CN102947649A - 氧/燃料燃烧系统的瞬时运行 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施方案，运行氧/燃料系统的方法和氧/燃料系统在激活至少一个燃烧器之前使载气在该燃烧系统中循环、产生包括CO2的燃烧流体，其中该燃烧流体中的CO2含量随时间而提高，并继续产生该燃烧流体一段时间以超过该燃烧流体中的预定CO2含量，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯。

Description

氧/燃料燃烧系统的瞬时运行
发明领域
本公开涉及在氧/煤燃烧系统中捕获CO2。特别地，本公开涉及使氧/煤燃烧系统的启动、停机和/或跳闸事件（trip events）过程中的CO2含量提高或保持在等于或高于预定含量。
背景技术
已知氧/煤燃烧系统包括经安排和布置以接收燃料和氧化剂以形成燃烧流体的炉（或辐射段）、经安排和布置以接收该燃烧流体的对流段和经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传向热交换介质的一个或多个热交换器。在稳定运行中，该已知氧/煤燃烧系统利用该热交换介质中的热提取能量。
已知氧/煤燃烧系统可能遇到启动状况，仅举例而言，在最初构造时、在停机维护后或在跳闸事件后。已知燃烧系统可能遇到停机状况，仅举例而言，在定期维护之前、响应跳闸事件、响应降低的燃料可供性或响应运行限制。已知燃烧系统可能遇到跳闸事件，仅举例而言，在运行问题如汽轮机跳闸事件时、响应强制或诱导通风机跳闸事件、响应研磨机问题、响应火焰状态的损失或响应燃烧系统的一个或多个区段的过压。
如本领域中公知的那样，碳质燃料的燃烧产生CO2。在稳定运行、启动、停机和跳闸事件过程中发生CO2排放。
存在几种已知的CO2捕获技术。这些已知技术着眼于后燃和/或预燃CO2捕获。例如，在低浓度或分压下，可以使用化学溶剂洗涤烟道气。化学溶剂的使用导致再生贫溶剂以获得高CO2捕获水平所需的能量损失。或者，可以在燃烧前利用物理吸附剂从整体煤气化联合循环IGCC电厂设计（integrated gasification combined cycle, IGCC, plant design）中捕获CO2。这种设计需要高纯度高压的氧气并产生氢气，其随后在燃气轮机中燃烧产生动力。高含量的基本纯的CO2要求用于物理溶剂系统的非标准设计。第三选项（option）是使用较低纯度、较低压的氧气作为氧化剂以在标准效用锅炉装置（standard utility boiler arrangement）中燃烧。来自燃氧选项的烟道气缺乏氮，由此提高CO2分压。该气体可随后冷却、水冷凝和提纯以产生CO2产物。
在已知氧/燃料燃烧系统中，在启动、停机和跳闸事件过程中，不能充分捕获和提纯CO2，因为CO2含量比希望的时期更长地保持低于预定含量。
因此，仍然需要提供通过提高和/或维持在启动、停机和/或跳闸事件过程中氧/燃料燃烧系统中的CO2含量来改进CO2捕获的方法、系统和装置。
发明内容
本公开通过提高和/或维持在启动、停机和/或跳闸事件过程中燃烧系统中的CO2含量来改进从氧/燃料燃烧中捕获CO2。
根据一个实施方案，运行氧/燃料燃烧系统的方法包括提供燃烧系统、在激活至少一个燃烧器之前使载气在该燃烧系统中循环、产生包括CO2的燃烧流体，其中该燃烧流体中的CO2含量随时间而提高，并继续产生该燃烧流体一段时间以超过该燃烧流体中的预定CO2含量，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯。在该实施方案中，该燃烧系统包括经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体的炉、经安排以从该炉接收该燃烧流体的对流段、和在该对流段中的经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质的一个或多个热交换器。
