CN1708659A - 利用富氧燃烧改进锅炉以提高效率并降低排放物 - Google Patents

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Abstract

进行O2/CO2燃烧或富氧燃烧的方法和设备。锅炉废气通过与锅炉组合的气体发火区(GPS)以间接逆流热交换方式将热量传递给助燃气体。使用基本不含水分的CO2作为助燃气体中O2的稀释剂能大大降低气体流量，允许在低速条件下以长的停留时间，使从废气向助燃气体的热量传递最大化。大部分颗粒沉降下来，大部分水分从冷却的主要含CO2的废气中冷凝。大部分废气与用作助燃气体的氧气混合，被再次加热，并通过组合的GPS回到锅炉中；小部分被净化并分离，释放或回收CO2。整个废气－助燃气体循环可能用时30到90秒，优选是约60秒。CO2的高热容使助燃气体中的氧含量与低热容氮气的含量高的开放循环空气燃烧相比要高得多。能够提高效率。最终的废气分离和回收被简化了。对冷凝物进行处理，作为锅炉进水或饮用水。清除了NOx，捕集了含汞烟气并降低了CO2产出。

Description

利用富氧燃烧改进锅炉以提高效率并降低排放物
本申请要求于2002年10月30日提交的美国临时申请60/422601的优先权。
发明领域
本发明涉及与锅炉组合使用的方法和设备，它通过使热废气和混有用于燃料燃烧的氧气的冷废气发生热交换，从中回收显热和潜热。该方法的适应性很强，事实上能用富氧空气或纯氧和大部分CO2的混合物燃烧任何燃料，同时以液体SO2形式回收燃料硫。100％的O2/CO2燃烧能获得很高的效率。
发明背景
            有关的参考文献
             美国专利
4354925          10/1982 Schorfheide
4542114          9/1985 Hegarty
5732571          3/1998 Maerz等人
6202574          3/2001 Liljedahl等人
6418865          7/2002 Marin等人
             外国专利
日本专利号       50-19026    6/1973
             出版物
蒸汽机，D.Lardner；A.Hart，Philadelphia 1852，第73-79页；第一版，London，1827。
Argonne国家实验室：
A.“使用CO2-O2或CO2-H2O-O2混合物替代空气支持燃烧的矿物燃料发电设备运转状况的二维建模”，Richter等人，1987年6月，ANL/CNSV-TM-187。
B.“获得用氧气和循环气替代空气进行燃烧的常规性能可行性的实验性测试程序”，ANL/CNSV-TM-204，Abele等人，1987年12月。
C.“用来自于烟道气的二氧化碳提高油料回收率”，ANL/CNSV-65，Sparrow和Wolsky等人，1988年6月。
“关于发电设备中CO2回收率的最终报告”，美国能源部，DOE/ER 30194，1993年7月。
“发电设备中用于回收CO2的O2/CO2混合物中的粉煤燃烧”，Nakayama等人， 能量转换和管理，第33卷，第379-386页，1992。
“关于带回收CO2的氧气/烟道气循环的粉煤燃烧实验研究”，Kimura等人，JSME-ASME国际能源工程会议，第1卷，第487-492页，Tokyo，1993年9月。
“用于回收CO2的粉煤在O2/CO2混合物中燃烧的特征”，Kimura等人，能量转换和管理，第36卷，第805-808页，1995。
“使系统效率最大化的热力学利用率分析”，T.C.Vogler和W.Weissman，化学工程进展，第35-42页，1988年3月。
“燃烧烟道气的利用率分析-一个项目研究”，M.Abu-Arabi和A.Tamimi，能量转换和管理，第36卷，第1133-1137页，1995。
