CN102047039A - 通过氧燃料燃烧产生动力的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种通过氧燃料燃烧产生动力的方法。将含碳燃料和氧化剂气体供应到炉中。在第一运转模式中，氧化剂气体包括从氧源所输送的基本上纯氧的流用于通过氧燃烧燃料来产生主要包括二氧化碳和水的废气。废气从炉排出，并被分成再循环部分和结束部分。再循环部分被再循环至炉。通过在废气冷却器与氧加热器之间的通路中循环液体传热介质，将热从结束部分传递至基本上纯氧的流。

Description

通过氧燃料燃烧产生动力的方法和系统
技术领域
本发明涉及通过氧燃料燃烧(oxyfuel combustion)产生动力的方法和系统。本发明尤其涉及一种Flexi燃烧(flexi-burn)或混合燃烧的燃烧系统，即能够容易地在氧燃料燃烧和通过空气燃烧的模式之间进行转换的系统。
背景技术
氧燃料燃烧是被提议用于从诸如粉煤(PC)锅炉或循环流化床(CFB)锅炉的动力生成锅炉的燃烧气体中去除CO2的方法之一。氧燃料燃烧基于通过通常大约95％的纯度的基本上纯氧来燃烧含碳燃料，以便使二氧化碳和水作为从锅炉排出的废气的主要组分。因此，诸如当通过空气燃烧燃料时，在不需要将二氧化碳与使氮作为它的主要组分的气流分离的情况下，能相对容易地捕获二氧化碳。
由于需要例如低温或膜基空气分离单元(ASU)的氧源(其中氧与空气的其他组分分离)，通过氧燃料燃烧产生动力比通过空气的常规燃烧更复杂。当从氧化剂、燃料和漏气去除水时，产生的废气然后准备用于CO2的隔离。该提纯通常通过高压下低温的CO2冷凝实现。例如在将CO2压缩至高于一百一十巴的压力的同时，通过将其冷却至相对低的温度，能将CO2与废气分离。
为了避免由通过纯氧燃烧产生的非常高的燃烧温度，使用氧燃料燃烧锅炉是有利的，其中燃烧工况布置成接近烧空气的(air-firing)燃烧的燃烧工况。这能通过将废气再循环回炉来实现，以便提供例如大约20％至大约28％的氧化剂气体的平均O2含量。这样的氧燃料燃烧锅炉能有利地通过改进现有的烧空气的锅炉来建造。由于与具有二氧化碳的捕获和储存的氧燃料燃烧相关的许多不确定性，所以尽可能容易且优选地在实际构造中无任何改变的情况下，还存在对混合燃烧锅炉、即能从氧燃料燃烧改变成烧空气的并且能从烧空气的改变成氧燃料燃烧的锅炉的需求。采用这样的混合燃烧锅炉，在高负荷需求期间(诸如在夏天或白天期间)，通过利用烧空气的燃烧来具有最大的动力输出是可能的，并且在其他情况下将氧燃料燃烧应用于CO2去除。此外，例如当分离单元或CO2隔离单元失灵时，能够以烧空气的模式使用混合燃烧锅炉。
美国专利No.6,202,574提出了一种用于通过基本上纯氧燃烧化石燃料的燃烧系统，以产生具有作为它的两种最大的成分的二氧化碳和水的废气。废气的一部分被循环至燃烧室，而其余的废气被压缩并汽提，以产生液相的二氧化碳。被再循环的废气和基本上纯氧流在相应的气-气热交换器中被废气预热。
专利公布号为DE103 56 703 A1的德国专利示出一种氧燃料燃烧锅炉系统，其包括给水加热器以及气-气热交换器，该气-气热交换器用作被布置成对循环气体输出口(take-off)的废气下游进行冷却的氧加热器。
为了在使二氧化碳排放最小化时更经济地产生动力，存在对用于氧燃料燃烧的改进的方法和系统的需求，尤其是通过利用混合燃烧系统的方法和系统的需求。
发明内容
本发明的目的是提供用于氧燃料燃烧的新的方法和系统。
根据一个方面，本发明提供通过氧燃料燃烧产生动力的方法，该方法包括步骤：将含碳燃料送到炉中；将氧化剂气体送到炉中，其中，在第一运转模式中，氧化剂气体包括从氧源所输送的用于通过氧来燃烧燃料的基本上纯氧的流，以产生主要包括二氧化碳和水的废气；从炉排出废气；将废气分成再循环部分和结束部分(end portion)；将炉的再循环部分进行再循环；以及通过在废气冷却器与氧加热器之间的通路中循环诸如水的液体传热介质来将热从结束部分传递至基本上纯氧的流。
根据另一方面，本发明提供用于通过氧燃料燃烧产生动力的系统，该系统包括：炉，其用于燃烧含碳燃料；氧通道，其用于将基本上纯氧从氧源输送到炉，以便通过氧来燃烧燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的废气；连接至炉的废气通道，其用于从炉排出废气；分支配管，其用于将废气分成再循环部分和结束部分；气体再循环通道，其用于将废气的再循环部分输送到炉；布置在分支配管的废气通道下游中的废气冷却器，以及布置在氧通道中由通路连接的氧加热器，该通路用于通过在该通路中循环液体传热介质来将热从结束部分传递至基本上纯氧的流。
