CN1201891A - 从热废气中回收显热的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种从在燃料一空气点火燃烧装置中的其氧气浓度小于21体积%的热废气回收显热的方法和设备。将包含一种其氧气浓度大于21体积%的气体的氧化剂流引入燃烧过程中,以形成一种包括热废气、氧化剂及任何存在空气的氧化剂混合物,此混合物的平均总氧气浓度小于21体积%。

Description

从热废气中回收 显热的方法和设备
本发明涉及从热废气中回收显热的方法和设备
在Brayton循环及Diesel循环燃烧过程中，废气中的废热被用于降低能量成本，这已有若干年了。这种废热或者通过在没有进一步燃烧燃料的锅炉中提取此热量，或者通过用此热废气作为预热氧化剂，让它与别的燃料一起燃烧而回收。对使用燃气轮机的新式发电装置来说，为了从热废气中提取热量(但不进一步燃烧)，使用热回收蒸汽发生(HRSG)体系是优选的，因为这种联合循环的效率高。然而，热回收蒸汽发生(HRSG)体系用于从废气中提取热所需的资本成本是高的。此外，对这种新装置来说，必须典型地使用烟道气脱氮系统来降低NOx从燃气轮机的排放。需使用脱氮系统这增大了联合循环法的成本。
在对现存发电设备进行改型(通常称作“改建动力装置”，在高效地利用现存设备的同时产生额外动力)，大家都知道采用燃气轮机顶部循环法。在燃气轮机顶部循环中，将得自发电用气轮机的热废气用作上述的热废气，对这种装置来说，可以使用HRSG系统。然而，由于上述的HRSG系统的高成本，在将现存发电设备改型中，使用现存的全燃式蒸汽发生系统从热涡轮机废气回收显热时，通常称作“热一风箱改建动力装置”常常是更经济的。
在热风箱改建动力装置体系中，热废气用作预热氧化剂，置换现存燃料-空气点火锅炉中的燃烧空气。典型的锅炉具有两个部分：高温辐射区及低温对流区。涡轮机废气的氧气含量比通常用的燃烧空气中的低，因为需要更大体积的低氧气含量热废气来燃烧相同体积的在辐射区中的燃料，所以在辐射区提供的能量变少。其结果是，离开辐射区的烟道气含较高显热。离开锅炉辐射区烟道气的显热越高，反过来又增大在对流区内可提供能量的数量。这引起锅炉操作中的不平衡，导致效率不高，并常降低锅炉的能力。
因此需要对锅炉进行多处改造以便能将氧化剂由空气改为涡轮机热废气，能使所得烟道气温度更高，体积更大。在对流区，可能需安置另外的供水预热管和节省管，并且可能需把空气加热器除去。为操作热废气及产生足够的火焰稳定性可能需要新的燃烧器及新的风箱。对燃煤锅炉来说，可能必需明显减少热的输入以减少对锅炉管的腐蚀(即在原设计限度内维持气体速度)。通常，这些改进的每一种明显增大改型的成本。
现在，在常规的联合循环发电系统(与涡轮机顶部循环联合在一起的Rankine循环燃烧过程)中，从废气回收显热需要昂贵的HRSG系统，此系统包括与蒸汽涡轮机联合在一起的特别设计的对流锅炉。或者，通过具有补充燃料燃烧的现有锅炉回收废热需要对锅炉进行广泛的改进。这些改进，与HRSG体系所提供的联合循环相比，由于上述的改型高成本和热风箱改建动力装置系统的总的发电效率较低，因此被认为在经济上不具有吸引力。
改建动力装置的另一缺点是从燃气轮机和锅炉排出的NOx增大。为了符合严格的NOx排放规定，典型地需要一种除NOx催化体系以降低烟道气流中NOx的排放量，而这又进一步增大改型的成本。
因此，本发明的目的是提供一种从热废气回收显热的方法和设备，它们能与现存的燃料-空气点火的燃烧过程一起被使用，而不需要对现存设备进行广泛改进。
本发明的另一目的是提供一种前述设备和方法，在其中，在顺流燃烧过程中燃气轮机废气内的NOx量被降低了，因而从转化体系排放的NOx总量不超过燃料-空气点火体系的NOx排放量。
描述了在燃料-空气点火燃烧设备中从氧气含量低于21体积％的热废气回收显热的方法和设备。将此热废气及富氧氧化剂气流(它包含氧气含量大于21体积％的气体)导入燃烧过程，以形成包含热废气、氧化剂及任何剩余空气的氧化剂混合物，此混合物的平均总氧气含量小于21体积％。
虽然平均总氧气含量小于空气的21体积％(燃烧设备据此设计)，但是因为从热废气回收显热，所以使用较少燃料却可以获得在水平上与使用空气的燃烧至少基本上相同的燃烧。此外，因为混合物的氧气含量低于空气中的，因此在锅炉各区之间显热的回收被平衡了。因而，从热废气回收显热在燃烧装置的操作中不导致不平衡。其结果是，可以从热废气中回收显热而不需要对原来为空气-燃料燃烧所设计的燃烧装置进行实质改造。
图1是现有技术导入空气-燃料燃烧装置的示意图；
图2是图1所示燃烧装置的示意图，在其中，用来自废气产生设备的热废气及根据本发明的氧化剂，对空气-燃料供应进行补充。
图3图示表示在各个绝热温度下在空气中燃烧少量天然气所产生的热氧化剂的氧气浓度，这将在燃烧过程中产生一定数量的可利用热，此热量相当于使用大气(线1)和使用把空气预热到400°F(线2)的燃烧过程中所产生的。
在图1中所示的是一种燃烧装置，典型地是燃料锅炉发电厂。在这种装置中，分别通过燃料供应线4和空气供应线2把燃料及空气供入锅炉6中。在锅炉6中，空气-燃料混合物被燃烧，生成蒸汽，产生电力。
图2中所示的，是在根据本发明的体系中，包括与燃气轮机8在一起的锅炉6的燃烧装置。分别通过燃料供应线4及空气供应线2把燃料及空气送入锅炉6中，以与上述相同的方式对锅炉6进行设计用于燃料-空气燃烧。在此同时，分别通过涡轮机燃料供应线10和涡轮机空气供应线12往燃气轮机8供应燃料及空气。涡轮机8以通常方式起着使空气-燃料混合物燃烧、产生电力的使用。作为燃烧副产物，涡轮机产生热废气。典型的燃气轮机废气的温度将为约1000～1100°F，氧气含量约为13～14％。燃料-空气点火燃烧过程，它起初至少将燃料与空气进行混合以便燃烧。燃料-空气点火燃烧装置是一种被设计成进行燃料-空气点火燃烧过程的装置。
