CN101952659A - 通过富氧燃烧控制动力发生过程的方法 - Google Patents

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Abstract

在满负荷条件下，该方法包括：将第一含碳燃料原料流引入炉中；将第一大体上纯氧的原料流引入炉中，以用氧气燃烧第一含碳燃料原料流；并且以第一再循环流率将自炉中排放的排气的一部分再循环到炉中，以与第一大体上纯氧的原料流一起形成具有预定平均氧含量的第一进气，从而以第一排气流率自炉中排放排气。在对应于至多90％负荷的第二负荷条件下，该方法包括：将第二含碳燃料原料流引入炉中；将第二大体上纯氧的原料流引入炉中，以用氧气燃烧第二含碳燃料原料流；以第二再循环流率将自炉中排放的排气的一部分再循环到炉中，以与第二大体上纯氧的原料流一起形成第二进气流，以便以第二排放流率自炉中排放排气，以及控制第二再循环流率从第一再循环流率到提供第二排放流率的值，该值大体上与第一排放流率一样高。

Description

通过富氧燃烧控制动力发生过程的方法
技术领域
本发明涉及通过富氧燃烧(oxyfuel combustion)控制动力发生过程的方法。更特别地，本发明涉及在不同负荷条下控制富氧燃烧。
背景技术
富氧燃烧是建议用来从动力发生锅炉，例如煤粉(PC)锅炉或循环流化床(CFB)锅炉的排气中去除CO2的其中一种方法。富氧燃烧基于用大体上纯氧燃烧含碳燃料，该纯氧典型地具有至少95％的纯度，以便使二氧化碳和水成为由锅炉排放的排气的主要成分。因而，当用空气燃烧燃料时，能相对容易地捕获二氧化碳，而无需不得不从以氮为主要成分的气流中将其分离。
规律地控制进入燃烧系统的氧气供给率和燃料供给率，以便获得几乎完全的燃料燃烧。在传统的全负荷下的空气燃烧中，典型地，废气中相对低水平的过氧量，比方说3％，足以将废气的CO水平保持得足够低，但在低负荷下，需要较高水平的过量空气以使蒸汽过热最大化并完全燃烧。低负荷下增加的过量空气因增加的热堆叠(thermalstack)损失而导致锅炉效率降低。
在用空气的传统燃烧中，由于燃烧温度过高引起的有害效果，例如增加的N0x排放或腐蚀，或炉壁的材料强度问题，常通过将废气的一部分再循环回到炉中而被防止。因而，进气的氧含量从空气的大约21％减少到较低值，并且因此降低燃烧温度。
富氧燃烧的其中一个优点是有可能通过使用高燃烧温度而提高过程的热效率。然而，以几乎纯氧作为进气的燃烧将提供非常高的燃烧温度。因此，为了避免太高的燃烧温度的有害效果，特别是在给空气燃烧锅炉补充动力以富氧燃烧时，可有利地使用废气再循环以降低进气的平均氧含量。
第6,935,251号美国专利公开了用氧化剂流燃烧燃料的一种方法，该氧化剂流包括与再循环废气混合的富氧气流。根据此方法，调节废气再循环率，以便所得到的废气的质量流率小于通过使用空气作为氧化剂流所产生的相应的废气的质量流率。通过使用这种减少的废气质量流，可以最小化废气通道和其内的污染控制设备的大小。第6,418,865号美国专利建议通过调整排气再循环率向空气燃烧锅炉补充动力至氧燃烧(oxycombustion)，以便将传热保持在初始的规格。
动力发生过程的其中一个需求是高效率地用于不同动力需求条件下的适应性。根据传统的实践，通过以减少的燃料和空气供给率操作锅炉可获得减少的蒸汽输出。第2007-147162号日本专利出版物公开了氧燃烧锅炉的燃烧控制方法，其中，氧以与锅炉负荷相对应的数量供给，并且控制排气再循环率以便得到用于产生蒸汽所需的吸热。
