CN101002053A - 用于产生适于氧燃烧的蒸汽的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于氧燃烧的锅炉(30)，包括：燃烧腔(31)、水预热器(33)以及蒸发器(38、40)，其中燃烧腔至少部分地由水预热器(33)组成。本发明还涉及一种产生热水的氧燃烧方法，包括用氧燃烧火焰将冷水加热成热的液体。本发明的方法优选使用本发明的装置实施。

Description

用于产生适于氧燃烧的蒸汽的方法与装置
技术领域
本发明主题涉及一种产生适于氧燃烧(oxycombustion)的蒸汽的方法，即，一种产生适于作为氧化剂的氧气或富含氧气的空气与矿物燃料的燃烧的蒸汽的方法。本发明主题还涉及实施该方法的装置。
背景技术
使用氧气的燃烧或氧燃烧是当前用于继续使用矿物燃料而限制将CO2排入大气中的最引人注目的方式之一。事实上，这些燃料与空气的燃烧导致形成CO2，所述CO2被高度冲淡在燃烧空气的氮气中，这形成一显著的惰性质(ballast)：通常该CO2只占燃烧产物的10-15％。CO2的再注入是当前用于限制向大气中排放的技术之一。对于空气燃烧而言，为了满足用于分离或俘获(capture)CO2的能量需求，一吨再注入的CO2产生0.3-0.5吨另外的CO2(根据燃料种类)是必需的，效率大约是50％。对使用氧气燃烧而言，在氧气生产产生的CO2显然比上述分离排出气体所必需的CO2少的情况下，效率大约提高30-50％。这样，在氧燃烧的情形下，在燃烧产生的蒸汽冷凝后，CO2通常大约占排出气体的90％，其余的包括残留的氮气、包含在用作氧化剂的氧气中的氩气、为了使燃料完全燃烧引入的过量氧气以及在燃烧过程中形成的其它气体(NOx、SOx)。在分离全部或部分非冷凝气体后，这样纯度大于或等于95％的CO2可以被容易地再注入。
用纯氧气或高度富含氧气的空气燃烧引起的主要问题在于极高的火焰温度。事实上，这能超过3000℃，而对在空气中的标准燃烧而言，温度通常大约为2000℃。
该极高的火焰温度导致与常规锅炉的操作不适合的高辐射热流。事实上，在常规锅炉中，燃烧腔由管子环绕着，水的蒸发及/或过热在该管子中进行。如果热流太高，会发生水从管子中蒸干的情形。与热壁接触的液体只是蒸汽，蒸汽的热容比水的热容明显要低，因此，冷却效率明显降低。由于过热，这样的情形迅速导致管子被破坏。该现象在本技术领域中也被称为“干透(dry out)”或“烧尽(burn out)”。
第一种方案包括用产生的CO2冲淡火焰气体。然而，此种再循环需要重大设备，因此需要寻求一种不需要CO2再循环的方案。
“干透”现象是所接受的热流以及混合物中的蒸汽质量的函数(蒸汽越多，越接近干透条件)。控制必须在壁上被吸收的热流是很困难的。一种控制这些热流的方案包括用难熔的材料覆盖管壁。然而，该方案略微降低了燃烧腔中交换表面积的效率并且增加了安装成本。
为了避免该“干透”现象，在核工业中使用高压水也是公知的，高压防止在管子/壳界面的沸腾。然而，这是一个控制传导现象(在管子侧面上)的问题，该传导现象遵循与温度差异成比例的规律，壳温度相对较低。
在一截然不同的方式中，在火焰锅炉的情形下，这是一个控制辐射现象的问题，该辐射现象遵循Stefan-Bolzmann规律，与绝对温度的四次幂成比例并且包括发射率以及吸收因素。此外，从标准的2000℃的燃烧温度转变至3000℃的氧燃烧导致1000℃的温度差，即，升高了大约50％。然后，辐射热的差异超过了4倍。因此，在氧燃烧的情形下，由壁接受的表面功率密度可以容易地超过1000kW/m2。
