带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统及方法

技术领域

本发明涉及涉及燃煤机组耦合生物质发电领域，更具体涉及一种带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统。

背景技术

当前形势下，传统煤电机组面临着巨大的挑战，构建清洁低碳的能源体系使煤电技术势在必行。煤电除了进一步提高效率之外，还应积极推广源头碳减排技术和研发储备末端碳减排技术。目前主要的发展路径是一是积极发展燃煤机组耦合发电技术，包括生物质耦合及垃圾污泥耦合等；二是大力发展碳捕集、封存与利用，减少碳排放。

目前，生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。但由于机组容量小、参数低，该技术发电效率一般不高于25％。

生物质主要元素构成为C、H、O，含有少量的N和S。若以空气助燃，燃烧后主要成分为N2、CO2和H2O，若采用再循环烟气注入纯氧助燃，则燃烧后主要烟气成分为CO

富氧燃烧技术是火电具有潜力的碳捕集的技术之一，目前世界范围内已经有了众多的积极探索，在我国已经有35MW等级的富氧燃烧碳捕集示范基地。但就目前的大型煤电机组，若要改造成富氧燃烧技术机组，涉及改造系统太多，包括整个制粉系统、燃烧系统、烟气系统以及受热面全部涉及改造，改造成本太高，且目前大型制备纯氧设备或工艺技术并不成熟，在大型燃煤机组上进行富氧燃烧改造目前并不现实。

为减少燃煤机组碳排放，目前众多燃煤机组规划燃煤机组耦合生物质发电改造，耦合方式为燃料侧耦合与蒸汽侧耦合，若采用燃料侧耦合，因生物质燃烧锅炉需要新建，且相当于燃煤机组生物质燃烧锅炉耗氧量较小，采用蒸汽侧耦合的技术可以采用富养燃烧技术，实现碳捕集。

如申请号：201720087268.2，1.一种燃煤机组与生物质气化技术多重耦合的清洁能源利用系统,包括锅炉、汽轮发电机组，其特征在于:还包括生物质气化炉、生物质预干燥器、料仓、灰渣余热利用装置、气化介质输送设备,料仓连通生物质预干燥器,生物质预干燥器连接生物质气化炉和锅炉,生物质气化炉同时与锅炉的高温燃气燃烧器、灰渣余热利用装置、气化介质输送设备连接。

该装置在一定程度上实现了燃煤机组与生物质的耦合，但没有进行碳捕集，无法实现减少碳排放。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中燃煤机组与生物质的耦合系统中没有碳捕集的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统，包括燃煤机组锅炉、生物质燃烧锅炉，烟囱、二氧化碳储存罐、储氧罐、烟气循环风机，所述燃煤机组锅炉的给水系统与所述生物质燃烧锅炉连接，经所述生物质燃烧锅炉加热后的水由管道进入燃煤机组锅炉的给水系统和水冷壁；

所述生物质燃烧锅炉的烟气出口管道上依次连接烟囱、二氧化碳储存罐，位于烟囱、二氧化碳储存罐之间的管道连接所述烟气循环风机，所述烟气循环风机的出口连接所述生物质燃烧锅炉的进气端，所述储氧罐连接所述生物质燃烧锅炉的进气端。

本发明的系统生物质与燃煤机组的耦合方式采用汽水侧耦合，该系统包括两个独立的锅炉，生物质在专门的生物质燃烧锅炉中燃烧，所产生热量用于加热燃煤机组的凝结水及锅炉炉水，经加热的凝结水及炉水返回燃煤机组汽水系统中；其中生物质燃烧锅炉采用富氧燃烧技术可实现烟气中二氧化碳的富集，系统配备了二氧化碳捕集和储存设备，从而实现碳捕集与利用，减少碳排放。

优选的，所述燃煤机组锅炉的给水系统包括给水管道以及依次连接在给水管道上的凝结水泵、低压加热器、除氧器、燃煤机组给水泵、高压加热器；所述凝结水泵的出水口分别连接低压加热器，并通过第一管道连接所述生物质燃烧锅炉，所述生物质燃烧锅炉通过第二管道连接除氧器；所述除氧器的出水口连接燃煤机组给水泵，所述给水泵出口分别连接高压加热器，以及通过第三管道连接所述生物质燃烧锅炉，所述生物质燃烧锅炉通过第四管道连接所述燃煤机组锅炉的水冷壁。

