專利名稱：使用廢物作為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用廢物作為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，它利用一個(gè)熱量交換器(鍋爐)，一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)和一個(gè)蒸汽輪機(jī)，從高溫腐蝕性燃燒氣體中獲取能量。
不同于使用水蒸汽的蘭金循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，使用氨和水的混合液體作為介質(zhì)的卡林那(Kalina)循環(huán)預(yù)期能夠在發(fā)電系統(tǒng)的效率上有所提高。一般認(rèn)為使用一個(gè)卡林那循環(huán)作為一個(gè)開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的基本循環(huán)，能夠使蒸汽輪機(jī)的輸出比一個(gè)再熱蘭金循環(huán)蒸汽輪機(jī)的輸出高出25％。因此，可以預(yù)期以天然氣為燃料的通用的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)端效率(從低熱值的觀點(diǎn)看)能夠達(dá)到60％。
可是，利用廢物作燃料的發(fā)電會(huì)產(chǎn)生腐蝕性燃燒氣體，因此，在日本，廢熱回收蒸汽的溫度被控制在300℃的低水平上。有這樣一種方法在以天燃?xì)饣蛲愇镔|(zhì)為燃料的開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)內(nèi)安置一個(gè)廢物焚化爐，從此焚化爐出來的廢熱回收蒸汽由來自燃?xì)廨啓C(jī)的潔凈排氣進(jìn)行再加熱。這一方法提高了蘭金循環(huán)和卡林那循環(huán)的效率。
然而，以上所述的方法除了廢物以外還需要一種附加燃燒，比如天燃?xì)?。而且，這種方法中熱回收蒸汽被加熱加壓到高溫高壓，需要根據(jù)腐蝕的程度周期性地更換熱管道，因此必須精確地預(yù)測更換的周期，加之更換程序還需要一段時(shí)間，所以這就減少了發(fā)電的運(yùn)作時(shí)間和廢物排除時(shí)間。
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種使用廢物作為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，它能夠在不使用附加燃料如天燃?xì)獾那闆r下提高發(fā)電效率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種以廢物為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，它包括一個(gè)廢物排氣源，一個(gè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和一個(gè)卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)。為閉式循環(huán)燃輪機(jī)提供的外部加熱的熱交換器布置在廢物排氣源的高溫段之上。此聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)還包括一個(gè)利用來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫段排氣加熱卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)所用的混合氨-水流體的熱交換器，和一個(gè)利用來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣中的余熱汽化混合氨-水流體的冷凝物的熱交換器。另外，一個(gè)為卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)提供的外部加熱的熱交換器被布置在廢物排氣源的低溫段，用來利用廢物排氣中的余熱汽化混合氨-水流體。
閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的外部加熱的熱交換器可以是一個(gè)陶瓷熱交換器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所提供的以廢物作為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括一個(gè)廢物排氣源，一個(gè)位于廢物排氣源的高溫段之上的陶瓷熱交換器，一個(gè)位于廢物排氣源的低溫段之上的碳鋼熱交換器，一個(gè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，一個(gè)卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)，一個(gè)第一熱交換器，一個(gè)位于第一熱交換器下游的第二熱交換器，一個(gè)位于第一熱交換器和第二熱交換器之間的第三熱交換器。在一個(gè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)將閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)所用的工作流體加壓，之后工作流體被導(dǎo)入陶瓷熱交換器中，在那里被加熱，加熱后的工作流體通過閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，膨脹獲得動(dòng)力。從閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)排出的工作流體依次通過第一熱交換器、第三熱交換器和第二熱交換器，然后導(dǎo)入壓縮機(jī)。卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)的工作流體即混合氨-水流體在第一熱交換器被加熱，加熱后的混合氨-水流體通過卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)膨脹獲得動(dòng)力?；旌系陌?水流體在卡林那循環(huán)蒸餾和冷凝系統(tǒng)內(nèi)蒸餾、冷卻和凝結(jié)，以調(diào)節(jié)混合的氨-水流體的濃度。這樣蒸餾、冷卻、凝結(jié)后的混合氨-水流體被導(dǎo)入第二熱交換器，在那里由閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體內(nèi)保存的熱量加熱。加熱后的混合氨-水流體的一部分進(jìn)入碳鋼熱交換器，在其內(nèi)部混合流體被加熱到相對于腐蝕性氣體碳鋼可允許的溫度，而剩余的混合氨-水流體則進(jìn)入第三熱交換器，在那里其被加熱，然后加熱后的混合氨-水流體與在碳鋼熱交換器內(nèi)加熱的那部分混合氨-水流體匯合，一同進(jìn)入到第一熱交換器。
