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一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统及方法

2021-03-07 10:25:02

一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统及方法

  技术领域

  本发明涉及火电厂锅炉稳燃及碳减排领域,具体的涉及一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统及碳减排控制方法。

  背景技术

  燃煤火电厂是碳排放大户,如何降低大型燃煤火电厂的碳排放强度是摆在未来火电行业面前的一个巨大障碍,如果无法降低碳排放, 2020年之后很多大型火电厂将面临关停和亏损的局面。国内专利 201810673269.4公开了一种多联产调峰电站系统,即利用煤气化后供电厂锅炉低负荷时助燃,则调峰发电的灵活性将大大提高,而燃料成本并不增加,同时再采用有产焦油功能的气化炉装置和同时有产焦油和半焦功能的干馏罐,还能得到附加值更高的副产品焦油和半焦。此专利仅介绍了煤气化炉配合火电厂锅炉实现锅炉低负荷助燃的技术,并不涉及任何生物质或垃圾气化配合电站锅炉的方案,也没有给出计算煤制气替代燃煤的碳减排量。国内专利201720943001.9公开了一种火电厂调峰发电系统,能够将电解水模块生成的氢气和生物质气燃料乙醇化炉生成的生物质气,并将所述两种气体进行混合,形成合成气,并供给火电厂锅炉,从而实现火电厂锅炉稳燃和调峰。此专利系统复杂而且气化炉的热解燃料仅为生物质,不涉及任何煤制气或垃圾制气和锅炉碳排放量减少的相关计算内容。

  另一方面,火电机组运行小时数逐年降低,很多火电机组处于低负荷运行状态。如果没有助燃或稳燃措施,非常容易发生锅炉熄火。而目前依靠投油稳燃的经济成本较高,而且对碳减排也没有帮助。如果能够寻找到一种既能够实现碳减排又能够实现锅炉稳燃的助燃燃料,未来在火电行业一定有广泛的应用前景。

  发明内容

  本发明的目的在于提供提出利用掺烧生物燃料乙醇,在火电厂锅炉内实现稳燃及碳减排,利用粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗、糖类植物中的任意一种转化而成的生物燃料乙醇替代燃煤,从而实现火电厂的稳燃和碳减排。

  具体地,本发明是通过如下技术方案实现的:

  一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统,包括火电厂锅炉、汽机和发电机设备,所述火电厂锅炉与汽机连接,所述汽机与发电机设备连接,所述火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统还包括生物燃料乙醇储罐、生物燃料乙醇供给管路和燃料通入单元,燃料通入单元设置在火电厂锅炉上,生物燃料乙醇储罐通过生物燃料乙醇供给管路与燃料通入单元连接,所述生物燃料乙醇储罐储存由粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗类糖类植物中的任意一种转化而成的生物燃料乙醇,供给火电厂锅炉进行混配燃烧。

  较佳的,所述燃料通入单元包括多燃料燃烧器,生物燃料乙醇供给管路将生物燃料乙醇储罐与设置在火电厂锅炉上的多燃料燃烧器连接。

  较佳的,在所述多燃料燃烧器上设置有燃烧枪供给管,生物燃料乙醇供给管路将生物燃料乙醇储罐与设置在火电厂锅炉上的多燃料燃烧器的燃烧枪供给管连接。

  较佳的,所述燃料通入单元包括生物燃料乙醇注入喷嘴,生物燃料乙醇供给管路将生物燃料乙醇储罐与设置在火电厂锅炉上的生物燃料乙醇注入喷嘴连接。

  较佳的,其特征在于,在所述生物燃料乙醇供给管路上,还设置有阀门,设置在供给管路上的阀门能够控制供给火电厂锅炉的混配燃烧的燃料乙醇供给量。

  较佳的,其特征在于,在所述生物燃料乙醇供给管路上,还设置有流量计,所述流量计用于测量供给火电厂锅炉的混配燃烧的燃料乙醇供给量。

  较佳的,所述生物燃料乙醇储罐中的生物燃料乙醇来自火电厂外或火电厂内的燃料乙醇生产装置,所述燃料乙醇生产装置利用粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗、糖类植物中的任意一种转化而成的生物燃料乙醇。

