[发明专利]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

说明书

本发明公开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，该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，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；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；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。本发明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NO_x的排放。

技术领域

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(NO_x)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NO_x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NO_x、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NO_x、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NO_x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NO_x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。