CN1263981C - 组合空气分离和蒸汽发生的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明通过修改燃烧锅炉中的分阶段燃烧，提出了在锅炉运行中减少Nox的创新技术。在优选的方法中，把空气供给一个空气分离装置，把富氮气流与空气组合来产生富氮的第一阶段空气流，把富氧气流的至少一部分与空气混合来产生一个富氧的第二阶段空气流。本发明的方法和设备促进了NOx的减少和效率的增加。

Description

组合空气分离和蒸汽发生的方法及其设备

                        发明背景

1.发明简述

本发明通常涉及了空气分离方法，特别是涉及了与蒸汽发生设备组合的空气分离方法。

2.有关技术

动力研究和开发界在未来几年中面临着重要的挑战：在增加效率和减少污染的愈来愈严格的约束下要生产更多的能量。为了同时满足这两个目标，现在可以看出，明天的动力设备可能应该是模块式的，采用先进的系统集成技术方便地把不同模块组合在一起。

另一方面，大量的工业方法需要显著的动力消耗。其中一个方法是空气分离方法，动力消耗可能约占总生产成本的50％。有效益地减少锅炉运行中的污染发散，特别是减少氧化氮(NOx)的发生，有可能把两个完全不同领域：动力发生和气体分离联系在一起。

本发明基于空气分离、分阶段燃烧技术和氧气富集方法的组合应用。以下回顾一下这三个概念在锅炉运行范围中的先前技术。

a)分阶段燃烧

煤的燃烧造成烟囱中大量未燃烧的煤，因此浪费了大量燃料。这个问题可以用以下方法来处理，使得更完全地燃烧燃料，以及显著减少NOx的形成。图1描述了在标准锅炉中的一个燃烧室2。燃烧室可以分为两个主要区域：区域I，如图1的4所示，代表了与空气入口一起的燃烧器所在部位。燃烧空气可以与燃料一起进入燃烧室(利用一部分空气，即初次空气，把煤输送到燃烧室中)，或者在不同的入口进入燃烧室。可以部分地或全部地把燃烧空气引入锅炉。更现代的方案采用在如图1中6所示区域II中一个不同的空气入口，以改进燃烧方法和减少NOx发散。这种方案称为“分阶段燃烧”，因为燃烧方法在两个区域中产生。可以注意到，上述图示是非常一般的，表示了一个水平的烟气循环8。一般说，这个循环可以沿着任何方向(向上、向侧面、向下，等等)。

因此燃烧方法分为两个主要区域：区域I代表点火区，在那里燃料进入燃烧室，被加热和点火。如果煤的数量较少，则为了快速点火需要补充燃料(一般为天然气和燃料油)。区域II代表了为燃烧分配的最后区域。如上所述，可以引入补充的氧化剂。现代的分阶段燃烧系统容许把氧化剂的显著部分进入区域II(为总氧化剂的10到50％之间)。

但是，由于区域II的进入空气压力低，主要烟气流的流动模式有时比较平静，因此两个气流之间的混合较差，妨碍了未燃燃料的完全燃烧。

可以在先前技术中看到的对这个问题的办法是通过众多气流把高速氧化剂引入区域II，以便更好地混合。本发明通过利用引入区域II的富氧气体，也将着手解决这个混合问题。对燃料富集的燃烧产物补充增强的氧化剂(与空气相比)将导致更有效和完全的燃料燃烧。

b)氧气富集

氧气富集燃烧已经成为在一系列工业用途中采取的普通技术，如玻璃、钢、铝和水泥的制造，仅举出了少量名称。氧气富集技术的应用已经证明在这些工业中导致制造方法的显著改进，如燃料的节省、生产的增加、以及废料的处理。目前，有些用途中还没有大规模地开始应用富氧燃烧。这些用途之一是蒸汽发生器，那里为了燃烧要使用大量的燃料。

