CN102216687A - 用于运行燃烧炉的方法以及燃烧炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧炉，该燃烧炉带有一燃烧器和一薄膜单元，该薄膜单元包括薄膜、渗透侧和滞留侧，用于从空气中分离氧气，其中所述薄膜单元以其滞留侧通过导管与所述燃烧器连接，其中，一热交换器这样地连接在燃烧气体流中，使得该热交换器在初级侧可由在化石燃烧中产生的热燃烧气体加载，而次级侧可将能输送到所述热交换器的空气加热到所述薄膜单元运行所需的温度并且可输送到所述薄膜单元。本发明还涉及一种用于运行这种燃烧炉的方法。

Description

用于运行燃烧炉的方法以及燃烧炉
技术领域
本发明涉及一种用于运行燃烧炉的方法以及燃烧炉。
背景技术
例如，为在发电站中产生蒸汽而燃烧化石能量载体时，所产生的燃烧气体(烟气)中除其它以外还有CO2，它是导致气候变化的温室效应可能的主要原因。
为了在地质结构如石油或天然气层、地下蓄水层或煤层长久贮藏(储藏)的目的，可以通过不同的方法在发电站过程中分离CO2。
在燃烧后(燃烧后捕集)通过吸收(化学和物理地)、吸附、液化或通过薄膜方法在常规的发电站过程的冷端从燃烧气体的N2/CO2/H2O混合物中分离CO2是耗费的。为此所需的能量例如从过程蒸汽获取并且导致显著的效率损失。但是，燃烧后CO2分离的优点在于，相对于其它方法而言对于电站过程的干预较小，因此该方法也适于对现有的发电站的再修改。
在煤气化方法中，为了在燃烧之前(燃烧前捕集)分离CO2，首先气化燃料煤(集成气化组合循环，IGCC-发电站)，并且在此形成的CO与水蒸汽反应得到H2和CO2(水煤气反应或CO置换)。
CO+H2O-＞CO2+H2
现在，CO2可以以更高的浓度并在高压下从燃气中通过物理吸收去除。剩余的氢气用于通过燃气轮机或蒸汽轮机发电。因此，最后从发电站排出的废气实际上没有CO2。
在所谓的氧燃料方法中，替代空气向燃烧过程供应氧气作为氧化剂。该方法具有多个优点。
第一是与从燃烧后带有空气的尾气流分离CO2相比，从CO2高度富集的燃烧气体中分离CO2更容易，因为燃烧气体基本上由CO2和H2O组成。第二是由于在燃烧气体中省去了空气-氮气的成份而减少了燃烧气体-能量损失，以及第三是避免了由于空气-氮气导致的氮氧化物排放。
因为在纯氧中的燃烧会导致高得多的燃烧温度，将从空气中分离的氧气与燃烧气体的循环部分混合，然后才输送到燃烧中。因此，用回馈的燃烧气体替代空气-氮气。
空气可以通过各种方法分离其成分(即首先是氮气、氧气，其次是稀有气体)。技术上成熟、但耗费能量、低温工作的空气分离(低温空气分离)在机械驱动的热力学过程中将空气分离为其主要的成分氮气和氧气，并且包括子步骤，如压缩空气、去除水蒸气和二氧化碳、分散蒸馏(精馏)以及通过定量膨胀制冷。
替代低温空气分离设备，现在建议以薄膜为基础用于分离氧气的装置(氧传送膜OTM)。薄膜效应——渗透性地或电化学地或也通过产生氧气的空气侧(滞留侧)和接受氧气侧(渗透侧)之间的局部压差表示——导致氧气至少部分地从空气中分离。通过薄膜替代低温的空气分离设备被认为在无CO2的发电站方案中提高效率的可能选择。
然而，基于薄膜的、用于空气分离的装置具有这样的缺点，即，薄膜装置必须保持在700℃至1000℃范围内的相对高的运行温度(高温薄膜方法)，以便薄膜能够实现其功能。相应地必须持续地向薄膜反应器输送热能，以便该薄膜反应器具有用于将氧气从空气分离所需的过程温度。
氧燃料方案，其中薄膜是过程的核心组件，例如由AZEP-项目(advancedzero emission power plant，5.Rahmenprogramm der 
Figure GPA00001021054200021
Union，Projektnummer：ENK5-CT-2001-00514；CORDIS，Forschungs-&Entwicklungsinformationsdienst der Gemeinschaft)公知或由亚琛工业大学进一步发展以及由RWE Power股份公司、E.ON能源公司、西门子公司、Linde公司和WS-有限公司共同参与并一起赞助。