下面將針對本發(fā)明的具體裝置進(jìn)行詳細(xì)的圖示說明，從中可以看出本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1顯示了按照本發(fā)明以廢物為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的裝置。
下面將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。圖1顯示了一個(gè)按照本發(fā)明以廢物為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的裝置。按照本發(fā)明，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有一個(gè)廢熱回收系統(tǒng)。這個(gè)廢熱回收系統(tǒng)主要包括一個(gè)由廢物焚化爐或同類設(shè)備組成的高溫腐蝕性排氣源(廢物排氣源)1，一個(gè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2，一個(gè)混合氨-水流體蒸汽輪機(jī)3和一個(gè)發(fā)電機(jī)13。聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)還具有一個(gè)陶瓷熱交換器6和一個(gè)熱交換器10，它們被安置在腐蝕性排氣源1的內(nèi)部。這種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)還包括一個(gè)第一熱交換器7，一個(gè)第三熱交換器12，一個(gè)第二熱交換器9和一個(gè)卡林那循環(huán)蒸餾和凝結(jié)系統(tǒng)8。應(yīng)該指出適合的熱交換器10是由碳鋼材料制成的。
閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的工作流體5在壓縮機(jī)4內(nèi)被加壓縮，然后在陶瓷熱交換器6內(nèi)被加熱，這個(gè)陶瓷熱交換器放置在腐蝕性排氣源1的高溫部分的上面。加熱后的工作流體5通過閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2，膨脹獲得能量。從閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2出來的工作流體5依次通過第一熱交換器7，第三熱交換器12和第二熱交換器9，返回到壓縮機(jī)4。
第一熱交換器7位于閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的排氣高溫段的上面，由來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的工作流體5加熱混合的氨-水流體。在第一熱交換器7中加熱后的混合氨-水流體11通過混合氨-水流體蒸汽輪機(jī)3，膨脹獲得能量。接下來，混合氨-水流體11在卡林那循環(huán)蒸餾和凝結(jié)系統(tǒng)8內(nèi)被蒸餾、冷卻和凝結(jié)，以使其濃度得到調(diào)節(jié)。在蒸餾和凝結(jié)系統(tǒng)8內(nèi)被蒸餾、冷卻和凝結(jié)過后的混合氨-水流體在第二熱交換器9中由工作流體5內(nèi)的熱量加熱，第二熱交換器位于第一和第三熱交換器7和12的下游段(低溫段)。
經(jīng)這樣加熱后的混合氨-水流體11的一部分進(jìn)入到熱交換器10，熱交換器10由碳鋼制成，并位于腐蝕性排氣源1內(nèi)的陶瓷熱交換器6的下游(低溫段)。進(jìn)入到熱交換器10的混合氨-水流體11由腐蝕性排氣源1內(nèi)的余熱加熱至相對于腐蝕性氣體碳鋼可允許的蒸汽溫度。剩余的另一部分混合氨-水流體11在第三熱交換器12內(nèi)被加熱，第三熱交換器位于第一熱交換器7和第二熱交換器9之間。在第三熱交換器12內(nèi)加熱后的混合氨-水流體11與在熱交換器10內(nèi)加熱后的混合氨-水流體11匯合并進(jìn)入第一熱交換器7。
在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，腐蝕性排氣源1是來自廢物焚化爐的高溫排氣。該排氣的溫度依廢物焚化爐內(nèi)燃燒的過量空氣比率而定，在900℃到1350℃的界限內(nèi)。我們假設(shè)對于日焚化容量為300t的廢物焚化爐，給定排氣流量為98.9t/h，排氣溫度為1350℃。
假定在閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2內(nèi)入口空氣的流量為130t/h，入口溫度為1115℃，并且入口壓力為1.55MPa絕對壓力，排出壓力為0.11MPa絕對壓力，則回收的功率為24.4MW。
假定混合氨-水流體蒸汽輪機(jī)3的入口壓力為13.0MPa絕對壓力，入口溫度為500℃，混合氨-水流體11的混合比率為氨70％，水30％，混合氨-水流體11的流量為35.5t/h，而且透平絕熱效率為85％。出口壓力為0.15MPa絕對壓力，出口溫度為86℃，則回收的功率為9.1MW。
壓縮機(jī)4是為閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2提供的。假定使用與開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)所用的壓縮機(jī)相同的、空氣流量大約為130t/h的軸流式壓縮機(jī)作為壓縮機(jī)4，壓縮機(jī)4的入口壓力為0.1MPa絕對壓力，入口溫度為40℃，出口壓力為1.55MPa絕對壓力，出口溫度為463℃，所需要的功率為15.0MW。閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的工作流體5使用了潔凈的干燥空氣。
陶瓷熱交換器6將閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的工作流體5，從455℃加熱至1115℃。陶瓷熱交換器6是由氮化硅陶瓷材料制成的管殼式熱交換器。最好在陶瓷熱交換器6的廢物排氣端提供一個(gè)煤煙鼓風(fēng)機(jī)，以便清潔管子表面。