现有的锅炉具有广泛范围的蒸汽输出，需要的能量输入从几百千瓦(kW)到几千兆瓦(MW)。但是，对一个蒸汽发生器需要非常大的投入，以及现有锅炉已经高的热力效率，使得引入运行上的改变比较难以实现。锅炉操作者不太愿意引入锅炉性能的变更，因为可能会改变水蒸汽的性质(温度、湿度等)。在锅炉各部位(燃烧空间、对流区)的不同传热模式将导致蒸汽的不同局部蒸发/过热率，直接影响锅炉的管道。局部的蒸汽过热会导致较低的传热系数，因此导致局部管道的过热，最终引起管道的开裂。因此关键是相对地保持不改变初始设计的传热模式，以安全地生产所设计的蒸汽产量。

采用富氧燃烧对锅炉有两个影响：减少了氮气的质量比，增加了火焰的绝热温度，因此增加了局部的传热率，主要是辐射传热。

采用富氧燃烧的先前技术指出，它可以导致减少流经锅炉的烟气质量流率，对对流传热有负面影响。本发明也将着手解决这个问题，在减少NOx发散的条件下，保持烟气质量流率不改变所设计的参数。

c)空气分离

空气分离消耗大量电源，大多数用于空气压缩，就像气体涡轮机的循环。同时，低温空气分离装置冷却气体来分离不同的成分。与较热的气体相比，加压冷的气体需要比较小的压缩机功。另外，与加压气体相比，加压液体导致重要的能量节省。最后，有些被分离的气体离开分离设备时具有剩余的压力(特别是当采取隔膜分离设备时)，它可以被一个集成的方法所利用。

可以注意到，名称“空气分离”包括空气分离的任何技术，包括低温、隔膜、吸附方法等等。输出氮、氧、氩均称为富集气流，不一定是纯气流。因此，氧气流可以包含35到100％之间任何的氧，氮气流可以包含35到100％之间任何的氮。

因此需要一个创新的方法和设备来减少锅炉运行中的NOx，特别是在集成的空气分离/动力发生设备中。

                        发明概述

按照本发明，提出了集成的空气分离/动力发生设备，从而有效益地提供所需的气体，同时减少NOx的发散。

本发明的一个目的是提出一个方法，以明显地减少在锅炉运行中NOx的发生。诸如污染物的排放而引起的环境问题现在对动力发生方法来说是一个关键问题，但是，不根据方法的效率和利益来考虑，就不能产生新的技术概念。

因此本发明的意义是提出一个有效率而且也是有效益的技术，在一个新设计中通过把蒸汽发生方法与空气分离装置的组合来减少NOx，能够优化总的效率。

本发明的第一个方面是组合空气分离和蒸汽发生的方法，方法包括如下步骤：

a)把空气供给到空气分离装置中，把空气分离成为富氧气流和富氮气流；

b)把上述富氮气流的至少一部分与空气组合，产生一个贫氧的第一阶段空气流，以及把上述富氧气流的至少一部分与空气组合，产生一个富氧的第二阶段空气流；

c)混合燃料和上述贫氧的第一阶段空气流进入一个蒸汽发生装置的燃烧室，在上述燃烧室中开始燃烧上述燃料与上述贫氧第一阶段空气流，以产生一个烟气；

d)对上述蒸汽发生装置供给水，把上述水与上述烟气间接接触来发生蒸汽；以及

e)引入在上述燃料和上述贫氧第一阶段空气下游的上述富氧第二阶段空气，基本上完成上述燃料的燃烧，因此建立了明显降低NOx发生的燃烧条件。

这里采用的“燃料”包括(但不限于)气体、液体和固体燃料，以及它们的组合和混合。适当的气体燃料包括天然气、炼油厂的废气、酸气等。适当的液体燃料包括燃料油(例如2号、6号、C级船用重油)。适当的固体燃料最好是粉状煤、但也包括焦煤、生物物质、废料等。这里采用的名称“贫氧”意味着气流具有的氧少于空气中的氧，换句话说，少于21个体积百分点。对于本发明目的，“贫氧”和“富氮”可以交换使用。

优选的方法是：从低温空气分离装置、隔膜空气分离装置、吸附空气分离装置及其组合的一组分离装置中选择空气分离装置；富氮的第一阶段空气流具有氧气浓度范围从约10％(体积)到刚小于21％；富氮的第一阶段空气流具有氧气浓度范围从约15％(体积)到约19％；富氧第二阶段空气流具有氧气浓度范围从约21％到约35％。

