CN1298412C - 采用增氧法进行排放控制的产生蒸汽燃烧系统和方法 - Google Patents

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Abstract

产生蒸汽燃烧系统包括能提供至少作为氧化剂物流一部分的富氧气体。燃烧室接收燃料和使其在氧化剂物流中燃烧并产生蒸汽。燃烧室产生烟气，该烟气的质量流量要低于以空气为氧化剂物流条件下操作时燃烧室所产生的烟气质量流量。烟气污染物控制系统接收来自燃烧室的烟气并使烟气中颗粒物、SOx、NOx和汞至少其一的量降低。烟气体积的减少将使得污染物控制设备的尺寸大大减小，因为污染物控制单元的尺寸主要是取决于要处理的烟气体积或质量流量。并且，氧化剂中包括富氧气体的系统将使烟气中的污染物浓度提高。污染物浓度高将加强其在不同污染物控制系统的吸附，提高所有物种的脱除效率。

Description

采用增氧法进行排放控制的产生蒸汽燃烧系统和方法
技术领域
本发明涉及一种组合使用增氧点火工艺和烟气处理系统对产生蒸汽燃烧系统进行排放控制的系统和方法
背景技术
工业燃烧系统是二氧化硫(SO2)、氧化氮(NOx)和汞(Hg)排放以及二氧化碳(CO2)的主要来源。无论是京都协议还是美国政府最新动议，这些工业燃烧厂现在必须要遵守越来越为严格的针对污染物的法规。
矿物燃料在动力锅炉、工业锅炉、熔炉、窑炉等中燃烧会导致大量污染物的形成。煤燃烧例如还会导致SOx、NOx、Hg和颗粒物的产生。所有这些物质都已被证实对人类健康有害。
减少电力工业所用产生蒸汽锅炉中颗粒物、Hg、NOx、SO2排放的典型方法是使用包括静电滤尘器(ESP)、织物袋滤捕尘室、催化系统或者湿和干涤气器在内的烟气处理设备。这些装置很大且购买和操作费用很高，大大增加了工厂的投资成本和操作成本。它们一般在厂区内需要大量的空间且使电力工业发电的成本增加50％。
在玻璃制造熔炉内，采用富氧燃烧的两个理由是：提高工艺过程的效益和减少NOx的产生。例如富氧燃烧比空气燃烧能够节省约20-25％的燃料而使玻璃制造的效益得以提高。
但是玻璃熔炉内采用富氧燃烧工艺并不能影响要处理的烟气体积，因为在对烟气处理除去有害排放物之前要将出炉的高温烟气在空气中稀释来降低其温度。因此，当玻璃制造熔炉由空气燃烧改成富氧燃烧时，根据要处理的烟气体积计算的烟气处理费用仍基本不变。最后，氧气发生的费用也必须考虑在内。因此，由于玻璃熔炉内富氧燃烧所带来的NOx排放和能效方面的改进并不总是意味着这些熔炉的相关费用节省。
与此相对照，在产生蒸汽锅炉内，例如那些发电厂用锅炉，因所用燃料的缘故锅炉产生的污染物量通常很高且污染控制费用要占发电成本的很大一部分，
对动力产生燃烧系统来说降低烟气处理成本的一条途径是将各类减少污染物的技术结合成单一操作过程，称为多污染物控制过程。在Alix等人(美国专利6132692、6117403和5871703)的专利中，和McLarnon等人(McLarnon、C.R.Jones，M.D.)在Electric Power 2000中发表的“用于FirstEnergy公司R.E.Burger发电站多污染物控制过程的电催化氧化方法”(俄亥俄州辛辛那提市，2000年4月5日)中，提出了在单一系统中利用基于等离子体的介质阻挡放电反应器将NOx、SO2、Hg和颗粒物分别氧化成HNO3、H2SO4和HgO来减少NOx、SO2、Hg和颗粒物排放的方法。在此反应器内，在较低温度(150-300)下被电介质隔离的两个电极间脉冲放电产生自由基活性种如OH、O和H，这些自由基能迅速将SOx、NOx和Hg转变到更高氧化态。酸、HgO和颗粒物能在湿静电滤尘器中基本除去。但是，由于要处理的气体量很大，反应器的的能耗可能相当高，可高达电厂能耗的约5％。此过程的描述仅仅针对空气点火的燃烧应用，没有富氧系统的参考内容。
希望能提供一种在通过利用富氧燃烧过程的发电和/或蒸汽锅炉中改进排放控制的方法。
发明内容
本发明涉及一种采用富氧气流和污染物控制系统达到低成本改进排放目的的燃烧系统。
按本发明的一个实施方案中，产生蒸汽燃烧系统包括一个能提供氧化剂物流的氧化剂输送系统、一个能为氧化剂输送系统提供含21％-100％氧气的富氧气体的富氧气体产生系统、一个能提供具有一定燃料质量流量的燃料物流的燃料输送系统、一个布置成能接收燃料物流和使其在氧化剂物流中燃烧并发生蒸汽的燃烧室。燃烧室产生烟气，该烟气的质量流量要低于在燃料质量流量相同且以空气为氧化剂物流条件下操作时燃烧室所产生的烟气质量流量，烟气污染物控制系统接收来自燃烧室的烟气并使烟气中颗粒物、SOx、NOx和汞至少其一的量降低。