美国6619041号专利描述了一种没有再循环的氧燃烧锅炉以及其组成装置。所描述的锅炉在“冷”烟道气体(flue gas)部分中而不是在炉子中设有一水预热器。
没有其它的与氧燃烧相关的专利公开了在炉子中安装水预热器。
因此，现有技术没有描述或暗示本发明。
发明内容
本发明基于与常规锅炉相反的观念，将燃烧产物(热的液体)基本循环至水以及蒸汽(冷的液体)。
本发明提供一种适于氧燃烧的锅炉，包括：燃烧腔、水预热器以及蒸发器，其中燃烧腔至少部分地由水预热器组成。
根据一实施例，燃烧腔完全由预热器组成。
根据一实施例，预热器包括第一束独立的管子，该管子的间距(pitch)为2-3。
根据一实施例，预热器包括第一束内部有凹槽的管子。
根据第一种可选方式，蒸发器为辐射蒸发器。
根据第二种可选方式，蒸发器包括辐射蒸发器以及对流蒸发器。
根据第三种可选方式，蒸发器为对流蒸发器。
根据一实施例，在所述燃烧腔中，包括第二束管子的辐射蒸发器同心设置在包括第一束管子的预热器周围。
根据一实施例，锅炉还包括水/蒸汽分离长颈瓶，该锅炉由预热器供应水，该锅炉向蒸发器供应水，蒸发器向该锅炉供应蒸汽。
根据一实施例，水预热器设置在燃烧腔的内部。
根据一实施例，水预热器与燃烧腔的燃烧产物逆流运行。
本发明还提供了一种由氧燃烧产生热水的方法，包括由氧燃烧火焰预热冷水以产生热水(预热的液体)。
根据一实施例，该方法还包括预热液体产物的气化阶段。
根据第一种可选方式，预热液体的气化阶段通过辐射实施。
根据第二种可选方式，预热液体的气化阶段通过对流实施。
根据第三种可选方式，预热液体的气化阶段通过辐射以及对流实施。
根据一实施例，由氧燃烧火焰预热冷水的阶段通过逆流实施。
根据一实施例，氧燃烧火焰的温度在2000-3300℃之间，优选2500-3000℃。
根据一实施例，冷水的温度在105-170℃之间，且该冷水的压力在8-500巴之间。
根据一实施例，预热液体包括水与蒸汽，水/蒸汽质量比的范围为100/0-50/50，优选为100/0-70/30，更优选为95/5-80/20。
根据一实施例，预热液体的温度在170-600℃之间，且该预热液体的压力在8-500巴之间。
根据一实施例，产生的蒸汽温度在170-600℃之间，且该蒸汽的压力在8-500巴之间。
根据一实施例，该方法还包括使产生的蒸汽过热的阶段。
根据一实施例，水预热阶段后烟道气体的温度在1200-600℃之间。
根据一实施例，气化阶段后烟道气体的温度在250-150℃之间。
根据本发明的方法优选通过本发明的装置实施。
附图说明
图1是常规锅炉中液体循环的示意图；
图2是根据本发明的锅炉中液体循环的示意图；
图3是根据一实施例的锅炉中液体循环的示意图；
图4A、4B分别是根据现有技术以及另一实施例的锅炉的部分横截面示意图。
具体实施方式
参照图1，该图示出了一种常规的锅炉10，该锅炉包括一个与冷却的燃烧气体相接触的水预热器11、一个蒸发器12以及一个过热器13，这些构件依照接近处于燃烧腔14中的火焰的顺序设置。这样产生的热交换被最大化，液体之间进行并流或逆流而温度差最小。过热器所产生的蒸汽的温度超过600℃。
参照图2，该图示出了一种根据本发明的适于氧燃烧的锅炉。在此种锅炉中，冷的液体与最热的燃烧产物接触。术语“氧燃烧”指的是以富含大于22(体积)％的氧气的空气作为氧化剂的燃烧。在燃烧腔的管子上辐射的热流在200-3000kW/m2之间变化，优选300-1000kW/m2。
可以使用任何燃料，例如气体、石油、各种石油残余物(特别是重质残余物)或煤。