按照本发明第一方面的另一个优选方法是；富氧的第二阶段空气流具有氧气浓度范围从约27％到约33％；富氮的初次空气具有氧气浓度范围从约8％到约15％以及容许未更改的二次空气气流进入燃烧室(其中初次和二次空气均是第一阶段空气的一部分，但初次空气与燃料一起喷射)。

按照第一方面特别优选的方法是：在把富氧气流与空气组合之前，确定在第二阶段空气中完成燃料燃烧所需的氧气含量，并且如果所需氧气含量与富氧气流之一相符，则在步骤(e)中直接把富氧气流喷射到燃烧室中。

按照本发明第一方面的又一个优选方法是：由ASU产生的富氮气流的剩余部分用于气体出售。其他的优选方法是：由ASU产生的富氧气流的剩余部分用于气体出售。

按照本发明第一方面特别优选的方法是：空气分离装置包括一个或几个隔膜装置，在第一压力下富氮气流离开这个空气分离装置，并且在与第一阶段空气预混合之前，在一个涡轮机中膨胀，形成在第二压力下的富氮气流。按照本发明第一方面另一个优选的方法是：涡轮机驱动一个空气压缩机，空气压缩机把空气供给到空气分离装置中。又一个优选方法是：在与第一阶段空气预混合之前，把第二压力下的富氮气流至少加热到室温。最好是，富氮空气基本上为纯氮。

其他的优选方法是：由与烟气的交换热来预热步骤(b)中的空气；在涡轮机中膨胀之前预热富氮气体；在一个预热器中与烟气的热交换来完成预热，最好是直接在蒸汽发生装置内与烟气的热交换来完成预热。

按照本发明的另一个方面，如果ASU是一个低温ASU，则优选的方法是：在一个预热器中或直接在蒸汽发生装置中与烟气热交换来预热之前，在一个压缩机中加压从ASU排出的富氮气流。另一个优选的方法是：在与第一阶段空气混合之前在一个涡轮机中膨胀这个富氮气流，涡轮机同时驱动用于压缩富氮气流的压缩机和用于把空气供给到ASU的压缩机。更优选的是，在通过ASU的最终热交换器之前，富氮气流作为冷气体或液体在ASU中被加压。

另一个优选的方法是：在通过上述装置加压之后，ASU产生的富氮气流首先与来自蒸汽发生装置的热烟气进行热交换，然后在一个涡轮机中膨胀，涡轮机与压缩富氧第二阶段空气的压缩机连接；这个压缩的第二阶段空气最终通过一个拉伐尔喷管喷入，以提高氧化剂的速度，最好是高于音速。