根据另一实施方案，氧/燃料系统包括经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体的炉、经安排以从该炉接收该燃烧流体的对流段、在该对流段中的经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质的一个或多个热交换器、和经安排和布置以在高于预定CO2含量下提纯CO2的CO2提纯单元。在该实施方案中，安排该炉以在激活至少燃烧器之前使起动流体（primer fluid）循环，该起动流体选自基本纯的O2、基本纯的CO2及其组合。该燃烧流体包括CO2，其中CO2的含量随时间而提高。该系统经安排和布置以在高于该燃烧流体中的预定CO2含量下继续产生该燃烧流体一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元来提纯。
根据另一实施方案，运行氧/燃料燃烧系统的方法包括提供氧/燃料燃烧系统、停用（deactivating）至少一个燃烧器中的一个或多个、在停用所述至少一个燃烧器中的所述一个或多个后使起动流体在该燃烧系统中循环、和使该燃烧流体中的CO2含量保持在高于预定CO2含量一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元来提纯，其中该CO2的含量随时间而降低。在该实施方案中，该燃烧系统包括至少一个燃烧器、经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体的炉、经安排以从该炉接收该燃烧流体的对流段、和在该对流段中的经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送至热交换介质的一个或多个热交换器。
本公开的一个优点是在启动过程中提高燃烧系统中的CO2含量，由此允许捕获和/或提纯CO2。
本公开的另一优点是捕获更多CO2，由此导致未捕获的CO2的较少CO2排放。
本公开的再一优点是在启动、停机和跳闸事件过程中捕获和/或提纯CO2 。
本公开的一个优点是在停机和跳闸事件过程中维持CO2含量高于燃烧系统中的预定含量。
本公开的又一优点是在跳闸事件过程中维持CO2含量高于预定含量。
本公开的又一优点是不需要空气处理设备和管道系统（ducting）的氧-燃料燃烧设施的更简单设计。
本文中公开了该方法和系统的其它方面。本领域技术人员根据下列详述和附图将会认识和理解如上论述的特征以及本公开的其它特征和优点。
附图说明
图1显示燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。
图2显示该燃烧系统的另一示例性实施方案的示意图。
图3显示实现燃烧系统中的所需条件的方法的图示。
图4显示实现燃烧系统中的所需条件的方法的图示。
图5显示实现燃烧系统中的所需条件的方法的图示。
图6显示在停机和/或跳闸事件过程中维持CO2含量的方法的图示。
图7图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。
图8图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。
图9图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。
图10图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。
图11图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。
只要可能，在所有附图中使用相同标号代表相同部件。
发明详述
下面参照附图更充分描述本公开，其中显示了本公开的优选实施方案。但是，本公开可以具体体现为许多不同的形式且不应被解释为仅限于本文中阐明的实施方案；相反，提供这些实施方案以使本公开详尽完整并向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
本文所用的术语“固体燃料“是指适合燃烧用途的任何固体燃料。例如，本公开可用于许多类型的固体燃料，包括但不限于：无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤；焦油；沥青；石油焦；造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物；木材；泥炭；草；和所有这些燃料的组合和混合物。本文所用的术语“氧气”是指O2浓度大于环境或大气条件的氧化剂。本文所用的术语燃烧流体是指由燃料燃烧产生的流体，其可用于对流传热。该术语包括至少一些燃烧产物并可进一步包括与燃烧流体混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。