本发明用于众多领域，其可用于从矿物能源产生电，这样将不再由于排放CO2而受处罚。本发明可用于通过将蒸汽注入沉积物(用蒸汽活化重油田)(activation of heavy-oil fields by steam)的方式在产物的活化作用构架内生产重油，例如根据所谓的蒸汽辅助重力泄油(steam-assisted gravity drainage)(SAGD)技术。本发明尤其适合用于活化重油田的高压蒸汽的生产。事实上，蒸汽压力越高，在蒸发之前将提供给预热水的焓越大，并且蒸发的热量越低。这使设计高蒸汽压和仅用于加热水的燃烧腔成为可能。
本发明也可用于为了清洁井或在提高石油采收率(EOR)技术构架内CO2被重新注入井的情形。为了利用石油产品的下游产物，本发明将允许使用各种石油产品。
通常，根据本发明的锅炉包括一在燃烧腔的水平面上的预热器以及在该预热器下游的蒸发器。术语“下游”以及“上游”指的是燃烧产物的流动方向(或换言之，指的是锅炉内的温度的梯度)。冷水进入预热器，预热后的液体离开预热器，水/蒸汽的质量比可以在预热器的出口处在100/0-50/50之间变化，优选在100/0-70/30之间变化，更优选在95/5-80/20之间变化。如需要，为了产生过热蒸汽，可以设置安装一过热器，特别是在产生电流的情形下。
在图2所示的实施例中，锅炉20包括一个燃烧腔21、一个沿燃烧腔壁安装的预热器22。离开预热器22的液体被输送至一长颈瓶中，该长颈瓶将气态部分与液态部分分开。液态部分被输送至蒸发器23，该蒸发器也部分地位于燃烧腔中。液体在所谓的初级蒸发器中被蒸发。如果产生的蒸汽量不足，也可以并联使用一个与长颈瓶相连接的二级蒸发器24。该二级蒸发器吸收通过热的气体的对流所传送的热量，这与初级蒸发器主要地吸收通过辐射传送的热量不同。如果预热器产生了蒸汽质量已经很高的液体，甚至可以只用二级蒸发器24产生蒸汽。在需要过热器(未示出)的情形下，该过热器通常设置在二级蒸发器的位置上，即，在二级蒸发器的正上游或与二级蒸发器在同一水平面或任选地在初级蒸发器的下游。
参照图3，根据本发明的一实施例，所示出的锅炉设置为与向着底部的一个或多个火焰垂直。锅炉30包括一燃烧腔31，该燃烧腔设有从源头32供应燃料的燃烧器，例如气体或重油产品。例如，燃烧腔中火焰的温度大约为2000-3000℃。一预热器33与燃烧腔31连接。通过管子34为该预热器供应冷水。例如，冷水在大约180巴的压力下的温度大约为136℃。通常，用于本发明的冷水的特性如下述范围：温度在105-170℃之间，压力在8-500巴之间。
预热后的液体通过管子35离开预热器，该液体在压力大约为180巴下的温度大约为337℃。通常，用于本发明的加热后液体的特性如下述范围：温度在170-600℃之间，压力在8-500巴之间。
加热后的液体被输送至水/蒸汽分离长颈瓶36。在长颈瓶36底部的水通过管子37输送至初级蒸发器38。蒸汽在该蒸发器中产生并且为了被输送至长颈瓶36而通过管子39离开该蒸发器。该蒸汽在压力大约为180巴下的温度大约为357℃。通常，本发明产生的蒸汽的特性如下述范围：温度在170-600℃之间，压力在8-500巴之间。
在燃烧腔的出口处，即，在初级蒸发器的出口处，气体的温度大约在1000-1300℃。可以获得一较低的出口温度以便进一步增加初级蒸发器所产生的蒸汽的量。该温度的选择取决于经济上的最佳化，该经济上的最佳化考虑比较为了获得相同蒸汽产物而必需的初级和二级蒸发器上的额外的交换表面积。
然而，出于上述经济最佳化的原因，辐射区域开口处的温度固定在1000-1300℃，为了提高蒸汽的产量，在此种情形下，可以使用一个主要通过对流加热的二级蒸发器40。长颈瓶36底部的水通过管子41输送至二级蒸发器40。在该蒸发器中产生蒸汽，并且为了将该蒸汽输送至长颈瓶36而通过管子42离开该蒸发器。该蒸汽在大约180巴压力下的温度大约为357℃。烟道气体最终经过烟囱43离开锅炉。