本发明的第二方面是一个设备，包括：

a)一个装置，把空气供给到空气分离装置中，把空气分离成为富氧气流和富氮气流；

b)一个装置，把上述富氮气流的至少一部分与空气组合，产生一个贫氧的第一阶段空气流，以及把上述富氧气流的至少一部分与空气组合，产生一个富氧的第二阶段空气流；

c)一个装置，混合燃料和上述贫氧的第一阶段空气流进入一个蒸汽发生装置的燃烧室，在上述燃烧室中开始燃烧上述燃料与上述贫氧第一阶段空气流，以产生一个烟气；

d)一个装置，对上述蒸汽发生装置供给水，把上述水与上述烟气间接接触来发生蒸汽；以及

e)一个装置，引入在上述燃料和上述贫氧第一阶段空气下游的上述富氧第二阶段空气，基本上完成上述燃料的燃烧。

                    附图简述

图1是一个蒸汽发生锅炉的燃烧室的一般示意图；

图2是本发明集成的空气分离装置/蒸汽发生设备概念的一般示意图；

图3是锅炉和分阶段燃烧方案的第一实施例的流程示意图，引入了本发明的方法；

图4是平衡NOx发散与当量比的关系图；

图5是NOx减少与燃烧氧化剂中氧气百分比的关系图；

图6是本发明集成空气分离装置/锅炉的第二实施例的流程图；

图7，8，9和10是本发明方法和设备的其他实施例的流程图。

                    优选实施例描述

本发明的方法和系统(名称“系统”和“设备”可交换使用)设计成使锅炉和空气分离装置(ASU)以互补的方式利用它们相关的产物(锅炉的热，ASU的氧和氮)，并且具有很大的灵活性。图2表示了本发明的一般概念。设备10接受空气12、水13、以及燃料14。空气12供给到一个空气分离装置16，它可以是任何已知的ASU，包括低温、隔膜、吸附等。ASU 16产生至少一个氧气流18和一个氮气流20。至少氮气和氧气流的一部分供给到一个锅炉22。锅炉已为人熟知，不需要再说明。锅炉22产生的至少一部分动力由箭头30表示再供应到ASU 16。在低NOx条件下产生的多余气流24、多余氧气26和多余氮气28是可能输出的气流，以及由锅炉22发生的任何多余的动力。

本发明方法和设备的一个主要特性是减少了NOx，不仅利用了熟知的分阶段燃烧的概念，而且通过在三次空气中氧气的富集以及初次和二次空气中氧气的贫化，扩大了它的效应。

在图3中用40示意地表示了一个优选的分阶段燃烧系统，可用于与一个锅炉实现本发明的一个优选方法。在这个过分简化的示意图中，水通过管道42进入锅炉22，以及蒸汽通过管道44排出。设有一个空气预热器46，其中流过管道48的热烟气与通过管道50的进入空气间接接触。对于理解本发明来说，空气预热器46的实际构造并不重要。例如，它可以是壳式或管式热交换器。初次空气与燃料一起进入一个燃烧室32，如52所示，从而把燃料输送到燃烧室32之内。这个初次空气最好代表了总燃烧空气的约5到20个百分点，更好为约8到约15个百分点。二次空气54在与燃料相同的部位引入燃烧室32，但在不同的入口中引入，通常和最好在初次空气的附近。二次空气占总燃烧空气的约50个百分点到约90个百分点，最好是燃烧空气总量的约60个百分点到约80个百分点。最后，三次空气60代表了氧化剂的剩余部分(最好为总燃烧空气需要的约10个百分点到约30个百分点)，并且在主燃烧产物气流的下游喷入，如图3所示。

本发明在三次空气中提供了富氧62，范围从约21个百分点(空气中的氧气浓度)到约35个百分点，最好是30个百分点左右。同时，在初次空气56和二次空气58中喷入氮气，在初次和二次空气中贫化的空气包含约10到21个百分点的氧气，最好是约15到19个百分点(除非另外说明，所有百分点均为克分子百分比)。

也应该提到一个替代的富集构形，为考虑到安全性而设计。因为经常在引入锅炉之前有燃料(如粉状煤)点火的危险，特别是当与氧化剂预先混合时，可能在初次空气中大大降低氧气的含量，降到10个百分点。因此，“差”的氧化剂不会使煤点火，对二次氧化剂采用不更改的空气(21个百分点氧气)来保持氧化剂贫化的总水平。

本发明方法的第一结果，也是最追求的结果，是大大减少了NOx的发散。用于标准空气分阶段燃烧的相同论点可以说明这个现象的一部分。实际上在这些条件下，系统在第一区域中点火富集燃料。因此，由于那里氧化剂较少(喷入总氧化剂的80个百分点，引起当量比为1.25)，发生的NOx很少，如图4中所说明，图4由平衡NOx计算得到。

另外，在本发明的情形中，通过在氧化剂流中喷入补充的氮气，贫化了初次和二次空气中的氧气。因此，更增强了上述的影响，因为喷入的氮气作用像一个烟气再循环系统(FGR)：对燃烧器补充的氮气将同时降低峰值火焰温度和局部氧气浓度，限制了NOx的发散。与FGR系统得到的关系相联系，可以预见到补充氮气达到的典型NOx的减少，如图5所示。

因此图3所示的系统提供了一个非常好的技术来同时降低化学和热的NOx，因为当原子氮从燃料释放时局部存在的氧很少，并且因为峰值火焰温度保持非常有限制。三次空气流完成了燃烧，燃烧掉第一阶段的所有富集产物。即使在这个部位氧的浓度高，这个贫燃料的燃烧区将在总体上产生低的火焰温度，仍限制了NOx的发生。