按本发明的另一实施方案中，产生蒸汽燃烧的方法包括提供含21％-100％氧气的富氧气流，形成含富氧气流的氧化剂物流，燃料在产生蒸汽燃烧室内于氧化剂物流中燃烧并产生烟气(该烟气质量流量要低于在燃料质量流量相同且以空气为氧化剂物流条件下操作时燃烧室所产生的烟气质量流量)，和用烟气污染物控制系统将烟气中颗粒物、SOx、NOx和汞至少其一的量降低。
按本发明的另一实施方案中，改造或改建市售的空气点火产生蒸汽燃烧系统来减少排放控制总成本的方法包括空气点火产生蒸汽燃烧系统增加一个富氧气体产生系统来输送含21％-100％氧气的富氧物流，将富氧物流输送至氧化剂输送系统来产生燃烧系统的燃烧室所用氧化剂物流，因含富氧气流的氧化剂的增强得以使排出燃烧室的烟气质量流量降低，和对燃烧系统的烟气污染控制系统加以改进来利用烟气质量流量的降低。
附图简介
现在将参照附图所例示的优选实施方案来更详细地描述本发明，附图中相同的元件具有相同的标号，且其中：
图1是按本发明的产生蒸汽燃烧系统实施方案的示意图。
图2是带有稀释气输送系统的图1的氧化剂输送系统实施方案的示意图。
图3是带有利用循环烟气的稀释气输送系统的产生蒸汽燃烧系统的另一实施方案的示意图。
图4是图1的富氧物流发生系统的另一实施方案的示意图。
图5是图1的烟气处理系统的一个实施方案的示意图。
图6是图1的烟气处理系统的另一实施方案的示意图。
发明详述
本发明涉及一种采用增氧手段的蒸汽燃烧系统和排放控制方法。按照本发明，用经循环烟气、空气、N2、CO2或蒸汽稀释或未经稀释的富氧气体所得到的氧化剂替代至少一部分燃烧空气的方法降低了从燃烧室或发生燃烧装置离开的烟气的体积和质量流量，因此而产生一个能更有效和更经济地进行烟气污染物控制的有利条件。增加富氧气流的明显好处是烟气体积的减少将使得污染物控制设备的尺寸更小，因为所有这些单元的尺寸主要是取决于要处理的烟气体积或质量流量。
为满足日益严格的排放控制标准，粉煤燃烧锅炉和其它产生蒸汽燃烧系统现在都需要装配有各种烟气处理系统。对电厂来说，这些设备意味着成本显著增加，包括基建投资和操作费用。在一个典型的燃煤发电厂中，排放控制设备可包括脱除颗粒物用的袋滤室和/或ESP(静电滤尘器)、SOx控制用的湿烟气脱硫器(FGD)、有效NOx控制用的SCR(选择性催化还原)系统和除汞系统。增加富氧气流的主要好处是排出烟气的质量流量明显降低，因而烟气的体积要比在燃料质量流量相同、氧气/燃料比相同(或是说氧气质量流量相同)且以空气为氧化剂物流条件下操作时燃烧室所产生的烟气体积有明显降低。
由于上述排放控制系统的尺寸和成本取决于烟气质量流量或体积，则增加富氧气流的方法可大大节约成本。富氧气体的使用本身还具有CO2获取能力，当氧气含量高且氮气含量很低时，会产生富CO2烟气，其很易调节、压缩并最终被送到收留点。与传统的空气点火操作相比，CO2的获取可作为一个额外收获。
下述实施方案提供了以诱人的成本使SOx、NOx、汞和颗粒物排放降低到符合要求水平的可能性。此外，当需要留存碳时，可以将富CO2烟气送到收留点，处理量相对较少。
图1例示说明产生蒸汽燃烧系统的一个实施方案，包括为增氧操作所设计的燃烧室10和烟气后处理污染物控制系统20。术语“增氧”和“富氧燃烧”是指采用至少一部分为富氧气流的氧化剂物流的燃烧过程，术语“富氧气体”是指含21％-100％氧气的气流。
在图1的实施方案中，将来自燃料输送系统30的燃料气流32和来自氧化剂输送系统44的氧化剂物流46供应给燃烧室10。氧化剂输送系统44接收来自富氧气体产生系统40的富氧气流42。富氧气流42的含氧量为21％-100％。按照一个实施方案，富氧气体的含氧量约90％或更高、优选约95％或更高。燃料在燃烧室10内燃烧，将来自水源50的水加热并产生蒸汽52。蒸汽52被输送到发电机54来发电。
在图1中，排出燃烧室10的烟气流22的烟气体积要少于以空气为氧化剂物流条件下操作时锅炉所产生的烟气体积。烟气污染物控制系统20接收来自燃烧室10的烟气流22，将烟气中颗粒物、SOx、NOx和汞至少其一的量降低到满足排放标准。由于烟气体积减少，污染物控制系统20因尺寸较小而使费用更少，能够比传统的空气点火操作所需的污染物控制系统达到类似或更佳的污染物控制效果。排出污染物控制系统20的烟气24可输送到烟囱60和/或CO2调节和收留系统70。
图2和3例示说明本发明实施方案，其中燃烧系统包括用来将氧化剂物流46供应到燃烧室10的包括稀释气输送系统48的氧化剂输送系统。