可选择地，为了将排出的气体与在燃烧过程中形成的水，特别是通过冷凝形成的水相分离，可以设置一分离器44。然后，基本上干燥的CO2气流通过管子45被排出。
在下文中，更详细地描述了根据本发明的锅炉的一些构件，即，水预热器、初级辐射蒸发器、二级对流蒸发器以及过热器。
水预热器
如前所述，燃烧腔基本上，特别是在燃烧区域，是由水预热器组成的。该水预热器通常包括直管，该直管的外表面优选是平滑的。这些管子优选彼此独立。如果考虑该管子的外径d以及管子之间的中心距离p，可获得一比率p/d，该比率是管子的“间距”。例如，该间距为2-3。这些管子的内表面可以是有凹槽的(“波纹的”)或光滑的，或者作为一种变形，内表面光滑但带有插入物。这些管子都被排列在燃烧腔的周围，该燃烧腔可以部分(in section)成圆形或矩形。通过底部从收集器为这些管子供应冷水，热水通过顶部排出。因此，可能存在的局部蒸发不会妨碍液体的通常流动(general movement)。组成该预热器的管子优选小直径的以限制管子的厚度及/或提高内部传热系数。也可以并流操作(co-current operation)，但在此情形，燃烧器设置在底板上，也可以设置在侧面位置。
水蒸发部件包括初级辐射蒸发器以及另外一个二级对流蒸发器两个单独的蒸发器。
初级辐射蒸发器
如果燃烧器位于燃烧腔的顶部，辐射蒸发器恰好位于水预热器的下面，如果燃烧器位于燃烧腔的底部，辐射蒸发器恰好位于水预热器的上面。该蒸发器包括直管，该直管的外表面平滑，内表面有凹槽或平滑。通过尺寸充足的下行(amply dimensioned descending)水管道系统以及收集器向蒸发器供应源自长颈瓶的热水。这些管子中产生的蒸汽通过位于靠近该蒸发器上部出口的收集器返回长颈瓶。通过自然循环或任选地在压力下再循环可以产生水-蒸汽乳状液的循环。
也可以并流操作。管子直径的选择尤其取决于热流体的良好吸收以及乳状液的充分循环之间的最优化。水预热器以及辐射-蒸发器的装配形成所需的尺寸以使燃烧腔出口处的烟道气体的温度在1000-1300℃之间。传送至两个交换器中的每一个交换器的能量分配是锅炉蒸汽压的函数。
二级对流蒸发器
补充气化作用在位于燃烧腔下游的对流交换器中进行。经由与配备给辐射蒸发器的水管道无关的下行水管道或者经由相同的管道，从长颈瓶向蒸发器束(vaporizer bundle)供应热水。该蒸发器束可以是垂直的，或相对水平面倾斜，在此种情形，水一蒸汽乳状液可以自然循环；或相对水平管子倾斜，在此种情形，可以用一独立的泵或任选地使用供给初级辐射蒸发器的同样的泵在压力下再循环。如果燃烧产品的质量以及实质上不存在的尘埃允许，可以在最冷的管子的外侧设置有叶片(blade)。例如，允许进入该蒸发器的温度在1000-1300℃的烟道气体被冷却至超过气化温度的10-20℃。
过热器
过热器(未示出)通常设置在对流蒸发器的前面或在该对流蒸发器管子的第一排后面，该过热器可以包括两或三束。在每束之间，通过注入水降温的装置可以控制过热蒸汽的温度。
参照图4A，该图示出了常规锅炉燃烧腔的一部分。其包括一外部(水密性的)围栏51，管子52a、52b等，水-蒸汽乳状液在管子中循环，管子通过叶片53a、53b等互相连接以形成一水密性的围栏。在此情形，这些管子形成标准蒸发器。
