CN103814265A - 研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器的燃料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器(9)的燃料的方法，所述方法包括：将空气分离成具有至少150℃的温度和至少98摩尔%氮气的纯度的热氮气流，和氧气流；引导至少一部分的所述氮气流到燃料研磨机(2)；在借助于所述氮气流形成的富氮气氛中借助于所述燃料研磨机(2)研磨所述燃料；引导所述至少一部分的氮气流离开所述研磨的燃料；引导所述氧气流到所述氧-燃料燃烧燃烧器(9)；传送所述研磨的燃料到所述氧-燃料燃烧燃烧器(9)；和在借助于所述氧气流形成的富氧气氛中借助于所述氧-燃料燃烧燃烧器(9)燃烧所述燃料。本发明还涉及研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器的燃料的系统以及包括这种系统的发电站。

Description

研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器的燃料的方法和系统
技术领域
本发明涉及研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器(combustion burner)的燃料的方法和系统。本发明还涉及包括这种系统的氧-燃料燃烧发电站。
背景
现今世界上使用的大部分能量来源于诸如煤炭、石油和天然气以及其他有机燃料的含碳和氢的燃料的燃烧。这类燃烧产生含有大量二氧化碳的烟气。由于对于全球变暖的担忧，日益需要减少二氧化碳向大气的排放，因此开发了在将烟气释放到大气之前从烟气中除去二氧化碳的方法。
为了减少烟气的量，且因此减小发电站及其气体净化设备的尺寸以及促进二氧化碳的纯化和去除，在燃烧炉中可使用氧气代替空气，即所谓的氧-燃料燃烧，产生具有高二氧化碳浓度和低氮气浓度的烟气。该氧气可借助于空气分离单元(ASU)通过将空气分离成氧气流和氮气流来得到。
可在进入炉子之前将用于氧-燃料燃烧的燃料如煤炭研磨成粉末以改善燃烧。
JP 59-024115 A2公开了借助于氧气渗透膜将空气分离成富氮空气和富氧空气，此后在富氮空气下将煤炭粉碎且将粉碎的煤炭用气富氧空气燃烧。
概述
根据本发明的一方面，提供研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器的燃料的方法，所述方法包括：将空气分离成具有至少150℃的温度和至少98摩尔%氮气的纯度的热氮气流，和氧气流；引导至少一部分的所述氮气流到燃料研磨机；在借助于所述氮气流形成的富氮气氛中借助于所述燃料研磨机研磨所述燃料；引导所述至少一部分的所述氮气流离开所述研磨的燃料；引导所述氧气流到所述氧-燃料燃烧燃烧器；传送所述研磨的燃料到所述氧-燃料燃烧燃烧器；和在借助于所述氧气流形成的富氧气氛中借助于所述氧-燃料燃烧燃烧器燃烧所述燃料。
根据本发明的另一方面，提供系统，其包括：空气分离单元(ASU)，其配置成将空气分离成具有至少150℃的温度和至少98摩尔%氮气的浓度的热氮气流，和氧气流；燃料研磨机，其配置成在借助于所述氮气流形成的富氮气氛中研磨燃料；和氧-燃料燃烧燃烧器，其配置成在借助于所述氧气流形成的富氧气氛中燃烧所述研磨的燃料。
根据本发明的另一方面，提供包括上述方面的系统的氧-燃料燃烧发电站。
上文和下文关于本发明的各个方面中的任一方面的论述在适用部分也与其他方面中的任一个相关。