稀释气输送系统48输送受控量的稀释气如空气、H2O、CO2、N2或烟气。稀释气流49与富氧气流42结合形成氧化剂物流46。氧化剂物流46可以以一股或多股物流输送到燃烧室10。当氧化剂物流46以多于一股物流的形式被输送时，多股物流的量可等同或不同于氧化剂物流描述为若各股氧化剂物流合并在单股物流时所有氧化剂物流的平均数。
如图3所示，稀释气输送系统可包括循环或再循环烟气流80，单独或与其它稀释气合并输送到富氧气流42中，稀释气输送系统48控制稀释气的输送量，以使合成空气形式的氧化剂物流46具有最佳的用于具体燃烧用途的氧含量。当所用稀释气为再循环烟气时，注入燃烧室的氧化剂质量流量可等于空气点火情况下的氧化剂质量流量，但因再循环过程移出了部分烟气，最终在污染物控制系统中要处理的质量流量实际较低。但若所用稀释气为空气、N2、CO2或蒸汽，则稀释气的量应使总氧化剂质量流量低于空气点火情况下所需的空气质量流量。
燃烧室10可包括任何工业产生蒸汽燃烧系统，其中富氧燃烧过程可应用于诸如但不限于发电厂或一般的产生蒸汽装置、燃煤锅炉、燃气锅炉和工业锅炉。因实施富氧体系的费用问题，同时对某些污染物排放没有相关的强硬罚款措施，迄今为止这些产生蒸汽燃烧室一般仍未采用增氧工艺。
本发明应用于利用气体、液体和固体燃料的燃烧室10，包括天然气、来自工业过程的废气、其它气态燃料，油、液态重质残渣、其它液体燃料，煤、焦炭、加煤机、固态重质残渣和其它固体燃料。固体燃料通常是磨碎的如粉煤，且作为燃料物流32由输送气体送到燃烧室10，输送气体包括空气、烟气、氧化剂或其它气体。液体燃料可进入燃烧室10之前在蒸汽中雾化。
在图4的实施方案中，空气流90首先在例如但不限于低温分离系统、膜分离系统或吸附式PSA或VSA系统的空气分离单元40中被分离制成高纯氧气流，氮气作为副产物生成。按照一个实例，氧气流42的纯度约90％或更高、优选95％或更高，氮气流94的纯度约90％或更高、优选98％或更高。也可产生氩气流，包括氩气和氧气的混合物，若要制成基本纯净的氩气流则需另外的分离设备。
来自空气分离单元40的基本纯净氧气流42或富氧气体可直接注入到燃烧室10内，或者富氧气流42可通过稀释气体输送系统48与一或多种稀释气体混合，富或者氧气体发生系统可包括液氧贮罐或液氧输送管线。
燃烧过程产生的烟气流22被送至构成烟气后处理污染物控制系统20的一系列污染物控制单元。污染物控制系统20能在下一步应用之前(如热回收系统)使颗粒物、SOx、NOx和汞(各个物质是任选的，取决于过程)中的一或多种部分或全部脱除或者排放入烟囱60。
按照如图5所示的一个实例，污染物控制系统20a包括脱除颗粒物系统100、脱SOx系统102、脱汞系统104和脱NOx系统106。
此外，如图所示，本发明还可包括一个任选的CO2调节收留或再利用(通过浓油回收、煤层甲烷等再利用)站点70。该过程所得到的富CO2的清洁烟气24被输送到收留点70，提供CO2获取的附加好处。若烟气流要被留存或再利用，则所需的烟气处理量要降低到CO2调节和管线要求(由NOx、SOx等产生的酸气最高允许含量)的水平。
本发明的系统可通过改造现存燃烧系统或在新系统中实施。本发明主要的引人之处是在两种配置(改造或新设计)中，部分移出氧化剂物流46中的氮气能减少烟气体积，因而使质量流量降低到吹空气情况的二分之一到四分之一，这样就体现出优越之处。去除氧化剂物流46中的氮气惰性物质而不通过进一步稀释来补充全部移出量，这样做的一个优点是绝热火焰温度提高。这个显现是富氧燃烧的一个主要特点且可利用来提高各类燃烧系统的效率。
除上述的第一点好处外，燃烧系统加入富氧气流的优点是烟气体积减少(通过去除氮气)将使污染物控制系统20规模更小的目的得以实现，因为烟气处理单元的尺寸主要取决于要处理的烟气的体积或质量流量。而且，在例如本发明所述内容的氧气点火的应用过程中，稀释氮气的缺乏将使烟气中的污染物浓度提高。高污染物浓度将加强其在不同污染物控制系统的吸附，提高所有物种的脱除效率。
通过增氧方法达到费用降低的一个实例是脱硫洗涤器(FGD)的例子，这类单元能提供很好的脱SO2效果且是很灵活的过程。但相对投资高和操作费用高。在仍维持脱SO2效果至少相同的条件下，降低FGD成本的一个途径是减少需要处理的烟气体积，而这正是增氧方法可以做到的。假定洗涤器成本按0.6的指数比例增加，可以显示当氧浓度达到100％时，投资成本的降低可达到50-60％。烟气质量流量的大幅降低将因此而导致用户FGD费用上大大节省。
