论文总字数：47245字

摘 要

目前，开发新型清洁能源和提高能源转换效率是亟需解决的问题，而不断提高发电机组效率是电力行业研究的永恒主题和目标。传统以蒸汽朗肯循环为主流的能量转换系统需要提高蒸汽参数到700℃，效率才能达到50%左右，因此需要花费高昂的经济和时间成本开发新型镍基高温合金。相比于传统蒸汽朗肯循环，超临界二氧化碳布雷顿循环因其临界点附近压缩耗功少、设备紧凑、系统简单等优点受到国内外学者的关注。以超临界二氧化碳作为循环工质的布雷顿循环应用于燃煤火力发电领域，有望突破现有技术困境，提高能源利用效率。

本文构建了煤基二次分流和一次再热的S-CO₂布雷顿循环系统，基于热力学第一定律，使用Excel调用REFPROP物性软件进行计算和简单参数优化，确定S-CO₂燃煤循环流化床锅炉设计的温度、压力等参数，进行S-CO₂燃煤循环流化床锅炉的受热面布置和热力计算。主要设计部分包括密相区、稀相区、再热器、上下级省煤器以及空气预热器，此外还对循环流化床的主要部件旋风分离器和回料器进行选取和简单结构设计。

关键词：S-CO₂布雷顿循环，燃煤循环流化床锅炉，热力计算

Abstract

At present, it is an urgent problem to develop new clean energy and improve energy conver-sion efficiency, and continuously improve the efficiency of generating units is the eternal theme of the power industry. Only when steam temperature is increased to 700℃ can the efficiency reach about 50% for traditional steam Rankine energy conversion systems, which requires to develop new nickel-based super alloys at costly economic and time-consuming costs. Compared with the traditional steam Rankine cycle, the supercritical carbon dioxide Brayton cycle has attracted the attention of scholars both at home and abroad because of its less compression work near critical point, compact equipment and simple system. The use of supercritical carbon dioxide as a circulating fluid in the field of coal-fired power generation is expected to breakthrough the existing technical difficulties and improve energy efficiency.

In this paper, a coal-based secondary shunt and a reheat S-CO₂ Brayton cycle system are constructed. Based on the first law of thermodynamics, Excel is used to call the REFPROP software for calculation and simple parameter optimization to determine the S-CO₂ coal-fired circulating fluidized bed boiler design temperature, pressure and other parameters in order to arrange the S-CO₂ coal-fired circulating fluidized bed boiler heating surface and carry out thermal calculation. The main design part includes the dense area, the dilute phase area, the reheater, the upper and lower economizer and the air preheater. In addition, the main components of the circulating fluidized bed cyclone separator and the feeder are selected and the simple structure designs are carried out.

Key words: S-CO₂ Brayton cycle, coal-fired CFBB, thermal calculation

目 录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1国外研究状况 2

1.2.2国内研究状况 3

1.3课题研究内容 4

第二章 煤基S-CO₂布雷顿循环系统 5

2.1 煤基S-CO₂布雷顿循环构建 5

2.2 确定锅炉设计参数 7

2.3本章小结 9

第三章 S-CO₂燃煤锅炉总体结构布置 11

3.1 锅炉结构初步选定及概述 11

3.2 炉型选择及各换热面选取 12

3.2.1 炉型选择及炉膛结构初步设计 12

3.2.2 气固分离器 12

3.2.3 稀相区换热壁及炉墙形式 12

3.2.4 再热器 12

3.2.5 省煤器 12

3.2.6 空气预热器 12

3.3 本章小结 13

第四章 锅炉热力计算 14

4.1 基本参数 14

4.2 煤种及燃料特性 14

4.3 辅助计算 15

4.3.1 燃烧脱硫计算 15

4.3.2 脱硫工况时烟气特性计算 18

4.3.3 脱硫工况时锅炉热平衡及石灰石消耗量计算 19

4.4 各受热面设计及热力计算 21

4.4.1 密相区埋管设计及热力计算 21

4.4.2 稀相区换热壁设计及热力计算 23

4.4.3 再热器设计及热力计算 26

4.4.4 锅炉吸热量的受热面分配 28

4.4.5 省煤器和空气预热器设计及热力计算 28

4.5 热力计算结果汇总 35

4.6 本章小结 35

第五章 循环流化床锅炉主要部件的设计及计算 36

5.1 高温绝热旋风分离器设计计算 36

5.1.1 分离器基本参数与尺寸 36

5.1.2 分离器的离心沉降速度校验 37

5.1.3 分离器的理论切割直径 37

5.1.4 分离器中的烟气阻力 37

5.2 U型回料器的设计计算 38

5.2.1 U型回料器尺寸 38

5.2.2 U型回料器送风量 38

5.3 本章小结 39

第六章 结论与展望 40

6.1 主要研究成果 40

6.2 后续工作展望 40

致 谢 41

参考文献 42

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

目前，开发新型清洁能源和提高能源转换效率是亟需解决的热点问题，而不断提高发电机组效率是电力行业的永恒主题和目标。传统以蒸汽朗肯循环为主流的能量转换系统需要提高蒸汽参数到700℃，效率才能达到50%左右，因此需要花费高昂的经济和时间成本开发新型镍基高温合金^[1]。

为了突破传统路线的瓶颈，一些新概念先进动力系统受到越来越多的关注。超临界工质具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以有效提高循环效率，减小设备体积，具有很高的经济性。超临界二氧化碳（简称S-CO₂）因其合适的临界参数（31.1℃，7.38MPa）、稳定的特性、成熟的物性研究、无毒以及低成本等诸多优势被认为是一个很有前途的替代工质，可以应用在很多先进的热量传输和能量转换系统中，包括直接或间接利用S-CO₂闭式布雷顿循环的新一代核反应堆、太阳能光热发电、工业余热回收等^[2]。S-CO₂燃煤火力发电，可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，不需要再开发新型的高温合金，应用前景广阔^[3]。

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