为了从涡轮机8产生的热废气中回收显热并因此节省燃料，把氧气含量小于21体积％，通常在10～16体积％范围内的热废气，通过热废气供应线13导入锅炉6中。在此同时，将氧气含量大于21体积％的富氧氧化剂由氧化剂源14通过氧化剂供应线16送入锅炉6中，以生成可供在锅炉6中燃烧用的空气、热废气及氧化剂的氧化剂混合物。此混合物的平均总氧气浓度大于热废气中的，但小于21体积％。可分开使用空气、热废气及富氧氧化剂，或作为氧化剂混合物使用，多阶段燃烧此燃料，以减少NOx排放。对任何给定锅炉负荷来说，可以调节空气、热废气、富氧氧化剂及燃料的流动，以便在最优效率下操作锅炉。此发明的氧化剂混合物不要求构成此混合物的液体被准确混合。这些液体可以分开地导入燃烧过程或装置之中，而且它们在燃烧过程和装置中可以彼此分开地与燃料相互作用。
因为通过供应富氧氧化剂流提高了热废气/空气混合物的氧气浓度，因此锅炉辐射区可提供的热量增多了。其结果是，没有向锅炉的对流区提供过量的显热，就如当用废气作为氧化剂而没有氧气补充时的一样。因此，不必改造锅炉以解决这种不平衡。为了合适地燃烧而不改造锅炉，人们会希望，氧化剂混合物的氧气含量应提高到实际上等于空气的氧气含量(约21体积％)。然而，业已发现，由于从热废气回收的显热，需要惊人少量的富氧氧化剂，而且仅需要氧化剂混合物氧气浓度为约16～19体积％，与在不存在从热废气回收的显热时的空气燃烧相比，在锅炉6中可以提供相似的燃烧条件。
因为相对于空气来说氧气是昂贵的，所以，所需氧气量比所期望的少的本发明方法，具有重要的经济上的优点。对被设计为使用环境空气而不预热的锅炉来说，在锅炉中节省的燃料数量在BTU含量方面基本上等于从热废气回收的显热的数量。不能期待100％的表观热回收效率(它以术语“较低热值下的燃料节省”表述)，因为烟道气温度，或在锅炉中燃烧后热废气排至大气的热涡轮机气温度为约300～400°F。作为比较，在HRSG体系中(在此体系中热涡轮机气被从约1000-1100°F冷至约300-400°F)仅为60-70％。此外，从热废气回收的显热不导致锅炉6操作中的不平衡，因为在加入已富集了氧化剂的富氧化剂流16情况下，可供应的供应至锅炉辐射区的热量是受控制的。因此，锅炉6在与其原始设计、未经改造的空气-燃料燃烧条件相似的条件下进行操作。本发明的令人惊奇的另一方面是，在任何用大气或中等预热空气燃烧的加热炉(包括其烟道气温度高于热废气温度的那些加热炉)中，均可回收热废气的显热。
本发明将用下列实施例进行说明。
                      比较实施例1
                  (涡轮机废气直接燃烧)
在基本操作(事例1A)中，在1261 MMBtu LHV/小时下将锅炉用天然气和大气点燃。其结果是，在锅炉辐射区可提供601 MMBtu/小时的热，而从锅炉排出的烟道气温度为2000°F。可供应的热量相当于燃料输入的47.6％。然后用热涡轮机废气取代燃烧空气(事例1B)，这使得用热涡轮机废气燃烧的天然气产生相同的总热输入。因为在涡轮机废气中含有338 MMBtu/小时显热，故燃烧速度降至923 MMBtu/小时。氧化剂总体积由14,378,000 SCFH升至17,067,000 SCFH，这会产生过压问题。在辐射区可供应的热被降至能量总输入(燃料输入加上涡轮机废气的显热)的39.9％，其结果是，在锅炉辐射区可供应的热量仅为503 MMBtu/小时，这比基本操作少98 MMBtu/小时。另一方面，锅炉对流区的显热提高了98 MMBtu/小时，即由660升至758MMBtu/小时，这引起锅炉辐射区与通风区之间的热分布不平衡，而这需要对锅炉进行机械改造使之能使用热废气作为氧化剂。
       实施例2(用增氧的涡轮机废气代替全部空气)
在基本操作(事例2A)中，用天然气及大气，在速度为1538 MMBtuLHV/小时的情况下在部分负荷下将锅炉点燃。在锅炉辐射区可供应用的热量是732 MMBtu/小时，这相当于47.3％的燃料输入。用天然气及涡轮机气并加有氧气(事例2B)将锅炉点燃，以提供相同的总热输入。因为在涡轮机废气中含有的显热为338 MMBtu/小时，故加热速度被降为1200 MMBtu LHV/小时。把614,000 SCFH的氧气加到氧气含量为13.6体积％的17,067,000 SCFH热涡轮机废气中，以生成氧化剂平均总含量为16.6体积％，平均温度为1053°F的联合氧化剂混合物。因为氧气浓度这一惊人的合适的提高，可提供的热量被提高以与事例2A(732MMBtu/小时)相匹配，而且供应到对流区的显热要使得与空气点燃过程(805 MMBtu/小时)相匹配。因此，对这一锅炉来说氧气浓度为16.6％，温度为1053°F的热氧化剂混合物相当于大气(21％O2及77°F)。其结果是，以大气燃烧原始设计的锅炉能用涡轮机废气燃烧循环来改型而不必进行大的改动。
               实施例3(用氧气部分置
            换空气增强涡轮机废气的燃烧)