增氧法的另一好处是从氧化剂物流中除氮气的步骤连同烟气循环时部分NOx再循环的步骤将能显著降低NOx的形成和破坏某些先前形成的NOx。将增氧法与例如低NOx燃烧器和/或高效分段燃烧技术和/或烟气再循环设计相结合的NOx降低方案将大大减少NOx的形成。实际上，这些技术甚至可以取代常规的脱NOx过程如选择性催化还原过程(SCR)。
或者，若NOx排放量处于上述允许标准范围内，烟气体积的减少至少能使所用的脱NOx单元106的尺寸大大减小。SCR投资成本花费约为$80/kW，投资费用的节省将非常显著。
另外，富氧操作将在CO2获取方面提供重要利益。大气CO2浓度的持续升高推动了新测量方法来限制燃烧矿物燃料的发电厂的CO2排放。矿物燃料的燃烧被认为是CO2浓度升高的主要原因，预期未来的CO2规定最终将针对使用这类燃料的工业燃烧过程。
获取、运输和处置CO2的现有技术耗能耗资。大部分费用是与CO2分离过程有关而不是运输和收留费用。最广泛接受的从烟气中移出CO2的方法包括使用吸附剂如单乙醇胺(MEA)或其它化学试剂。吸附剂再生非常耗能且会导致试剂的降解而引起腐蚀问题。若用氧气代替燃烧空气，如本发明所提出的，消除了氮气组分的稀释效应且不需要烟气洗涤器，则从烟气或增氧气流中移出CO2就非常方便。对高增氧操作的情况来说，清洁的烟气将含高浓度CO2，可被液化、压缩，作为产品出售或是送到收留点如浓油回收(EOR)油田。在这些情形下，烟气处理系统20也起CO2纯化系统的作用。
对增氧操作构思的经济评估也可看出上述增氧燃烧系统和方法的生命力。当然，随工业应用的不同，费用和资金分配也会不一样，但可进行一个总体评价。在一个实例中，基准方案是常规吹入空气的过程，带有一个FGD单元、一个脱NOx单元、脱汞和颗粒物系统(如静电滤尘器、袋滤捕尘室、涤气器、SCR等)。CO2获取方案也考虑在内。在获取CO2情况下，基准装置包括一个基于MEA的涤气系统。对氧燃烧的情况来说，因其本身就产生富CO2的排出气，就不需要该系统。
增氧燃烧系统的投资成本至少减少40％。这个估算是保守的且考虑到某些组分将不受较低燃烧气体积影响的情况。同样，涉及SOx、汞和颗粒物排放控制的相关设备费用保守估计下降约33％。由于增氧燃烧新装置预期的NOx形成速率很低，可从过程中去除SCR单元。
这些估算表明燃烧系统和污染物控制系统20的尺寸缩小和去除SCR单元相关费用的降低将足以补偿空气分离单元(ASU)或其它气体发生系统40的投资。在获取CO2的情况下，增氧系统比基准方案在费用方面的优势更为显著。
此外，图4中的空气分离单元40是一个多产品系统，除氧气流42外还生产基本纯净的氮气流94。在给定的应用中，ASU将以期望的纯度和压力最佳化产出氧气、氮气和可能的氩气。在一个实际案例中，ASU可最佳化产出用于燃烧过程的低压气态氧和高值氮气流。按此方式，氮气产品的收入就可补偿生产氧气的费用。这样的分析表明当该技术应用于原尺寸工业装置时是经济可行的。
因此，该产生蒸汽系统带来工业燃烧过程多污染物控制的新途径，因为它能更有效更节省地脱除SOx、NOx、汞和颗粒物，通过在燃烧系统中采用增氧燃烧操作能够达到如此高效，且获得要处理烟气量显著减少的效果。
另外，当实际需要留取碳时，所描述的方法能够将富CO2烟气24输送到收留点，处理量相对较少。
因此，所提出的集成方法将由此而产生一个新燃烧过程，其特点不仅仅是低/零排放，而且还是高效和低投资，将显著改善其在受到排放相关法规越来越为严格管理的工业界的竞争力。
图6例示说明烟气后处理污染物控制系统20b的另一种实施方案，包括一个基于等离子体的烟气处理设备112。图6中烟气流22进入包括颗粒物脱除系统110和基于等离子体的设备112如介质阻挡放电反应器在内的污染物控制系统20b。该设备112的目的是产生能在较低温度下氧化污染物的自由基活性种。由此NO被氧化成NO2和HNO3，SO2被氧化成SO3和H2SO4，Hg被氧化成HgO。这些更高态氧化物和颗粒物随后在吸附容器、湿-ESP等设备内被脱除。通过使用增氧的氧化剂，进入烟气处理系统的烟气体积减少，因此而使所用设备更小型化，设备的能耗降低，另外，将增氧化氧化剂物流于等离子体设备112的上游注入可加强自由基氧化活性种的形成。该系统带来的好处是降低了烟气处理费用，且在高浓增氧的情况下，产出清洁的浓CO2物流，可出售或送到收留点。