图1显示本公开的燃烧系统102的一个示例性实施方案的示意图。具体而言，图1描绘作为燃氧煤电厂的燃烧系统102。参照图1，燃烧系统102包括炉104和对流段106。炉104接收粉煤并用氧气燃烧粉煤以生成热和伴生烟道气。尽管已就粉煤描述本公开，但可以利用其它固体燃料。来自炉104的燃烧流体为对流段106提供额外的热。对流段106包括从炉104中形成的燃烧流体中除热的多个热交换器（也参见图2）。利用该热制造和过热用在发生器或其它蒸汽负荷源中的蒸汽。在对流段106中，如业内理解的那样，在一级过热和再热后跟着用于最终预热锅炉进料水的省热器。在该燃烧流体内最好存在充足质量流量以提供经由辐射和对流两者的适当传热。此外，在该燃烧流体内的温度分布可匹配设计的传热表面积以允许表面积的充分利用和在蒸汽发生线路内的适当加热。
与已知的空气燃烧的煤系统相比，燃氧的煤系统可提供炉104内的更高温度和该燃烧流体的更低质量流速。受控量的再循环烟道气可助于提供所需火焰特性和/或温度。尽管质量流量（mass flow）不要求，但可利用再循环烟道气以提高该燃烧流体的质量流量以在对流段106中提供提高的传热。
图1所示的示例性实施方案进一步包括经构造以使该燃烧流体在离开载气预热器112时经过除尘的静电集尘器110、接着任选烟道气脱硫单元114，在此除去SO2。在本公开的某些实施方案中，离开烟道气脱硫单元114的燃烧流体作为再循环烟道气再循环到炉104。该再循环烟道气可助于提供所需火焰特性和/或温度。尽管质量流量不要求，但可利用再循环烟道气提高该燃烧流体的质量流量以在对流段106中提供提高的传热。将离开脱硫单元114的其余燃烧流体送往CO2提纯单元128。CO2提纯单元128可利用与氧/燃料燃烧系统相容的任何已知的CO2提纯/压缩方法并可包括已知的常规可得的CO2提纯/压缩设备。在2007年1月23日提交的美国专利申请2008/0176174和2007年1月23日提交的美国专利申请2008/0173585中公开了已知CO2提纯/压缩设备的实例，两者均全文经此引用并入本文。
由于在该系统中利用氧/燃料燃烧，与空气燃烧系统相比，减少或消除烟道气中的氮。由此，从该系统中除去大部分或所有的氮，以产生具有高CO2含量的燃烧流体。CO2的这种富集导致在经CO2提纯单元128处理后更容易捕获CO2以供提纯和压缩，从而产生CO2产物129。如美国专利申请2008/0176174和美国专利申请2008/0173585中进一步描述，CO2产物129可用于几种用途。
燃烧系统102也允许来自脱硫单元114的燃烧流体经由烟囱116离开系统102到大气中。如图1中所示，再循环到炉104的再循环烟道气可以由强制通风风扇118供应并由载气预热器112预热。第一载气风扇（primary support gas fan）120利用一部分的再循环烟道气，并充当将由燃料源126供应的来自燃料粉碎机122的燃料输送至燃烧器124的载体。载气（其可以是一次再循环和/或二次再循环）优选基本不含氮和/或空气。在燃烧器124处发生煤燃烧，在此也可供应第二载气流130。第二载气流130类似地由强制通风风扇118供应并在供应至煤燃烧器124之前由载气预热器112预热。燃烧器124最好经安排和布置以提供可调节的速度以使启动过程中的条件最大化。这种可调节性可包括在小于或等于燃烧器124的最大燃烧速率的一半的同时维持燃烧稳定性。在全文经此引用并入本文的2002年8月30日提交的美国专利No. 7,185,595中公开了能够实现这些条件的燃烧器的一个实例。
可以利用氧气作为载气，其中将氧气添加到再循环烟道气中或替代再循环烟道气。可以由任何合适的来源添加氧气。合适的氧气源可包含包括将空气深冷分离（cryogenic separation）以产生氧气（各种纯度）和其它副产物（通常为氮气和氩气）的系统。来自该氧气源的产品氧气（product oxygen）可以是气体或液体形式。或者，可通过在吸附剂床上的变压/真空变压(pressure swing/vacuum swing )操作生成氧气。其它方法，如膜基系统，包括离子传输膜，也可产生富氧流(oxygen predominant stream)。也可以在系统102中的任何合适的位置添加氧气，包括添加到第一载气(primary support gas)132、第二载气（secondary support gas）130、燃烧器124、炉104或支持固体燃料的燃烧的任何其它位置。