通过得到具有高温的热氮气流并将其引导到燃料研磨机，可在所述热氮气流的气氛下研磨燃料。因此，所述热气流可用以干燥所述燃料，同时还提供减少在研磨/粉碎所述燃料期间粉尘爆炸的危险的惰性环境。可能需要在燃烧所述燃料之前干燥所述燃料以增加燃烧器的能量效率且减少污染和增加烟气体积的水蒸气的量。在到达所述研磨机之前，所述氮气流可能已经膨胀且其温度可能已经降低，但可能仍然高到足以使在所述研磨机中的燃料至少部分地干燥。通过自ASU得到具有足够高温度的氮气流，在所述气流可用于干燥所述燃料之前，可能不需要借助于在ASU外部的额外换热器来加热所述氮气流。
在所述燃料到达所述燃烧器之前自所述燃料除去至少大部分的所述氮气流，以减少烟气中氮气的量，由此减小烟气体积。
附图简述
下文将参考附图论述当前优选的实施方案，其中：
图1为包括根据本发明的系统的发电站的一个实施方案的示意图；
图2为可包括在根据本发明的系统中的空气分离单元的一个实施方案的示意图；
图3为根据本发明的方法的一个实施方案的示意性工艺流程图。
例示性实施方案的详述
本发明的系统和发电站包括连接其不同部分的管路且配置成允许相应流体和固态材料根据需要经所述系统/发电站流动或传输。所述管路视情况可包括导管、阀门、泵、传送机、压缩机、风扇、膨胀机、喷嘴、换热器等以控制相应流体和固体的流动/输送和性质。
所述热氮气流具有至少100℃，诸如至少150℃、至少200℃、至少220℃或至少240℃，例如200℃-300℃、220℃-280℃或240℃-260℃或约250℃的温度。该高温可在自空气中分离氮气流和所述氮气流进入燃料研磨机之间如在与在ASU内的压缩空气热交换之后离开ASU时得到，但该温度可能不是至燃料研磨机的全程都如此高。在到达燃料研磨机之前，所述热氮气流例如可能已经因例如在用于能量回收的涡轮机中膨胀而稍微冷却。方便地，所述氮气流在到达燃料研磨机时可仍然具有高温，使得其可用以干燥在所述研磨机中的燃料。因此，所述氮气流在进入燃料研磨机时可具有至少100℃、至少120℃或至少140℃，例如100℃-200℃、120℃-180℃或140℃-160℃，或约150℃的温度。
所述热氮气流具有至少95摩尔%氮气、诸如至少98摩尔%、至少99摩尔%或至少99.5摩尔%氮气的高纯度。该高纯度的氮气流增加其惰性并降低在研磨、干燥燃料和/或研磨之前或之后输送燃料期间燃料的着火或粉尘爆炸等危险。
用高纯度的氧气流也可方便地改善氧-燃料燃烧燃烧器的能量效率并减小烟气体积。因此，所述氧气流可具有至少90摩尔%氧气、诸如至少95摩尔%、至少98摩尔%、至少99摩尔%或至少99.5摩尔%氧气的高纯度。
将空气分离成热氮气流和氧气流可以任何合适的方式如通过包括空气的低温蒸馏的方式来进行。对于所公开的方法，低温蒸馏可为方便的，因为可得到具有很高纯度、诸如分别具有至少95摩尔%、至少98摩尔%或至少99摩尔%氮气和氧气的氮气流和氧气流。
将空气分离成热氮气流和氧气流可包括在分离之前压缩空气。方便地，所述压缩可至少部分地绝热以得到具有高温、诸如至少150℃、至少180℃、至少200℃、至少250℃或至少300℃，例如250℃-350℃、280℃-320℃，或约300℃的压缩空气。该热压缩空气随后可用以通过热交换得到所述高温的热氮气流。因此，在分离之前可将所述压缩空气急冷，且可加热分离的氮气流。压缩可在单一压缩步骤中或通过多级压缩进行。