图6的实施方案包括颗粒物脱除系统110如ESP或袋滤室。等离子体烟气处理设备112可以是任何可用来脱除大部分残留污染物的已知系统，如美国专利6132692、6117403和5871703(全文引入作为参考)所述系统之一。此系统的第一段中，介质阻挡放电反应器或类似设备产生产生能在较低温度下氧化污染物的自由基活性种(OH、O等)。由此NO被氧化成NO2和HNO3，SO2被氧化成SO3和H2SO4，Hg被氧化成HgO。将增氧氧化剂加入到惰性气流中能提高氧浓度并有可能提高自由基活性种的形成速度。然后在吸附容器和湿静电滤尘器中将被氧化的活性物和残留颗粒物从烟气中除去。可通过加入试剂如氨水来增强SO2和NO2脱除效果。可将能够出售的副产物如硫酸、硝酸、硝酸铵或硫酸铵进行回收。该系统也可脱除金属物质如Ni、As、Cu、Pb、Zn等(McLarnon等人)。该文献有益于燃烧含金属燃料如高钒和镍含量的石油焦的燃烧过程。
烟气质量流量的降低就意味着介质阻挡放电系统112中电极变得更小和或更短、吸附容器变得更小和湿静电滤尘器变得更小。电极面积的减少也降低了放电等离子体设备的能耗。通过在进入介质阻挡放电反应器112的物流中加入氧气或富氧气流114进行富氧化操作也可加强氧化活性种的形成，有可能减小设备所需的尺寸和能耗。
因此，该系统提供一个低成本的多污染物控制系统，且在高浓增氧的情况下，产出清洁的浓CO2物流，可出售或送到收留点。
本发明的另一实施方案涉及一种改造或改建市售的空气点火产生蒸汽燃烧系统来减少排放控制总成本的方法。该方法包括在空气点火产生蒸汽燃烧系统中增加富氧气体产生系统来输送含21％-100％氧气的富氧气流的步骤，将富氧气流输送到氧化剂输送系统来产生燃烧系统燃烧室所用的氧化剂物流的步骤，和因含富氧气流的氧化剂的增强得以使排出燃烧室的烟气质量流量降低的步骤。对燃烧系统的烟气污染控制系统加以改进来利用烟气体积的降低，和通过如下步骤降低增氧产生蒸汽系统的排放量：a)燃烧系统烟气污染物控制系统中至少一种设备用尺寸更小的污染物控制设备代替，当污染物仍必须符合标准要求移出时，该替代设备能对排出污染物控制设备的污染物得到类似或更好的控制效果；b)由于法规更为严格，对新需要的控制设备来说，在燃烧系统烟气污染物控制系统中增加至少一种比处理空气操作时该燃烧系统产生的烟气所需尺寸更小型的污染物控制设备；和/或当增氧燃烧系统具有很低NOx排放时，去除专用于脱NOx的设备，因排放量降低该设备不再需要。
实施例
下表1、2和3将三种工厂规模范围的氧气点火粉煤锅炉费用与传统空气点火锅炉费用进行了比较。特别检测了全氧燃烧对处理粉煤锅炉排出烟气费用的影响，可以理解，富氧燃烧将使烟气体积减少，因而使排放控制费用降低。对于一个代表性的比较来说，将该费用的降低值与专用于提供氧气的空气分离单元(ASU)的投资和操作费用进行比较。表中例示出采用本发明，ASU的费用可被后处理费用的节省所补偿，使装置的总成本降低，若将这些实例与带有CO2脱除系统的吹空气装置相比，费用的降低甚至更多。
对吹空气和吹氧装置的投资、操作和总成本进行了计算，四种规模的装置：30、100、200和500MWe动力输出。并不是确定整体发电厂的费用，而是对空气点火与氧气点火操作之间不同的一些元件进行分析。这些元件包括：
a)烟气处理设备：脱SOx的湿FGD、脱NOx的SCR、加入活性炭除汞，和颗粒物控制用ESP。
b)空气分离单元(针对O2-点火情况)。
c)锅炉(现有的空气点火和改造的O2-点火方案的单元，新的O2-点火方案的新单元)
下述的这三种方案包括传统的带有FGD、SCR、ESP和汞控制系统的吹空气锅炉，考虑三种O2-点火的情况(富氧气体＝：相当纯的O2)：
方案1：锅炉是改造的带有烟气再循环过程(FGR)的吹O2系统，使用FGD、SCR、ESP和汞系统。
方案2：锅炉是改造的带有烟气再循环过程(FGR)的吹O2系统，使用FGD、ESP和汞系统。因富氧燃烧过程产生的NOx减少，故不需要SCR。
方案3：锅炉是新的、小型吹全O2单元，没有FGR或热和其它稀释气，使用FGD、ESP和汞系统。因富氧燃烧过程产生的NOx减少，故不需要SCR。
表1-三种方案中空气点火与氧气点火系统的投资成本($MM)比较
  装置尺寸(MWe)   500   200   100   30
  氧化剂   空气   O2   空气   O2   空气   O2   空气   O2
  后处理单元费用   FGD   $129.60   $83.80   $78.50   $55.10   $59.50   $41.70   $36.70   $25.80
  SCR   $30.70   $11.40   $16.90   $6.30   $10.80   $4.00   $4.90   $1.80