将热从废气传递至氧化剂气体的过程总体上改善锅炉和过程的效率。本发明与在美国专利No.6,202,574中示出的现有技术的解决方案的不同之处例如在于，纯氧流通过从系统待排出的废气的结束部分、而不是从再循环气体的分支(take off)点上游的废气所获得的低级(low grade)热来加热。从而，改善了过程的热效率。在废气冷却器位于废气通道的低温部分的同时，其可在热传递期间冷却至低于酸冷凝温度。因此，废气冷却器有利地是诸如塑料气体冷却器的耐蚀类型。
废气的再循环部分常常在氧燃料燃烧中包括从炉排出的废气的大多数，通常大约65％至大约80％，由此废气的结束部分大约为或少于废气流的三分之一。另一方面，结束部分总是自然地与氧流一样大。因此，废气冷却器在分开再循环部分的点下游的布置提供的另一优点在于废气的结束部分的气流与氧流一样大，由此在有利的温度等级相对容易地获得两种流动之间的能量平衡。废气的结束部分在设置于电子除尘分离器(ESP)或集尘室的下游的同时，事实上实际无尘。这提供用于布置有效并且紧凑的热交换器的条件。在几乎不存在点火或爆炸性灰尘的同时，这还提高了系统的安全性。
根据本发明，代替在气-气热交换器中直接传递热，借助于液体传递介质将热从废气传递至氧流动。该特征提供的优点是，尤其当低于酸露点温度使用热交换器时可能出现的废气冷却器的泄露可仅造成到水泄漏到废气管道中，而不是爆炸性氧。
实际上，借助于液体传热介质将热从废气传递至氧的另一优点是，其常提供相对简单的构造，尽管其看来似乎使系统更复杂。这样的理由是，通常为空气分离单元(ASU)的氧源，通常被设置在动力设备的除通常包括用于二氧化碳的清洁、捕获和储存的单元的最终废气处理系统之外的部分。因此，热传递距离可能相当长，并且通过对输送热的废气或爆炸性氧气的大得多的通道作出附加的偏移，较容易在相对小的水管中将热传递如此长的距离。
根据本发明的优选实施例，该方法还包括在气-气热交换器中将热从废气传递至废气的再循环部分从而产生热的再循环气体的流的步骤。可将再循环气流和基本上纯氧的流分开引导至炉，但根据本发明的优选实施例，在布置成连接气-气热交换器的气体再循环通道下游与氧加热器的氧通道下游的混合器中，将基本上纯氧的流与热的再循环气体的流混合。因此，混合气体的流被形成，从而作为氧化剂气体经由通道被输送到炉中。
基于燃料供应率确定相对纯氧的供应率，以便提供对燃料足够的完全燃烧。通常，通过监控废气中的剩余氧的含量控制氧供应率，该废气中剩余氧的含量应保持在合适的水平，通常大约3％。通过将如上所述通过传热介质加热的纯氧流与气-气热交换器中所加热的再循环气体混合，是可能有效地控制待用作炉中的氧化剂气体的混合气体的温度、流率和氧含量的。
再循环气体通道和氧通道被有利地以在多路混合器中各自连接的多条平行管线的方式分开，以便形成例如可在炉中用作主和次氧化剂气体的多路混合气体的流。通过单独地控制平行再循环气体管线和氧管线中的气体流动，单独地控制氧化剂气体流的流动和氧含量是可能的。
根据本发明的优选实施例，调节被从烧空气改型到氧燃烧的锅炉的气体供应率，以便维持炉中初始的气体速度，由此，将氧化剂气体的氧含量有利地调节成接近空气的氧含量，通常从大约18％至大约28％。改型锅炉的炉温或热通量同样应有利地大约维持在其初始水平，以避免例如炉壁的腐蚀或材料强度问题。
由于在氧燃烧过程中产生的具有作为其主要组分的二氧化碳的废气的高的热容量，所以当与具有作为其主要组分的氮的常规废气的热容量相比较时，在相同的温度下，相同的废气容积流量在氧燃料燃烧的情况下比在空气点燃中携带更多的热。因此，当将空气点燃的蒸汽生成过程变成氧燃料燃烧时，可将燃料供应率增大至少10％，并仍然维持初始的炉温或热通量。因此，增加的热量例如可用于蒸汽发生和氧化剂气体的加热。
根据本发明尤其有利的实施例，第一运转模式与所谓的烧空气的模式的第二运转模式被交替地进行，其中例如通过阻尼器使再循环部分最小化，并且氧化剂气体包括空气的流。有利地，该系统包括用于将空气引入到气-气热交换器的气体再循环管线的上游内的空气入口。因此，气-气热交换器在第二运转模式中被用于将热从废气传递至空气流。
