CN104870382B - 利用燃气轮机和热交换器从熔化炉的烟气回收能量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在炉(10)中进行熔化的单元和方法，所述炉包括通过燃烧加热的熔化室，其中空气通过与燃烧产生的烟气进行热交换而被加热。经加热的空气在燃气轮机(41，42)中使用以产生电能和/或机械能。此外，燃气轮机的排出物用于预热熔化室上游的助燃氧和/或气态燃料。

Description

利用燃气轮机和热交换器从熔化炉的烟气回收能量
在熔化炉中，通过施加热能而使原材料转化成熔融材料，该热能通常至少部分地通过燃烧来提供。
火焰产生的大部分热能被传送至炉料(固体原材料和熔融材料)。然而，剩余热量与燃烧烟气一起被排出炉外。
在空气燃烧或空气-燃料燃烧的熔化炉中，已知使用由陶瓷制成的交替对流热交换器(蓄热器)或使用钢制热交换器(换热器)来预热位于炉的上游的燃烧空气，以便不仅提高炉中的燃烧效率而且提高设备整体效率，而且，排出的烟气中含有的一部分热能作为能量被回收并且作为预热燃烧空气的能量来使用。
在具有换热器的玻璃炉中，燃烧空气被预热到700℃，同时蓄热器允许燃烧空气温度在设备寿命的开始时达到1200℃或甚至1250℃。
熔化炉的操作者，特别是玻璃制造者，越来越多地采用(富)氧燃烧技术，该技术更加有效(因为其消除了氮气的热镇流)和更清洁(降低NOx和CO2，因为NOx是由相同的氮气形成的)。
然而，已经为空气燃烧开发的用于从烟气回收能量的系统(蓄热器和换热器)通常不是非常适合于从由氧燃烧产生的烟气中回收热能。
EP-A-1338848中公开了一种用于从玻璃炉、特别是氧燃烧的玻璃炉的烟气回收能量的系统。所述系统包括用于通过与从炉排出的烟气进行热交换来预热富氧气体和/或气态燃料的至少一个热交换器，位于所述至少一个热交换器的下游并能通过与烟气热交换而产生过热蒸汽的锅炉，以及用于使过热蒸汽膨胀以产生机械能的蒸汽轮机。
根据EP-A-1338848，由涡轮机所产生的机械能可用于满足从空气分离气体、为玻璃炉供给助燃氧/燃烧氧(combustion oxygen)的设备的至少一部分能量需求。
为了以工业上可接受的效率在锅炉中产生过热蒸汽，位于锅炉入口的烟气，以及因此也位于热交换器的出口处的烟气需要温度为至少1000℃，或者甚至1200℃至1500℃。
尽管在EP-A-1338848中确定的材料具有承受这种温度的良好能力，玻璃制造商更喜欢使用被认为更耐用的较低温的能量回收系统。
这种在从氧燃烧玻璃炉的烟气中回收能量时特别可靠的替代系统在EP-A-0872690中公开。
根据EP-A-0872690，由氧燃烧炉产生的烟气被用于间接预热位于炉上游的氧和/或燃料。在第一热交换器中，来自炉的烟气通过在两种流体之间进行热交换而加热中间流体，例如空气。来自第一热交换器的被加热的中间流体用在第二热交换器中以加热助燃氧和/或燃料。
然而，根据EP-A-0872690的从烟气回收能量的系统并不允许从过热蒸汽形式的烟气中更多地回收能量，如EP-A-1338848中的情况一样，因为在实践中第一热交换器的出口处的烟气温度远低于1000℃。
发明内容
本发明的目的是提高从使用气态燃料和/或氧气作为氧化剂的熔化炉的烟气中回收热量的效率，其中助燃氧和/或气态燃料通过与从炉排出的烟气间接热交换而被预热。
本发明更具体地涉及一种在包括熔化室的炉中进行熔化的方法。根据该方法，助燃氧和/或气态燃料在熔化室上游的称为主交换器的热交换器中通过与传热气体进行热交换而被预热。
助燃氧和/或经预热的气态燃料用于通过燃烧加热熔化室，从而在熔化室中产生热能和烟气。
烟气从熔化室排出并被引入称为次(级)热交换器的热交换器，用于通过与从熔化室排出的烟气交换热量而加热压缩空气。
根据本发明，来自次交换器的经加热的压缩空气被用作燃气轮机中的氧化剂。因此该燃气轮机产生机械能和/或电能以及气态排出物。来自燃气轮机的所述气态排出物被用作传热气体，用于预热主交换器中的助燃氧和/或气态燃料。
至少助燃氧，和优选以及气态燃料有利地在主交换器中被预热。具体地，根据本发明，因为燃烧反应物通过与烟气间接热交换而被加热，即，经由传热流体进行交换，本发明对于预热氧气是特别适合并且可靠的。
根据本发明可以观察到在一方面：用于从来自燃烧室的烟气回收热量的系统与另一方面：燃气轮机之间的显著的协同作用。具体地，可以观察到能量效率大大高于可在燃气轮机与通过烟气预热的助燃氧和/或气态燃料的简单组合中预期的能量效率。