  Hg(加碳)   $0.75   $0.21   $0.36   $0.10   $0.21   $0.06   $0.08   $0.02
  ESP   $25.00   $8.90   $13.60   $4.80   $8.60   $3.10   $3.90   $1.40
  后处理总费用   $186.05   $104.31   $109.36   $66.30   $79.11   $48.86   $45.58   $29.02
  后处理费用与基准方案对比   -44％   -39％   -38％   -36％
  富氧气体产生过程的费用   $89.80   $35.90   $22.10   $9.50
方案1
产生蒸汽燃烧系统(锅炉)   $210.00   $210.00   $84.00   $84.00  $42.00  $42.00  $12.60   $12.60
装置投资   $396.05   $404.11   $193.36   $186.20  $121.11  $112.96  $58.18   $51.12
装置投资与基准方案对比   2％   -4％  -7％   -12％
方案2
  产生蒸汽燃烧系统(锅炉) $210.00 $210.00 $84.00 $84.00   $42.00   $42.00   $12.60 $12.60
  装置投资 $396.05 $392.71 $193.36 $179.90   $121.11   $108.96   $58.18 $49.32
  装置投资与基准方案对比 -1％ -7％   -10％ -15％
方案3
  产生蒸汽燃烧系统(锅炉) $210.00 $126.00  $84.00  $50.40  $42.00   $25.20 $12.60 $7.60
  装置投资 $396.05 $308.71  $193.36  $146.30  $121.11   $92.16 $58.18 $44.32
  装置投资与基准方案对比  -22％  -24％   -24％ $24％
表2---表1三种方案的操作费用($MM/yr)
  装置尺寸(MWe)   500 200   100   30
  氧化剂   空气   O2 空气   O2   空气   O2   空气   O2
  后处理单元费用   FGD   $8.70   $6.80 $4.30   $3.40   $2.60   $2.10   $1.30   $1.10
  SCR   $1.89   $1.46 $0.86   $0.63   $0.48   $0.33   $0.18   $0.12
  Hg(加碳)   $1.61   $0.34 $0.64   $0.13   $0.32   $0.07   $0.10   $0.02
  ESP   $9.20   $3.20 $4.90   $1.70   $3.10   $1.10   $1.40   $0.50
  后处理总费用   $21.40   $11.80 $10.70   $5.86   $6.50   $3.60   $2.98   $1.74
  后处理费用与基准方案对比   -45％   -45％   -45％   -42％
  富氧气体产生过程的费用   $15.60   $6.30   $3.10   $0.90
方案1
装置操作费用 $21.40 $27.40 $10.70 $12.10 $6.50  $6.70 $2.90 $2.7
装置操作费用与基准方案对比 28％ 13％  3％  -7％
方案2和3
装置操作费用 $21.40 $25.90 $10.70 $11.50 $6.50 $6.40 $2.90 $2.50
装置操作费用与基准方案对比 21％ 7％ -2％  -14％
表3---表1和2三种方案的年总费用($MM/yr)
装置尺寸(MWe)   500   200 100   30
氧化剂   空气   O2   空气   O2 空气   O2   空气   O2
后处理单元费用   FGD   $37.20   $25.30   $21.50   $15.50 $15.70   $11.30   $9.40   $6.80
  SCR   $8.60   $4.00   $4.60   $2.00 $2.90   $1.20   $1.30   $0.50