在第二运转模式中，将燃烧系统有利地从氧源分离，并且废气包括作为其主要组分的氮、二氧化碳和水。因此，还从二氧化碳捕获和储存单元分离该系统，并且将废气通过烟囱释放到环境。本发明的主要思想之一是，在实际结构中无需进行任何更改的情况下，甚至在变化期间不停止动力发生、在线的情况下，提供一种能够容易地转换成烧空气的燃烧并转换回的氧燃料燃烧方法。
在第二运转模式中，不使用氧源，并且由于废气的含量为常规燃烧的含量，所以废气的二氧化碳不被提纯和隔离。因此，使这些过程的辅助的动力消耗最小化，并且系统以向环境释放二氧化碳为代价提供比在氧燃烧中更高的总效率。例如当在夏天或在白天期间对动力需求尤其高时，有利地使用烧空气的运转模式。替代性地，例如基于变化的经济条件、或者当氧源或二氧化碳捕获和储存系统由于某种原因不可用时，可暂时使用烧空气的模式。
该方法在第二运转模式中有利地包括通过在废气冷却器与空气加热器之间的通路中循环液体传热介质、将热从废气传递至空气的流的步骤。由于在第二运转模式中，废气流率通常比在第一运转模式的废气的结束部分的流率高得多，所以有利地，可与包括在氧燃烧模式中使用的废气冷却器的废气通道部分平行地形成具有废气冷却器的至少一个其他的通道。借此，在烧空气(air-firing)的模式中使传热介质在空气加热器与至少两个平行的废气冷却器之间循环。因此，可通过废气有效地加热具有明显比氧燃烧模式中的氧流更高的流动率的空气流。
结合附图，本发明以上的简要说明以及另外的目的、特征和优点将从以下本发明的当前优选的、但不过是说明性的实施例的详细说明得到更充分地理解。
附图说明
图1是根据本发明的氧燃料燃烧动力设备的原理图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的优选实施例的动力设备10的原理图。动力设备10包括锅炉12，锅炉12例如可以是粉煤(PC)锅炉或循环流化床(CFB)锅炉。锅炉的炉14包括常规燃料供应装置16、用于将氧化剂气体18注入到炉中的装置、和用于将通过由氧化剂气体的氧来燃烧燃料所产生的废气排出的废气通道20。锅炉12的有些元件(诸如燃料供应装置16和氧化剂供应装置18)的细节和类型自然取决于锅炉的类型。然而，例如如燃烧器、磨煤机、用于单独地供应主次入口气体的装置的这样的细节对本发明是不重要的，并因此未在图1中示出。
氧化剂气体优选地为空气分离单元(ASU)24中从空气流22所产生的基本上纯氧、和经由废气再循环通道26再循环的废气的一部分的混合物。废气再循环通道26有利地包括诸如可控风扇28和/或阻尼器30的流量控制器，以控制废气再循环率。废气的再循环率被有利地调节，使得氧化剂气体的平均O2含量接近空气的平均O2含量，优选地从大约18％至大约28％。在本发明的有些应用中，还能够将再循环的废气及基本上纯氧的流单独地，或者将具有不同的O2含量的多路流引入到例如炉14的不同部分中。
作为惯例，炉14通常包括未在图1中示出的蒸发表面，而废气通道20还包括热交换器表面32、34，例如过热器和节约器(economizer)。为简单起见，图1仅示出两个热交换器表面32、34，但实际上废气通道20通常包括用于从废气回收热的多个过热、再热和节约器表面。在蒸汽生成热交换表面32与34之间，布置有通常为再生式热交换器的气-气热交换器36，以便将热从废气直接传递至废气的再循环部分。
废气通道20通常包括用于从颗粒和气态污染物清洁废气的常规单元，其在图1中仅由灰尘分离器38进行示意性地表示。灰尘分离器38和可能的其他气体清洁单元被有利地布置在废气再循环通道26的分支点40的上游。在该分支点处，将废气流分成再循环部分和结束部分，该再循环部分通过再循环气体通道26输送回炉14，而该结束部分通过废气通道20的结束部分42被输送以便最终处理。
根据氧燃料燃烧的主要目的，即为了从废气回收二氧化碳，废气通道20的结束部分42配备有由二氧化碳捕获单元44进行示意性地表示的装置，以便冷却、清洁和压缩二氧化碳。单元44通常包括用于从废气使所有的水完全干燥的干燥器，以及用于使诸如氧50的非冷凝气体的流及可能的其他杂质与二氧化碳分离的分离器。通常在例如大约一百一十巴的压力处以液体或超临界状态捕获二氧化碳的流46，使得其能被传输以便进一步地使用或被储存在合适的地方。图1分开示出设置在二氧化碳捕获单元44上游用于将水从废气最初时便去除的冷凝气体冷却器48。