对于富氧燃烧，特别是当废气质量流小于空气燃烧的质量流时，低负荷下的运行可导致废气的失真流型，增加运行性问题的危险，例如，由排气通道的低速度区域中的过多污垢或尘土积累所产生的问题。因而，需要一种控制不同负荷条件下富氧燃烧的改善的方法。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种通过富氧燃烧控制不同负荷条件下的动力发生过程的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种在具有锅炉的动力发生设备中通过以大体上纯的氧气燃烧含碳燃料而控制动力发生过程的方法。该方法包括：在满负荷条件下，如下步骤：(a1)将第一含碳燃料原料流引入炉中，(b1)将第一大体上纯氧的原料流引入炉中，以用氧气燃烧第一含碳燃料原料流，(c1)经由排气通道从炉中排放排气，(d1)通过布置在排气通道中的热交换表面从排气中回收热，和(e1)经由排气再循环通道以第一再循环流率将排气的一部分再循环到炉中，以与第一大体上纯氧的原料流一起形成具有预定平均氧含量的第一进气，从而以第一排放流率自炉中排放排气，并且在对应全负荷的90％或更少的第二负荷条件下，如下步骤：(a2)将第二含碳燃料原料流引入炉中，(b2)将第二大体上纯氧的原料流引入炉中，以用氧气燃烧第二含碳燃料原料流，(c2)经由排气通道从炉中排放排气，(d2)通过布置在排气通道中的热交换表面从排气中回收热，和(e2)经由排气再循环通道以第二再循环流率将排气的一部分再循环到炉中，以与第二大体上纯氧的原料流一起形成第二进气流，以便以第二排放流率自炉中排放排气，并控制第二再循环流率从第一再循环流率至提供第二排放流率的值，该值大体上与第一排放流率一样高。
在整个说明书中，除非另外说明，否则任何对气体流率的引用均可以被认为是意味着体积流率。通过“大体上纯氧的原料流”指富氧流，通常地，其来自氧源(例如低温空气分离器)，具有至少95％的纯度。大体上纯氧的原料流通常是在所有负荷下，使得基本上所有的燃料原料流将用氧气燃烧，这就意味着排气流包括少量的(例如3％)残余氧气。该过程也定期地包括传统的测量，以从排气中清除例如为二氧化硫的杂质。不再循环到炉中的排出气体的部分可通过冷凝水从系统中排出以及回收二氧化碳以便于分离或进一步使用。
根据本发明，第二燃料进料率对应于降低的负荷条件，也就是，全负荷的90％或更少。第二负荷条件可优选为全负荷的80％或更少，甚至更优选地，全负荷的70％或更少。根据本方法，在降低的负荷条件下，调整排气再循环率，使得从炉中排放的气体的流率保持在足够高的范围。通过在所有负荷条件下具有高的排气流率，可以保持排气的设计流型以及在锅炉的不同传热表面中的传热分布。在实践中，排气流率可固定到预定值或范围，该预定值或范围取决于正被讨论的条件。所选的值或范围是自然的以便保证在所有负荷条件下无问题运行。因此，排气流量例如足以防止在低速区域中有害的过多灰尘堆积。
根据传统方法，其中排气流率在低负荷条件下降低，因为通过排气传递的热的变化的相对量，不同传热表面中所吸收的热的分布可变形。因此，例如，排气通道中的蒸汽的过热量或给水的预热量在低负荷条件下会变得太低。根据本发明，不同传热表面中的传热的分布即使在低的负荷条件下也可保持。因为根据本发明，从炉中排放的气体的足够流率通过再循环排气来获得，而不是通过将额外的排气排放到环境中获得，从而避免因热堆叠损失所引起的热效率降低的问题。
根据本发明，在低负荷条件下增加废气再循环，以便至少部分地补偿减少的燃烧气体的生成。该控制废气再循环的方法明显不同于用于空气燃烧中的传统方法，其中，废气再循环用来避免炉中过高的温度。在低负荷条件下，当炉中的温度已经因为减少的燃料进给率而降低时，对于传统的废气再循环的需要被最小化。
在低负荷条件下通过升高或至少维持再循环气体流率而防止排气流率的有害降低在富氧燃烧中尤其有用，此处，用于高排气再循环的设备通常易于获得，并且要补偿的气流主要由减少的CO2产物组成。这与空气点燃燃烧形成非常明显的对比，在空气点燃燃烧中排气再循环通常低或没有，并且低负荷下排气的变化除了包括减少的二氧化碳流外还包括作为较大成分的减少的氮气流。因而，因为低负荷下的对高附加排气再循环所需要的布置，在空气点燃燃烧中应用本发明将带来高成本。
当使用本发明时，由于减少了大体上纯氧的原料流，因而可在低负荷下使再循环气体的流率增加相同量(以摩尔计算)。因而，排气的体积流率保持不变。备选地，可在低负荷下增加较少量的再循环气体流率，或者至少再循环气体流率应有利地保持在恒定的水平。在所有这些备选方案中，在低负荷下，再循环到炉的排气的份额从全负荷下的份额增加。因此，降低了低负荷下进气的平均含氧量。