  Hg(加碳)   $1.810   $0.40   $0.70   $0.20 $0.40   $0.10   $0.10   $0.00
  ESP   $14.70   $5.10   $7.90   $2.80 $5.00   $1.70   $2.20   $0.80
后处理总费用   $62.30   $34.80   $34.70   $20.50 $24.00   $14.30   $13.00   $8.10
后处理费用与基准方案对比  -44％   -41％   -40％   -38％
富氧气体产生过程的费用(ASU)  $35.40   $14.20   $8.00   $3.00
方案1
  产生蒸汽燃烧系统(锅炉)   $46.20   $46.20   $18.50   $18.50   $9.20   $9.20   $2.80   $2.80
  装置年费用   $108.50   $116.40   $53.20   $53.20   $33.20   $31.50   $15.80   $13.90
  装置年费用与基准方案对比   7％   0％   -5％   -12％
方案2
  产生蒸汽燃烧系统(锅炉)   $46.20   $46.20   $18.50   $18.50   $9.20   $9.20   $2.80   $2.80
  装置年费用   $108.50   $112.40   $53.20   $51.20   $33.20   $30.30   $15.80   $13.40
  装置年费用与基准方案对比   4％   -4％   -9％   -15％
方案3
  产生蒸汽燃烧系统(锅炉)   $46.20   $27.70   $18.50   $11.10   $9.20   $5.50   $2.80   $1.70
  装置年费用   $108.50   $93.90   $53.20   $43.80   $33.20   $26.60   $15.80   $12.30
  装置年费用与基准方案对比   -13％   -18％   -20％   -22％
尽管已参照优选实施方案对本发明做了详细描述，对本领域技术人员来说，显然在不背离本发明精神实质的前提下可以进行各种变动和改进和使用等同物。

Claims (42)

1.一种产生蒸汽的燃烧系统，包括
一个能提供氧化剂物流的氧化剂输送系统；
一个能为氧化剂输送系统提供含21％-100％氧气的富氧气体的富氧气体产生系统；
一个能提供具有一定燃料质量流量的燃料物流的燃料输送系统；
一个布置成能接收燃料物流和使其在氧化剂物流中燃烧并产生蒸汽的燃烧室，燃烧室产生烟气，该烟气的质量流量要低于在燃料质量流量相同且以空气为氧化剂物流条件下操作时燃烧室所产生的烟气质量流量；和
一个能接收来自燃烧室的烟气并使烟气中颗粒物、SOx、NOx和汞至少其一的量降低的烟气污染物控制系统，
其中所述氧化剂输送系统包括连到所述燃烧室出口的稀释气输送系统，因而所述稀释气体输送系统接收来自燃烧室的至少一些烟气并将该烟气返回到所述氧化剂输送系统，在该氧化剂输送系统返回的烟气与富氧气体混合形成氧化剂物流。
2.权利要求1的系统，其中富氧气体产生系统提供含约90％或更高量氧的富氧气体。
3.权利要求1的系统，其中氧化剂输送系统提供含约90％或更高量氧的氧化剂物流。
4.权利要求1的系统，其中富氧气体产生系统包括一个空气分离单元，该单元配置成能将空气分离成至少第一股纯度约90％或更高的氧气物流和第二股物流。
5.权利要求4的系统，其中第二股物流是纯度约90％或更高的氮气。
6.权利要求1的系统，其中富氧气体产生系统包括一个空气分离单元，该单元配置成能将空气分离成至少第一股纯度约95％或更高的氧气物流和第二股物流。
7.权利要求6的系统，其中第二股物流是纯度约98％或更高的氮气。
8.权利要求1的系统，其中氧化剂输送系统将氧化剂物流以不同组成的多股物流形式提供给燃烧室。
9.权利要求1的系统，进一步包括一个与燃烧室蒸汽出口连接的发电机。
10.权利要求1的系统，其中燃料输送系统提供天然气、来自工业过程的废气或其它气态燃料的燃料物流。
11.权利要求1的系统，其中燃料输送系统提供煤、焦炭、加煤机、固态重质残渣或其它固体燃料的燃料物流。
12.权利要求1的系统，其中燃料输送系统提供油、液态重质残渣或其它液体燃料的燃料物流。
13.权利要求1的系统，其中烟气污染物控制系统包括用来减少颗粒物、SOx、NOx、汞的分离设备。