为了将能量从废气的结束部分传递给基本上纯氧的流，根据本发明，废气通道20的结束部分42装备有气体冷却器52，其被液体传热介质循环连接到氧源24下游的氧通道56中所布置的氧加热器54。通常为水的传热介质优选地通过在气体冷却器52与氧加热器54之间延伸的管道60中的泵58进行循环，所述气体冷却器52和氧加热器54实际上通常设置在动力设备10的远离部分。
氧通道56可直接连接至炉14，但根据本发明的优选实施例，氧通道56和废气再循环通道26均连接至混合器62，并将混合气体的流作为氧化剂气体通过氧化剂气体供应装置18引导至炉。此系统使单独地控制氧化剂气体的温度、流率和氧含量成为可能。
根据本发明的优选实施例，该系统还包括用于向炉供应空气的空气入口64。空气流优选地在气-气热交换器36的上游被引入废气再循环通道26，由此能够将热从废气直接传递至空气流。空气入口64的用途是使得能够从氧燃料燃烧转换至烧空气的燃烧。因此，当将空气引导至气体再循环管线时，氧供应被停止，并通过阻尼器30使废气的再循环最小化、优选地完全停止废气的循环。在烧空气的模式中，废气包括与大量氮混合的二氧化碳和水，由此不可能容易地从废气捕获二氧化碳，因此在这种情况下，所述二氧化碳通过烟囱66释放到环境中。
在与进行再循环的废气相比从环境所获得的空气流通常处于低得多的温度时，气-气热交换器36中的空气的加热通常不够充分，但更多的热被有利地通过空气加热器68传递至空气流。为了提高气-气热交换器36中空气的入口温度以便避免热交换器表面上的烟道气冷凝和相关的问题，空气加热器68也是有利的。空气加热器68优选地连接至废气冷却器52，该废气冷却器52借助于传热介质循环也被用在氧燃烧(oxycombustion)模式。因此，在氧燃烧中用于水循环的管道60在烧空气的燃烧模式中被连接到侧管道70，该侧管道70是包括循环泵72的所谓的空气加热臂。
通过打开空气加热臂中的阀74、并关闭所谓的氧加热臂中的主管道内的阀76，能将传热介质切换到循环通过空气加热器68而非氧加热器54。如果将水循环泵布置在水管道60的共用部分中，则在上述情况下，仅具有一个循环泵是足够的。由于烧空气的模式中空气的流率比氧燃烧模式中氧的流率高得多，并且烧空气的模式中废气的流率比氧燃烧模式中废气的结束部分的流率大得多，传热介质的循环率在氧燃烧模式中有利地比在烧空气的模式中低。
根据本发明的替代性实施例，与废气通道42的结束部分平行布置的是平行通道部分78。流过平行通道部分78的烟道气的部分可通过阻尼器80例如在大约0％与大约75％之间变化。平行通道部分包括在烧空气的模式中并行连接至废气冷却器52的另一废气冷却器82。因此，热在氧燃烧模式中从废气冷却器52传递到氧加热器54，而在空气烧空气的燃烧模式中从两个废气冷却器52、82传递至空气加热器68。通过适当地调节传热率，在两种运转模式中获得所需要的入口气体温度和对废气足够的冷却是可能的。
尽管在此例如已结合目前被认为是最优选的实施例的多个例子描述了本发明，但应理解的是，本发明不局限于所公开的实施例，而是意在涵盖如在所附权利要求中所限定的本发明的范围内所包括的其特征的不同组合或变型、以及各种其他应用。

Claims (17)

1.一种通过氧燃料燃烧产生动力的方法，所述方法包括步骤：
(a)将含碳燃料送到炉中；
(b)将氧化剂气体送到所述炉中，其中，在第一运转模式中，所述氧化剂气体包括从氧源所输送的基本上纯氧的流，用于通过氧燃烧燃料以产生主要包括二氧化碳和水的废气；
(c)从所述炉排出所述废气；
(d)将所述废气分成再循环部分和结束部分；
(e)将所述再循环部分再循环至所述炉；以及
(f)通过在废气冷却器与氧加热器之间的通路中循环液体传热介质，将热从所述结束部分传递至所述基本上纯氧的流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
(g)在气-气热交换器中将热从所述废气传递至所述再循环部分，以产生热的再循环气体的流；
(h)将所述基本上纯氧的流与所述热的再循环气体的流混合，以便形成混合气体的流；以及