应指出的是，燃烧不一定是加热熔化室的唯一方法，也可使用其它加热装置例如电极。
预热的助燃氧可以是用于在熔化室中燃烧的唯一氧化剂，或者也可以与另一氧化剂、通常是空气相结合使用。
炉因此可以是氧燃烧炉(其中氧气是唯一的氧化剂)、增浓燃烧炉(富氧空气作为氧化剂)或替代地混合氧化炉(一方面用氧气燃烧与另一方面用空气、可能是富氧空气来燃烧相结合)。
在本发明的上下文中，术语“氧气”是指O2含量为至少75vol％，优选介于80vol％和100vol％之间，以及更优选介于90vol％和100vol％之间的气体。
同样地，预热的气态燃料可以是在熔化室中燃烧的唯一燃料，或者预热的气态燃料可以与另一种燃料相结合使用。
燃气轮机所产生的机械能和/或电能可以至少部分地供给至一个或多个空气压缩机。所述一个或多个空气压缩机尤其选自：供给次热交换器的空气压缩机，供给用于从空气分离气体的单元的空气压缩机，以及另一空气压缩机。特别是，不仅熔化设备装备有空气压缩机(通常被称为鼓风机)以用于向次交换器供给压缩空气，而且该设备还可以附加地包括用于空气气体分离的单元和/或其它消耗压缩空气的单元。该设备尤其可以包括分离空气气体的提供助燃氧的单元、压缩空气冷却设备等。
根据本发明的方法的一个实施例，燃气轮机供给空气压缩机的能量消耗的75％至100％，优选100％，该空气压缩机向次热交换器供给压缩空气。
作为参照，燃气轮机供给空气压缩机的能量消耗的25％至100％，优选50％至100％，特别优选100％，该空气压缩机供给空气气体分离单元。该空气气体分离单元优选产生用于熔化方法的助燃氧。所述空气气体分离单元可以特别包括用于低温蒸馏空气中气体的蒸馏塔，尽管也可以包括其它类型的用于分离空气气体的单元。空气气体分离单元可以特别地是一基于称为VSA(真空变压吸附)技术的系统。
还有益的是，当通过空气气体分离单元生产助燃氧被停止或产出减少时，提供液态氧贮存器作为助燃氧源。如果分离单元由燃气轮机供给动力，当燃气轮机停机以维护时，分离单元的输出的这种停止或减少可能显著发生。这种氧贮存器具有储存容量，该储存容量允许当空气气体分离单元停止时向熔化室的生产能力供给助燃氧6至8小时。还有益的是，提供辅助动力源，例如可以在燃气轮机停机时使用的用于供给机械能和/或电能的发电机组。
根据本发明的方法的参数取决于待熔化的材料例如玻璃、金属、陶瓷等，熔化室的大小和类型，熔融材料的生产量等。
当所述方法尤其(但不是唯一地)用于熔化玻璃时，该方法的下列操作参数(单独或组合地)已被确定为是有利的：
·次级交换器的入口处烟气温度为1000℃至2000℃，
·次级交换器的入口处的压缩空气处于10至20atm的压力，
·次级交换器的出口处的已加热的压缩空气的温度为600℃至800℃，
·燃气轮机出口处的气态排出物的温度为600℃至800℃。
来自主交换器的经预热的气态燃料中的一部分可以有益地用作燃气轮机的燃料。
本发明还涉及适于实现根据本发明的方法的任一实施例的熔化设备。
因此，本发明涉及一种包括炉的熔化设备，所述炉限定了通过燃烧加热的熔化室。熔化室还包括用于排出由所述燃烧产生的烟气的至少一个烟气出口。
所述设备还包括用于通过与传热流体进行热交换来预热熔化室上游的助燃氧和/或气态燃料的主热交换器。所述主交换器具有(a)(热的)传热流体入口和(中等温度的)传热流体出口以及(b)助燃氧入口(用于待被预热的助燃氧)和助燃氧出口(用于已预热的助燃氧)和/或气态燃料入口(用于待被预热的气态燃料)和气态燃料出口(用于已预热的气态燃料)。
主交换器有益地包括用于助燃氧的入口和出口以及优选还包括用于气态燃料的入口和出口。
所述熔化设备还包括用于通过与来自熔化室的烟气进行热交换来加热压缩空气的次热交换器。所述次热交换器具有(a)压缩空气入口(用于待被加热的压缩空气)和压缩空气出口(用于已被加热的压缩空气)以及(b)(热的)烟气入口和(中等温度的)烟气出口。
熔化设备装备有连接至次热交换器的压缩空气入口的第一空气压缩机，从而允许第一压缩机向次热交换器供给压缩空气。
作为通用规则，在本文上下文中，术语“连接”用于表示“可通流体地连接”，例如使用管道。
主交换器的烟气入口连接至熔化室的至少一个烟气出口。主交换器的助燃氧出口连接至熔化室的至少一个氧化剂喷射器和/或主交换器的气态燃料出口连接至熔化室的至少一个燃料喷射器。