在基本操作(事例3A)中，用天然气和燃烧空气在2707 MMBtuLHV/小时的速度下在全负荷下点燃。在锅炉的辐射区可提供的热量是1289 MMBtu/小时。这可提供的热量相当于47.6％燃料输入。然后用涡轮机废气及加入氧气置换部分燃烧空气将锅炉点燃，以提供相同的总热输入，把加热速度降到2370 MMBtu LHV/小时。把空气流动速度由30,869,000 SCFH降至13,340,000 SCFH，而且把614,000 SCFH的氧气加至17,067,000 SCFH热涡轮机废气中。涡轮机废气和氧气的流速和此混合物的氧气浓度(16.6体积％)与实施例2的相同。此氧化剂混合物的平均温度为1053°F。混合氧化剂的平均氧气含量(包括空气)被提高到18.4体积％，而温度降到654°F，因为仅有一部分燃烧空气被增氧涡轮机废气所置换。辐射区内可提供的热量(1289 MMBtu/小时)，以及提供给锅炉的显热，与基本数据相匹配。因此，为大气燃烧而没计的锅炉可在用增氧气废气部分代替燃烧空气的情况下操作，而不对锅炉管作改造。通过再降低燃烧空气量及提供另外的氧气，在锅炉内可使用体积大得多的热废气。可用此锅炉处理的燃气轮机废气最大数量为约30,039,000 SCFH，这相当于燃气轮机电力输出的约94.7MW。在此速度下不需用燃烧空气，而需要的氧气为约1,800,000 SCFH。
事例3C说明使用富氧氧化剂而不是使用纯氧。富氧氧化剂的氧气浓度是24.4体积％，而流速是13,954,000 SCFH。这些数值被选用来匹配平均氧气浓度及事例3的空气和氧气混合物的总流速，因而不需燃烧空气。因此，氧气浓度为18.4％，温度为654°F的热氧化剂混合物相当于用于此锅炉的环境空气(21％O2及77°F)，而且事实上事例3C变得相当于事例3B。当富氧氧化剂的氧气浓度相对低时，必须用热废气与大量富氧氧化剂相混合，以使所得氧化剂混合物相当于原始燃烧空气。所得氧化剂混合物与使用纯氧相比，具有更大的体积，更高的氧气浓度，及更低的温度。
            实施例4(用氧气部分代替空气，
          用预热空气，增强用于锅炉的废气燃烧)
为提供基本操作(事例4A)，用2,707 MMBtu/小时的天然气及大气将锅炉全负荷点燃。空气的预热温度为400°F，而且，作为其结果，在锅炉辐射区能提供更多的能量(1,473 MMBtu/小时)。此可提供的热量相当于能量总输入(输入的燃料加上空气预热能量)的50.95％。然后将此锅炉用天然气及加氧涡轮机废气点燃以产生相同的能量输入和可提供的能量。加热速度降至2.478 MMBtu LHV/小时，这能节省燃料230 MMBtu/小时(与事例3B中是338 MMBtu/小时比较)。燃烧空气流速度由30,869,000 SCFH降至12,730,000 SCFH，而把976,000 SCFH的氧气加至17,067,000 SCFH热涡轮机废气中。涡轮机废气和氧气的混合物的氧气含量是18.2体积％。平均温度为1035°F。此混合氧化剂的平均氧气含量(包括空气)增加到19.3体积％，温度降为782°F，因为仅是一部分燃烧空气被增氧涡轮机废气置换。
辐射区内可提供的热量(1,473 MMBtu/小时)及送往锅炉对流区的显热(1,418 MMBtu/小时)与基本数据相匹配。因此，以预热空气燃烧所设计的锅炉能在一部分燃烧空气被增氧涡轮机废气置换的情况下操作，而不必对锅炉管子进行改造。然而，燃料的减少仅相当于从涡轮机废气回收的显热的68％，与事例3B相比，需要实际上大得多的氧气。因此，用大气在锅炉内回收涡轮机废热，比使用装有空气预热器的锅炉为好。
与事例3C相比，事例4C说明使用富氧氧化剂的效果。富氧氧化剂的氧气浓度为26.5体积％，流速为13,706,000 SCFH，使用这种氧化剂、不需要燃烧空气，而且事例4C变得与事例4B相当。因此，对此锅炉而言氧气浓度为18.2％、温度为1035°F的热氧化剂混合物，及氧气浓度为19.3％、温度为782°F的热氧化剂混合物均相当于预热空气(21％O2及400°F)。
在此分析中，虽然燃烧空气流动速度由30,869,000降至12,730,000SCFH，但假设空气预热温度恒定于400°F。如果对锅炉的原始空气预热器部分不作改动，则空气预热温度变高。此外，在空气预热器之后，锅炉烟道气温度提高了。因此，真实的燃料减少会高些，对氧气的需要会低些。用供水预热器或氧气预热器代替空气预热器的一部分，可以回收锅炉烟道气中可供应的过量热量。
                  实施例5：用工业加热
               炉中的高氧燃烧氧代替空气
作为基本操作(事例5A)，用天然气及大气，在180.5 MMBtu LHV/小时的速度下把加热炉在全负荷下点燃。在1000°F烟道气温度下操作的加热炉中可提供的热量为138 MMBtu/小时，由于相对低的加工温度，可提供的热量仅相当于燃料输入的76.45％，为了发电，加上一个5.4MW工业规模燃气轮机。在加热炉应用中，如果往操作中维持可供应的热，则不必与烟道气的显热(它变成烟道气热量损失)相匹配。因此，燃料和氧气的数量能调节到各种水平，并往操作中提供相同数量的可供应热。
在事例5B中，用不加氧气的涡轮机废气将天然气点燃，以提供与事例5A相同的可利用热。加热速度降至152 MMBtu LVH/小时。氧化剂总体积从2,058,000 SCFH升到2,390,000 SCFH。对已有烟道气回收体系来说，这一增大不会引起超负荷问题。与基本情况空气事例相比，节省燃料为28 MMBtu/小时，或83％废气中的显热，在这一过程中，不加氧气即获得了相当高的热回收效率，因为加工温度是相对低的1000°F。
在事例5C中，减少了所加氧气的数量。燃烧空气流动速度从2,058,000 SCFH降至310,000,并把60,000 SCFH氧气加到1,707,000SCFH热涡轮机废气中。涡轮机废气和氧化剂的混合物的氧气含量是16.5％。此混合氧化物的平均氧气含量(包括空气)是17.2％，因为仅有一部分燃烧空气被增氧涡轮机废气代替了。经炉子可提供的热量维持在138 MMBtu/小时，烟道气中显热也与基本操作数字相匹配。氧化剂的总体积仅由2,058,000 SCFH稍增至2,077,000 SCFH。因此，不需要对现有烟道处理体系作改动。与基本操作相比，实现了节省燃料34MMBtu/小时，此燃料节省相当于从热废气100％回收显热。