通常，使用具有级间冷却的多级压缩以在ASU中压缩空气。在大多数情况下，热量随后通过使用冷却水除去。除去的热量随后可在约40℃下离开发电站且将终结于冷却塔、空气冷却器等中。在那种情况下，该热量将损失，因为其没有进一步用于所述系统或发电站中。中间冷却的压缩的一个优点在于需要较低的轴功率。因此，出乎意料的是，通过使用绝热压缩可实现较低的总能量消耗，允许将氮气流加热到一定温度使得其可在较低程度地或不额外加热氮气流且较低程度地或不额外干燥燃料的情况下用于干燥燃料。另外，可将在锅炉中燃料燃烧所需要的氧气预热。这降低了加热介质的需求量，所述加热介质诸如为来自燃料燃烧的热烟气、来自水-蒸汽循环的蒸汽或来自水-蒸汽循环的热锅炉进水。因此，可降低总能量消耗(燃料消耗)。并且，使用具有废热利用的绝热空气压缩可节约冷却水。在燃烧硬煤或次烟煤的情况下，燃料湿度的降低允许减小所有烟气烟道的尺寸并且还可减少冷凝和除去烟气的水蒸气所需要的冷却水的量。
因此，改善氧-发电站的总热平衡以及水平衡。
应注意到中间冷却的压缩或绝热压缩与中间冷却的压缩的组合也可用于本发明的方法和系统中，只要可得到具有足够高的温度的氮气流即可。所述压缩可构造成使得所述系统或发电站的总功率消耗降低或最小化。
可将通过ASU生成的氮气流的全部或仅一部分引导到燃料研磨机中。如果仅一部分引导到研磨机，则可将第二部分引导到额外的燃料干燥器中，补充在燃料研磨机中进行的干燥。在燃烧具有高水分含量的燃料(例如褐煤)的情况下，使用额外干燥器可能特别方便。对于常规发电站，众所周知用于干燥具有高水含量的燃料如褐煤的装置和方法。这类常规干燥器的热需求量以及其尺寸因此可通过集成该干燥器与根据本发明的ASU (废)热而减小。所述额外干燥器可配置成在研磨燃料之前或之后干燥燃料，而其可方便地在研磨之后额外地干燥燃料，因为与未研磨的燃料相比，研磨的燃料可具有较大的与热氮气流接触的表面，从而促进干燥。因此，本发明的方法还可包括：将第二部分的所述热氮气流引导到燃料干燥器中；在研磨所述燃料之前或之后，借助于所述燃料干燥器干燥所述燃料；和引导所述第二部分的热氮气流离开干燥的燃料。类似地，可根据需要连续地使用一个或多个额外干燥器，它们使用部分氮气流或其他干燥介质来干燥燃料。
所述燃料研磨机和/或任何额外干燥器的富氮气氛借助于所述富氮气流形成。然而，所述富氮气流可不只是由所述氮气流形成。可方便地使烟气自燃烧器下游再循环到研磨机以帮助形成用于研磨机的合适的惰性且干燥的气氛。通过组合所述氮气流与再循环的烟气以形成研磨机和/或额外干燥器的气氛，可将来自燃烧器和燃料燃烧的热额外地用于干燥燃料且可需要较少的热氮气流。
类似地，在燃烧器处的富氧气氛可不只是由来自ASU的氧气流形成，其还可由再循环的烟气形成。
可使用可能方便地与风扇、压缩机、膨胀机如涡轮机和/或其他单元联用的任何合适导管如管道以自ASU引导氮气流到燃料研磨机；引导氮气流离开燃料，例如离开燃料研磨机或离开自研磨机向燃烧器传输燃料的传送机；和自ASU引导氧气流到燃烧器。如果在除了研磨机之外的额外干燥器中将第二部分的氮气流用于干燥燃料，这种合适的导管还可用于自ASU引导所述第二部分的氮气流到燃料干燥器和引导所述第二部分的氮气流离开燃料，例如离开燃料干燥器或离开自干燥器向燃烧器传输燃料的传送机。
可使用任何合适的传送机如传送带以将未研磨的燃料传送或传输到燃料研磨机和/或自燃料研磨机传送或传输研磨的燃料到燃烧器，其中可能经过一个或数个额外燃料干燥器。
本发明的系统因此还可包括：第一导管，其配置成引导至少一部分的所述氮气流到所述燃料研磨机；第二导管，其配置成引导所述至少一部分的氮气流离开所述研磨的燃料；第三导管，其配置成引导所述氧气流到所述氧-燃料燃烧燃烧器；和传送机，其配置成传送所述研磨的燃料到所述氧-燃料燃烧燃烧器。
所述研磨机可为用于研磨/粉碎所述燃料并允许氮气流穿过的任何合适的燃料研磨机。
所述额外干燥器(如果使用的话)可为用于干燥所述燃料并允许氮气流穿过的任何合适的燃料干燥器。