  较佳的,在所述系统利用生物燃料乙醇作为助燃、稳燃燃料,实现煤粉锅炉低负荷稳燃,增加火电机组的锅炉的调峰能力和低负荷运行能力。

  一种火电厂掺烧生物燃料乙醇的碳减排控制方法,所述方法使用前述的火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统,所述方法包括步骤:

  S1:根据锅炉掺烧生物燃料乙醇的目的,如果投入生物燃料乙醇是为了进行锅炉低负荷稳燃,则执行S2;若投入生物燃料乙醇是为了减少锅炉碳排放量,则执行S3;

  S2:根据锅炉当前负荷和未来设定的调峰设置的目标最低负荷,设置投入助燃和稳燃的燃料乙醇量;

  S3:根据火电厂碳减排目标设定每台机组锅炉掺烧生物燃料乙醇的量;

  S4:根据设定的燃料乙醇供应量,调节生物燃料乙醇供给管路上的阀门的开度,监测流量计的乙醇供应量达到设定值;

  S5:监测多燃料燃烧器或燃料乙醇注入喷嘴的工作状态,保证锅炉炉膛内火焰的稳定燃烧。

  较佳的,不同原料生产的燃料乙醇,替代火电厂部分燃煤实现的火电厂碳减排量按如下公式计算:

  E减Co2=F标煤*X标煤-F乙醇*X乙醇

  =F乙醇*Q乙醇*X标煤/Q标煤-F乙醇*X乙醇

  其中:E减Co2为燃料乙醇进入火电厂锅炉减少的火电机组碳排放量;

  F标煤为燃料乙醇替代标煤量

  F乙醇为燃料乙醇进入火电厂锅炉的量;

  X标煤为标煤的单位碳排放量,为2.775kgCO2/kg

  X乙醇为燃料乙醇的单位碳排放量,根据燃料乙醇来自于粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗类糖类植物的种类,有不同的X乙醇数值;

  Q标煤为标煤单位低位发热量;

  Q乙醇为燃料乙醇单位低位发热量。

  本发明的有益效果是:

  (1)在火力发电厂内设置生物燃料乙醇储罐,将燃料乙醇体送入电站锅炉助燃,帮助电站锅炉低负荷稳燃;

  (2)燃料乙醇替代燃煤,降低电站锅炉的碳排放强度;

  (3)燃料乙醇由粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗、糖类植物中的任意一种转化而成,性价比高,属于可再生能源;

  (4)火电厂内设置燃料乙醇生产装置,火电厂的廉价的电力、蒸汽、热力等能源用于燃料乙醇生产工艺中,多余的燃料乙醇可对外销售,增加电厂经济效益。

  附图说明

  为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

  图1为本发明实施例一提供的一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统结构示意图;

  图2为本发明实施例二提供的一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统结构示意图;

  图3为本发明实施例三提供的一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统结构示意图;

  图4为本发明实施例四提供的一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统结构示意图;

  图5为本发明实施例五提供的一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统结构示意图;

  图6为本发明实施例六提供的一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统结构示意图;

  图7为本发明实施例七提供的生物燃料乙醇注入喷嘴结构示意图;

  图8为本发明实施例八提供的生物燃料乙醇注入喷嘴结构示意图;

  图9为本发明实施例九提供的生物燃料乙醇注入喷嘴结构示意图;

  图10为本发明实施例十提供的多燃料燃烧器加注燃烧喷嘴结构示意图。

  具体实施方式

  这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

  在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和 /或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

  应当理解,尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本发明范围的情况下,第一信息也可以被称为第二信息,类似地,第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境,如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

  以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

  实施例一

  一种火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统,如图1所示,包括火电厂锅炉1、汽机2和发电机设备3,所述火电厂锅炉1与汽机2连接,所述汽机2与发电机设备3连接,所述火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统还包括生物燃料乙醇储罐4、生物燃料乙醇供给管路5和燃料通入单元6,燃料通入单元6设置在火电厂锅炉1上,生物燃料乙醇储罐4通过生物燃料乙醇供给管路5与燃料通入单元6连接,所述生物燃料乙醇储罐 4储存由粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗类糖类植物中的任意一种转化而成的生物燃料乙醇,供给火电厂锅炉1进行混配燃烧。