第一熱交換器7安置在閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的排氣高溫段上，其內(nèi)部的混合氨-水流體11由這樣兩部分組成一部分是在熱交換器10內(nèi)經(jīng)由廢物排氣加熱至300℃汽化之后的流量為21.9t/h的混合氨-水流體11，另一部分是已在位于第一熱交換器7下游的第三熱交換器12內(nèi)被加熱至300℃，流量為13.6t/h的混合氨-水流體11。第一熱交換器7將這樣的兩股流體匯合的總的流動(dòng)速率為35.5t/h的混合氨-水流體11加熱，由閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的溫度為518℃的排氣將其溫度加熱至500℃。第一熱交換器7是一個(gè)齒形翅片管式熱交換器，如在開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣鍋爐中所用的那樣。
卡林那循環(huán)的蒸餾和凝結(jié)系統(tǒng)8將從混合氨-水流體蒸汽輪機(jī)3中排出的混合氨-水流體11冷卻，凝結(jié)和散熱。第二熱交換器9的作用是將在卡林那循環(huán)蒸餾和凝結(jié)系統(tǒng)8中凝結(jié)的混合氨-水流體11，由來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的排氣(溫度180℃)加熱至汽化。如第一熱交換器7的情形一樣，第二熱交換器9采用的也是齒形翅片管式熱交換器。在第二熱交換器9中，溫度為30℃的混合氨-水流體11被加熱至160℃，進(jìn)而汽化。另一方面，來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的排氣溫度被冷卻至40℃。
位于腐蝕性排氣源1的低溫段上的熱交換器10將流量為21.9t/h的混合氨-水流體11從160℃加熱至300℃，從而使混合氨-水流體11汽化。熱交換器10是由廢舊鍋爐所用的碳鋼材料制成的光管熱交換器。為避免由廢物排氣造成碳鋼的高溫腐蝕，最好由一個(gè)過熱降溫器進(jìn)行溫度控制，以使熱交換器10中混合氨-水流體的出口溫度不高于300℃。
第三熱交換器12將從第二熱交換器9出來的溫度為160℃(流量13.6t/h)的一部分混合氨-水流體加熱至300℃。第三熱交換器12采用的也是同第一熱交換7和第二熱交換器9的情形相同的齒形翅片管式熱交換器。
上述的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)回收的功率是閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2回收的功率與混合氨-水流體蒸汽輪機(jī)3回收的功率之和再減去壓縮機(jī)4所消耗的功率組成的，即18.7MW。假設(shè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2，混合氨-水流體蒸汽輪機(jī)3和發(fā)電機(jī)13之間的減速齒輪裝置的損失以及發(fā)電機(jī)13的損失的總和是回收功率的3％，那么發(fā)電機(jī)13的發(fā)電機(jī)端輸出則為18.1MW。
如果對廢熱回收所提供的廢物排氣的流量為98.9t/h，如上所述，直到排氣溫度從1350℃降至180℃之前，那么熱量回收的總量為35MW。聯(lián)合熱效率是發(fā)電機(jī)端輸出18.1MW與回收熱量的比值，為51.7％。因此得到一個(gè)高的發(fā)電機(jī)端效率是可能的，這一效率決不低于采用20MW等級和卡林那循環(huán)的以天燃?xì)鉃槿剂祥_式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)端效率。
雖然在前面的實(shí)施例中，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的工作流體用的是干燥潔凈的空氣，但是應(yīng)該指出的是閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)2的工作流體不必局限于潔凈干燥的空氣，其它的氣體，比如氮?dú)?，也可以做為工作流體。
按照本發(fā)明，上述的以廢物為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有下述先進(jìn)的性能(1)一個(gè)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的裝置可以實(shí)現(xiàn)通過一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，從廢物發(fā)電中的高溫燃燒氣體中回收功率；可以實(shí)現(xiàn)從由一個(gè)卡林那循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)排氣和低溫燃燒氣體中回收功率。因此，可以預(yù)期，與傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)相比，輸出會(huì)有較大的提高。比如，假定蒸汽溫度為300℃的傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的輸出為10.5MW，其是熱回收數(shù)量35MW的30％，傳統(tǒng)卡林那循環(huán)的輸出為12.6MW，是蘭金循環(huán)輸出的120％，則按照本發(fā)明，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)端輸出18.1MW是傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)的輸出的172％，是卡林那循環(huán)輸出的144％。
(2)即使廢物排氣是高溫腐蝕性氣體，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫氣體和工作流體由于熱交換器的腐蝕而泄漏，因?yàn)殚]式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的壓力相對較低(低于2MPa絕對壓力)，也不會(huì)發(fā)生象當(dāng)傳統(tǒng)的高溫高壓蘭金循環(huán)中高壓蒸汽(102MPa絕對壓力)突然噴出時(shí)的危險(xiǎn)。而且傳統(tǒng)卡林那循環(huán)使用的是氨，因此當(dāng)蒸汽溫度被提高到300℃或更高、壓力達(dá)到一個(gè)較高水平的時(shí)候，為防止突然噴出事故的發(fā)生就要采取多種措施花費(fèi)很大?？砂凑毡景l(fā)明、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)卻使用于安全防范措施的花費(fèi)降低很多。
