一种实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统及方法与流程

本发明涉及热电联产技术和能源梯级利用领域，具体涉及一种可以实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统及方法。

背景技术：

天然气分布式能源通过冷、热、电三联供等方式实现能源的梯级利用，与传统的集中式能源系统相比，具有节省输配电投资、提高能源利用效率、设备启停灵活、提高系统供能的可靠性和安全性、节能环保等优势。目前，我国天然气分布式能源发展仍处于商业示范阶段，主要采用燃气轮机发电耦合蒸汽余热锅炉联合循环发电或燃气轮机耦合余热回收利用装置(如余热锅炉)实现联产联供。然而，当前我国燃气轮机的自主设计、制造和商业化应用成熟度不高，燃气轮机设备费和运维大修费高昂，其中设备费约6000元/kw，每年维护费约0.08元/kw·h；此外，燃气轮机联产系统的热电比较小，电力盈余、蒸汽不足，造成燃气轮机配置大，工程造价高，电量难以消纳等问题。

与燃气轮机相比，天然气内燃机结构紧凑、启停速度快、余热(包括高温烟气、缸套冷却水及润滑油冷却水等热源)利用组合形式多样、供气压力等级较低、发电效率高(约40％以上)、初期投资较少，即其市场价格(约3000元/kw)仅为燃气轮机的一半，燃气内燃机大修周期(约80000h)相比燃气轮机(约50000h)更长，且燃气内燃机大修费用仅为燃气轮机价格的一半。目前，冷、热、电联产联供的主要形式为燃气内燃机发电耦合余热锅炉或余热直燃机向用户供热供冷，其中内燃机燃烧释放的热量主要包括输出的电能、尾部中低温烟气、高低温缸套水带走热，各项热量占比分别为40-45％、20-25％、15-20％。

现有技术中存在的主要技术问题包括：

对于现有的燃气内燃机耦合余热回收系统，主要存在以下两大缺陷：

第一：内燃机余热回收利用效率低：燃气内燃机的发电效率一般在40％左右，同时产生了中低品位的烟气(400-600℃)和低品位的高低温缸套冷却水(70-95℃)。中低温烟气进入蒸汽余热锅炉或者溴化锂吸收式制冷机组加以回收利用实现向用户供热供冷。值得注意的是，缸套冷却水约占内燃机可利用余热总量的40-50％，但品位较低，仅供民用，价值不高，最终导致缸套水热量回收率低，甚至弃之不用，从而导致了大量的余热浪费。

第二：氮氧化物(nox)排放难以控制：对于燃气内燃机来说，高温高压的燃烧过程使得nox的排放居高不下，通常采用两条技术路线加以控制，如稀薄燃烧技术+尾气选择性催化还原(scr)、甲烷氧化催化器(moc)、颗粒捕捉器(dpf)技术分别控制nox、甲烷(ch4)、碳黑(soot)，或者化学当量比燃烧+烟气再循环(egr)和三效催化剂(twc)技术实现nox、一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)的转化。对于大型燃气内燃机发电系统而言，通常处于一种高空燃比工况下燃烧，虽然相对于理论空燃比路线在发动机热负荷、热效率等方面均有优势，但是尾部过高氧量(5-10％)导致nox原始排放值高达200-500mg/m³，同时在加装moc条件下，还有较多的no2产生，这使得要严格控制燃气内燃机的排放，就必须采用scr脱硝技术，通常以尿素、氨作为还原剂，在300-500℃范围取得70％以上的脱硝效率。虽然采用scr氨法脱硝处理可以大幅度降低内燃机烟气中nox的浓度，但存在氨泄漏安全、系统复杂、运行成本高等问题，特别是当氨逃逸控制不当，将会引起二次污染。

综上所述，现有的燃气轮机热电联产系统存在造价高、运行维护成本高以及关键技术尚未完全消纳的问题，基于内燃机热电联产系统虽然投资运行成本较低，但是存在缸套水余热回收困难、烟气氮氧化物控制系统环境不友好等诸多问题；随着社会经济的不断发展，能源需求与生态环境保护之间的矛盾日益加剧，开发高效、灵活、低氮排放的分布式热电联产系统具有重要的现实意义和可观的社会、环境和经济效益。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统及方法，旨在实现内燃机发电余热全回收，提高能源的综合利用效率，同时降低nox的排放。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统，包括燃气内燃机、脱硝装置、蒸汽锅炉和缸套水热交换器，所述燃气内燃机内的气体燃料燃烧将热能转化为机械动能并带动发电机发电，燃气内燃机燃烧后排出的中低温烟气经过脱硝装置进入蒸汽锅炉；所述缸套水热交换器的一端连接到燃气内燃机，另一端与蒸汽锅炉烟气冷却器连接；所述脱硝装置位于燃气内燃机和蒸汽锅炉之间，燃气内燃机的排烟出口连通脱硝装置的烟气入口，脱硝装置的烟气出口分别连通蒸汽锅炉的助燃剂入口和中后部烟气入口。