生物质燃烧锅炉的汽水分为低压及高压两个系统，实现生物质燃烧锅炉的能量综合利用，降低生物质燃烧锅炉热损失，提高生物质燃烧锅炉热效率。

优选的，还包括用于调节流量的第一流量调门、第二流量调门，所述第一流量调门连接在所述第一管道上，所述第二流量调门连接在所述第三管道上。

优选的，还包括用于对进入烟囱的烟气进行处理的烟气处理装置，所述烟气处理装置连接在烟气出口管道上，并位于所述烟囱入口之前。

优选的，还包括用于对进入二氧化碳储存罐的气体进行过滤的过滤装置，所述过滤装置连接在烟气出口管道上。

优选的，还包括二氧化碳浓度测量装置，所述二氧化碳浓度测量装置连接在所述烟气出口管道。

优选的，还包括氧气浓度测量装置，所述氧气浓度测量装置连接在所述生物质燃烧锅炉的进气管道上。

优选的，还包括空气进口管道，所述空气进口管道连接所述烟气再循环风机进口管道。

本发明的系统可采用空气燃烧技术和富氧燃烧技术，在启动初期采用空气作为助燃剂启动，并可以在厂内纯氧不足或供纯氧设备出现缺陷时，可以隔绝供氧系统，生物质燃烧锅炉可以采用空气燃烧方式，烟风系统流程采用启动阶段，此时生物质燃烧锅炉可正常运行，降低了生物质燃烧锅炉被迫停炉的机率。

优选的，所述储氧罐的出气端设有用于调节氧气流量的第三流量调门。

本发明还提供采用上述所述的带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统的方法，包括以下步骤：

所述生物质燃烧锅炉，启动初期采用空气作为助燃剂启动，启动烟气循环风机，空气通过烟气循环风机加压后，进入生物质燃烧锅炉炉膛，并最终经过烟囱排放；

锅炉点火成功燃烧稳定后，同步开启储氧罐，关闭空气入口，调节烟气与氧气混合物中的氧量至设定值，生物质燃烧锅炉进入富氧燃烧阶段，当烟气中二氧化碳浓度高于设定值后，开启二氧化碳储存罐，关闭烟囱，对生物质燃烧锅炉所产生的二氧化碳全部进行捕集储存；

所述生物质燃烧锅炉启动后，将燃煤机组锅炉的给水系统与所述生物质燃烧锅炉连通，经所述生物质燃烧锅炉加热后的水由管道进入燃煤机组锅炉的给水系统和水冷壁。

优选的，所述燃煤机组锅炉的给水系统包括给水管道以及依次连接在给水管道上的凝结水泵、低压加热器、除氧器、燃煤机组给水泵；所述凝结水泵的出水口分别连接低压加热器，并通过第一管道连接所述生物质燃烧锅炉，所述生物质燃烧锅炉通过第二管道连接除氧器；所述除氧器的出水口分别连接燃煤机组给水泵，并通过第三管道连接所述生物质燃烧锅炉，所述生物质燃烧锅炉通过第四管道连接所述燃煤机组锅炉的水冷壁；

还包括用于调节流量的第一流量调门、第二流量调门，所述第一流量调门连接在所述第一管道上，所述第二流量调门连接在所述第三管道上；

通过测得第一管道水温T，分别与设定值Ta，得出差值K＝T-Ta，对K进行判断，若K>5，则开大第一流量调门的1％开度，若K<-5，则关小第一流量调门的1％开度，若-5≦K≦5，则保持不变；第三管道内的温度调节方式与第一管道相同。

优选的，所述储氧罐的出气端设有用于调节氧气流量的第三流量调门，调节烟气与氧气混合物中的氧量至设定值的具体方法为：通过测得烟气与氧气混合物中的氧量O2至设定值O

本发明的优点在于：

(1)本发明的系统生物质与燃煤机组的耦合方式采用汽水侧耦合，该系统包括两个独立的锅炉，生物质在专门的生物质燃烧锅炉中燃烧，所产生热量用于加热燃煤机组的凝结水及锅炉炉水，经加热的凝结水及炉水返回燃煤机组汽水系统中；其中生物质燃烧锅炉采用富氧燃烧技术可实现烟气中二氧化碳的富集，系统配备了二氧化碳捕集和储存设备，从而实现碳捕集与利用，实现燃烧零碳排放，实现CCUS((碳捕集、利用与封存(CarbonCapture,Utilization and Storage，简称CCUS)；

(2)生物质燃烧锅炉的汽水分为低压及高压两个系统，实现生物质燃烧锅炉的能量综合利用，降低生物质燃烧锅炉热损失，提高生物质燃烧锅炉热效率；

(3)生物质燃烧锅炉与燃煤机组可以设计共用同一个烟囱，节省费用；

(4)本发明的系统可采用空气燃烧技术和富氧燃烧技术，在启动初期采用空气作为助燃剂启动，实现空气燃烧技术；并可以在厂内纯氧不足或供纯氧设备出现缺陷时，可以隔绝供氧系统，生物质燃烧锅炉可以采用空气燃烧方式，烟风系统流程采用启动阶段，此时生物质燃烧锅炉可正常运行，降低了生物质燃烧锅炉被迫停炉的机率；