在事例5D中，用涡轮机废气将天然气点燃，不加氧气，没有空气，以提供与事例5A中相同的可用热量。加热速度再降至142 MMBtuLHV/小时。把110,000 SCFH氧气加至1,707,000 SCFH热废气中。混合氧化剂的平均氧气含量是18.8体积％。
虽然事例5D的方法提供了最大的燃料节省，但这方法也需要相当多的氧气，而与空气相比，氧气是昂贵的。在事例5D中，为节省1 MMBtu LHV燃料，需要0.137吨氧气，与之相比，在事例5C中为0.075吨/MMBtu。当考虑事例5B(而不是5A)中不断扩大的燃料节省时，事例5C和5D的具体氧气需要量成为节省0.45吨/MMBtu LHV。因此，对相对低温下的燃烧过程来说，本发明的最经济操作法将取决于燃料和氧气的相对成本，而且使用氧气不必然会是经济的。
                 实施例6：在高温工业加热
               炉中用增氧燃烧气体代替空气
如基本操作(事例6A)，用天然气及大气，在180.5 MMBtu LHV/小时速度下全负荷将加热炉点燃。加热炉在2400°F烟道氧温度下操作时，仅可提供64 MMBtu/小时的热量。因为加工温度高，此可提供的热量相当于35.2％燃料输入。如实施例5，为了发电，加上一个5.4MW工业规模燃气轮机。
在事例6B中，不加氧气而用涡轮机废气将天然气点燃以提供相同的可利用热量。需要将加热速度稍稍提高到180.5 MMBtu LHV/小时，而不管在涡轮机废气中附带的显热。因此，不可能回收在此高温炉中的涡轮机废气的显热，因为烟道气体积较大及所得的显热损失到烟道气中去了。氧化剂的总体积从2,058,000 SCFH增大到2,714,000 SCFH，这会引起现有烟道气处理系统超负荷问题。
在事例6C中，燃烧气流动速度由2,058,000 SCFH降至306,000SCFH，又把61,000 SCFH氧气加到1,707,000 SCFH涡轮机热废气中。此涡轮机废气与氧气的混合物的氧气浓度为16.5体积％。此混合氧化剂(包括空气)的平均氧气含量为17.2体积％，因为仅一部分燃烧空气被增氧涡轮废气代替了。为炉子供应的热量维持在64 MMBtu/小时，而且此烟道气中的显热也与基本操作数字相匹配。氧化剂的总体积仅从2,058,000 SCFH稍微增大到2,073,000 SCFH。因此，不需要对现有烟道气处理体系进行改造。与基本操作相比，实现的燃料节省为34MMBtu/小时。这一燃料节省相当于100％从热废气回收显热。
在事例6D中，用加有氧气但没有空气的涡轮废气将天然气点燃，以提供与事例6A相同的可利用热量。加入27,000 SCFH氧气(即总氧气流速为88,000 SCFH)，以代替剩余的空气，并与1,707,000 SCFH涡轮热废气相混合。把加热速度再降至131.8 MMBtu LVH/小时，燃料这种进一步节省可归因于用氧气置换空气。混合氧化剂的平均氧气含量为17.8体积％。表观燃料节省相当于涡轮废气中显热的144％。在事例6C和6D中，特别氧气消耗对每MMBtu LHV节省燃料来说是0.076吨氧气。
得自各实施例的数据总结在表1-3中。
                 表1.燃气轮机的操作条件
                       事例2-4      事例5，6燃料输入(MMBTU HHV/小时)    580.00
                                          58空气流速(1,000 SCFH)
                        16,500         1,650(化学计量空气的％)
                           304           304电力输出(MW)
                          53.8           5.4加热速度(BTU HHV/KWH)
                        10,774        10,774
废气温度(°F)             1,085            1,085
O2浓度(体积％)            13.6             13.6
废气中显热                                 1,346
(MMBTU/小时)                340               34
管道中的热损失(MMBTU/小时)    2                0表2：实施例1-4的锅炉操作条件
                           事例1A   事例1B   事例2A   事例2B   事例3A   事例3B     事例3C     事例4A     事例4B   事例4C(废
                           (空气)   (废气)   (空气)    (废气   (空气)(废气+氧化 (废气+氧化  基本操作 (废气+O2) 气+氧化剂)
                         基本操作          基本操作    +O2)  全负荷 剂)全负荷   剂)全负荷400°F空间 400°F空气  400°F空气燃料输入(MMBTU HHV/HR)          1,397     1,023     1,704   1,330   3,000    2,626      2,626     3,000      2,745       2,475