本发明构思的另一个结果是直接来自富氧空气的应用。即使这个富集气流仅喷入第二燃烧区，仍提供了具有增强氧化剂(与空气比较)的燃料和/或富集燃料的燃烧产物，导致更有效和完全的燃料燃烧。由于在燃烧方法的关键阶段中提供高级的氧化剂，三次空气不仅补偿了由于火焰温度降低而在第一区域中的传热损失，而且与基于空气的燃烧相比，将最容易使整体燃料节省和/或传热增加(通过局部高温区的建立)。

本发明的另一个优点是把低NOx技术与保存原始传热特性相组合。这是在锅炉运行中非常重要的方面，因为它排除了由于局部过热气流对传热的负面影响而引起如管道过热的问题。理论上，利用富氧燃烧对锅炉有两个影响：减少了氮气的质量比和增加了火焰的绝热温度，因此更改了局部的传热率(辐射传热增加和对流传热降低)。为了保持传热模式与基于空气的原始情形相同，因此应该需要再循环一定的烟气质量流率。这是至今在已知系统中的方法。

但是，在本发明中，氧气的富集影响被初次和二次空气中氧的贫化所直接补偿。实际上，补充氮气起的作用与烟气在FGR系统中的作用相同：它容许同时保持在火焰部位的平均温度和通过锅炉的质量流率基本上与基于空气的情形相同。一个主要的优点是本发明的方法和系统不需要任何再循环设备，因为补充的氧气和氮气均来自独立的装置，仅影响锅炉的喷入区。

以上说明已经提出了由本发明提倡的新的NOx减少技术。基本上，所需的输入是氧气和氮气流，从而在锅炉的不同氧化剂喷入区调整氧的含量。氧气和氮气组合的需求使得本发明的方法和设备非常有意义：把一个空气分离装置与“低NOx”蒸汽发生方法相组合(最好是集成)。这个组合不仅直接提供了所需的氧气和氮气流，而且也容许有效地采用两个方法之间的最佳配合，从而降低总的运行成本。

以下描述了由本发明提倡的几个优选的可替代方式，从而根据所选空气分离系统和根据用户的需求(气体出售、动力效率)提高了整个方法的效率。

图6的系统70表示了本发明方法和设备的许多一般原理。对这个一般化的第一实施例没有规定空气分离装置的特定类型。为了叙述简单，现在把初次和二次氧化剂气流称为组合的“第一阶段空气”(喷入图1的区域I中)，而三次氧化剂气流称为“第二阶段空气”(喷入燃烧区域II中)。对空气分离装置16设有空气流12，随着分离方法之后，至少可以回收氮气21和富氧空气19(氧气百分比≥35个百分点)。这些气体的一部分喷入用于NOx减少系统的锅炉22：在第一燃烧阶段管道20中的氮气贫化第一阶段空气的氧，在第二阶段管道中的氧气富集第二阶段空气的氧。实际上，对这些补充喷射所需的气体量是比较低的：如果我们认为在第一阶段和第二阶段空气之间为80个百分点/20个百分点的再分配，分别为18个百分点和30个百分点的氧含量，则达到这些浓度的所需氧气和氮气流将仅分别为氧化剂总体积的2个百分点和11个百分点。由ASU产生的剩余气体可以用于气体出售。这个方案实际上是本发明所提倡概念的最基本方式，至于ASU对锅炉提供了气体，但不接受任何动力作为交换。这种系统可以用于容易地在一个动力发生方法中实现有效的NOx减少方法，而在同时几乎独立地产生气体。