如图1中所示，第二载气流130可以在各种点供应到第一载气132中。第二载气130的这种提高的注射灵活性提供独立地控制第一（primary）和再循环（recycle）的温度的手段并提供包括第一载气132的预热器的旁路（bypass）的能力。另外，在一些实施方案中，第二载气130可单独通过预热器112。
图2包括与图1中所示的布置基本相同的燃烧系统102的布置。但是，在图2中，在完全行经对流段106后，烟道气在选择性催化还原单元302中发生DeNOx，接着用载气预热器112（例如优选的Lungstrom型旋转装置）冷却。在图1所示的实施方案中，由于几种原因，可能省略DeNOx，选择性催化还原单元302。这些原因包括，但不限于，在燃烧系统102中使用基本无氮的CO2或O2，由此减少NOx，和/或由于NOx不会释放到大气中，相反NOx将与CO2一起进入CO2提纯单元128。
燃烧系统102可能遇到偏离稳态运行的瞬时状况。这些状况包括启动状况、停机状况和跳闸事件（其包括热启动，其中该燃烧系统保持在高于环境温度的温度并最终恢复到稳态运行）。如稳态运行那样，瞬时状况造成CO2排放。如CO2提纯单元128之类的技术要求CO2含量高于预定含量以产生CO2产物129。该预定含量基于该系统中包含的特定提纯单元的要求。某些提纯单元需要比其它单元高的CO2含量。因此，尽管在本公开中以举例说明为目的使用具体含量，但本公开部分涉及CO2含量的控制。
如本领域中公知的那样，点火器可用于使燃烧系统102达到所需温度。通常，激活点火器进入燃烧系统以使该燃烧系统缓慢变温。点火器通常以单独的辅助燃料为进料。当燃烧系统达到足以维持主燃料燃烧的所需温度时，引入主燃料并发生燃烧（在本公开中为固体燃料）。在实现稳定燃烧后，可以停用点火器。
图3、4和5图解启动本公开的燃烧系统的示例性实施方案。如上所述，所公开的方法部分意在实现例如，启动、停机和瞬时状况中的预定CO2含量。如图3、4和5中所示，该方法包括在激活燃烧器124、多个燃烧器或成组燃烧器之前使载气循环。例如，该载气可以是外部供应的起动流体，如基本纯的O2、基本纯的CO2、与基本纯的CO2混合的基本纯的O2或促进CO2捕获和提纯的其它流体，如再循环烟道气，包括在开始燃烧之前该系统中的空气首次进料（initial charge of air）。
通过在载气循环后激活燃烧器124、多个燃烧器或一组燃烧器，燃烧系统102的温度以更稳定方式提高。可以基于预先计算或基于通过在燃烧系统102各处并入的传感器，如温度传感器（例如热电偶）收集的信息激活燃烧器124和/或点火器。通过逐步激活或停用点火器，逐渐将燃烧系统102加热或冷却至所需温度。燃烧系统102的这种逐渐加热或冷却延长燃烧系统102的组成部分的可用寿命。另外，通过使用外部供应的起动流体，如基本纯的CO2、基本纯的O2或其组合作为载气，燃烧系统102的加热或冷却导致达到捕获和提纯更多CO2所需的预定CO2含量（保持高于捕获和提纯更多CO2用的预定含量）。例如，如下列实施例中所示，如果CO2的预定摩尔分数含量为大约0.5，在一个实施方案中，其可以在实现完全燃烧状况的总时间的大约0.7下实现。会认识到，预定CO2含量随燃烧系统102的尺寸和/或运行方法而变。
参照图3，本公开的一个示例性实施方案包括在激活至少一个点火器的步骤404之前的开始载气循环的步骤402。如图3中进一步显示，在激活至少一个点火器的步骤404后接着激活至少一个燃烧器的步骤406。任选可以重复激活至少一个点火器的步骤404和激活至少一个燃烧器的步骤406。需要这种重复以进一步使燃烧系统102的升温随时间经过逐渐转变；但是，不希望这种重复不必要地延长实现所需条件之前的持续时间，所需条件包括，但不限于，实现完全燃烧。图3中所示的最终步骤包括实现所需条件的步骤408。
参照图4，本公开的另一实施方案包括在开始载气循环的步骤402之前的激活至少一个点火器的步骤404。在此实施方案中，在开始载气循环的步骤402后接着激活至少一个燃烧器的步骤406。任选可以重复激活至少一个点火器的步骤404和激活至少一个燃烧器的步骤406。需要这种重复以进一步使燃烧系统102的升温随时间经过逐渐转变；但是，不希望这种重复不必要地延长实现所需条件之前的持续时间，所需条件包括，但不限于，实现完全燃烧。图4中所示的最终步骤包括实现所需条件的步骤408。