氧煤气冷方法(Oxycoal-AC-Verfahren)的燃烧过程的框图在图1中示出。该过程的重要特征是集成在设备图中的、用于获取氧气的高温薄膜设备，该薄膜在高压侧被供应空气，并且通过离子传导的薄膜在约800℃的运行温度下向循环的燃烧气体流放出氧气。通过这种运行控制实现高的局部压降并因此实现对氧气的高渗透性。从高温薄膜设备向燃烧器输送的气体混合物基本上由CO2、H2O和O2组成，并且具有和传统的燃烧过程中的燃烧空气一样的氧气份额，因此也应形成在燃烧技术中常见的燃烧温度。可以通过冷凝从由该过程排出的燃烧气体中分离水。
然而，该装置具有这样的缺点，即，如果在过程的外围设备上产生氧气，那么燃烧气体被从蒸汽发生器一直输送到外围设备，并且为减小薄膜的接受氧气侧由于燃烧气体的污染而造成的负荷，必须在中间连接一热燃气清洁装置。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，建议一种用于运行燃烧炉的方法以及一种燃烧炉，其克服基于薄膜的氧气分离设备中的上述缺点。
按照本发明，该技术问题通过权利要求1以及权利要求13的特征解决。
其它有利的实施形式在各从属权利要求中提及。
在按本发明的方法中，为保持所需的过程温度而向薄膜输送热能，其中，该热能由燃烧器运行时产生的燃烧气体与空气的热交换获得，并且加热的空气被输送到薄膜，并且所分离出的氧气通过导管从薄膜排出。
通过热交换过程及其与在燃烧器运行时产生的燃烧气体的高温水平的有利耦合获得了一种特别有效的方法，将空气加热到所需的过程温度，也就是薄膜单元运行所需的温度，并且然后将已加热的空气以正确的温度输送到薄膜。因此，可以以特别简单的方式使薄膜处于通常700℃至1000℃的运行温度。
在薄膜中分离的氧气的温度同样还基本上是原来的过程温度，并且可以在氧气被输入到燃烧过程的载气(大多是CO2)中之前有利地用于加热要输送到薄膜的一部分空气。
因为氧气的局部压力是氧气通过薄膜分离的驱动力，所以由薄膜将从空气中分离出的氧气从薄膜的渗透侧输送走是合适的。
优选一部分燃烧气体在与空气热交换之后与氧气混合，具体是使该混合物具有与传统燃烧过程中燃烧空气相同的氧气份额，因此在氧气/燃烧气体的混合物被输送到用于燃烧化石燃料的燃烧器时，也可以形成在燃烧技术中常见的燃烧温度。
基本上还处于原始温度，即过程温度的、加热的空气在滞留侧离开薄膜装置，该空气有利地用于进一步的应用，例如通过向水-蒸汽回路传递热以利用加热的空气的热能，或者用于驱动燃气轮机组的膨胀器，该燃气轮机组又有利地用于压缩要输送到薄膜的空气。
相对于氧煤气冷方法，该方法具有更多的优点。第一是薄膜不受燃烧气体冲击，因此不需要清洁热燃气。在这种结构中，薄膜仅仅与空气接触，从而排除了薄膜材料由于包含在燃烧气体中的燃烧物的损坏。第二是，热燃烧气体仅需在相对较短的循环管道中输送。第三是可以在蒸汽发生器中实现热交换器的紧凑结构以及热空气导管的紧凑结构，因为热空气通常存在于＞15bar的压力下。
此外，薄膜技术可以集成在第一代的氧煤方法中。
按本发明的、尤其是用于实施按本发明的方法的燃烧炉包括一燃烧器和一薄膜单元，该薄膜单元包括薄膜、渗透侧和滞留侧，用于从空气分离氧气，其中，薄膜单元以其渗透侧通过导管与燃烧器连接，其中，在燃烧气体流中这样地连接一热交换器，使得其初级侧可由在化石燃烧时产生的热燃烧气体加载，而次级侧可用于将能输送到热交换器的空气加热到薄膜单元运行所需的温度，并且可输送给该薄膜单元，并且在薄膜单元中分离出的氧气可通过导管从薄膜导走。
优选在渗透侧和燃烧器之间在导管中连接一氧气/空气-热交换器，以便将在薄膜中分离出的、基本上还处于原始过程温度的氧气的温度这样地降低，使得循环的燃烧气体流，即，CO2流通过与氧气的混合不再或仅不明显地升高温度。氧气/空气-热交换器的次级侧有利地连接在薄膜的滞留侧上游，用于输送加热的空气。
把来自于与燃烧气体的热交换的热空气和来自于与分离的氧气热交换的加热空气在碰到滞留侧之前混合是有利的。
也有利的是，针对于薄膜上氧气的局部压力差，在与薄膜的渗透侧连接的导管中设置鼓风机。
此外有利的是用于燃烧气体的循环导管和在薄膜的渗透侧和燃烧器之间将该循环导管与导引氧气的导管相连接。在燃烧器运行时产生的、在与空气热交换时冷却的燃烧气体(大多是CO2)的回送，以及将分离的氧气向该循环的燃烧气体中的供给防止了否则化石燃料在纯氧中燃烧会出现的高燃烧温度。