根据本发明，所述设备还包括具有空气进气喷嘴和排气口的燃气轮机。次热交换器的压缩空气出口连接至燃气轮机的空气进气喷嘴。燃气轮机的排气口连接至主热交换器的传热流体入口，从而允许燃气轮机以传热流体方式向主热交换器供给废气。
根据所述设备的一个优选实施例，燃气轮机向至少一个空气压缩机供给机械能和/或电能。燃气轮机可特别向选自第一空气压缩机、供给空气气体分离单元的空气压缩机和另一空气压缩机(例如称为“第二压缩机”的向压缩空气消耗设备的至少一个其它单元供给压缩空气的空气压缩机)的至少一个空气压缩机供给机械能和/或电能。
当燃气轮机向至少一个空气压缩机供给机械能时，这有利地通过将燃气轮机连接至所述空气压缩机的传动轴来实现。
当根据本发明的设备包括空气气体分离单元时，该设备优选包括连接至熔化室的氧气出口，使得气体分离单元可以向所述室供给助燃氧。对于该助燃氧的供给，所述空气气体分离单元的氧气出口优选连接至主热交换器的助燃氧入口。那么所述空气气体分离单元的氧气出口经由主热交换器连接至熔化室，主热交换器的助燃氧出口连接至所述熔化室。
这样，所述分离单元的氧气出口可以连接至一个或多个氧化剂喷射器，熔化室直接地或者优选地经由主热交换器配备有所述氧化剂喷射器。
如上所述，空气气体分离单元优选包括用于从空气低温蒸馏气体的低温蒸馏塔，但也可以是VSA类型的设备。
有利地，所述设备还包括当空气气体分离单元停止或产出减少时作为助燃氧源的氧气贮存器。所述设备也可以有益地包括机械能和/或电能的辅助源，例如发电机组，用于在燃气轮机停机时供给机械能和/或电能。
如上所述，燃烧可以是加热熔化室的唯一方法，或者也可以与其他的加热系统例如电极相结合。
(热的)助燃氧可以是唯一的氧化剂，或者也可以与其它氧化剂例如特别是空气相结合。气态燃料可以是唯一的燃料，或者也可以与其他燃料相结合。
连接至主热交换器的助燃氧出口的氧化剂喷射器可以形成为熔化室的燃烧器的一部分。这种氧气喷射器还可以形成熔化室的氧化剂喷枪的一部分，以及特别是氧气喷枪的一部分。
同样地，连接至主热交换器的气态燃料出口的气态燃料喷射器可以形成熔化室的燃烧器的一部分，或者可以被集成到所述室的燃料喷枪中。
根据一个优选实施例，所述熔化炉是玻璃炉，尤其是浮法玻璃炉(即包括一个浮槽，也称为金属浴)，但本发明也用于其它类型的熔化炉，包括用于熔化金属例如非铁金属的炉。
本发明还包括对根据本发明的方法的上述实施例中任一个的熔化设备的使用。
附图说明
下面参照图1和2更详细地描述本发明及其优点。
图1和2是根据本发明的设备和方法的两个示例的示意图。
具体实施方式
熔化炉10是氧燃烧炉，由多个氧燃烧器(未示出)加热。所述燃烧器通过管道12被供给燃料例如天然气，以及通过管道11被供给助燃氧。
助燃氧是由空气气体分离单元50产生的，所述单元将压缩空气51分离成O2含量为至少90vol％的氧气流52和主要含有N2的流(未示出)。
在炉10中由氧燃烧产生的烟气通过烟气出口13从熔化室排出，所述烟气处于1000℃和2000℃之间、例如介于1250℃和1750℃之间的温度。
所述烟气被输送到一热交换器，称为“次热交换器”30。热的烟气经由烟气入口31进入次热交换器并且经由烟气出口32离开。在次热交换器30内部，烟气通过热交换加热压缩空气，压缩空气通过在压缩机34中将环境空气33压缩至介于10和20atm之间、例如约15atm的压力而获得。压缩机34也可以向空气气体分离单元50供给压缩空气。单元50也可以具有专用于向单元50供给空气的空气压缩机(未示出)。
压缩空气经由空气入口35被引入次热交换器30。已加热的空气在600℃至800℃的温度下经由空气出口36离开次热交换器30。
根据本发明，来自次热交换器30的已加热的空气用于根据燃气轮机的操作原理而产生机械能和/或电能。
因此，已加热的空气经管道46通过空气进气喷嘴被引入燃烧室41。在燃烧室41中，已加热的空气用于使通过燃料入口47引入的(气态)燃料燃烧。由此获得的燃烧气体处于1000℃和1600℃之间、例如介于1200℃和1400℃之间的温度下，并被送到膨胀涡轮42的入口43。
在所示的情况下，通过所述燃烧气体膨胀获得的能量被传送至：
·一方面以机械能的形式通过传动轴45传送至空气压缩机34，和
·另一方面经由连接部40以电能的形式传送至分离单元50。