所述燃烧器可为任何合适的氧-燃料燃烧燃烧器。
为了避免在研磨和借助于氮气流干燥燃料期间燃料粒子如研磨的燃料粉粒跟随氮气流离开燃料本体，可配置具有粒子去除器如静电沉淀器、旋风分离器、过滤器和/或洗涤器或与粒子去除器如静电沉淀器、旋风分离器、过滤器和/或洗涤器联用的配置成引导氮气流离开燃料的导管。如果使用额外干燥器，粒子去除器可与配置成引导氮气流离开额外干燥的燃料的导管联用。或者，可对于来自研磨机的氮气流和来自额外干燥器的氮气流二者使用单个粒子去除器。
参考图1，现在将描述包括根据本发明的系统的特定发电站1。
发电站1以及该系统包括配置成研磨/粉碎发电站燃料如煤炭的燃料研磨机2。研磨机2经由导管或传送机连接以便于待研磨的燃料进入研磨机2中。研磨机2还经由导管3连接到空气分离单元(ASU) 4以允许氮气流自ASU 4经研磨机2的气体入口进入研磨机2。另外，研磨机2配置成经导管和研磨机2的气体入口接收再循环的烟气，该烟气借助于风扇、压缩机或涡轮机5再循环。导管6配置成连接研磨机2与以静电沉淀器(ESP) 7形式的粒子去除器以使得氮气流和/或再循环的烟气可经由研磨机2的气体出口离开研磨机2并经由ESP 7的气体入口进入ESP 7。ESP 7配置成除去并送回跟随氮气流的任何燃料粒子。以传送带8形式的传送机连接研磨机2与氧-燃料燃烧燃烧器9使得研磨的燃料可借助于传送机8从研磨机2传输到燃烧器9。研磨机2的气体入口和气体出口配置成使得氮气流和烟气流相对于燃料借助于传送机8传输的方向横向穿过研磨机2，因此减少烟气且特别是到达燃烧器9的氮气的量。因此，研磨机2可在惰性氮气和烟气气氛中研磨燃料，该惰性氮气和烟气气氛降低研磨机2中燃烧或爆炸的危险，而流动的热气也干燥燃料。
也可使用额外的燃料干燥器10。干燥器10类似地经导管11连接到ASU 4且经导管12连接到ESP 7，允许热氮气经气体入口流入干燥器10，在干燥通过传送机8传输的研磨的燃料的同时且沿与所述燃料的传输方向垂直的方向穿过所述燃料，且经气体出口和导管12流出干燥器10流向ESP 7。
对于干燥器10来讲，额外或供选地，可使用燃料干燥器13来干燥燃料，所述燃料干燥器使用不同于所述热氮气流的干燥介质。
研磨机2以及传送机8和干燥器10和13可在略微高于周围环境的压力下操作以避免空气泄漏且因此避免氮气泄漏，这种泄漏将使氧-燃料燃烧的优点变小。
氧-燃料燃烧燃烧器9配置在锅炉14中或与锅炉14一起配置且配置成经传送机8接收干燥并研磨的燃料。燃烧器9构造成在借助于配置成经连接锅炉14与ASU 4的导管且经锅炉14的气体入口进入锅炉14的来自ASU 4的富氧气流可能还有借助于风扇、压缩机或涡轮机15再循环的烟气提供的富氧气氛中燃烧燃料。通过允许燃烧器9用氧气代替空气操作，减少烟气的量，因为先前已经除去了惰性氮气。该燃烧可通过再循环烟气与所使用的氧气的比率来控制。如果发生ASU故障或如果氧气无法提供到燃烧器9，用空气的燃烧仍然可能确保发电站1的可靠性。
锅炉14配置成由通过燃烧器9生成的热生成蒸汽，该蒸汽用于借助于涡轮机(未示出)产生电力。
ASU 4如上所述经气体导管连接到研磨机2、干燥器10和锅炉14，使得通过ASU 4生成的热氮气流可借助于导管3和6穿过研磨机2且经导管11和12穿过干燥器10，且通过ASU生成的氧气流可进入锅炉14以用于在燃烧器9处燃烧燃料。如果需要，则来自ASU的热氮气流可在分别进入研磨机2和干燥器10之前借助于换热器16额外地加热。在氧气流进入锅炉14之前可以方便地借助于换热器17预热该氧气流。