  实施例二

  如图2所示,在实施例一的基础上,所述燃料通入单元6包括多燃料燃烧器61,在所述多燃料燃烧器61上设置有燃烧枪供给管611,生物燃料乙醇供给管路5将生物燃料乙醇储罐4与设置在火电厂锅炉1上的多燃料燃烧器61的燃烧枪供给管611连接。

  实施例三

  如图3所示,在实施例一的基础上,所述燃料通入单元6包括生物燃料乙醇注入喷嘴62,生物燃料乙醇供给管路5将生物燃料乙醇储罐4与设置在火电厂锅炉1上的生物燃料乙醇注入喷嘴连接。

  实施例四

  如图4所示,在实施例一至实施例三任一的基础上,在所述生物燃料乙醇供给管路5上,还设置有阀门7,设置在生物燃料乙醇供给管路5上的阀门7能够控制供给火电厂锅炉1的混配燃烧的生物燃料乙醇供给量。

  实施例五

  如图5所示,在实施例一至实施例四任一的基础上,在所述生物燃料乙醇供给管路5上,还设置有流量计8,所述流量计8用于测量供给火电厂锅炉1的混配燃烧的燃料乙醇供给量。

  进一步的,所述生物燃料乙醇储罐4中的生物燃料乙醇来自火电厂外或火电厂内的燃料乙醇生产装置,所述燃料乙醇生产装置利用粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗、糖类植物中的任意一种转化而成的生物燃料乙醇。

  实施例六

  如图6所示,在实施例一至实施例五任一的基础上,还在火电厂内设置生物燃料乙醇生产设施9,所述生物燃料乙醇生产设施9与火电厂锅炉1连接。所述生物燃料乙醇生产设施9包括原料装卸机构91、预处理机构92、固液分离机构93、水解机构94、糖化和发酵处理机构95、蒸馏和乙醇纯化机构96和废水处理机构97。

  所述原料装卸机构91与预处理机构92连接,用于将粟米秸与叶等制造乙醇的原料传输到预处理机构92中,所述预处理机构92与固液分离机构93连接,所述预处理机构92将原料进行预处理后,输送到固液分离机构93中进行固液分离,生成酒液和固体物;所述预处理机构92还与火电厂锅炉1连接,用于接收火电厂锅炉1输出的蒸汽和酸,进一步加强对原料进行预处理的强度;所述固液分离机构93分别与水解机构94和糖化和发酵处理机构95连接,所述固液分离机构93产生的酒液输入到水解机构94中,所述水解机构94中还通入石灰,酒液与石灰进行水解后的产物与固液分离机构93产生的固体物共同通入到糖化和发酵处理机构95中,所述糖化和发酵处理机构95中还通入酵母,酒液与石灰进行水解后的产物、固液分离机构产生的固体物和酵母共同在糖化和发酵处理机构95中发生作用,生成含杂质乙醇;所述糖化和发酵处理机构95与蒸馏和乙醇纯化机构96连接,含杂质乙醇通入到蒸馏和乙醇纯化机构96中进行蒸馏和乙醇纯化,生成成品乙醇、废水和木质素残馀物;所述蒸馏和乙醇纯化机构 96还与火电厂锅炉1连接,接收火电厂锅炉1产生的蒸汽,促进内部蒸馏和乙醇纯化;所述蒸馏和乙醇纯化机构96分别与废水处理机构97和火电厂锅炉1连接,生成的废水通入到废水处理机构97进行进一步处理,生成的木质素残馀物通入到火电厂锅炉1中进行燃烧。