进一步地，还包括空气预热器，所述空气预热器的一端连接到蒸汽锅炉的烟气出口，另一端与烟气冷却器连接；其中，经过空气预热器和烟气冷却器充分换热降温后的烟气由烟囱引入大气。

进一步地，所述空气预热器为空气和烟气的热交换器，其形式包括管壳式换热器、真空热管式换热器；所述烟气冷却器为锅炉尾部烟气和给水的热交换器，所述缸套水热交换器为缸套冷却水和锅炉给水的热交换器，其形式包括管壳式换热器、板式换热器、高效鳍片冷凝式换热器。

优选地，所述空气预热器为真空热管式换热器，所述烟气冷却器和缸套水热交换器为高效鳍片冷凝式换热器。

进一步地，还包括依次连接储水箱、加压水泵以及三通阀组成的锅炉给水单元，其中，所述三通阀为高压三通阀，其两个出口分别与缸套水热交换器和烟气冷却器连接。

进一步地，采用锅炉给水在缸套水热交换器中吸收内燃机缸套冷却水的低温余热，实现锅炉给水的预热；经过脱硝装置后烟气分为两路进入蒸汽锅炉，一路从蒸汽锅炉的炉头即燃烧器区域进入炉膛，一路从蒸汽锅炉的中后部进入炉膛。

进一步地，所述燃气内燃机、蒸汽锅炉采用包括甲烷、丙烷、天然气、液化石油气、醇类在内的碳氢燃料作为燃料，优选燃料为天然气；助燃剂为空气。

进一步地，所述脱硝装置采用包括甲烷、乙烯、丙烷、一氧化碳、氢气在内的碳氢小分子作为还原剂，同时采用对碳氢催化还原氮氧化物(ch-scr)具有催化作用的催化剂，且催化剂的活性成分包括过渡金属cu、mn、fe、ni、co以及稀土ce、la、nd、in、y和贵金属pd、pt、rh。

一种实现高效余热回收和低氮排放的热电联产方法，利用上述的实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统实现热电联产的高效余热回收和低氮排放；采用锅炉给水通过缸套水热交换器回收燃气内燃机发电过程中缸套冷却水的热量，采用脱硝装置净化燃气内燃机发电排放的烟气，并将烟气分两路通入蒸汽锅炉炉膛，在回收燃气内燃机烟气余热的同时降低蒸汽锅炉炉内氮氧化物生成。

进一步地，包括以下步骤：

步骤一、燃气内燃机工作时将燃料燃烧时的化学能转变为机械能，通过发电机将机械能转变为电能，同时燃烧后排出中低温烟气以及可循环冷却缸套的低温缸套水；

步骤二、燃气内燃机排放的中低温烟气经过脱硝装置处理后分成两股气流，一股从燃烧器区域进入炉膛，与进入蒸汽锅炉炉膛的燃料、空气一起形成弱还原性气氛燃烧，降低了助燃空气的氧浓度，形成稀释燃烧，有效地抑制了燃烧过程中氮氧化物的生成，同时也促进了燃气内燃机原有烟气中残余的nox进一步还原；另一股作为燃尽风从蒸汽锅炉炉膛的中后部引入，保证炉内燃料的完全燃烧，降低烟气中co的浓度，达到高效燃烧和低氮排放的目的；

步骤三、蒸汽锅炉炉膛通入燃料和空气点火后燃烧，燃烧后的包括从脱硝装置出来的燃气内燃机排放的烟气在内的所有烟气经过空气预热器和烟气冷却器分别与空气和锅炉给水换热进一步降低排烟温度，最大化地提高余热回收利用程度，最终由烟囱引入大气；

步骤四、储水箱出口的净水由加压水泵加压后经过三通阀进行分流，一部分直接经过烟气冷却器进行热交换后送入蒸汽锅炉，另一部分则是先通过缸套水热交换器回收缸套冷却水的余热，再经过烟气冷却器进一步吸热升温后送入蒸汽锅炉进行加热产汽；

步骤五、当蒸汽锅炉热负荷升高或者燃气内燃机热负荷下降时，此时燃气内燃机的缸套冷却水换热量下降，通过变频器调节锅炉连续给水，减少通过缸套水热交换器的锅炉给水量，增大直接通过烟气冷却器的锅炉给水量，尽可能的充分吸收烟气显热和潜热；