参照图5，本公开的再一实施方案包括在激活至少一个燃烧器的步骤406之前的激活至少一个点火器的步骤404，步骤406在开始载气循环的步骤402之前。在此实施方案中，开始载气循环的步骤402后接着激活至少一个点火器的步骤404，其后接着激活至少一个燃烧器的步骤406。任选可以重复激活至少一个点火器的步骤404和激活至少一个燃烧器的步骤406。需要这种重复以进一步使燃烧系统102的升温随时间经过逐渐转变；但是，不希望这种重复不必要地延长实现所需条件之前的持续时间，所需条件包括，但不限于，实现完全燃烧。图5中所示的最终步骤包括实现所需条件的步骤408。会认识到，与图3、4和5相关的步骤可以在与本公开相符的情况下重复或重排。
此外，可以在需要热启动的跳闸事件后使用本公开的启动方法。
参照图6，本公开的一个示例性实施方案包括停用至少一个燃烧器的步骤702、在停用至少一个燃烧器之后使载气在燃烧系统中循环的步骤704（同时仍产生包括CO2的流体，其中CO2含量随时间而降低）和保持高于预定CO2含量的步骤708，该预定含量允许通过CO2提纯单元捕获和提纯CO2。在一个实施方案中，在系统102热（或高于环境温度）的同时吹扫空气。在另一实施方案中，再循环的一次烟道气（primary flue gas）再循环降低使用空气吹扫该系统的速率，由此空气吹扫速率为大于0和小于或等于再循环烟道气流速的率值（ratio）。
实施例
对于各个下列实施例而言，选择典型的墙式燃烧电厂锅炉(wall-fired utility boiler)与本公开的实施方案进行比较。第一实施例着眼于在完全燃烧之前的空气-燃料燃烧中启动多用燃烧器，接着使气体再循环和引入氧气作为氧化剂。第二实施例验证在系统升温开始时使用氧气和因此再循环的条件。第三实施例例证使用来自外部来源的CO2作为再循环气流时的条件。
图7至11显示在一段无量纲时间内作为燃烧流体（如果载气循环，其包括载气）的摩尔分数的CO2含量。图7至11指定CO2组分801、H2O组分803、N2组分805和O2组分807的摩尔分数。这些组分的图解仅是示例性的且无意限制燃烧流体和/或载气可能包含的组分。对应于表3，图7至9通过显示包括在无量纲时间（dimensionless time）0.0激活第一组点火器的步骤、激活第二组点火器的步骤809、激活第三组点火器的步骤811、激活第四组点火器的步骤813、激活第一组燃烧器的步骤815、在移除或停用第一组点火器的同时激活第二组燃烧器的步骤817、在移除或停用第二组点火器的同时激活第三组燃烧器的步骤819、在移除或停用第三组点火器的同时激活第四组燃烧器的步骤821和在移除或停用第四组点火器的同时实现完全燃烧的步骤823的示例性方法进一步阐述启动方法。
表1详述前三个实施例各自中使用的燃料。表2将用于实施模拟的各种系统参数制表。启动周期保持恒定并显示在表3中。使用无量纲时间作为模拟基础，因为启动程序随系统而变。1.0的无量纲时间代表该系统被视为处于完全燃烧速率时，无需点火器以辅助燃烧。在所有这三个实施例中，最小再循环风扇容量限于40%。为了比较，用于下游捕获和加工的烟道气中最低CO2摩尔分数保持在0.50。
表1：煤分析
表2：锅炉设计参数
描述词 值
单位输出 600 MWe
构造 对壁
燃烧器 32
行数（rows） 4
点火器燃料 天然气
点火器尺寸 10%燃烧器尺寸
点火器燃料值HHV 60°F，14.7 psia 1000 Btu/ft3
烟道气氧(Flue Gas Oxygen)，按湿量 4.5%
烟道气流的空气渗入量% 3.0%
锅炉升温速率 15°F/min
完全速率下的锅炉平均温度 1750°F
平均停留时间Vr/Vo 28 sec
单位效率（HHV） 39%
再循环比（基于吹扫流） 2.0
全部的最小再循环流%（Min Recycle Flow % of Full） 40.0%
用于除去的最小惰性物CO2摩尔分数 0.50
表3：启动程序
实施例1描述最初用空气启动，随后在达到完全燃烧后转变成在再循环下完全氧气燃烧的系统的响应。该系统的响应曲线显示在图7中。在图7中，无量纲时间0.0代表在使该系统达到空气-燃料燃烧（其由无量纲时间1.0表示）之前激活点火器。如已充分证明的那样，完全燃烧速率下的烟道气最终组成为烟道气中小于15% CO2。在时间>1.0下显示该系统对引入载气循环的响应。随着CO2和水分数提高，该系统中的氮减少。表4显示与实施例2和3相比该实施例的累积排放。以实施例1空气-燃料启动作为1.0的基线值，正规化表4中的排放。将二氧化碳排放制表直至达到0.50 CO2的摩尔分数。图7表明这在1.39的无量纲时间下发生。将该实施例的以千lbmoles测得的累积二氧化碳排放制表并如表4中所示基于1.0的无量纲基线值正规化。