    (MMBTU LHV/HR)          1,261       923     1,538   1,200   2,707    2,370      2,370     2,707      2,478       2,478在废气中的显热                              338               338              338        338                  338         338空气预热能量(MMBtu/小时)                                                                            184         76          76空气预热温度(°F)                  77        77        77      77      77       77         77       400        400         400空气流动速度(1,000 SCFH)       14,378         0    17,534       0  30,869   13,340          0    30,869     12,730           0废气流动速度(1,000 SCFH)                 17,067            17,067           17,067     17,067               17,067      17,067富氧氧化剂流动速度(1,000 SCFH)                0               614              614     13,954                  976      13,706富氧氧化剂氧气浓度(体积％)                                                     100       24.4                  100        26.5废气-富氧混合物O2浓度(体积％)                                                16.6       18.4                 18.2        19.3平均温度(°F)                                                                1,053      1,053                1,035         782氧化剂总流动速度(1,000 SCFH)   14,378    17,067    17,534  17,681  30,869   31,021     31,021    30,869     30,773      30,773空气废气氧化剂-氧化剂混合物O2浓度(体积％)                     20.9      13.6      20.9    16.6    20.9    18.4        18.4      20.9       19.3        19.3平均温度(°F)                      77     1,085        77   1,053      77     654         654       782        782
                          事例1A   事例1B  事例2A   事例2B  事例3A     事例3B     事例3C     事例4A     事例4B   事例4C(废
                          (空气)   (废气)  (空气)   (废气   (空气) (废气+氧化 (废气+氧化    基本操作 (废气+O2)   气+氧剂)
                         基本操作        基本操作   +O2)  全负荷   剂)全负荷  剂)全负荷  400°F空间 400°F空气 400°F空气加工温度(°F)                   2,000   2,000   2,000   2,000   2,000     2,000     2,000      2,000       2,000       2,000(辐射区之后的烟道气温度)可供应的热量(MMBTU/HR)            601     503     732     732   1,289     1,289     1,289      1,473       1,473       1,473可供应的热量(LHV的％+T.EXHS)     47.6    39.9    47.6    47.6    47.6      47.6        48         51        50.9        50.9往对流区的显热                    660     758     805     805   1,418     1,418     1,418      1,418       1,418       1,418电力输出(MW)加热速度(BTU HHV/KWH)             170     170     300     300     300       300       300        300电力总输出(MW)                 10,000   7,803  10,000   8,754   8,754    10,000     9,151      9,151燃料总输入(MMBTU