第一水泵17送入直接接触式空气加湿器9，与干冷空气进行逆流传热传质过程，提高了空气湿度与温度。
干冷空气依次通过第二喷淋层13、第二布液层14和第二除雾器15后，形成湿空气，送入燃气轮机压气机1。
中介水降温后由第二水泵16泵送至直接接触式烟气冷凝换热器7的冷却水入口。

Claims (8)

1.一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置,其特征在于,包括燃气轮机压气机(1)、燃气轮机燃烧室(2)、燃气轮机透平(3)、余热锅炉(4)、汽轮机(5)、烟气冷凝换热器(7)和空气加湿器(9)，其中，所述燃气轮机燃烧室(2)上设置有高压空气入口，该高压空气入口连接燃气轮机压气机(1)的高压空气出口；所述燃气轮机燃烧室(2)上设置有高温高压燃气出口，该高温高压燃气出口连接燃气轮机透平(3)，所述燃气轮机透平(3)连接有发电机；所述燃气轮机透平(3)的烟气出口连接余热锅炉(4)的烟气入口；余热锅炉(4)上设置的水蒸气出口连接汽轮机(5)，所述汽轮机(5)连接有发电机；所述余热锅炉(4)的烟气出口连接烟气冷凝换热器(7)的烟气入口；所述烟气冷凝换热器(7)的底部设置有中介水出口，所述中介水出口连接空气加湿器(9)；所述空气加湿器(9)的顶部设置有湿空气出口，所述湿空气出口连接燃气轮机压气机(1)的进风口；所述空气加湿器(9)的底部设置有干空气入口。
2.根据权利要求1所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，其特征在于，所述汽轮机(5)上设置有乏汽出口，所述乏汽出口连接凝汽器(6)的入口；所述凝汽器(6)的冷凝水出口连接余热锅炉(4)的冷凝水入口。
3.根据权利要求1所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，其特征在于，烟气冷凝换热器(7)和空气加湿器(9)均为直接接触式结构。
4.根据权利要求1所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，其特征在于，所述烟气冷凝换热器(7)的内腔中自上至下依次布置有第一除雾器(12)、第一布液层(11)和第一喷淋层(10)；所述烟气冷凝换热器(7)的烟气入口设置在第一喷淋层(10)的下方。
5.根据权利要求1所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，其特征在于，所述烟气冷凝换热器(7)的底部设置有凝结水储槽，所述凝结水储槽上开设有凝结水出口；所述凝结水储槽设置在烟气入口的下方。
6.根据权利要求1所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，其特征在于，所述烟气冷凝换热器(7)的顶部设置有低温烟气出口，所述低温烟气出口连接有烟囱(8)。
7.根据权利要求1所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，其特征在于，所述空气加湿器(9)的内腔中自上至下依次布置有第二除雾器(15)、第二布液层(14)和第二喷淋层(13)；所述空气加湿器(9)的中介水出口置于第二喷淋层(13)的下方。
8.一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电方法，其特征在于，基于权利要求1-7中任一项所述的一种利用烟气低温潜热的联合循环高效清洁发电装置，包括以下步骤：
天然气在燃气轮机燃烧室(2)内与经过燃气轮机压气机(1)压缩而来的高压空气发生燃烧反应，形成高温高压的燃气，送入燃气轮机透平(3)，推动燃气轮机透平(3)转动，实现热能向机械能的转化，燃气轮机透平(3)带动发电机，实现机械能向电能的转化；
燃气轮机透平(3)排出的较高温度的烟气送入余热锅炉(4)，由余热锅炉(4)回收烟气余热，并生成高温高压的水蒸气；该股水蒸气送入汽轮机(5)，并带动发电机，输出电能；
余热锅炉(4)出口烟气送入烟气冷凝换热器(7)，并在烟气冷凝换热器(7)内与中介水换热并降温至水露点以下；中介水升温后送入空气加湿器(9)，与干冷空气进行逆流传热传质过程，降温后的中介水；
干冷空气形成湿空气送入燃气轮机压气机(1)。
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