烟气净化设备与锅炉14连接以净化通过氧-燃料燃烧生成的烟气。该烟气因此可在任何排出气体释放到大气之前连续地穿过多个不同的净化单元。在图1的特定发电站中，烟气穿过配置成冷却离开锅炉14的烟气并加热如上论述再循环到研磨机2和锅炉14的烟气的烟气换热器、用于从烟气中除去粒子的静电沉淀器19、烟气压缩机20、烟气冷却器21、湿烟气脱硫单元22、烟气冷凝器23和用于自烟气除去二氧化碳的气体加工单元24。
参考图2，现在将描述ASU 4的一个特定实施方案。
绝热压缩机25构造成将周围温度和压力的空气压缩到200℃-300℃如200℃-250℃的温度和2-20巴如3-6巴，例如约5巴的压力。该压缩机配置成使得经导管进入的空气可经气体入口进入压缩机25。压缩机25经气体导管连接到换热器26使得压缩空气可经压缩机25的气体出口和该导管离开压缩机25以经换热器26的气体入口进入换热器26，从而通过所述换热器26急冷。
低温蒸馏单元27与换热器26流体连接使得可至少部分液化的急冷的压缩空气可经流体导管和蒸馏单元27的流体入口进入蒸馏单元27。蒸馏单元27例如可为在常规低温ASU中使用的常规蒸馏单元。蒸馏单元27配置成低温蒸馏压缩空气使得该空气分离成具有99.5摩尔%纯度的可为气体或液体或其混合物的至少一种氮气流和可为气体或液体或其混合物的至少一种氧气流以及可能的氩气流和/或其他空气成分流。另外，蒸馏单元27与换热器26流体连接使得该氮气流和该氧气流可经相应流体出口离开蒸馏单元27且经相应导管和换热器26的流体入口进入换热器26。
以涡轮机28形式的膨胀机配置成使所述至少一种氮气流以及可能还有其他分离产物膨胀，同时自所述膨胀回收能量。涡轮机28经分别供氮气流和任选的氧气流用的导管与换热器26流体连接，使得该氮气流和该氧气流可经换热器26的相应气体出口离开换热器26，经相应导管自换热器26通到涡轮机28并经相应气体入口进入涡轮机28。通常，膨胀机28包括分别用于氮气流和氧气流的单独的涡轮机。膨胀机28可针对多级膨胀配置。膨胀机28配置成使热氮气流从约250℃的温度和2-20巴如3-6巴、例如约5巴的压力膨胀到约150℃的温度和仅略微高于周围环境的压力。在借助于膨胀机28膨胀之后，如上文关于图1论述，可将该氧气流导引到锅炉14且可将该氮气流导引到研磨机2和可能将该氮气流导引到干燥器10。
如在图2中所示，来自蒸馏器27的至少一部分的氮气流可额外或供选地绕过换热器26和/膨胀机28，例如可能经图1的任选预热换热器16直接导引到研磨机2和/或干燥器10。
还可以方便地使氧气流在膨胀机如膨胀机28中膨胀例如以回收能量。此后可将该氧气流导引到锅炉14和燃烧器9。特别是如果该氧气流已经膨胀，则在该氧气流进入锅炉14之前可以方便地例如借助于与蒸汽热交换来预热氧气流。如在图2中所示，该氧气流可在膨胀机28中膨胀或绕过膨胀机28，例如直接导引到锅炉14，或者该氧气流的一部分可穿过膨胀机28，而另一部分绕过膨胀机28。
任选地，在借助于膨胀机28膨胀之前可使用换热器29来预热氮气流和任选的氧气流。换热器29可例如使用来自锅炉14的热烟气、来自发电站1的水/蒸汽循环的蒸汽和/或来自发电站1的水/蒸汽循环的锅炉进水作为加热介质。
如上论述，换热器26与压缩机25、蒸馏单元27和膨胀机28流体连接。换热器26配置成借助于与馏出物，即氮气流和氧气流热交换来冷却压缩空气。除了氮气流和氧气流之外，还可需要额外的冷却介质。换热器26因此可配置成将压缩空气从200℃-250℃的温度和2-20巴如3-6巴、例如约5巴的压力冷却到50℃-100℃的温度和2-20巴如3-6巴、例如约5巴的压力，将氮气流从0℃-30℃如约10℃的温度和2-20巴如3-6巴、例如约5巴的压力加热到150℃-250℃的温度和2-20巴如3-6巴、例如约5巴的压力且将氧气流从0℃-30℃如约10℃的温度和1-20巴如1-3巴、例如约1.2巴的压力加热到150℃-250℃的温度和1-3巴、例如约1.2巴的压力。