熵定律和经济过程，N.Georgescu-Roegen，Harvard University Press，1971。
“什么是热量？”，G.P.Beretta和E.P.Gyftopoulos， 美国机械工程师 协会，第20卷，第33-41页，1985。
“过程分析基础”，E.P.Gyftopoulos， 能量转换和管理，第38卷，第1525-1533页，1997。
研究人员们对空气燃烧和氧气/二氧化碳(O2/CO2)燃烧的富氧化进行了研究，试图在废气中产生更高浓度的CO2。CO2浓度提高能更经济地分离回收CO2，因为大气中过多CO2的积累会造成全球性大气变暖的危险，采取措施是必须实行的。具体参见专利50-19026，日本，1973；Argonne国家实验室研究，Richter等人，1987和Abele等人，1987；以及Nakayama等人，1992。燃煤发电设备被认为是不利的，因为其排放物中通常含有12％到15％的CO2，而类似效率的燃气发电设备排放的是大约7％到8％CO2，该效率比如为每千瓦(kw)净功率输出需用10000英国热量单位(10550千焦)的热量，效率为34％。许多研究发现，空气燃烧或O2/CO2燃烧的富氧化是不经济的，因为购买和运输氧气的成本很高。或者，使用空气分离设备需要较高的投资成本，其电力消耗是大约每吨氧气为225千瓦功率，或是10000英国热量单位(10550千焦)热量设备总输出的大约20％，此时使用97％到100％纯度的氧气，而回收的大部分CO2废气作为燃料燃烧的稀释剂。除了其他的辅助能源要求之外，如果CO2和二氧化硫(SO2)被完全分离和液化进行运输或处置，CO2进入地下储槽时，总的附加功率可以达到25％。
如2所示，日本对O2/CO2燃烧的研究结果是，使富含CO2-H2O的废气湿法循环至锅炉中作为稀释剂并排除氮气(N2)，能确保4.5％的效率增加，其原因被认为是CO2的密度大于N2的密度。用CO2替代N2作为对O2的稀释剂时，其需要量较少。但是这种效率提高还不足以使该项技术具有商用价值。
Marin等人在美国专利6418865，使用富氧氧化剂操作锅炉的方法中列出了表示富氧所产生有限效率提高的数据。该效率提高类似于Nakayama等人，1992中发现的4.5％增加。这种增加必然受到再循环烟道气中高水分含量的限制，对提高气体通过锅炉的流速有不利影响；还受到通过锅炉的对流区以及空气加热器与管道的系统热量损失的限制；受到除灰与烟道气脱硫过程中热量损失的限制；也都是因为排放到大气的烟道气中大量显热与潜热损失造成的。
Marin等人所声称优点的基础是燃料与氧气的相对成本。通过低成本的富氧化节省的大量燃料成本会产生经济效益。而低成本的燃料和高成本的富氧化几乎不会有什么好处，因为Marin的总效率提高潜力只有4到5％。
Argonne国家实验室和Kimura等人的参考文献对清除O2/CO2燃烧中的NOx是有指导意义的，因为清除燃料燃烧过程中的大部分氮气，就几乎不会形成NOx；而且，他们的研究表明，在连续再循环大部分废气作为对氧气的稀释剂时进行“再次燃烧”，能使大约90％的以NO和NO2形式存在的NOx还原成N2而被清除。本发明则进一步通过气体冷却，并将NO2凝结成稀硝酸而事实上清除痕量NOx。
Maerz等人的美国专利5732571对O2/CO2燃烧中的循环废气量是有指导意义的，说明“作为空气中氮气替代物的大约80％的烟道气不再生成为废气”，因此与现有技术设备相比，“能够急剧降低烟道气体积至现值的20％”。专利50-19026(日本1973)也公开了这种80％的降低率。本发明通过使用如下所述的方法和设备，进一步使最终处理的废气量降低一半，至10％或以下，使设备效率翻倍，从大约34％到68％或以上。
在现有技术空气燃烧锅炉的优选操作方法中，使用超过燃料燃烧所须空气化学计量10％到大于20％的过量空气，用以控制温度并保证燃料耗尽。可以消除O2/CO2燃烧中用于过量空气加热的燃料损失。用大约1％的过量氧气输入替代过量空气。降低助燃气体体积和空间速度这些因素有助于提高效率。