HHV/HR)                          170     224     300       354       354        300         354         354平均加热速度(BTU HHV/KWH)                       1,704   1,910   3,000     3,206     3,206      3,000       3,325       3,325递增加热速度(BTU HHV/KWH)                      10,000   8,518  10,000     9,062     9,062     10,000       9,400       9,400在锅炉中节省的燃料(MMBTU LHV/HR)                        3,824             3,832     3,832                  6,051       6,051加热回收比例                                              338               337       337                    230         230(LHV减少的燃料/涡轮机排出的热)                           1.00              1.00      1.00                   0.68        0.68氧气/总排放热(T/MMBTU LHV)                              0.077             0.077     0.077                  0.179       0.179表3实施例5和6中在加热炉内的燃烧条件
                        事例5A    事例5B    事例5C(废气    事例5D    事例6A    事例6B    事例6C    事例6D
                       基本操作  (废气+空  +O2+空气)冷 (废气+O2) 基本操作  (废气+O2 (废气+O2 (废气+空
                         冷空气 气)冷空气      空气         冷空气    冷空气  +冷空气)    +空气)  气)冷空气燃料输入(MMBtu HHV/小时)           200        169        162        157        200        200     162        146
    (MMBtu HHV/小时)         180.5      152.2      146.6      141.9      180.5      180.6   146.6      131.8废气中的显热                                 33.9       33.9       33.9                  33.9    33.9       33.9
                                 0          0          0          0          0          0       0          0空气预热能量(MMBtu/HR)空气预热温度(°F)                   77         77         77         77         77         77      77         77空气流动速度(1,000 SCFH)         2,058        683        310          0      2,058      1,007     306          0废气流动速度(1,000 SCFH)                    1,707      1,707      1,707                 1,707   1,707      1,707富O2氧化剂流动速度(1,000 SCFH)                 0         60        110                     0      61         88富O2氧化剂：O2浓度(体积％)                  100        100        100                   100     100        100废气-富O2混合物O2浓度(体积％)              13.6       16.5       18.8                  13.6    16.5       17.8平均温度(°F)                                1,085      1,053      1,028                  1,085  1,053      1,039氧化剂总流动速度(1,000 SCFH)     2,058       2,390      2,077      1,817      2,058      2,714   2,073      1,794空气-废气-氧化剂-氧化剂混合物O2浓度(体积％)
                              20.9        15.7       17.2       18.8       20.9       16.3    17.2       17.8平均温度(°F)