当为富氧燃烧翻新空气点燃锅炉时，通常需要尽可能地维持原始的燃烧系统，并从而有利的是至少部分地保持初始的炉、废气通道和传热表面。因而，为了获得进气的平均含氧量(接近空气中的含氧量)，翻新锅炉的富氧燃烧过程有利地使用了高排气再循环率。因而，可通过几乎维持原始温度和气体流率而燃烧燃料。相似的结构也有利地用于双点燃锅炉中，即既可用于空气燃烧也可用于富氧燃烧的锅炉中。为了获得20％至50％的进气的平均含氧量，典型地，分别需要大约81％至75％的排气再循环率，确切值取决于废气中的杂质和残余氧的水平。
对于其中进气的设计含氧量相对低(即20％至25％)的氧气燃烧锅炉，尤其有利地是，增加低负荷下的再循环气体流率，使得排气的流率保持大体上不变。其理由是：对于这种低氧锅炉，即便排气流率的保持也仅能相对少量地增加再循环气体流率。备选地，可允许排气流率轻微地减少，这意味着甚至更少地增加再循环气体的流率。
例如，排气流率的保持(当在全负荷下在具有25％的进气含氧量的锅炉中，将负荷从100％改变到70％时)通过使再循环排气的流率增加大约10％而获得。由于排气的流率是不变的，再循环回到炉的排气份额随再循环气体的流率变化，即大约10％，典型地从75％变化到82％。从而进气的含氧量从25％减少到大约18％，即乘以0.72。对应地，对于具有20％的全负荷进气含氧量的锅炉，当通过增加再循环气体流率大约7％而将负荷减少到70％时，可保持排气流率，由此进气的含氧量从20％减少到大约15％，即乘以0.75。
根据本发明的一个优选实施例，富氧燃烧锅炉(在全负荷下具有20％至25％的进气含氧量)的排气再循环在70％负荷下被增加，使得进气流的平均含氧量减少到一个值，优选地，该值为全负荷下的进气平均含氧量的0.70倍至0.78倍，更优选地，为0.72倍至0.75倍。
为富氧燃烧特别设计的新锅炉通常用于在相对高的温度下用具有平均氧含量的进气燃烧燃料，该平均氧含量明显高于空气中的氧含量。这种锅炉的炉和废气通道在尺寸上明显小于相应的空气点火燃烧系统的炉和废气通道的尺寸。新的富氧燃烧锅炉因而例如在传热表面的布置方面大大不同于从空气点燃锅炉或用于富氧燃烧和空气点燃燃烧的燃烧系统翻新而成的富氧燃烧锅炉。然而，本发明可有利地用于新的和翻新的富氧燃烧锅炉两者之中。
新的富氧燃烧锅炉的进气的平均全负荷氧含量可有利地为例如大约40％到大约60％。这些氧含量典型地通过将排气的大约58％至大约35％分别再循环回到炉中而获得。然后，例如在70％的负荷下，排气的流率可通过将排气再循环分别增加至大约71％至大约55％的值而被保持在其原始值。这些增加的再循环率导致进气的平均氧含量分别减至大约29％至大约43％的值，即氧含量乘以大约0.72。此控制程序的缺点是再循环气体的流率因而在低负荷下大幅度地增加。例如，当在全负荷下具有60％的进气氧含量的锅炉中将负荷从100％改变至70％时，排气流率的维持将需要在全负荷下增加大约55％的再循环气体流率。对这种高增加的准备就绪将意味着具有很大程度上过大的再循环通道和相应地过大的用于低负荷下操作的风扇。为了最小化因此类装置引起的附加成本，有利的是在低负荷下在高氧锅炉中使用稍微降低的气体再循环。
备选地，如果对于设计用于60％的全负荷进气氧含量的富氧燃烧锅炉，再循环气体的流率在70％负荷下保持与全负荷下相同的值，则排气的流率典型地减少几乎20％。这通过再循环回到炉中的排气的份额从大约35％增加至大约44％而获得，由此进气的氧含量从60％减少到大约52％，就是说，乘以0.87。在这种情况下，可使用基于全负荷下的气流所设计的再循环装置，但是减少的排气流率会引起问题。
在此类减少的排气流率已经引起灰尘堆积或变形的传热的问题的情况下，再循环气体流率有利地在低负荷下控制成在上述示例的值之间。例如，如果富氧燃烧锅炉(设计用于60％全负荷进气氧含量)的再循环气体流率在70％负荷下增加了全负荷下再循环气体流率的20％，由此进气氧含量减少到大约48％，即乘以0.80，排气的流率仅减少了全负荷下所获得流率的大约12％。