作为本发明基础的对经济和有效的O2/CO2燃烧方法的研究，其重点是设法测量总热量利用率，并确定将已知的和估计的热量损失返回到锅炉中提高效率的方法；使用O2/CO2燃烧在将所有热量循环至理想设备之后，改善燃料燃烧和废气分离的方法。研究的其结果是无须缩小或放大现有技术的锅炉，但去除过热器之后的大多数设备，取而代之的是使用被称为气体发火区(GPS)的锅炉延伸设备。
显热损失。在现有技术的蒸汽发电设备中，燃烧的大量显热在多个过程部位被浪费。这些损失可能占总燃料能量输入的30％到45％。引起损失的因素包括：通过锅炉辐射和对流传热区的非常高的废气速度，60到70英尺/秒(fps)(18-21米/秒)；漏气，热辐射以及热绝缘不充分，还有在凝结温度下避免发生腐蚀的需要。本发明研究了这些问题。事实上能全部回收被浪费的显热，并将其通过助燃气体返回到锅炉中。
锅炉蒸汽和潜热损失。1763年，James Watt的两个发现导致他开发了第一台高效和经济的蒸汽机。首先，他测量了在212°F(100℃)水转变成水蒸汽时的膨胀率，发现1立方英寸的水膨胀成1立方英尺的水蒸汽，膨胀率是1728倍；其次，他发现并测量了水的高潜热，这一点他也进行了研究来提高效率。这些因素在以后开发汽轮机发电时是非常显著的。它们是效率低下的主要原因，使用后来公开的方法和设备得以解决。水变成水蒸汽的膨胀对于锅炉管线的蒸汽侧是非常关键的，该侧产生的压力能使涡轮机产生能量。但是在锅炉管线的燃烧和排放侧，燃料水分和助燃烧空气水分加上燃料氢被氧化成H2O，使条件不利于提高效率；所以首先要提高气体通过锅炉的速度，从而缩短燃料燃烧和管线中辐射传热的持续时间；其次，由于现有技术锅炉工作时排放的烟道气超过212°F(100℃)，通常是240-450°F(116-232℃)，能避免在冷凝温度下发生酸气腐蚀。蒸发/冷凝的所有潜热都被浪费到大气中。根据燃烧的燃料是天然气，石油，煤炭，石油焦，褐煤还是合成燃料，以及空气含水量，潜热损失可能占燃料能量输入的7％到15％。本发明的改进方法和设备能够回收大部分潜热来提高效率。
采用湿法洗涤过程能够从烟道气中清除硫酸和大部分SO2。如果使用耐腐蚀材料作为管道并给烟道加衬里，则用于排放的烟道气温度可能会低于212°F(100℃)。但是，大量显热和所有潜热被碱性洗涤浆料吸收，无法回收用来提高燃烧效率。
联合循环发电。水变成蒸汽时的膨胀对提高联合循环系统中航空涡轮机的效率曾经是很重要的，在该系统中附加有热量回收蒸汽发生器(HRSG)的涡轮机能够获得优于50％的效率。大部分效率的增加来自于水或蒸汽的部分替代，使涡轮机需要的过量空气减少大约300％。这种替代能增大膨胀力，因为水蒸气需要的空间比空气大60％左右(参见表1，H2O：空气，立方英尺/磅)。与单循环只包括涡轮机的发电设备相比，联合循环系统大于50％的效率是很重要的进步。但是此时需要大量高纯水，随着全部燃料燃烧冷凝物都损失到大气中。而且，涡轮机废气以非常高的速度流过HRSG，这就限制了热量回收率，以致有许多显热和全部潜热都损失到大气中。联合循环发电通常需要使用运行成本很高的NOx还原催化剂。将联合循环燃烧方法与下述不需要催化剂的技术相比，后者通过回收和处理所有冷凝物而只生成水，具有更高的效率，而且不限于使用天然气或清洁合成气作为工作燃料。
本发明对效率的提高来自于许多因素。其关键是发现了从废气中清除大部分水分，使O2/CO2燃烧方法的传热优势变得更明显的经济方法。通过下面的表1，这一点是显而易见的。如果显著降低助燃气体和废气这两种气体的流速，就能使燃料完全烧尽，在更长的锅炉停留时间中获得更好的传热效果。在锅炉上增加隔热的GPS，能够通过流出的废气与流入的O2/CO2助燃气体在15到45秒或以上的停留时间内的间接逆流热交换而回收剩余的显热和大部分潜热。如果用CO2替代N2作为燃料燃烧中对氧气的稀释剂，则O2的浓度可以因为CO2的密度和热容比N2大63％而增加60％以上。Schorfheide在美国专利4354925中指出，超过800到980°F(427-527℃)的温度范围时(焦炭燃烧以再生催化剂)，“二氧化碳的平均热容比氮气大63％(CO2是12.1英国热量单位/磅摩尔-°F，氮气是7.43英国热量单位/磅摩尔-°F)…相应温度下二氧化碳吸收的热量比相同体积的氮气多63％”。而且“若全是二氧化碳作为氧的稀释剂的情况，氧气浓度高大约63％”，这种O2/CO2混合物能“使燃烧时间缩短整整33％”。