参照图4B，示出了根据本发明实施例锅炉燃烧腔的一部分。其包括一涂覆有难熔材料的外部水密性围栏51。例如，用于冷水循环的管子54a、54b等同中心的设置在环绕加热炉的方向。在此种情形，这些管子54a、54b等形成预热器。此种排列使这些管子可以接受其整个表面上的热流，与火焰相对的表面接受由难熔壁重新发出的辐射。
在该预热器下面，初级蒸发器可以以与该预热器类似的方式设计，使难熔壁处于管子的后面，或以更常规的方式设计，使管子纵向叶片相互之间成为一整体，形成一隔板而确保燃烧腔的水密性。
在图4B中，作为一例子，燃烧腔包括一外部水密性围栏51，管子52a、52b等，管子通过叶片53a、53b等互相连接以形成一水密性的围栏。在此情形，这些管子52a、52b等形成蒸发器。例如，其它冷水循环管子54a、54b等同心设置在环绕加热炉的方向。在此情形，这些管子54a、54b等形成预热器，此种替代方式尤其适合热流保持受限制的情形。该设计可以限制蒸发器管子上的直接辐射，特别是在蒸汽质量已经高的区域。
为了以较低的成本使某些锅炉转化为根据本发明的锅炉，此种替代方式也允许将这些锅炉进行改造，因为将作为水预热器的另外的管子插入现有的已经设置有蒸发器束的燃烧腔中是满足需要的。
这些改造的有利因素在于有关锅炉最初已经构造为用于空气作为氧化剂的燃烧，因此壁的表面积相对较大。
与常规锅炉比较，本发明具有下述优点：
与供给大气的燃烧器比较。
用纯氧气燃烧大大减少了有助于收集CO2的氮气惰性质(ballast)。
该氮气惰性质的减少具有下述优点：
火焰直接的辐射流增加，并且烟道气体的辐射流增加。第一种效果是由于燃烧温度的升高，第二种效果与下述因素有关：使用均等气态层的厚度，更高的CO2+H2O浓度提高了烟道气体的发射力(事实上，三原子的气体是辐射的，不同于二原子的气体)。因此，必需的交换表面积显著减少。
产生的烟道气体的体积减少。这种减少导致对流交换的减少，从而导致对流交换器表面积的减少。
根据本发明的氧燃烧锅炉，具有类似的动力与产率，其燃烧腔比使用大气的燃烧器的燃烧腔小，并且对流束明显地减少。因此，降低了成本以及重量，在海上(offshore)安装的情形下，这些特性中的第二个特性具有根本的重要性。
与供给氧气且具有CO2再循环的锅炉比较。
为了避免氧气燃烧的高温引起故障，一种解决方案是通过使锅炉下游产生的CO2再循环而使火焰变小。
这样，从燃烧区域直接辐射的热流将会更小。然而，由于燃烧腔表面积与使用大气的燃烧器的燃烧腔表面积具有相同的数量级，紧密性的优点就没有了。
烟道气体或CO2的再循环要求一种相对有效的再循环网络，且具有用于再循环鼓风机的额外的能量消耗。无论什么样的再循环总会导致在本发明的构架内不存在的缺陷：
如果再循环的烟道气体从锅炉的出口直接排出，该再循环不会影响锅炉的热产出，另一方面，由于再循环气体的温度以及体积，额外的能量消耗是显著的。此外，如果再循环液体的温度与露点温度接近，将必须考虑硫腐蚀。
如果在酸冷凝物冷却以及分离后吸收CO2，由于其温度明显较低，额外的能量消耗会减少，在低温下发生冷凝，另一方面，通过将CO2加热至锅炉出口温度可影响锅炉的产率。
根据本发明的方法可以在压力下实施(带加压燃烧腔的锅炉)，当需要再注入所产生的CO2时该方法具有优势。
本发明不局限于所描述的具体实施例，而是涵盖了对本领域普通技术人员而言容易理解的各种变化。

Claims (27)

1.一种适于氧燃烧的锅炉(20，30)，包括：燃烧腔(21、31)、水预热器(22、33)以及蒸发器(23、24、38、40)，其中燃烧腔(21、31)至少部分地由水预热器(22、33)组成。
2.根据权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述燃烧腔完全由预热器组成。