实施例2描述最初在点火器的氧基点火时启动的系统的响应，其中立即启动烟道气再循环。如上所述，再循环风扇的最小值设定在40%容量，再循环速率为排出流量的2/3，规定为2.0的再循环比。这使该流的1/3留在下游进一步加工和最初排出。在完全速率下和在适度极限负荷（turndown）条件下可实现2.0的再循环比。但是，在锅炉处于深度极限负荷（deep turndown）或启动时，再循环风扇的最小流量要求限制该再循环风扇的极限负荷。在这种最低极限负荷以下，再循环流速固定且再循环比随着增大极限负荷而提高。对此实施例而言，直至第二组燃烧器运行前，再循环速率固定在风扇容量的40%。在这点后，使再循环速率改变以使再循环到锅炉的气体量为吹扫气流量的两倍，如上提到的2.0的再循环比。
图8显示实施例2对该系统的各种组分的响应。如图7中那样，无量纲时间0.0代表激活第一点火器的时间。在最初缓慢改变期后，该系统的响应在引入最终点火器时更明显，并通过引入第一组燃烧器进一步实现。在无量纲时间1.0，烟道气中的CO2摩尔分数达到0.50。这低于实施例1所需的时间。表4显示与实施例1排放相比，总CO2排放减少大约60%。
实施例3描述使用来自外部来源的CO2将初装料供应到再循环回路中的系统的响应。假设该外部供应的CO2具有极高纯度，以便可忽略该流中的杂质而不显著影响结果。在最小再循环容量下注入该外部供应的CO2流直至达到烟道气中0.5摩尔分数的阈值。此时，停止CO2的外部供应并开始烟道气再循环。如实施例1中类似地描述，以完全速率的40%的最小流速，基于燃烧气体的输入流速调节再循环速率。该系统的响应显示在图9中，其包括代表激活第一点火器的无量纲时间0.0。明显地，该系统对外部供应的CO2的响应比实施例1或2快得多。烟道气中CO2的快速积聚使CO2摩尔分数到0.18无量纲时间单位时达到0.5。CO2排放的相应降低显示在表4中。相对排放缩减至原始空气-燃料排放的18%并略低于实施例2中的再循环法的排放的一半。
表4：排放结果
  实施例1 实施例2 实施例3
总CO2排放103 lbmoles 85.8 32.5 15.3
相对CO2排放 1.00 0.38 0.18
下一组实施例描述燃烧系统在停机过程中的响应。各实施例的燃烧系统的初始状态显示在表5中。锅炉内的气氛等于表1中描述的在煤上的氧-燃料燃烧的预期气氛。
表5：排放结果
Figure DEST_PATH_IMAGE003
实施例4显示燃烧系统停机以便长时间维护。使用空气清除该燃烧系统的燃烧气体以及冷却该燃烧系统的内部部件。经由再循环回路中的管道网络引入空气，其可以在没有烟道气再循环到燃烧系统的情况下引入空气。由此，我们假设该风扇具有与实施例1至3中的再循环风扇相同的容量。假设用输入的燃烧气体和燃烧系统空气渗入使烟道气中的CO2摩尔分数处于稳态，如表5中所示为大约65%。使用针对该系统的温度和压力调节的标准体积计算CO2的lbmoles。1700°F的温度和3 in WC的压力用于标准体积计算。在规定条件下该系统中CO2的lbmoles总数为589.5，见表5。
图10显示随时间发生烟道气组成的变化。CO2含量的快速降低与氮和氧的随后升高形成对照。采用与前一实施例中相同的标准，CO2含量在无量纲时间0.053降至低于0.50。可如下计算排放的CO2：取停机开始时锅炉中的CO2的lbmoles总数并减去在烟道气中的CO2摩尔分数降至低于0.50之前捕获的CO2量。表5概括实施例4和5的排放的CO2的计算结果。在此实施例中排放总共173.0 lbmoles的CO2，29.6%。使用该百分比在效率基础上正规化CO2排放量，显示在表5中。也如表5的最后一行中所示在lbmole基础上正规化二氧化碳排放量。效率基础是所存在的给定量的CO2的捕获效率的衡量标准，而总量基相对CO2排放是通过实施例4的总CO2排放量正规化的实施例4-7的方法的总CO2排放量。使用实施例4作为基线，其中对比实施例5-7。