(i)将所述混合气体的流作为氧化剂气体送到所述炉中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液体传热介质是水。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述废气冷却器是耐蚀类型的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一运转模式与第二运转模式被交替地进行，在所述第二运转模式中，使再循环部分最小化，并且所述氧化剂气体包括空气的流。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一运转模式与第二运转模式被交替地进行，在所述第二运转模式中，使再循环部分最小化，并且所述氧化剂气体包括被引入到气体再循环管线内的空气的流，以便在所述气-气热交换器中将热从所述废气传递至空气流。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二运转模式包括通过在所述废气冷却器与空气加热器之间的通路中循环液体传热介质，从空气的流的所述结束部分传递热的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二运转模式包括通过在所述废气冷却器与空气加热器之间的通路中循环液体传热介质，从空气的流的所述结束部分传递热的步骤。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二运转模式还包括将平行流与所述废气流分开，以及通过在第二废气冷却器与所述空气加热器之间的循环液体传热介质，将来自所述平行流的热传递到空气的流中的步骤。
10.一种通过氧燃料燃烧产生动力的系统，所述系统包括：
炉，其用于燃烧含碳燃料；
氧通道，其用于将基本上纯氧从氧源送到所述炉，以便通过氧来燃烧所述燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的废气；
废气通道，其连接至所述炉，以便从所述炉排出所述废气；
分支配管，其用于将所述废气分成再循环部分和结束部分；
气体再循环通道，其用于将所述废气的再循环部分送到所述炉；以及
布置在所述分支配管的废气通道下游中的废气冷却器，以及布置在所述氧通道中由通路所连接的氧加热器，所述通路用于通过在所述通路中循环液体传热介质来将热从所述结束部分传递至所述基本上纯氧的流。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括：
气-气热交换器，其用于将热从所述废气传递至所述再循环部分；
混合器，其布置成连接所述气-气热交换器的气体再循环通道下游与所述氧加热器的氧通道下游，以将所述再循环部分与所述基本上纯氧的流混合，以便形成混合气体的流；以及
通道，其用于将所述混合气体的流作为氧化剂气体送到所述炉中。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述废气冷却器是耐蚀类型的。
13.根据权利要求10所述的系统，还包括：
流量控制器，其布置在所述再循环气体通道中，用于控制所述再循环部分；以及
空气入口，其用于将空气的流作为所述氧化剂气体而不是基本上纯氧引入。
14.根据权利要求11所述的系统，还包括：
流量控制器，其布置在所述再循环气体通道中，用于控制所述再循环部分；以及
空气入口，其用于将空气的流作为氧化剂气体而不是基本上纯氧引入到气体再循环管线，其中，所述空气入口布置在所述气-气热交换器的上游，以便在所述气-气热交换器中将热从所述废气传递至空气流。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括通过通路连接至所述废气冷却器的空气加热器，其用于通过在所述废气冷却器与所述空气加热器之间的通路中循环液体传热介质，将热从所述结束部分传递至空气的流。
16.根据权利要求14所述的系统，还包括通过通路连接至所述废气冷却器的空气加热器，其用于通过在所述废气冷却器与所述空气加热器之间的通路中循环液体传热介质，将热从结束部分传递至空气的流。
17.根据权利要求15所述的系统，还包括：
第二分支配管，其用于将废气流与平行通道选择中的平行流分开；以及
第二废气冷却器，其布置在所述平行通道部分中，用于通过在所述第二废气冷却器与所述空气加热器之间的通路中循环液体传热介质来将热从所述平行流传递到空气的流中。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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