14.权利要求1的系统，其中烟气污染物控制系统包括用来使颗粒物、SOx、NOx、汞中的至少两种的量减少的组合设备。
15.权利要求1的系统，其中烟气污染物控制系统包括用来将NO、SO2和Hg至少其一氧化成水溶性氧化物的等离子体烟气处理设备。
16.权利要求15的系统，其中等离子体烟气处理设备通过加氧得以强化。
17.权利要求15的系统，包括能接收来自等离子体烟气处理设备的水溶性氧化物并减少水溶性氧化物量的吸收容器和湿法静电滤尘器。
18.权利要求1的系统，其中排出燃烧室的烟气质量流量要比燃烧室在同样条件下但以空气为氧化剂物流操作时排出燃烧室的烟气质量流量低至少二分之一。
19.权利要求1的系统，其中烟气污染物控制系统包括需要处理的烟气流量比燃烧室以空气为氧化剂物流操作时产生的烟气流量少的设备。
20.一种产生蒸汽的燃烧方法，包括
提供含21％-100％氧气的富氧气流；
形成含富氧气流的氧化剂物流；
燃料在产生蒸汽燃烧室内于氧化剂物流中燃烧并产生烟气，该烟气的质量流量要低于在燃料质量流量相同且以空气为氧化剂物流条件下操作时燃烧室所产生的烟气的质量流量；和
用烟气污染物控制系统将烟气中颗粒物、SOx、NOx和汞至少其一的量降低，其中形成氧化剂物流的步骤包括循环来自燃烧室的至少一些烟气到富氧气流以形成氧化剂物流。
21.权利要求20的方法，其中富氧气流含约90％或更高量氧气。
22.权利要求20的方法，其中氧化剂物流含约90％或更高量氧气。
23.权利要求20的方法，其中富氧气流是通过空气分离单元产生的，该单元配置成能将空气分离成至少第一股纯度约90％或更高的氧气物流和第二股物流。
24.权利要求23的方法，其中第二股物流是纯度约90％或更高的氮气。
25.权利要求20的方法，其中富氧气流是通过空气分离单元产生的，该单元配置成能将空气分离成至少第一股纯度约95％或更高的氧气物流和第二股物流。
26.权利要求25的方法，其中第二股物流是纯度约98％或更高的氮气。
27.权利要求20的方法，其中氧化剂物流以不同组成的多股物流形式提供给燃烧室。
28.权利要求20的方法，进一步包括用来自燃烧室的蒸汽发电。
29.权利要求20的方法，其中燃料包括天然气、来自工业过程的废气或其它气态燃料。
30.权利要求20的方法，其中燃料包括煤、焦炭、加煤机、固态重质残渣或其它固体燃料。
31.权利要求20的方法，其中燃料包括油、液态重质残渣或其它液体燃料。
32.权利要求20的方法，其中烟气污染物控制系统包括用来减少颗粒物、SOx、NOx和汞的分离设备。
33.权利要求20的方法，其中烟气污染物控制系统包括用来使颗粒物、SOx、NOx和汞中的至少两种的量减少的组合设备。
34.权利要求20的方法，其中烟气污染物控制系统包括用来将NO、SO2和Hg至少其一氧化成水溶性氧化物的等离子体烟气处理设备
35.权利要求34的方法，其中等离子体烟气处理设备通过加氧得以强化。
36.权利要求34的方法，包括能接收来自等离子体烟气处理设备的水溶性氧化物并减少水溶性氧化物量的吸收容器和湿法静电滤尘器。
37.权利要求20的方法，其中排出燃烧室的烟气质量流量要比燃烧室在同样条件下但以空气为氧化剂物流操作时排出燃烧室烟气质量流量低至少二分之一。
38.权利要求20的方法，其中烟气污染物控制系统包括需要处理的烟气流量比燃烧室以空气为氧化剂物流操作时产生的烟气流量少的设备。
39.一种改造或改建市售的空气点火产生蒸汽的燃烧系统来减少排放控制总成本的方法，该方法包括：
为空气点火产生蒸汽燃烧系统增加一个富氧气体产生系统来输送含21％-100％氧气的富氧物流；
将富氧物流和来自燃烧室的至少一些烟气输送至氧化剂输送系统来产生燃烧系统的燃烧室所用的氧化剂物流；
因用富氧气流增强氧化剂使得排出燃烧室的烟气质量流量降低；和
对燃烧系统的烟气污染控制系统加以改进来利用烟气质量流量的降低。
40.权利要求39的方法，其中改进烟气污染控制系统的步骤包括将燃烧系统的烟气污染物控制系统中的至少一种设备换成尺寸更小的污染设备，该设备可达到类似或更佳的污染控制效果。
41.权利要求39的方法，其中改进烟气污染控制系统的步骤包括在烟气污染物控制系统中增加至少一种设备，其尺寸比处理用空气操作时燃烧室产生的烟气所需要的相应设备的尺寸更小。
42.权利要求39的方法，其中改进烟气污染控制系统的步骤包括在增强氧燃烧系统具有很低NOx排放时，除去专用于脱NOx的设备。
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