在膨胀涡轮42的出口或排气口处，燃烧气体44的温度在550℃至750℃之间。这些燃烧气体44经由传热流体入口21被引入称为“主交换器”20的第二热交换器，并且经由传热流体出口22离开主交换器20。
附图中仅示出一个主交换器20。然而，所述主交换器20可以被分解成一系列的多个主子交换器，即一系列传热流体/助燃氧交换器和/或传热流体/气态燃料交换器。
来自分离单元50的氧气流52经由氧气入口23被引入主交换器20并且作为已预热的氧气经由氧气出口24离开主交换器。天然气流60经由燃料入口25被引入主交换器20并且作为已预热的天然气经由燃料出口26离开主交换器。在主交换器20内部，氧气流52通过与燃烧气体进行热交换而被预热至介于350℃和650℃之间、例如550℃的温度，天然气流60同样通过与燃烧气体进行热交换而被预热至介于250℃和550℃、例如450℃的温度。
这样预热的氧气作为助燃氧通过管道11被输送至炉10，以及这样预热的天然气作为燃料通过管道12被输送至炉10。
图2所示的实施例与图1的实施例不同之处在于，在图2中，已预热的天然气的一部分27被用作燃烧室41中的燃料。
示例
本发明及其优点在下面比较性的示例中说明。
根据本发明的示例对应于图1的视图。
参考示例对应于相同的视图，不同之处在于它既不具有上述的燃烧室41也不具有膨胀涡轮42，这就是说，它不具有燃气轮机。
炉是仅通过氧燃烧加热的玻璃熔化炉，氧气消耗量为7000Nm3/h以及生产量为大约620吨/天的玻璃。
空气气体分离单元的电力消耗估计为3MWe。
在主交换器中，氧气被预热到550℃，天然气被预热到450℃。
在主交换器中，被压缩至15atm的空气被加热到350℃。
在根据本发明的示例中，燃烧气体在1300℃的温度下离开燃烧室41。
电力平衡通过考虑两个消耗来限定：
■分离单元50的压缩阶段，和
■传热空气的压缩阶段。
下列被认为是能量生成阶段：
■膨胀涡轮42中的燃烧气体的膨胀。
所计算的材料和能量平衡表明，本发明能够产生用于通过分离单元生产氧气流所需的全部能量，或者甚至释放剩余能量，尽管涉及天然气消耗。
图表总结了能量消耗的结果。
表1：能量平衡和相关的天然气消耗
可以考虑两种情况：
-电的价格与燃气价格(€/MWh)可比拟的情况，
-电价是燃气价格(€/MWh)的至少三倍的情况。
运营成本包括电消耗和天然气消耗。
投资比例基于分摊到四年来计算，其中设备可使用8600小时/年。
表2提供了从这些材料和能量平衡得出的经济数据，基于下列的天然气价格和电价：天然气为40€/MWh和电为70€/MWh。
表2：投资成本计算(情况1)
对于情况2，其中天然气成本为40€/MWh和电为140€/MWh，经济数据在表3中列出：
表3：投资成本计算(情况2)。

Claims (17)

1.一种用于在包括熔化室的炉(10)中进行熔化的方法，在该方法中：
·从氧气和气态燃料中选出的至少一种燃烧反应物在熔化室的上游通过与主热交换器(20)中的传热气体热交换而被预热，从而获得至少一种已预热的燃烧反应物和适中温度的空气，
·熔化室借助于利用至少一种已预热的燃烧反应物的燃烧而被加热，从而在熔化室中产生热能和烟气，
·所述烟气从熔化室排出并被引入次热交换器(30)以使压缩空气通过与从熔化室排出的烟气热交换而被加热，
其特征在于：
·借助于燃气轮机(41，42)产生机械能和/或电能以及气态排出物，所述燃气轮机利用来自次热交换器(30)的已加热的压缩空气作为用于燃气轮机的氧化剂，以及
·来自燃气轮机(41，42)的气态排出物被用作传热气体，用于预热主热交换器(20)中的助燃氧和/或气态燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述燃气轮机(41，42)产生的机械能和/或电能至少部分地供给至一个或多个空气压缩机(34)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由所述燃气轮机(41，42)产生的机械能和/或电能的至少一部分被供给到至少一个选自下列的空气压缩机：供给次热交换器(30)的空气压缩机(34)；供给空气气体分离单元(50)的空气压缩机；以及另一空气压缩机。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述熔化炉(10)是玻璃炉。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述熔化炉(10)是浮法玻璃炉。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，来自主热交换器(20)的已预热的气态燃料的一部分被用作燃气轮机(41，42)的燃料。