步骤六、10-30％的从脱硝装置出来的烟气量从蒸汽锅炉燃烧器区域进入炉膛；剩余70-90％的烟气从蒸汽锅炉炉膛中后部进入炉膛；

步骤七、在整套系统运行过程中，自动检测温度、燃料、空气以及烟气成分，通过动态自动控制技术实现整个系统高效稳态运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本系统将内燃机发电和蒸汽锅炉两大系统进行有机结合，形成新的内燃机-蒸汽锅炉热电联产系统，同时，采用锅炉给水回收缸套水余热，利用锅炉炉膛和尾部的换热装置回收内燃机的烟气余热，与单一的内燃机发电系统相比，热效率显著提高(10-30％)。

(2)本系统采用碳氢燃料如天然气等作为还原剂还原内燃机燃烧产生的氮氧化物，碳氢燃料本身可以作为内燃机和蒸汽锅炉的燃料，因此，可以直接利用现场燃料气源作为还原剂，不需要增设氨的相关设备，有效地避免了氨法scr催化脱硝过程中氨的储存、运输和使用的腐蚀、泄漏、逃逸以及二次燃烧污染等问题。即使在脱硝装置中碳氢还原剂使用过量，也可以在蒸汽锅炉炉内加以燃烧，不存在燃料浪费问题。

(3)当内燃机运行负荷较低或者处于不理想运行工况条件下，可能会产生一部分未燃尽的co、碳氢化合物(chi)、碳烟等物质，这些未燃尽的碳氢气态或者固态小分子或者自由基同样可以在脱硝装置中作为还原剂对nox进行还原脱除，同时残留的部分会进入锅炉炉膛中完全燃烧，不会造成二次污染和能源的浪费。

(4)本方法在蒸汽锅炉系统中使用了烟气稀释燃烧、空气分级燃烧相结合的低氮燃烧技术，可以降低燃烧器区域的空气过剩系数，同时保证未燃烧完的燃料在炉膛中后部进一步反应完全，实现整体的锅炉烟气尾部氧量浓度可控，同时达到co、nox低排放效果。具体解释如下：内燃机发电燃烧后的烟气中含有5-10％的氧以及高浓度的co2、h2o和n2，其中，烟气中的氧气可以作为氧化剂替代蒸汽锅炉的部分空气；烟气中co2、h2o和n2可以作为稀释介质起到常规锅炉炉外再循环烟气的作用，降低反应区的氧气浓度；从而为降低锅炉炉膛内部nox的生成创造条件。进一步详细来说，少部分(10-30％)脱硝后的内燃机燃烧烟气从蒸汽锅炉燃烧器及其附近区域进入锅炉炉膛，并参与炉膛前部区域的燃烧，由于烟气的稀释，降低了燃烧反应区的氧浓度，进而降低了火焰温度，从而抑制了热力nox的产生；在另外一方面，将(90-70％)的脱硝后的内燃机燃烧烟气从锅炉炉膛中后部喷入，利用烟气中的氧作为补燃氧化剂，从而促进锅炉炉膛内的燃料燃尽，同时，还有利于降低锅炉炉膛前部区域的空气过剩系数，使得锅炉炉膛前部区域保持弱还原性气氛，进一步抑制燃烧时nox的产生，同时有利于残留的nox被碳氢小分子还原。

(5)本系统涉及到多种不同形式的能量输出以及余热回收利用，尤其集成了锅炉的烟气余热和潜热回收、缸套水的余热回收等多种组合方式，灵活多变。当内燃机处于高负荷、锅炉处于低负荷运行时，通过三通阀调节锅炉给水的流向比例，增大流向缸套水热交换器的给水流量，同时减小直接进入烟气冷却器的给水流量，保证了缸套水余热的高效回收；反之，当内燃机处于低负荷、锅炉处于高负荷运行时，进行反向调节，保证了锅炉尾部烟气余热的高效回收。

(6)本发明在实现可以发电和产生蒸汽的同时，通过内燃机发电和蒸汽锅炉两个系统的耦合实现了烟气和缸套水余热的回收和热能的梯级利用，通过炉外烟气碳氢催化脱硝和炉内的低氮燃烧技术实现了氮氧化物的低排放，通过串联的方式实现内燃机烟气替代常规锅炉炉外再循环烟气创造出低氧稀释燃烧的效果，是一种高效、低排放的新型热电联产系统。

附图说明

图1是本发明所提供的一种实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统的结构组成示意图。

图2是本发明所提供的一种实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统的变化形式的结构组成示意图。

附图标记说明：1、燃气内燃机；2、脱硝装置；3、蒸汽锅炉；4、空气预热器；5、烟气冷却器；6、烟囱；7、缸套水热交换器；8、三通阀；9、加压水泵；10、储水箱；11、发电机；12、省煤器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在如下的具体阐述中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。本发明中用到的各种设备、材料、仪器等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