(5)保证出口温度T与设定值Ta偏差在合理范围内，保障汽水侧耦合的安全性。

附图说明

图1是本发明实施例中带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中温度调节示意图；

图3是本发明实施例中氧量调节示意图；

图中标号：

100、燃煤机组系统；101、燃煤机组锅炉；102、省煤器；103、高压加热器；104、凝结水泵；105、低压加热器；106、除氧器；107、燃煤机组给水泵；

200、生物质燃烧系统；201、生物质燃烧锅炉；202、烟气处理装置；203、烟囱；204、过滤装置；205、二氧化碳储存罐；206、烟气循环风机；207、储氧罐；208、二氧化碳浓度测量装置；209、氧气浓度测量装置；210、空气进口管道；211、第三流量调门；212、第一挡板门；213、第二挡板门；214、第三挡板门；215、第四挡板门；216、再循环挡板门；217、氧气进口关断阀门；

300、管道组件；301、第一管道；302、第二管道；303、第三管道；304、第四管道；305、第一流量调门；306、第二流量调门；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统，包括燃煤机组系统100、生物质燃烧系统200、用于连接二者的管道组件300；

燃煤机组系统100包括燃煤机组锅炉101、省煤器102、高压加热器103，所述燃煤机组锅炉101的给水系统包括给水管道以及依次连接在给水管道上的凝结水泵104、低压加热器105、除氧器106、燃煤机组给水泵107；

管道组件300包括第一管道301、第二管道302、第三管道303、第四管道304；

生物质燃烧锅炉201的汽水分为低压及高压两个系统，其中低压系统相当于燃煤机组系统100的低压加热器系统的旁路；除盐水经凝结水泵104升压后，一部分经由低压加热器105加热后至除氧器106除氧，另外一部分进入生物质燃烧锅炉201的低压系统，经生物质燃烧锅炉201中的烟气加热后经第二管道302进入除氧器106除氧；再经过燃煤机组给水泵107增压后，一部分经过高压加热器103后进入省煤器102，另外一部分进入生物质燃烧锅炉201的高压系统，经生物质燃烧锅炉201的烟气加热后进入燃煤机组锅炉101的水冷壁出口集箱(启动阶段由于温度较低则进入水冷壁中间集箱)。

其中，管道组件300还包括用于调节低压系统的第一流量调门305、调节高压系统的第二流量调门306，所述第一流量调门305连接在所述第一管道301上，所述第二流量调门306连接在所述第三管道303上。

除此之外，第一管道301，第二管道302、第三管道303、第四管道304上均还设有电动门(或控制开启与断开的阀门等)；第二管道302与第四管道304上还设有用于测量温度的测温装置。

所述生物质燃烧系统200包括生物质燃烧锅炉201、烟气处理装置202、烟囱203、过滤装置204、二氧化碳储存罐205、烟气循环风机206、储氧罐207；

所述生物质燃烧锅炉201的烟气出口管道上依次连接烟气处理装置202、烟囱203、过滤装置204、二氧化碳储存罐205，位于烟囱203、过滤装置204之间的管道连接所述烟气循环风机206，所述烟气循环风机206的出口连接所述生物质燃烧锅炉201的进气端，所述储氧罐207连接所述生物质燃烧锅炉201的进气端。生物质燃烧锅炉201的进气端还包括燃料入口。

本实施例中的烟囱203可以作为燃煤机组锅炉101、生物质燃烧锅炉201的公用烟囱，节省开支。

实施例二：

如图1所示，在上述实施例一的基础上，所述储氧罐207的出气端设有用于调节氧气流量的第三流量调门211。系统所用纯氧可同时采用电解水制氢副产物纯氧气或采用空分装置分离出空气中的氧气，氧气储存在储氧罐207。

所述生物质燃烧系统200还包括二氧化碳浓度测量装置208，所述二氧化碳浓度测量装置208连接在所述烟气出口管道上，并位于烟气处理装置202、烟囱203之间；还包括氧气浓度测量装置209，所述氧气浓度测量装置209连接在所述生物质燃烧锅炉201的进气管道上，用于测量入口的氧气与烟气的混合气体中的氧气含量。

所述生物质燃烧系统200，还包括空气进口管道210，所述空气进口管道210连接所述烟气出口管道，并位于烟气循环风机206的进口侧，空气进口管道210进入的空气用于与烟气混合后进入烟气循环风机206。

所述生物质燃烧系统200，还包括第一挡板门212、第二挡板门213、第三挡板门214、第四挡板门215、再循环挡板门216、氧气进口关断阀门217，第一挡板门212、第二挡板门213位于烟气循环风机206两端，第三挡板门214用于控制烟囱的开启与关闭，第四挡板门215用于控制空气进口管道210的开启与关闭；再循环挡板门216位于空气进口管道210与烟囱203之间；氧气进口关断阀门217位于储氧罐207的出气管道上，用于储氧罐207的开启与关闭。