有利的是，薄膜的滞留侧与压缩机连接，该压缩机可输送给要通过薄膜分解的空气，该薄膜与一膨胀器耦合，该膨胀器可由基本上还处于原始温度，也就是过程温度的已加热的贫氧化空气加载，所述空气在滞留侧离开薄膜装置。
所述薄膜优选是氧离子传导的薄膜。
燃烧炉相宜地包括一化石加热的蒸汽发生器。
尤其是在该蒸汽发电站包括可借助其从燃烧气体中去除高度富集的CO2的CO2去除装置时，蒸汽发电站中的燃汽轮机设备带有一蒸汽透平是尤其有利的。
附图说明
以下根据附图详细说明本发明。
图1是氧煤气冷方法的燃烧过程的框图；
图2是按本发明的、例如用于燃烧煤粉的蒸汽发电站的燃烧炉的原理框图。
具体实施方式
图1示出了由现有技术公开的氧煤气冷方法的燃烧过程的框图。燃烧炉1’具有带有燃烧器3的蒸汽发生器2。该蒸汽发生器2连接在没有详细示出的蒸汽透平设备的水-蒸汽回路中。
燃烧器3具有用于化石燃料4的输送管。此外，存在一用于氧气/燃烧气体-混合物的输送管5，该输送管通入燃烧器3。化石燃料在蒸汽发生器2中与氧气/燃烧气体混合物一起燃烧，因此蒸汽发生器的管道系统中的水以高温转化为蒸汽。
在氧煤气冷方法中，在过程温度下借助于薄膜单元26的薄膜6从空气中分离氧气25并且输送到循环的燃烧气体流9中，其中，薄膜的滞留侧7被供给压缩空气22。为保持所需的过程温度所需的加热能量从燃烧气体9获得，所述燃烧气体通过循环导管28被输送到薄膜6的渗透侧8并且和氧气25一起被再次导出(清扫气体)。通过这种运行引导，也实现了高的局部压差并因此实现了氧气25的高渗透性。
氧气/燃烧气体混合物10基本上由CO2，H2O和O2组成，并且具有约和传统燃烧中的燃烧空气一样的氧气份额，因而会形成在燃烧技术中常见的燃烧温度。为与化石燃料4反应，混合物10被输送到燃烧器3。
由于借助于薄膜25分离氧气25而至少部分贫化的空气24被输送到膨胀器11。燃汽轮机组与膨胀器11耦合在同一轴12上，其压缩机13抽吸空气21，而薄膜6通过压缩空气导管29用压缩空气22加载。
为减小薄膜6由于循环的燃烧气体9的污染而造成的负荷，在蒸汽发生器2和薄膜6之间连接有热燃气清洁装置14。鼓风机15支持燃烧气体循环。
作为按本发明的燃烧炉1的实施形式，图2示出了用于煤粉加热的蒸汽发电站的原理连接图。以下说明基本上限于与图1所示的现有技术的实施形式的区别，相同的特征和功能可以参见上述说明。相同的部件基本上用相同的附图标记表示。
在图2所示的实施形式中，为保持所需的过程温度不直接通过燃烧气体向薄膜6输送热能，而是通过在薄膜6的滞留侧7上加载的空气23。所述空气在燃烧气体/空气-热交换器17中与燃烧气体热交换，加热到700℃至1000℃，优选800℃至900℃，以保证薄膜6足够的运行温度。
积聚在薄膜的渗透侧8的氧气25(渗透物)借助于鼓风机16通过导管27输送走，并供应到燃烧器3。
另一安装在氧气路径中的热交换器18的目的是使氧气温度尽可能从薄膜运行温度下降，即，在燃烧粉尘的蒸汽发生器2中，通过循环导管28回送的二氧化碳流9通过与氧气25混合不再或仅不明显地升高其温度。在此，热交换器18的次级侧通过压缩空气管道29加载一部分压缩机端空气19，所述空气在此被加热并且混入来自蒸汽发生器2的热空气流20。
在这种运行导引中，燃烧气体9和薄膜6之间没有出现直接接触。因此也不需要热燃气清洁装置14。

Claims (26)

1.一种用于运行燃烧炉(1)的方法，该燃烧炉带有用化石燃料运行的燃烧器(2)，其中，在过程温度下借助于薄膜(6)从空气中分离氧气，其中，将所分离出的氧气输送到所述燃烧器(3)，以便与所述化石燃料一起燃烧，从而形成热燃烧气体，其特征在于，为保持所需的过程温度而向所述薄膜(6)输送热能，其中，所述热能在与所述空气的热交换中从热燃烧气体获得，其中，加热的空气被输送到所述薄膜(6)，并且所分离出的氧气通过导管(27)从所述薄膜(6)导引走。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述空气在与所述燃烧气体的热交换中加被热到700℃至1000℃，优选800℃至900℃。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，冷却借助于所述薄膜(6)分离的氧气。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述分离出的氧气在与空气的热交换中被冷却，其中，所述空气则被加热。