在本发明的描述中，需要特别强调的是，术语“一端”、“另一端”等指示位置或方位是基于附图所示的位置或方位关系，仅为了便于描述本发明，并非特指具体方位。

实施例一

如图1所示，一种可以实现高效余热回收和低氮排放的热电联产系统，主要包括燃气内燃机1、脱硝装置2以及蒸汽锅炉3，其中，燃气内燃机1上设置有燃料入口、空气入口以及烟气出口，脱硝装置2上设置有烟气出入口，蒸汽锅炉3上设置有燃料入口、空气入口、给水入口、中后部烟气入口、蒸汽出口以及尾部烟气出口；

采用天然气作为燃料，燃气内燃机1点火启动后带动发电机11运转对外供电。天然气在燃气内燃机1中燃烧后产生的烟气温度为400℃，烟气中的氧含量为8％，内燃机发电过程中用于冷却缸套的循环水进水温度为80℃，出水温度为90℃。通过在线烟温、水温、燃料流量、空气流量、电功率等各项运行参数的在线监测和控制，实现内燃机发电系统的稳定运行。

将天然气在燃气内燃机1中燃烧后产生的烟气送入布置在燃气内燃机1烟气出口和蒸汽锅炉3燃烧器入口之间的脱硝装置2中，采用以铁基金属/氧化物为主要活性物质的碳氢scr脱硝催化剂，按照no浓度的1-10倍量喷入天然气实现还原脱硝，从脱硝装置2排出来的烟气通过管道分两路送入蒸汽锅炉3系统，其中20％的烟气直接掺混进入蒸汽锅炉3的助燃空气，剩余80％的烟气直接送入锅炉炉膛尾部(约炉膛整个长度的1/3处)。

蒸汽锅炉3的燃烧器为分级燃烧低氮燃烧器，采用天然气作为燃料，依靠天然气管道压力将天然气送入低氮燃烧器的燃料通道，采用送风机将空气经过空气预热器4送入燃烧器的空气通道，在进入燃烧器前掺混如上所述量的脱硝烟气，降低助燃空气中的氧浓度，点火后实现稳定燃烧。在锅炉系统中采用燃烧自动监测控制技术，实时测量燃烧温度、烟气组分(o2、co和no)的浓度、燃料量、风量、风温、总给水量、流过缸套水热交换器7的水量、直接进入烟气冷却器5的水量、各路水温、预热风温、炉膛出口烟温、空气预热器4出口烟温、烟气冷却器5出口烟温，蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度；通过自动反馈控制实现系统高效稳态运行。

采用储水箱10、加压水泵9以及三通阀8组成锅炉给水单元，锅炉给水单元通过变频调节器实现连续给水过程，其中，三通阀8为高压三通阀，其两个出口分别与缸套水热交换器7和烟气冷却器5连接，这样做的目的是一部分给水直接经过烟气冷却器5进行热交换后送入蒸汽锅炉3，另一部分则是先通过缸套水热交换器7回收缸套冷却水的余热，再经过烟气冷却器5进一步吸热升温后送入蒸汽锅炉3进行加热产汽。缸套水热交换器7一端连接到燃气内燃机1，另一端与烟气冷却器5连接。调节锅炉给水总量和进入缸套水热交换器7、烟气冷却器5的给水比例，使得内燃机缸套的进出冷却水温保持在正常工作范围，同时维持蒸汽锅炉3的运行工况参数正常。

锅炉炉膛燃烧后排放的烟气通过空气预热器4预热空气，空气预热器4为真空热管形式，空气预热器4一端连接到蒸汽锅炉3的烟气出口，另一端与烟气冷却器5连接，此后，从空气预热器4出来的烟气在烟气冷却器5中进一步冷却，烟气冷却器5为高效鳍片冷凝换热器，同时将余热传递给锅炉给水，经过充分换热降温后的低温烟气(110-50℃)由烟囱6引入大气。

当蒸汽锅炉3的热负荷升高或者降低、燃气内燃机1的热负荷或者电负荷升高或者降低时，基于整套内燃机发电-蒸汽锅炉系统的热力学平衡模型以及运行大数据的机器学习，以系统的热效率最高、污染物排放最小来进行优化，确定在新的输出目标(热电比、蒸汽、电量)下的最优操作条件参数，并通过内燃机发电、蒸汽锅炉各自的子系统进行预设-监测-反馈调节，保证整套系统的高效稳定运行。

实施例二

如图2所示，作为对发明的局部修改，将图1中的烟气冷却器5拆分为图2中的烟气冷却器5和省煤器12，该做法是将1个给水-烟气换热器变换为2个给水-烟气换热器，本质上没有发生改变；再例如，将图2中的空气预热器4和省煤器12进行位置前后对调，本质上没有发生改变，诸如此类，均在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除