  实施例七

  如图7所示,所述生物燃料乙醇注入喷嘴62包括壳体,所述壳体的内部中空形成雾化混合室62c,所述雾化混合室62c内设有乙醇引入口62a,高温烟气引入口62b和第一雾化工质通入口62e,所述雾化混合室62c的出口端逐渐收窄且设有喷嘴62f,所述喷嘴62f的另一端与出雾口62d相连,所述出雾口62d从喷嘴62f向外逐渐放宽。所述生物燃料乙醇注入喷嘴62采用压力式雾化喷嘴、旋转式雾化喷嘴、气动雾化喷嘴、超声或哨声雾化喷嘴中的任意一种。

  所述乙醇引入口62a位于雾化混合室62c的中心轴线上,与生物燃料乙醇供给管路5相连接,乙醇通过乙醇引入口62a进入生物燃料乙醇注入喷嘴62内进行雾化。

  所述高温烟气引入口62b设在雾化混合室62c的侧壁上,与雾化工质引入管43相连接,火电厂锅炉产生的高温烟气从雾化工质引入管43进入生物燃料乙醇注入喷嘴62内。

  进一步的,所述第一雾化工质通入口62e设在雾化混合室 62c的侧壁上,与工质引入管相连接,火电厂锅炉产生的高温蒸汽经过工质引入管从第一雾化工质通入口62e进入生物燃料乙醇注入喷嘴62内。所述工质包括高温烟气、高温蒸汽、压缩空气中的至少一种。所述高温蒸汽可引自火电厂主蒸汽、高压缸抽汽、高压缸排汽、再热热段抽汽、中压缸抽汽、中压缸排汽中的任意一种。

  乙醇通过生物燃料乙醇供给管路5送入生物燃料乙醇注入喷嘴62的乙醇引入口62a,所述生物燃料乙醇注入喷嘴62利用高温烟气、高温蒸汽以雾化乙醇,实现乙醇的雾化注入。

  实施例八

  如图8所示,所述生物燃料乙醇注入喷嘴62由乙醇流通管 62h和第一雾化工质通入管62i组成,所述乙醇流通管62h为圆筒形,一端设有乙醇引入口62a,所述第一雾化工质通入管62i 上设有第一雾化工质引入口62j,所述第一雾化工质通入管62i 套设在所述乙醇流通管62h的外侧,所述乙醇流通管62h与所述第一雾化工质通入管62i的出口端共同形成出雾口62d。

  所述乙醇引入口62a位于所述生物燃料乙醇注入喷嘴62的中心轴线上,与生物燃料乙醇供给管路5相连接,乙醇通过乙醇引入口62a进入生物燃料乙醇注入喷嘴62内进行雾化。

  所述第一雾化工质引入口62j为倾斜设置且与工质引入管相连接。所述的工质包括高温烟气、高温蒸汽、压缩空气中的至少一种。高温蒸汽引自火电厂主蒸汽、高压缸抽汽、高压缸排汽、再热热段抽汽、中压缸抽汽、中压缸排汽中的任意一种。

  乙醇通过生物燃料乙醇供给管路5送入乙醇引入口62a,通过第一雾化工质引入口62j将高温烟气、高压缸抽汽、压缩空气中的至少一种引入到生物燃料乙醇注入喷嘴62内以雾化乙醇,实现乙醇的雾化注入。

  实施例九

  如图9所示,所述生物燃料乙醇注入喷嘴62包括乙醇流通管62h、第二雾化工质通入管62k和第一雾化工质通入管62i;

  乙醇流通管62h上设有乙醇引入口62a,所述乙醇引入口62a 位于生物燃料乙醇注入喷嘴62的中心轴线上,所述乙醇流通管 62h的出口端位于第二雾化工质通入管62k内;第二雾化工质通入管62k套设在所述乙醇流通管62h的外侧;所述第二雾化工质通入管62k上设有高温烟气引入口62b;第一雾化工质通入管62i 套设在所述第二雾化工质通入管62k的外侧,所述第一雾化工质通入管62i上设有第一雾化工质引入口62j,所述第一雾化工质通入管62i与所述第二雾化工质通入管62k的出口端共同形成出雾口62d。