                                           815        918      1,028                   815     919      1,039
                           事例5A    事例5B   事例5C(废气   事例5D    事例6A    事例6B   事例6C   事例6D
                          基本操作  (废气+空  +O2+空气)  (废气+O2)冷基本操作 (废气+O2(废气+O2 (废气+空
                           冷空气   气)冷空气  冷空气        空气      冷空气   +冷空气)  +空气)  气)冷空气加工温度(°F)                     1,000      1,000       1,000      1,000      2,400      2,400    2,400     2,400(辐射区之后烟道气温度)可供应的热量(MMBTU/小时)             64        138         138        138         64         64       64        64可供应的热量(LHV的％+T.EXHS)       76.5       74.1        76.5       78.5       35.2       29.6     35.2      38.3炉中节省的燃料(MMBTU LHV/小时)                  28          34         39                     0       34        49热回收比例                                    0.83        1.00       1.14                  0.00     1.00      1.44(LHV减少的燃料/涡轮机排出的热)氧气/T.EXH HEAT-事例5A或6A                   0.000       0.075      0.137                 0.000    0.076     0.076(TON02/MMBTU LHV)-事例5B或6B                              0.45       0.45                          0.076     0.076
虽然在锅炉或工业加热炉的范围作了主要描述，但本发明的方法能够用任何空气燃料燃烧装置，这些装置包括(但不限于)蒸汽锅炉，石油加热器，干燥炉，高温加热炉，及其他的加热箱和窑来实现。燃烧装置可以是用任何合适燃料包括天然气、油和煤来燃烧的一种装置。
相似地，虽然本发明的方法已经主要就燃气轮机作了初步描述，但本发明可以用任何能产生其氧气浓度小于21体积％的废气的设备来实践。合适的热废气产生手段包括(但不限于)燃气轮机，焚化炉，热氧化器及高温空气分离单元。优选的是，热废气的温度是至少400°F，氧气浓度至少为5体积％。最优选的是，热废气的氧气浓度至少为10体积％。典型的涡轮机废气温度约为1000～1100°F，氧气含量约为13～14体积％。
用于提高热废气的氧气浓度的富氧氧化剂通常包含至少30体积％，优选包含至少80体积％，最优选包含至少90体积％的氧气。如实施例3和4所示，当富氧氧化剂氧气浓度相对低时，数量大得多的富氧氧化剂必须与此热废气相混合。所得的氧化剂混合物，与富氧氧化剂的氧气浓度高的情况相比，具有较大的体积，较高的氧气浓度及较低的温度。
如各实施例所述，增氧热废气能用于取代全部或部分燃烧空气。对大多数应用来说，热废气与富氧氧化剂(包括空气)的混合物平均氧气含量仅需比热废气高约1-5个体积百分点。如各实施例所示，若干因素(包括热废气的氧气浓度及温度，燃烧空气的温度及用于锅炉或加热炉的燃料类型，以及富氧氧化剂的氧气浓度)决定了所需富氧氧化剂的数量。所需条件与全部氧化剂混合物的平均氧气浓度和温度相关，并于图3中作了说明，以代替环境温度燃烧空气或400°F的预热燃烧空气。
在图3中，线1和2代表“绝热氧化剂”，当空气分别处于77°F(大气)和400°F(预热空气)时，它们为燃烧过程提供相同的可利用热量。这些线代表热氧化剂的绝热温度及氧气浓度。通过在空气中燃烧少量天然气而形成此热氧化剂，它预热空气并引起氧气浓度的相应降低。
以这些线代表的热氧化剂称作“空气等效热氧化剂”。假设燃烧空气的温度为To°F，则在温度Th(以°F表示)和空气等效热氧化剂的氧气浓度Co(以％表示)之间存在近似的线性关系：
               Th＝To+P(20.9-Co)式中P是一个取决于燃料类型的比例常数：对天然气来说P为230°F/O2％。当在使用相同燃料的加热炉中用这绝热预热氧化剂取代常规燃烧空气时，则对精确量的用于生成空气等效热氧化剂的燃料来说，对燃料的需要较少了。在加热炉中可提供的热量保持恒定。用温度为Th的空气等效热氧化剂取代时，在节省的燃料Qf[以Btu(LHV)表示]与温度为To的燃烧空气数量Va[以SCF(60°F下的ft3)表示]之间，存在近似的线性关系：
            Qf＝qVa(Th-To)      (2)式中q是比例常数，对天然气来说它是约0.020Btu/ft3/°F，而不管加热炉的类型及温度。