除了组合的空气分离/蒸汽发生来达到有效益的NOx减少的一般构思之外，本发明也提出不同的方案，特别适用于市场上现有的不同空气分离系统的具体特性。它们将在以下各节中提出。图7描述了一个优选的集成设备80，其中采用一个或几个隔膜分离系统作为ASU。(实际的隔膜类型并不重要，但可以从非专用的表中选择，包括聚合物、陶瓷、碳及其混杂物。制造和使用隔膜ASU的方法很普通，不需要在这里作进一步说明。)提供到隔膜系统的空气81在一个压缩机86中被压缩(压力到1到50巴之间，最好高于5巴)，以形成一个压缩的空气流83，在引入隔膜16之前压力为Psep。分离方法和隔膜16产生在高压(大约等于分离压力Psep)下较纯的氮气流90和在大气压下的富氧空气流98，氧气含量低于40个百分点。至少输送一部分氮气流90通过一个气体涡轮机84，涡轮机通过轴88与压缩机86连接，因此提供了所需动力的一部分。然后最终减压的冷氮气流经一个冷冻装置82，从而使氮气至少到管道91中的室温。最后，所需的氮气量通过管道94喷入第一阶段空气中，为了贫化第一阶段空气中的氧，而剩余的氮气流92最好用作气体出售。关于由隔膜系统16产生的富氧空气流98，可以设想两种可替代的方式。如果氧气含量与第二阶段空气所需含量相符，则此时最好把气流直接喷入锅炉。如果氧气含量高于所需(例如对于具有25个百分点氧的所需氧化剂，为40个百分点)，则在喷射之前可以把这个富集空气与空气混合。在上述两者情形中，剩余的富氧空气流也可以为用户用作气体出售，如100所示。

所以图7的优选方案是朝着两个方法有效组合(最好是集成)的第一步。通过有效利用在分离后仍包含在氮气流中的压力，以明显的节省动力方式来达到空气分离方法。因此容许在动力发生方法中大大减少NOx，而同时和有效益地产生的一些有用气体(富氧空气和比较纯的氮气)。

图8提出了一个组合ASU和蒸汽发生方法的优选的、更集成的方式120。实施例120的原理实际上与图7的实施例80相同，但在被输送通过涡轮机122以产生低压氮气流132之前，在空气预热器46’中预热压缩氮气124到希望的温度。也可以通过直接在锅炉22内的锅炉烟气热交换来达到这个预热。这种构形的一个主要优点是：然后可以由气体涡轮机122充分驱动ASU空气压缩机86，除了在锅炉运行中减少NOx之外，导致一个气体的“零补充动力”生产。补充的氮气130可以在设备中用于其他用途或作为气体出售，富氧空气100也可以如此做。

图9提出了一个替代的实施例140，采用一个低温ASU 16’。在这个情形中，可以从ASU回收以下气流：液氮(图中未示)、液氧、液氩、气体氧162和气体氮148。氮气流148代表了最终总质量的主要部分(假定了空气中氮气和氧气之比)，首先在压缩机144中被压缩，从大气压下的低温ASU 16’(与隔膜系统不同)排出之后形成希望压力下的压缩氮气流150。然后在锅炉22之内(参见图9)或之外通过与烟气的热交换来预热压缩的氮气流150，形成预热的气体氮气流152。最后，输送压缩/加热的氮气流152通过一个气体涡轮机154，涡轮机最好同时与上述压缩机144和一个产生补充动力的发电机142连接。当氮气离开156从涡轮机时，贫化第一阶段空气所需的氮气量以气流158方式导向锅炉。关于纯氧气流162，它与空气混合达到所需的富集氧气，然后喷入燃烧的第二阶段。对于这两个气流，剩余的气流(氧164和氮160)可对用户作为气体出售。

在ASU和动力发生之间可以设想一个补充的集成：如在图9中所示，进入ASU 16’的空气在压缩机86中压缩，氮气涡轮机154最好至少提供一部分动力到压缩机86。这样，可以消除发电机的所有损失，进一步提高了循环效率。

此外，可以设想关于氮气线路的另一个实施例：在这个方案中，去除在ASU下游的氮气压缩机144。在ASU装置中氮气作为冷气体，或者最好作为液体被加压。为此，在通过ASU的最后热交换器之前，在蒸馏塔中产生的液氮通过一个泵，因此提高了液体压力到希望的水平。因此，可以考虑这个替代方式作为空气分离和动力发生方法之间更完备的集成，因为空气分离方法将根据动力发生的要求来调整气体产物的输出参数。