3.根据权利要求1或2所述的锅炉，其特征在于，所述预热器(33)包括第一束独立的管子(53a、53b)，该管子的间距为2-3。
4.根据权利要求1-3之一所述的锅炉，其特征在于，所述预热器(33)包括第一束在内有凹槽的管子(53a、53b)。
5.根据权利要求1-4之一所述的锅炉，其特征在于，所述蒸发器为辐射蒸发器。
6.根据权利要求1-4之一所述的锅炉，其特征在于，所述蒸发器包括辐射蒸发器以及对流蒸发器。
7.根据权利要求1-4之一所述的锅炉，其特征在于，所述蒸发器为对流蒸发器。
8.根据权利要求5或6所述的锅炉，其特征在于，在所述燃烧腔中，包括第二束管子(52a、52b)的辐射蒸发器(38)同心设置在包括第一束管子(53a、53b)的所述预热器(33)周围。
9.根据权利要求1-8之一所述的锅炉，其特征在于，还包括水/蒸汽分离长颈瓶，所述锅炉由预热器供应水，所述锅炉向蒸发器供应水，蒸发器向所述锅炉供应蒸汽。
10.根据权利要求1-9之一所述的锅炉，其特征在于，所述水预热器(22、33)设置在燃烧腔(21、31)的内部。
11.根据权利要求1-10之一所述的锅炉，其特征在于，所述水预热器(22、33)与燃烧腔(21、31)的燃烧产物逆流运行。
12.根据权利要求1-11之一所述的锅炉，其特征在于，还包括过热器。
13.一种由氧燃烧产生热水的方法，包括由氧燃烧火焰预热冷水以产生热水。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括产生的预热液体的气化阶段。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述预热液体的气化阶段通过辐射实施。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述预热液体的气化阶段通过对流实施。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述预热液体的气化阶段通过辐射以及对流实施。
18.根据权利要求13-17之一所述的方法，其特征在于，所述由氧燃烧火焰预热冷水的阶段通过逆流实施。
19.根据权利要求13-18之一所述的方法，其特征在于，所述氧燃烧火焰的温度在2000-3300℃之间，优选2500-3000℃。
20.根据权利要求13-18之一所述的方法，其特征在于，所述冷水的温度在105-170℃之间，且该冷水的压力在8-500巴之间。
21.根据权利要求13-20之一所述的方法，其特征在于，所述过热液体的温度在170-600℃之间，且该过热液体的压力在8-500巴之间。
22.根据权利要求13-21之一所述的方法，其特征在于，所述预热液体包括水与蒸汽，水/蒸汽质量比的范围为100/0-50/50，优选为100/0-70/30，更优选为95/5-80/20。
23.根据权利要求14-22之一所述的方法，其特征在于，所述产生的蒸汽的温度在170-600℃之间，且该蒸汽的压力在8-500巴之间。
24.根据权利要求14-23之一所述的方法，还包括使产生的蒸汽过热的阶段。
25.根据权利要求13-24之一所述的方法，其特征在于，所述水预热阶段后烟道气体的温度在1200-600℃之间。
26.根据权利要求13-25之一所述的方法，其特征在于，所述气化阶段后烟道气体的温度在250-150℃之间。
27.根据权利要求13-26之一所述的方法，该方法通过权利要求1-12之一所述的装置实施。
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