本实施例的带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统中生物质与燃煤机组的耦合方式采用汽水侧耦合，该系统包括两个独立的锅炉(燃煤机组锅炉101和生物质燃烧锅炉201)，生物质在专门的生物质燃烧锅炉201中燃烧，所产生热量用于加热燃煤机组系统100的凝结水及锅炉炉水，经加热的凝结水及炉水返回燃煤机组汽水系统中；其中生物质燃烧锅炉201采用富氧燃烧技术可实现烟气中二氧化碳的富集，系统配备了二氧化碳捕集和储存设备，从而实现碳捕集与利用，减少碳排放。

生物质燃烧锅炉201可采用空气燃烧技术和富氧燃烧技术，在启动初期采用空气作为助燃剂启动，并可以在厂内纯氧不足或供纯氧设备出现缺陷时，可以隔绝供氧系统，生物质燃烧锅炉201可以采用空气燃烧方式，烟风系统流程采用启动阶段，此时生物质燃烧锅炉201可正常运行，降低了生物质燃烧锅炉201被迫停炉的机率。

实施例三：

如图1、图2、图3所示，本实施例还提供采用上述实施例二中带碳捕集的燃煤机组耦合生物质发电系统的方法，包括以下步骤：

(1)所述生物质燃烧锅炉201启动阶段由于还未进入富养燃烧阶段，故在启动初期采用空气作为助燃剂启动，开启第一挡板门212、第二挡板门213、第三挡板门214、第四挡板门215；启动初期采用空气作为助燃剂启动，启动烟气循环风机206，空气通过烟气循环风机206加压后，进入生物质燃烧锅炉201炉膛，并最终经过烟囱203排放；

(2)锅炉点火成功燃烧稳定后，开启烟气再循环挡板门216，同步开启氧气进口关断阀门217，在烟气再循环挡板门216和氧气进口关断阀门217全开后，关闭第四挡板门215，此时第三流量调门211开启自动调节模式，调节烟气氧气混合物氧量O2至设定值O2a，氧量调节逻辑见图3；此时生物质燃烧锅炉201进入富氧燃烧阶段，助燃气体采用烟气和纯氧的混合物，由于此时烟气中氮气比例较高，剩余烟气继续从烟囱203排放，随着烟气循环次数越多，烟气203中氮气含量越低，二氧化碳含量越高，当烟气中二氧化碳浓度高于设定值后，开启过滤装置204前的挡板门，当挡板门全开后，关闭烟气至烟囱203的挡板门，此时生物质燃烧锅炉201所产生的二氧化碳全部进入二氧化碳储存罐205，进行二氧化碳的捕集储存，实现生物质燃烧锅炉201零排放；

(3)所述生物质燃烧锅炉201启动后，除盐水经凝结水泵104升压后，一部分经由低压加热器105加热后至除氧器106除氧，另外一部分进入生物质燃烧锅炉201的低压系统，经生物质燃烧锅炉201中的烟气加热后经第二管道302进入除氧器106除氧；再经过燃煤机组给水泵107增压后，一部分经过高压加热器103后进入省煤器102，另外一部分进入生物质燃烧锅炉201的高压系统，经生物质燃烧锅炉201的烟气加热后进入燃煤机组锅炉101的水冷壁出口集箱(启动阶段由于温度较低则进入水冷壁中间集箱)。

其中，如图2所示，调节给水系统的温度的具体方法：

第一流量调门305、第二流量调门306依据燃煤机组及生物质燃烧锅炉201情况调节生物质燃烧锅炉201热负荷情况调节，调节量分别为生物质锅炉高压系统出口温度和低压系统出口温度，保证出口温度T与设定值Ta偏差在合理范围内，保障汽水侧耦合的安全性。

通过测得第一管道301内的水温T，分别与设定值Ta，得出差值K＝T-Ta，对K进行判断，若K>5，则开大第一流量调门305的1％开度，若K<-5，则关小第一流量调门305的1％开度，若-5≦K≦5，则保持不变。

第三管道303内温度调节方式与第一管道301相同；

其中，如图3所示，调节储氧罐207的氧气流量的具体方法：

所述储氧罐207的出气端设有用于调节氧气流量的第三流量调门211，调节烟气与氧气混合物中的氧量至设定值的具体方法为：通过测得烟气与氧气混合物中的氧量O2至设定值O2a，得出差值X＝O2-O2a，对X进行判断，若X>0.5，则开大第三流量调门211的1％开度，若X<-0.5，则关小第三流量调门211的1％开度，若-0.5≦X≦0.5，则保持不变。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。