图10描述了本发明提出的另一个实施例170。这里的目的是把富氧气体的高速气流引入燃烧的第二阶段中。设有一个隔膜ASU 16，产生一个在Psep压力下的富氮气流124，以及一个富氧空气流96。最好把至少一部分富氧空气流96与通过在空气和氮气预热器46’中热交换产生的预热空气流51组合。组合的富氧空气流171接着通到一个压缩机172，形成压缩的富氧空气流174，在第二阶段以高速送入锅炉22。气流的速度可以是亚音速或超音速，但最好是超音速：Vox≤2Vs，这里Vs是氧化剂气流在使用条件下的音速。富氮气流124通到气体涡轮机122并且膨胀产生空气压缩机86的动力和低压氮气流128，至少一部分低压氮气流128通过管道132与第一阶段的燃烧空气混合，因此贫化了它的氧。

图10实施例的结果是：提供了具有增强氧化剂的富集燃料燃烧产物(如前所述)，但也改进了这些燃烧产物和氧化剂的混合。高的氧浓度与改进混合的组合将导致更有效和完全的燃烧，同时仍大大减少了NOx的发生。

建议图10实施例采用一个隔膜系统，它容许采用已经在压力下的氮气流124。如上所述，在输送通过气体涡轮机122之前，这个气流124可以是和最好就是在锅炉内或者通过与热烟气的热交换加热。这个系统的特点是：涡轮机122不仅与位于隔膜上游的空气压缩机86连接，而且与附加的压缩机172连接。实际上，压缩机172用于在优选通过拉伐尔喷管喷入第二阶段空气(在空气51和从ASU产生的富氧空气96之间混合后得到)之前压缩第二阶段空气，从而增加氧化剂速度高于音速。

除了大大增强混合方法之外，图10的实施例还容许采用较低量级的富集：可以采用小于2个百分点的富集来达到甚至更完全的燃烧。

这个构思也可以用于低温系统：然后可以实现与图9描述相同的方案，附加一个压缩机来用于把第二阶段空气提高到希望的压力，如图10所示。(在此情形中，如果必要，可以去除图9中的发电机142)。

总之，本发明通过空气分阶段燃烧与空气分离概念的组合提出了在锅炉运行中减少NOx的创新技术。本发明的方法和设备，基本上是更改在不同燃烧阶段中氧的含量，将需要补充喷入氮气和氧气。一个ASU不仅可以对蒸汽发生器直接提供所需的氮气和氧气量，而且依靠实现两个系统的灵巧和适合的组合，还容许提高整个方法的效率。可以注意到，在本专利中提出的方法和设备可以根据用户的需要进一步细化和优化，使得方法的效率达到最大。

本发明的主要优点列出如下：

●高的热动力效率，由于有效地采用了ASU和蒸汽发生方法之间的最佳配合。因此，可以再利用从ASU排出气体的剩余压力或者从锅炉排出的任何剩余热，由此提高了总效率。

●在不同层次上的高度灵活性。首先，低温和隔膜ASU在这个组合(最好是集成)方法中均可以有效地被采用。其次，ASU的组合(最好是集成)可以根据资金投入具有程度不同的重要性；实际上，采取少数几个气体压缩机、涡轮机和热交换器可以产生氮气和富集空气，而几乎不增加动力。最后，可以调整在不同锅炉燃烧阶段中富集和贫化的水平，从而满足用户对蒸汽生产、燃料消耗和NOx发散的需求。

●对现有锅炉所需的更改很少。另外，热交换模式受到的影响极微(不需要烟气再循环)。锅炉操作者应该理解这两个方面。

●采用十分清洁的流体：氮气。所以，压缩机、涡轮机、热交换器不受到任何类型的杂质或腐蚀作用。可以长时期地延长设备的寿命。

所以，本发明对动力发生和空气分离的领域是非常重要的，因为通过这两个方法的一种有效率和有效益的组合(最好是集成)，它着手解决了有重大环境意义的NOx发生问题。

虽然以上本发明优选方法和系统的描述是本发明的代表，但决不想用它们来限制所附的权利要求。

Claims (26)