  所述高温烟气引入口62b为倾斜设置且与雾化工质引入管相连接,火电厂锅炉产生的高温烟气经过雾化工质引入管从高温烟气引入口62b进入生物燃料乙醇注入喷嘴62内。

  所述第一雾化工质引入口62j为倾斜设置且与工质引入管相连接。所述高温蒸汽引自火电厂主蒸汽、高压缸抽汽、高压缸排汽、再热热段抽汽、中压缸抽汽、中压缸排汽中的任意一种。

  乙醇通过生物燃料乙醇供给管路5送入乙醇引入口62a,通过第一雾化工质引入口62j将高温烟气、中压缸抽汽、压缩空气中的至少一种引入到生物燃料乙醇注入喷嘴62内以雾化乙醇,实现乙醇的雾化注入。

  实施例十

  如图10所示,所述多燃料燃烧器61具有加注燃烧喷嘴611,所述加注燃烧喷嘴611包括二次风空气入口611a、一次风煤粉入口 611b和生物燃料乙醇入口611c,所述生物燃料乙醇入口611c与生物燃料乙醇供给管路5连接,所述二次风空气入口611a和一次风煤粉入口611b分别通入火电厂锅炉1产生的二次风空气以及携带煤粉的一次风,二次风空气以及携带煤粉的一次风起到助燃乙醇的作用。在本实施例中,乙醇入口611c距离加注燃烧喷嘴611的出口越远,乙醇液滴轴向速度越小,原因是液滴喷入外部空间,收到重力以及空气阻力的影响,轴向速度减小,在气液比为0.128时距离为18cm 处测得的液滴的速度小幅升高,原因是因为液滴粒径较小,在此处流场的波动对小液滴速度造成了影响。随着轴向距离的增加,液滴索特直径先增加,后趋于稳定。原因是在喷嘴出口气流冲击效应最强,液滴粒径较小,随着轴向距离增加,气流的冲击效应减弱。

  进一步的,在所述系统利用生物燃料乙醇部分替代火电厂燃煤,从而实现火电厂整体碳排放量的减排。

  进一步的,在所述系统利用生物燃料乙醇作为助燃、稳燃燃料,实现煤粉锅炉低负荷稳燃,增加火电机组的锅炉的调峰能力和低负荷运行能力。

  本发明还提供了一种火电厂掺烧生物燃料乙醇的碳减排控制方法,所述方法使用前述的火电厂掺烧生物燃料乙醇稳燃及碳减排系统,所述方法包括步骤:

  S1:根据锅炉掺烧生物燃料乙醇的目的,如果投入生物燃料乙醇是为了进行锅炉低负荷稳燃,则执行S2;若投入生物燃料乙醇是为了减少锅炉碳排放量,则执行S3;

  S2:根据锅炉当前负荷和未来设定的调峰设置的目标最低负荷,设置投入助燃和稳燃的燃料乙醇量;

  S3:根据火电厂碳减排目标设定每台机组锅炉掺烧生物燃料乙醇的量;

  S4:根据设定的燃料乙醇供应量,调节生物燃料乙醇供给管路上的阀门的开度,监测流量计的乙醇供应量达到设定值;

  S5:监测多燃料燃烧器或燃料乙醇注入喷嘴的工作状态,保证锅炉炉膛内火焰的稳定燃烧。

  进一步的,不同原料生产的燃料乙醇,替代火电厂部分燃煤实现的火电厂碳减排量按如下公式计算:

  E减Co2=F标煤*X标煤-F乙醇*X乙醇

  =F乙醇*Q乙醇*X标煤/Q标煤-F乙醇*X乙醇

  其中:E减Co2为燃料乙醇进入火电厂锅炉减少的火电机组碳排放量;

  F标煤为燃料乙醇替代标煤量

  F乙醇为燃料乙醇进入火电厂锅炉的量;

  X标煤为标煤的单位碳排放量,为2.775kgCO2/kg

  X乙醇为燃料乙醇的单位碳排放量,根据燃料乙醇来自于粮食、生物质、木质纤维素、甘蔗类糖类植物的种类,有不同的X乙醇数值;

  Q标煤为标煤单位低位发热量;

  Q乙醇为燃料乙醇单位低位发热量。

  以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明保护的范围之内。

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