实施例4显示对在无再循环的情况下用空气冷却该系统的响应。实施例5强调在仍用空气吹扫该系统的同时使烟道气再循环的作用。为了实现这一任务，经由与再循环风扇等容量的单独的风箱供应空气。因此，输入的吹扫空气的体积流量等于再循环烟道气的体积流量。假设烟道气的初始组成与实施例4相同，65% CO2。利用这种再循环方法的系统的响应显示在图11中。仍看出CO2的快速降低，而氮气和氧气曲线表现出较好的（complimentary）趋势。与实施例4相比，CO2含量更快降低，0.022无量纲时间单位。尽管CO2含量的变化更快，总捕获效率略高于实施例4，相对CO2排放分别为0.991和1.000。由于实施例4和5的CO2初始lbmoles相同，基于效率和lbmole的相对排放相同。实施例5中的方法略优于实施例4。但是，可通过降低吹扫空气流量来增强再循环的作用，在效率和lbmoles基础上都进一步提高CO2捕获的效率。
在实施例6中，通过在不引入外部空气供应的情况下使烟道气再循环来冷却锅炉。为补偿送入捕获系统的烟道气，在一次再循环下游使用二次再循环以提供冷却该系统所必需的附加流量。例如，这种再循环流可源自存在于相同地点的运行电厂锅炉（operating utility boiler）。二次再循环的组成类似于一次再循环，因此该系统内的CO2含量保持在与实施例4和5类似的值。一旦将该系统冷却至100°F，停止一次和二次再循环并如实施例4中所述用空气吹扫锅炉。由于该锅炉现在是冷的，该锅炉内所含的气体质量已成比例提高。对实施例4-7而言，在由降温环境造成的气体摩尔数提高的计算中假定理想气体性状并制表在表5中。在实施例6与实施例4和5之间，CO2摩尔数显著提高。由于该较低温度，输入的气体实际流量较小，以降低该系统中的混合和提高捕获CO2的相对效率。在实施例6中捕获的CO2百分比提高，但总排放量更大。实施例6中的方法的相对效率为0.96，同时排放的CO2的相对lbmoles超过实施例4和5的排放量的3.5倍。因此，实施例6中所用的方法不如之前的实施例优选。
实施例6的结果表明在先用再循环气体冷却该系统时缺乏益处，其中一次和二次再循环流具有类似组成。实施例7同样含有一次和二次再循环流，二次再循环位于一次再循环下游。但是，二次再循环的组成明显不同于一次再循环，例如具有一个或多个附加加工步骤以提高CO2，例如之前捕获的CO2的纯度。实施例7的料流具有从原始料流中除去的显著量的水并已经压缩和冷却。该压缩和冷却的气体随后经单独管道送回再循环管道网络以再注入。通过在冷却锅炉的同时使这种较高纯度的料流再循环，提高锅炉中的CO2含量。在开始最终空气吹扫时，烟道气中CO2的摩尔分数为80%，记录在表5中。
在比实施例4和5低并等于实施例6的实施例7的温度下观察到气体质量的成比例增加，见表5。如实施例6中所示，该较低温度降低气体的实际流速，因此提高停机时捕获的CO2的百分比，在相对效率基础上为0.72。CO2的较高初始含量也提高捕获的CO2百分比。这些益处明显使实施例7的方法好于实施例6的方法，因为CO2的总lbmoles较低，表5。但是，CO2的总lbmoles仍明显高于实施例4和5的那些，3.44倍之多的排放的CO2，因此不如实施例4和5中所述的方法优选。
实施例4至7略述氧/燃料燃烧锅炉的四种不同的停机程序。各方法对捕获的CO2的相对效率和总量的影响显示在表5中。实施例5、6和7中介绍的方法显示出捕获的CO2百分比的提高，或效率提高。但是，排放的总CO2明显为实施例4和5中所述的方法更有利。这归因于该系统中的CO2总量小于在实施例6和7的较冷温度下存在的量。该系统中CO2的总lbmoles的提高胜过了实施例4和5中所用的方法不如实施例6和7中的方法有效的事实。因此，在较高温度下吹扫优于较低温度。如果易得，有时可使用氮气。燃烧系统的氧-燃料基燃烧提供额外的方法，其中可以使该系统停机并额外约束在停机过程中从烟道气中捕获CO2。在仍热的同时用空气吹扫该系统提供了在停机过程中释放的总排放量方面的优点。此外，在再循环下运行提供了从烟道气中捕获CO2的效率方面的较小但明确的优点。
当空气吹扫流量低于再循环烟道气流时，再循环作用较大。通过守恒方程，空气流量的减少降低了送入CO2压缩和提纯单元的烟道气的流速。这又降低由输入的空气流带来的稀释效应，同时提高该再循环流中杂质，例如空气组分，如氮气和氧气的积聚。总体作用是提高在该系统中捕获CO2的总效率。因此，优选在用空气吹扫该系统的同时使气体再循环。但是，实施例6和7显示对需要二次再循环流之前可以再循环的烟道气的量存在限制。此时，通过引入两个再循环阶段，锅炉被充分冷却。在这些实施例中在较低温度下，排放的CO2的总lbmoles大得多。因此，优选使用大于0但小于再循环流流速的空气量冷却和吹扫该系统。