1.一个组合空气分离和蒸汽发生的方法，方法包括如下步骤：

a)把空气供给到空气分离装置中，把空气分离成为富氧气流和富氮气流；

b)把上述富氮气流的至少一部分与空气组合，产生一个贫氧的第一阶段空气流，以及把上述富氧气流的至少一部分与空气组合，产生一个富氧的第二阶段空气流；

c)混合燃料和上述贫氧的第一阶段空气流进入一个锅炉的燃烧室，在上述燃烧室中开始燃烧上述燃料与上述贫氧第一阶段空气流，以产生一个烟气；

d)对上述锅炉供给水，把上述水与上述烟气间接接触来发生蒸汽；以及

e)引入在上述燃料和上述贫氧第一阶段空气下游的上述富氧第二阶段空气，完成上述燃料的燃烧，因此显著地减少了NOx的形成。

2.权利要求1的方法，其中从低温空气分离装置、隔膜空气分离装置、吸附空气分离装置及其组合的一组分离装置中选择空气分离装置。

3.权利要求1的方法，其中贫氧的第一阶段空气流具有氧气浓度范围从10％(体积)到21％。

4.权利要求1的方法，其中贫氧的第一阶段空气流具有氧气浓度范围从15％(体积)到19％。

5.权利要求1的方法，其中富氧的第二阶段空气流具有氧气浓度范围从21％到35％。

6.权利要求1的方法，其中富氧的第二阶段空气流具有氧气浓度范围从27％到33％。

7.权利要求3的方法，其中贫氧的初次空气(为与燃料一起喷入的第一阶段空气的一部分，)具有氧气浓度范围从8％到15％，并且容许未更改的二次空气气流(第一阶段空气的剩余部分)进入燃烧室。

8.权利要求1的方法，其中由空气分离装置产生的上述富氮气流的剩余部分用于气体出售。

9.权利要求1的方法，其中由空气分离装置产生的上述富氧气流的剩余部分用于气体出售。

10.权利要求1的方法，其中空气分离装置包括一个或几个隔膜装置，在第一压力下富氮气流离开空气分离装置，并且在与第一阶段空气预混合之前，在一个涡轮机中膨胀，形成在第二压力下的富氮气流。

11.权利要求10的方法，其中涡轮机驱动一个空气压缩机，空气压缩机把空气供给到空气分离装置中。

12.权利要求10的方法，其中在与上述第一阶段空气预混合之前，把上述第二压力下的富氮气流至少加热到室温。

13.权利要求1的方法，其中上述富氮气流为纯氮气流。

14.权利要求1的方法，其中在把富氧气流与空气组合之前，确定在第二阶段空气中完成上述燃料燃烧所需的氧气含量，如果上述所需氧气含量与上述富氧气流之一相符，则在步骤(e)中直接把富氧气流喷到燃烧室中。

15.权利要求1的方法，其中用上述烟气的交换热预热步骤(b)中的空气。

16.权利要求10的方法，其中在上述涡轮机中被膨胀之前，上述富氮气流被预热。

17.权利要求16的方法，其中在一个预热器中与烟气的热交换来完成上述预热。

18.权利要求16的方法，其中直接在上述锅炉内与烟气的热交换来完成上述预热。

19.权利要求1的方法，其中空气分离装置是一个低温空气分离装置，以及其中在与上述烟气热交换来预热之前，离开空气分离装置的富氮气流通过一个压缩机加压。

20.权利要求19的方法，其中在一个预热器中与烟气热交换来完成上述预热。

21.权利要求19的方法，其中直接在上述锅炉内与烟气热交换来完成上述预热。

22.权利要求19的方法，其中在与第一阶段空气混合之前预热的压缩富氮气流在一个涡轮机中被膨胀。

23.权利要求22的方法，其中上述涡轮机驱动一个空气压缩机，空气压缩机把空气供给到空气分离装置中。

24.权利要求22的方法，其中上述涡轮机驱动压缩机，压缩机用于压缩从空气分离装置排出的富氮气流。

25.权利要求19的方法，其中在通过空气分离装置的最终热交换器之前，富氮气流在空气分离装置中作为冷气体或液体被加压。

26.权利要求1的方法，其中富氮气流被加压，接着与来自上述锅炉的热烟气交换热量，然后在一个涡轮机中膨胀，涡轮机与压缩富氧第二阶段空气的压缩机连接；这个第二阶段空气最终通过一个拉伐尔喷管喷入，以提高氧化剂的速度，该氧化剂的速度高于音速。

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