参考图3，现在将描述根据本发明的方法的一个特定实施方案100。
借助于ASU 4，将空气分离(步骤101)成热氮气流和氧气流。将该热氮气流引导到燃料研磨机2且将该氧气流引导到氧-燃料燃烧燃烧器9。
在燃料研磨机2中，在借助于来自ASU 4的热氮气流形成的富氮气氛下研磨(步骤102)燃料如煤炭。使该氮气流流经研磨机2以自燃料除去(步骤103)至少大部分的氮气，且使其不跟随燃料到达燃烧器9。
研磨的燃料借助于传送机8传输到燃烧器9，在此在借助于来自ASU 4的氧气流形成的富氧气氛下使其氧-燃料燃烧(步骤104)。
虽然已经参考许多优选的实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解的是，可在不偏离本发明的范围的情况下进行多种改变且可用等价物替代其要素。另外，可在不脱离本发明的基本范围的情况下进行许多修改以适应本发明的教导的特定情形或材料。因此，并非想要将本发明限制于作为针对实施本发明当前预期的最佳模式公开的特定实施方案，而本发明将包括属于附加权利要求书范围内的所有实施方案。此外，使用术语第一、第二等并不表示任何顺序或重要性或时序，而术语第一、第二等用以区分一个要素与另一要素。

Claims (9)

1.研磨用于氧-燃料燃烧燃烧器(9)的燃料的方法，所述方法包括：
将空气分离(101)成具有至少150℃的温度和至少98摩尔%氮气的纯度的热氮气流，和氧气流；
引导至少一部分的所述氮气流到燃料研磨机(2)；
在借助于所述氮气流形成的富氮气氛中借助于所述燃料研磨机(2)研磨(102)所述燃料；
引导(103)所述至少一部分的氮气流离开所述研磨的燃料；
引导所述氧气流到所述氧-燃料燃烧燃烧器(9)；
传送所述研磨的燃料到所述氧-燃料燃烧燃烧器(9)；和
在借助于所述氧气流形成的富氧气氛中借助于所述氧-燃料燃烧燃烧器(9)燃烧(104)所述燃料。
2.权利要求1的方法，其中所述空气分离包括低温蒸馏。
3.权利要求1或2的方法，其中所述空气分离包括绝热压缩空气以形成具有至少150℃的温度的空气流。
4.前述权利要求中任一项的方法，其中所述引导所述热氮气流离开包括借助于粒子去除器(7)如静电沉淀器或旋风分离器自所述热氮气流除去任何燃料粒子。
5.前述权利要求中任一项的方法，其还包括：
引导第二部分的所述热氮气流到燃料干燥器(10)；
在所述研磨(102)所述燃料之前或之后，借助于所述燃料干燥器(10)干燥所述燃料；和
引导所述第二部分的热氮气流离开所述干燥的燃料(10)。
6.系统，其包括：
空气分离单元(4)，其配置成将空气分离(101)成具有至少150℃的温度和至少98摩尔%氮气的纯度的热氮气流，和氧气流；
燃料研磨机(2)，其配置成在借助于所述氮气流形成的富氮气氛中研磨(102)燃料；和
氧-燃料燃烧燃烧器(9)，其配置成在借助于所述氧气流形成的富氧气氛中燃烧(104)所述研磨的燃料。
7.权利要求6的系统，其中所述空气分离单元(4)包括低温蒸馏单元(27)。
8.权利要求6或7的系统，其中所述空气分离单元(4)包括配置成压缩空气以形成具有至少150℃的温度的空气流的绝热压缩机(25)。
9.氧-燃料燃烧发电站，其包括权利要求6-8中任一项的系统。
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