(3)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)可以在沒有外部提供燃料如天燃?xì)獾那闆r下運(yùn)行。而且因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)是一個(gè)閉式循環(huán)，所以不需要一個(gè)過濾器，用來吸收外部空氣。在開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中，外界空氣中的灰塵粘附在燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)葉片上，引起效率降低。在本發(fā)明中，由于采用了閉式循環(huán)，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)性能上的降低被減少到最小。
雖然通過特定條件對本發(fā)明作了詳細(xì)的說明，但這里應(yīng)該指出的是所描述的實(shí)施例不一定是唯一的，只要是不脫離下面所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍，可以進(jìn)行多種變更和修改。
權(quán)利要求
1 一種使用廢物為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括一個(gè)廢排氣源；一個(gè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)；一個(gè)卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)；一個(gè)為閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)提供的外部加熱的熱交換器，此熱交換器位于廢排氣源的高溫段的位置之上；一個(gè)為加熱卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)的混合氨-水流體所提供的熱交換器，此熱交換器的熱源是來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫段排氣；一個(gè)為汽化混合的氨-水流體的凝結(jié)物所提供的熱交換器，此熱交換器的熱源是來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣中的余熱；還有一個(gè)為卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)提供外部加熱的熱交換器，此熱交換器位于廢排氣源的低溫段之上，由廢排氣中的余熱汽化混合氨-水流體。
2 根據(jù)權(quán)利要求1聯(lián)合式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其中為閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)提供的外部加熱的熱交換器是一個(gè)陶瓷熱交換器。
3 一種以廢物為燃料的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括一個(gè)廢排氣源；一個(gè)位于廢排氣源高溫段之上的陶瓷熱交換器；一個(gè)位于廢排氣源低溫段之上的碳鋼熱交換器；一個(gè)閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)；一個(gè)卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)；一個(gè)第一熱交換器；一個(gè)位于第一熱交換器下游的第二熱交換器；一個(gè)位于第一熱交換器和第二熱交換器之間的第三熱交換器；其中，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體在為閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮，然后被導(dǎo)入陶瓷熱交換器，在那里工作流體被加熱，被加熱后的工作流體通過閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)膨脹獲得功率，從閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)排出的工作流體依次通過第一熱交換器、第三熱交換器和第二熱交換器，再進(jìn)入壓縮機(jī)，其中，作為卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)的工作流體的混合氨-水流體在第一熱交換器中被加熱，加熱后的混合氨-水流體通過卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)膨脹獲得功率，混合氨-水流體在卡林那循環(huán)蒸餾和凝結(jié)系統(tǒng)中被蒸餾、冷卻和凝結(jié)，使混合氨-水流體濃度被調(diào)節(jié)，這樣蒸餾、冷卻和凝結(jié)后的混合氨-水流體被導(dǎo)入第二熱交換器，在那里被閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的工作流體中所蘊(yùn)含的熱量加熱，加熱后的混合氨-水流體的一部分被導(dǎo)入碳鋼熱交換器，在那里，被加熱到相對于腐蝕性氣體來講碳鋼可允許的溫度，而剩余部分的混合氨-水流體被導(dǎo)入第三熱交換器，在其內(nèi)被加熱，加熱后的混合氨-水流體與在碳鋼熱交換器內(nèi)加熱的混合氨-水流體匯合，共同進(jìn)入第一熱交換器。
全文摘要
一種聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，在不使用附加燃料的情況下，提高發(fā)電效率。其有腐蝕性排氣源，閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，和卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)。一個(gè)陶瓷熱交換器放置在腐蝕性排氣源的高溫段上。一個(gè)熱交換器用來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的高溫段排氣，加熱卡林那循環(huán)蒸汽輪機(jī)的混合氨—水流體。一個(gè)熱交換器用來自閉式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的余熱加熱混合氨—水流體的凝結(jié)物，使之汽化。一個(gè)熱交換器放置在腐蝕性排氣源的低溫段上，用余熱使混合氨—水流體汽化。
文檔編號F01K23/12GK1163981SQ97102978
公開日1997年11月5日 申請日期1997年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月24日
發(fā)明者中田信夫 申請人:株式會(huì)社荏原制作所