尽管已参照优选实施方案描述本公开，但本领域技术人员会理解，可以在不脱离本公开的范围的情况下作出各种变动并可将其要素换成对等物。此外，可以在不脱离其基本范围的情况下对本公开的教导作出许多修改以适应特定情况或材料。因此，本公开无意局限于作为本发明的最佳实施方式公开的具体实施方案，但本公开包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1. 运行氧/燃料燃烧系统的方法，该方法包括：
提供燃烧系统，该系统包含：
       炉，其经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体；
       对流段，其经安排以从该炉接收该燃烧流体；和
       在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传向热交换介质；
在激活至少一个燃烧器之前使载气在该燃烧系统中循环；
产生包括CO2的该燃烧流体，其中该燃烧流体中的CO2含量随时间而提高；和
继续产生该燃烧流体一段时间以超过在该燃烧流体中的预定CO2含量，该预定含量足以使该CO2通过CO2提纯单元提纯。
2. 权利要求1的方法，其中该载气选自该系统中的空气的首次进料、再循环烟道气、外部供应的起动流体及其组合。
3. 权利要求2的方法，其中该起动流体选自基本纯氧、基本纯的CO2及其组合。
4. 权利要求1的方法，进一步包括提纯CO2。
5. 权利要求1的方法，其中该燃烧系统进一步包含CO2提纯单元。
6. 权利要求1的方法，进一步包括在使该起动流体循环后激活第一燃烧器组。
7. 权利要求6的方法，进一步包括在激活该第一燃烧器组后激活第二燃烧器组。
8. 氧/燃料系统，该系统包含：
炉，其经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体；
对流段，其经安排以从该炉接收该燃烧流体；
在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质；和
CO2提纯单元，其经安排和布置以在高于预定CO2含量下提纯该CO2；且
其中安排该炉以在激活至少一个燃烧器之前使起动流体循环，该起动流体选自基本纯的O2、基本纯的CO2及其组合，
其中该燃烧流体包括CO2，其中该CO2含量随时间而提高，且
其中该系统经安排和布置以在高于该燃烧流体中的预定CO2含量下继续产生该燃烧流体一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯。
9. 权利要求9的系统，进一步包含第一燃烧器组，其经安排和布置以在在该起动流体被循环后被激活。
10. 权利要求11的系统，进一步包含第二燃烧器组，其经安排和布置以在激活第一燃烧器组后被激活。
11. 运行氧/燃料燃烧系统的方法，该方法包括：
提供氧/燃料燃烧系统，该系统包含：
       至少一个燃烧器；
       炉，其经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体；
       对流段，其经安排以从该炉接收该燃烧流体；和
       在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质；
停用所述至少一个燃烧器中的一个或多个；
在停用所述至少一个燃烧器中的所述一个或多个后使起动流体在该燃烧系统中循环；
使该燃烧流体中的CO2含量保持高于预定CO2含量一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯；且
其中该CO2含量随时间而降低。
12. 权利要求13的方法，其中该起动流体选自基本纯氧、基本纯的CO2及其组合。
13. 权利要求13的方法，进一步包括提纯该CO2。
14. 权利要求13的方法，其中该燃烧系统进一步包含该CO2提纯单元。
15. 权利要求13的方法，进一步包括在使该起动流体循环后停用第一燃烧器组。
16. 权利要求14的方法，进一步包括在停用该第一燃烧器组后停用第二燃烧器组。
17. 权利要求10的方法，进一步包括在停用至少一个燃烧器后激活至少一个点火器。
18. 权利要求10的方法，进一步包括在该系统高于环境温度时用空气吹扫。
19. 权利要求17的方法，进一步包括使一次烟道气再循环并减少吹扫该系统的空气量。
20. 权利要求17的方法，其中该用空气吹扫相比于该一次烟道气的再循环具有高于0但不大于大约1的比率。
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