5.如权利要求4所述的方法，其中，已加热的空气与通过与所述燃烧气体的热交换加热的空气混合，并将如此加热的空气输送到所述薄膜(6)。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述氧气被从所述薄膜(6)输送走。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其中，至少一部分燃烧气体在与所述空气热交换之后与氧气混合。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述燃烧气体/氧气混合物被输送到所述燃烧器(3)，用于与所述化石燃料一起燃烧。
9.如权利要求1至8之一所述的方法，其中，由于氧气借助于所述薄膜(6)的分离而至少部分贫化的空气被输送到一膨胀器(11)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述膨胀器(11)驱动一压缩机(13)，该压缩机用压缩空气加载所述薄膜(6)的渗透侧。
11.如权利要求1至10之一所述的方法，其中，80％至100％的空气被输送到与所述热燃烧气体的热交换。
12.如权利要求1至11之一所述的方法，其中，0％至20％的空气被输送到与从空气分离出的氧气的热交换。
13.一种燃烧炉(1)，尤其是用于实施如前列各项权利要求之一所述的方法，带有一燃烧器(3)和一薄膜单元(26)，该薄膜单元包括薄膜(6)、滞留侧(7)和渗透侧(8)，用于从空气中分离氧气，其中，所述薄膜单元(26)以其渗透侧(8)通过导管(27)与所述燃烧器(3)连接，其特征在于，在燃烧气体流中这样地连接有热交换器(17)，使得该热交换器在初级侧可由在化石燃烧中产生的热燃烧气体加载，而次级侧可将能输送到所述热交换器(17)的空气(19)加热到所述薄膜单元(26)运行所需的温度并且可输送到所述薄膜单元(26)，并且在所述薄膜单元(26)中分离的氧气可通过导管(27)从所述薄膜(6)导引走。
14.如权利要求13所述的燃烧炉(1)，其中，一氧气/空气热交换器(18)的初级侧连接在所述渗透侧(8)和所述燃烧器(3)之间的导管(27)中。
15.如权利要求14所述的燃烧炉(1)，其中，所述氧气/空气热交换器(18)的次级侧连接在所述滞留侧(7)的前面。
16.如权利要求13至15之一所述的燃烧炉(1)，其中，可在所述热交换器(17)中加热到过程温度的空气与在所述氧气/空气-热交换器(18)的次级侧加热的空气可以混合，并能输送到所述滞留侧(7)。
17.如权利要求13至16之一所述的燃烧炉(1)，其中，在所述渗透侧(8)和燃烧器(3)之间的导管(27)中连接有鼓风机(16)。
18.如权利要求13至17之一所述的燃烧炉(1)，其中，将所述渗透侧(8)与所述燃烧器(3)相连接的所述导管(27)与用于燃烧气体的循环导管(28)连接，。
19.如权利要求13至18之一所述的燃烧炉(1)，其中，所述滞留侧(7)与用于利用渗透物的机械能和热能的膨胀器(11)连接。
20.如权利要求19所述的燃烧炉(1)，其中，所述膨胀器(11)与压缩机(13)耦合。
21.如权利要求20所述的燃烧炉(1)，其中，所述压缩机(13)是空气压缩机(13)，该空气压缩机可为通过所述薄膜(6)的分离而输送空气(21)。
22.如权利要求21所述的燃烧炉(1)，其中，所述空气压缩机(13)通过导管(29)与所述滞留侧(7)连接。
23.如权利要求13至22之一所述的燃烧炉(1)，其中，所述薄膜(6)是传导氧离子的薄膜。
24.如权利要求13至23之一所述的燃烧炉(1)，其中，带有一化石加热的、可用所述燃烧器(3)加热的蒸汽发生器(2)。
25.一种蒸汽发电站，带有蒸汽透平和按权利要求13至24之一所述的燃烧炉(1)。
26.如权利要求25所述的蒸汽发电站，包括CO2分离装置，借助于该分离装置可将CO2从燃烧气体分离。
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