点(3)代表用于实施例中的燃气轮机废气的条件，在线1中它比绝热点(2)低。点(2)与点(3)之间的温差是因为在燃气轮机中能量被取出和热量损失造成的。(注：点(2)的温度不相应于燃气轮机的绝热燃烧器温度，因为不考虑空气的压缩)。因为燃气轮机废气能量含量的不足，在加热炉中使用燃气轮机废气导致可利用的热量减少。本发明的实质是用富氧气体提高涡轮机废气的氧气浓度，并把它带进“空气等效热氧化剂”管线中。即，本发明氧化剂混合物的平均总氧气浓度优选在空气等效热氧化剂的1体积％之内。
点(4)和点(5)代表在实施例3中所得的氧化剂条件。当使用纯氧时(事例3B)，达到“空气等效热氧化剂”线，而在温度方面无明显损失(点(4))。当富氧氧化剂的氧气浓度相对低时(在事例3C中是24.4％)，则必须用热废气将很大量富氧氧化剂混合，所得氧化剂混合物具有更大的体积，更高的氧气浓度及更低的温度(点(5))。
相似地，点(7)和点(8)分别代表事例4B和事例4C的氧化剂条件。为达到“空气等效热氧化剂”线，需要更大数量的富氧氧化剂，这是因为点(6)所代表的预热空气的能量含量更高。点(4)代表用于实施例5，事例5C和事例6C的“空气等效热氧化剂”。在所有这些事例中，涡轮机废气中的显热被作为燃料节省而全部回收，而不管加热炉或锅炉的温度，因此显示了本发明的好处。
上述讨论是基于一种热涡轮机废气，它“理论上”与一种富氧氧化剂混合以提供相当于燃烧空气的氧化剂混合物，或相当于热氧化剂的空气。然而，为了减少从燃气轮机-锅炉体系的NOx排放，优选分开加进含有在燃气轮机中生成的NOx的涡轮机热废气，而富氧氧化剂分成两个或多个阶段加入锅炉以燃烧燃料，每个阶段采用不同的氧化剂流。优选这样来燃烧燃料，在第一燃烧阶段是在带有涡轮机热废气的富氧环境下，别的空气或富氧气体可以用涡轮机热废气进行混合。优选将第二阶段氧化剂(包括富氧氧化剂和燃烧空气，如果使用的话)以这样一种方法喷入炉中，以便在用得自第一燃烧阶段的富含燃料燃烧产物进行混合之前用循环炉气使氧化剂被冲稀。氧化剂冲稀的方法，如美国专利5,601,425或5,242,296中所述的那些，可用于第二阶段燃烧。
虽然不可能对这些独特燃烧条件预言最佳的低NOx燃烧条件，但能供应富氧的或已耗掉氧气的氧化剂则为低NOx燃烧提供了巨大的伸缩性及好处。与常规的空气燃烧相比，当使用涡轮机废气时，由于它的氧气浓度低，其火焰温度降低了，而当使用富氧气体时，则又升高了。因此，为了最大减少在涡轮机废气中所含的NOx，本发明在优化化学计量比和燃烧的第一阶段和第二阶段的温度方面有另外的优点，而又在燃料燃烧方面减少产生额外的NOx。其他已知的分阶段燃烧及再燃烧技术可与本发明配合使用，以减少所得烟道气的NOx含量。
当在本发明的联合发电循环中使用锅炉和涡轮机时，对在全部时间下在其最大负荷下操作涡轮机和根据所需全部电力调节锅炉热负荷来说，它在热方面是更有效的。为了蒸汽温度控制或气体调节或低NOx燃烧器操作，锅炉可装上一个烟道气再循环体系。因为用于本发明的已耗掉氧气热废气相当于燃烧空气与再循环烟道气的混合物，故可以减少气体再循环数量或消除气体再循环。当减少气体再循环时，应减少富氧氧化剂的数量以平衡锅炉的温度要求。虽然本发明的实践使得能在不进行主要改造的情况下操作燃料-空气点火锅炉，但是对燃烧器和管子需要进行少量改造，以使得能控制涡轮机热废气及另外的氧化剂的流动。
应该明白，前述描述及实施例仅是对本发明的说明，对技术熟练人员来说在不背离本发明的情况下可作出各种改变和改进。因此，本发明打算包括所有落入所附权利要求范围之中的这类变更、改进和改动。

Claims (10)

1.一种从其氧气含量小于21％体积的热废气回收显热的方法，此方法包括：
把该热废气引入燃料-空气点火燃烧过程；
往该燃烧过程中引入包含一种其氧气浓度大于21％体积的气体的氧化剂，以形成一种存在于该燃烧过程中的任何空气、该热废气及该氧化剂的氧化剂混合物，该混合物的平均总氧气浓度小于21％体积；
作为从该热废气回收显热的结果，减少往该燃烧过程中的燃烧空气及燃料的输入，以及在与空气燃烧所取得的基本上相等的热条件下操作此燃烧过程。
2.权利要求1的方法，其中该平均总氧气浓度小于19％体积。
3.权利要求1的方法，其中提供给该燃烧过程的燃烧空气减少到零。
4.权利要求1的方法，其中此混合物的平均总氧气浓度，在空气等效热氧化剂的氧气浓度的1体积％之内，此空气等效热氧化剂是通过在空气中在绝热条件下将提供给该燃烧过程的少量燃料燃烧，把空气加热，同时使其氧气浓度降低所形成的液体。
5.权利要求1的方法，其中该燃烧过程是分阶段燃烧过程，该分阶段燃烧过程中的第一阶段是燃料丰富的阶段，而分阶段燃烧过程的第二阶段是包括将该氧化剂加至该燃烧过程中，该氧化剂被喷入以引起炉内气体的再循环，以便在用该第一阶段燃料丰富的燃烧产物与该氧化剂混合之前将该氧化剂冲稀。
6.权利要求1的方法，其中该燃烧过程使用再循环烟道气，而且该再循环烟道气的流速被降低了。
7.一种从其氧气含量小于21％体积的热废气中回收显热的设备，此设备包括：
燃料-空气点火燃烧装置；
为将热废气送入该燃烧装置的废气供给；
把氧化剂送入该燃烧装置的氧化剂供给，此氧化剂包括一种其氧气浓度大于21％体积的气体，以形成已供至该燃烧设备的任何空气、该热废气及该氧化剂的氧化剂混合物，该混合物的平均总氧浓度小于21％体积；
作为从该热废气回收显热的结果，该平均总氧浓度足以支持在与用空气燃烧所获得的基本上相同热条件下的燃烧。
8.权利要求7的设备，其中该热废气由燃气轮机，柴油机，焚化器，热氧化器或高温空气分离单元产生的。
9.权利要求7的设备，其中该燃烧设备是蒸汽锅炉，石油加热器，干燥炉，炉子或窑。
10.权利要求7的设备，还包括将再循环烟道气送入燃烧装置的手段。
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