根据本发明的一个优选实施例，全负荷下具有40％至60％的进气氧含量的富氧燃烧锅炉的排气再循环在70％负荷下被增加，使得进气流的平均氧含量减少到一个值，该值优选地为全负荷下进气流的平均氧含量的0.73至0.82倍，甚至更优选地为0.77至0.81倍。已经令人惊讶地发现，这些范围提供锅炉的有成本效益的和无问题的操作。
在实践中，在全负荷下调节排气排放率以便得到期望的进气平均氧含量。根据本发明的在低负荷下控制排气流的过程可基于在负荷或测量的燃料进给率的基础上直接控制排气再循环率。备选地，排气再循环的控制可基于由炉排出的排气的测量流率。可通过基于期望的再循环率或者将用于再循环排气的风扇的速度直接调节至设定值，或者通过将所测量的再循环气体的流率和期望的再循环率进行比较而控制排气再循环率。
本发明可有利地用于不同类型的动力发生锅炉，特别是循环流化床(CFB)锅炉或煤粉(PC)锅炉中。燃料有利的是固体燃料，特别是煤、生物燃料或垃圾衍生燃料。大体上纯的氧气典型地从例如是低温的或基于膜的空气分离单元的氧源获得。
大体上纯的氧气和再循环排气可作为分离流供应给炉，或者它们可被混合以形成供给炉的进气流。进气可由单气流组成，或者可由若干流，例如CFB锅炉中的流化气体和次生气体组成，或者由PC锅炉中的主要进气、次要进气和上部炉进气组成。具有不同成分的气流被引入到炉的不同部分也是可能的。
上面给出的简单描述，以及本发明的进一步目的、特征和优点通过参考本发明的目前优选的但仍然是演示性的实施例的下列具体描述结合附图将得到更全面的理解。
附图说明
图1是适于本发明的应用的富氧燃烧动力发生设备的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有锅炉12的锅炉设备10的示意图，该锅炉12可以例如是煤粉(PC)锅炉或循环流化床(CFB)锅炉。锅炉的炉14包括传统的燃烧供给装置16、用于将含氧进气18引入炉中的装置和用于排放用进气的氧燃烧燃料所产生的排气的排气通道20。锅炉12的一些元件的细节和类型，例如燃料供给装置16和进气供给装置18，自然取决于锅炉的类型。然而，例如诸如燃烧器、煤碾碎机、用于分离第一和第二进气的装置的细节对于本发明的目的是不重要的，因而它们未在图1中示出。
含氧进气优选地是大体上纯的氧气(自空气分离单元(ASU)24中的气流22产生)和排气的一部分(经由排气再循环通道26再循环)的混合物。排气再循环通道26有利地包括诸如风扇28的装置，以控制排气再循环率。进气的再循环率在翻新的锅炉中被有利地调整，使得全负荷下的进气的平均含氧量接近于空气的含氧量，优选地从20％到25％。新的富氧燃料锅炉可有利地设计用于高得多的含氧量的进气，并且相应地排气的再循环率低得多。在本发明的一些应用中，也可能将再循环排气和大体上纯的氧气流分别引入炉14，例如，在炉的不同部分。
炉14的壁优选地形成为管壁结构，其形成蒸发传热表面30，以将预加热的进给水转换为蒸汽。排气通道20的上游部分包括过热传热表面34，以回收来自排气的热，从而使蒸汽过热。为简单起见，图1仅示出了一个过热表面，但在实践中，排气通道的上游部分32通常包括多个过热和再热表面。
废气通道20的下游部分有利地包括用于预加热供给蒸发传热表面的给水的一个或多个节约装置38、42和用于加热进气的气体-气体加热器40。排气通道20通常也包括用于从排气中清除颗粒和气体污染物的不同单元，但它们在图1中未示出。
在对于排气再循环通道26的分支点的下游有利地布置用于产生典型地在大约110巴的压力下的液态二氧化碳的装置，以便它能为进一步使用而传送或存储在合适的地方。因此，图1示出了用于给排气增压的压缩机44、46，和布置在压缩机之间用于级间冷却的节约装置48。在实践中，二氧化碳液化系统通常包括不止两个压缩分级，通常包括至少四个分级，以便增加系统的效率。在图1中，节约装置42显示为冷凝冷却器，由此从排气中去除水。二氧化碳隔离系统通常也包括用于完全使所有的水从排气中干燥的装置，和用于从二氧化碳中分离氧气和可能的其它杂质的装置，但这些装置在图1中未示出。