7.一种熔化设备，包括：
·炉(10)，该炉限定了通过燃烧加热的熔化室，所述熔化室包括用于由燃烧产生的烟气的至少一个烟气出口(13)，
·用于在熔化室的上游通过与传热流体热交换对助燃氧和/或气态燃料进行预热的主热交换器(20)，所述主热交换器(20)具有(a)用于传热流体的入口(21)和出口(22)以及(b)用于助燃氧的入口(23)和出口(24)和/或用于气态燃料的入口(25)和出口(26)，
·用于通过与来自熔化室的烟气进行热交换来加热压缩空气的次热交换器(30)，所述次热交换器(30)具有(a)用于压缩空气的入口(35)和出口(36)以及(b)用于烟气的入口(31)和出口(32)，
·第一空气压缩机(34)，所述第一空气压缩机连接至所述次热交换器(30)的压缩空气入口，
在所述设备中：
·所述次热交换器(30)的烟气入口(31)连接至所述熔化室的烟气出口(13)，
·所述主热交换器(20)的助燃氧出口(24)连接至所述熔化室的至少一个氧化剂喷射器和/或所述主热交换器(20)的气态燃料出口(26)连接至所述熔化室的至少一个气态燃料喷射器，
并且，所述设备的特征在于：
·所述设备还包括具有空气进气喷嘴和排气口的燃气轮机(41，42)，所述次热交换器的压缩空气出口(36)连接至所述燃气轮机(41，42)的空气进气喷嘴，所述燃气轮机的排气口连接至所述主热交换器(20)的传热流体入口(21)，从而通过传热流体将来自燃气轮机(41，42)的废气供给到主热交换器(20)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述燃气轮机(41，42)向至少一个空气压缩机(34)提供机械能和/或电能。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述燃气轮机(41，42)借助于传动轴(45)向至少一个空气压缩机(34)提供机械能。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述燃气轮机(41，42)向选自以下的至少一个空气压缩机供给机械能和/或电能：第一空气压缩机(34)；供给空气气体分离单元(50)的第二空气压缩机；以及另一空气压缩机。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述燃气轮机(41，42)向空气气体分离单元(50)提供机械能或电能，所述空气气体分离单元具有连接至熔化室的至少一个氧化剂喷射器的氧气出口。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述空气气体分离单元(50)的氧气出口连接至所述主热交换器(20)的助燃氧入口(23)。
13.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述主热交换器(20)的助燃氧出口(24)连接至结合进熔化室的燃烧器的至少一个氧化剂喷射器，和/或主热交换器(20)的气态燃料出口(26)连接至结合进熔化室的燃烧器的至少一个燃料喷射器。
14.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述主热交换器(20)的助燃氧出口(24)连接至结合进熔化室的氧化剂喷枪的至少一个氧化剂喷射器，和/或主热交换器(20)的气态燃料出口(26)连接至结合进熔化室的燃料喷枪的至少一个燃料喷射器。
15.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述熔化炉(10)是玻璃炉。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述熔化炉(10)是浮法玻璃炉。
17.根据权利要求7至16中任一项所述的设备在根据权利要求1所述的方法中的应用。
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