当由锅炉10发生动力时，负荷水平——即通过燃料进料装置16供给的燃料量和通过空气分离单元24提供的氧气量——基于主要的动力需求由主要控制装置50控制。因此，根据本发明，排气再循环率由风扇28调整，使得排气的流量保持在预定范围。风扇28的速度可以例如基于主要负荷或测量的燃料供给率进行调整。备选地，该调整可基于再循环气流和/或排气流(如合适装置54、52所测量的)进行。
尽管本文已经通过与目前被认为是最优选的实施例相关的示例描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是意图覆盖其特征的不同组合或改进，以及包括在所附权利要求书所限定的本发明范围内的若干其它应用。

Claims (10)

1.一种在具有锅炉的动力设备中通过用大体上纯的氧气燃烧含碳燃料而控制动力发生过程的方法，所述方法在满负荷条件下包括如下步骤：
(a1)将第一含碳燃料原料流引入炉中；
(b1)将第一大体上纯氧的原料流引入所述炉中，以用该氧气燃烧所述第一含碳燃料原料流；
(c1)经由排气通道从所述炉排放排气；
(d1)通过布置在所述排气通道中的热交换表面从所述排气回收热；以及
(e1)经由排气再循环通道以第一再循环流率将所述排气的一部分再循环至所述炉，以与所述第一大体上纯氧的原料流一起形成具有预定平均氧含量的第一进气流，从而以第一排放流率自所述炉排放排气，
并且，在对应于全负荷的至多90％的第二负荷条件下，包括如下步骤：
(a2)将第二含碳燃料原料流引入所述炉中；
(b2)将第二大体上纯氧的原料流引入所述炉中，以用该氧气燃烧所述第二含碳燃料原料流；
(c2)经由所述排气通道从所述炉排放排气；
(d2)通过布置在所述排气通道中的所述热交换表面从所述排气回收热；以及
(e2)经由所述排气再循环通道以第二再循环流率将所述排气的一部分再循环至所述炉，以与所述第二大体上纯氧的原料流一起形成第二进气流，以便以第二排放流率自所述炉排放排气，并控制所述第二再循环流率从所述第一再循环流率到提供所述第二排放流率的值，所述值大体上与所述第一排放流率一样高。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二负荷条件对应于全负荷的至多80％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二负荷条件对应于全负荷的至多70％。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一进气流的平均氧含量在体积上为从大约20％至大约25％，并且第二进气流的平均氧含量是所述第一进气流的所述平均氧含量的0.70至0.78倍。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一进气流的平均氧含量在体积上为从大约20％至大约25％，并且第二进气流的平均氧含量是所述第一进气流的所述平均氧含量的0.72至0.75倍。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一进气流的平均氧含量在体积上为从大约40％至大约60％，并且第二进气流的平均氧含量是所述第一进气流的所述平均氧含量的0.73至0.82倍。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一进气流的平均氧含量在体积上为从大约40％至大约60％，并且第二进气流的平均氧含量是所述第一进气流的所述平均氧含量的0.77至0.81倍。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量所述排放流率的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括测量所述再循环流率的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由风扇控制所述第二再循环流率。
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