在延长的停留时间内，将废气冷却至室温或更低温度时，氧化氮(NO)在O2略微过量时会被氧化成二氧化氮(NO2)(参见Hegarty的美国专利4542114)，并被转变成硝酸(HNO3)，以冷凝物形式沉积下来。三氧化硫(SO3)会转变成硫酸(H2SO4)，也以冷凝物形式沉积下来。如果大部分水分被冷凝，则排出更干的冷废气所需要的鼓风机功率就降低。使冷循环助燃气流动体所需要的鼓风机功率也降低。相对含水量小于1％的O2/CO2助燃气体再次加热并返回到锅炉中，能大大降低助燃气体通过锅炉的速度。
CO2的密度远大于H2O。CO2∶H2O＝44∶18＝2.44，或者说CO2的密度和显热容量是水蒸汽形式的H2O的244％，其差异为分子量的差别。在湿法循环O2/CO2-H2O方法中，废气返回到锅炉中时没有含水量的降低，有降低热容和显著提高速度的不利作用。助燃气体停留时间缩短会影响锅炉加热表面上的辐射传热。湿法循环方法中的这个速度问题会掩盖与用更重的CO2替代N2作为稀释剂相关的效率提高优势。
如果可以使用真空清除方法除去低速非湍流层流热交换管道中的颗粒，就不需要静电沉积器(ESP)或集尘室。如果能经济合算地使用强化的热绝缘保持管道系统中与混合O2和CO2的低速助燃气体流交换的热量，则事实上能使现有技术燃烧系统中100％的所谓热量损失返回到锅炉中。如果能循环大部分显热和潜热来促进燃料燃烧，则设备的燃料需求，氧气需求，设备的附加能源需求和CO2输出都会降低一半；甚至可能降低超过一半，因为大多数现有技术空气燃烧的蒸汽发电设备工作时，净效率只有33％到35％。
如果将O2/CO2燃烧过程的最终废气冷却至室温或以下，则清除与分离体积是现有技术空气燃烧蒸汽发电设备热烟道气输出的10％以下。使用已知方法能经济合算地进行气体分离和组分回收。开发和证明了超级奥氏体不锈钢的可靠性之后，冷凝区的腐蚀也不是什么严重问题。冷凝物可以被回收并处理成锅炉进水或饮用水的质量。痕量含汞烟气被活性炭或其他已知的吸附剂捕集在过滤器中。SO2以制冷级液体形式回收，用于化学品制造或硫酸工厂的进料。如果增加硫酸设备，则可以用酸浸法对从燃料燃烧回收的颗粒进行化学处理，回收金属并精选剩余的颗粒。
上述讨论研究了用97％到100％的纯氧使O2/CO2燃烧的效率最大化所必须进行的大多数变化，以下详细说明的优选实施例中结合了这些变化。
空气燃烧的部分富氧化。研究了组合了GPS的锅炉并且从循环废气中除去大部分水分情况下的富氧空气燃烧。30％或更高程度的富氧化与完全空气燃烧相比，能大大提高效率，但是其效率低于使用纯氧的情况。这是因为添加了氮气，也是因为几个百分数的空气含水量会改变环境空气条件。通过增加循环至锅炉的废气中替代CO2的低密度氮气量，并增加空气含水量，能增加气体流量和速度，从而缩短传热的持续时间，使其效率低于完全的O2/CO2燃烧。
清洁燃料的空气燃烧。在锅炉上组合GPS能使清洁燃料的空气燃烧排放物中只含痕量NOx。与现有技术空气燃烧蒸汽发电设备相比，效率有所提高。这是一个不采用废气循环的直接过程，利用热交换方法和GPS设备冷凝大部分水分，并提高废热回收。废气温度被降低至大约40°F(4℃)。在此低温度下过量氧气的存在以及延长的停留时间，提供了使NO转变成NO2并随后以稀硝酸(HNO3)冷凝物形式回收的条件。最终废气在主要含有N2，CO2和O2的混合物中含有小于1％的水分。可以将冷凝物处理成锅炉进水或饮用水。
发明概述
通过替换过热器之后的大多数部件，能够改造兰金(Rankine)循环蒸汽发电设备使其适应于高效和低排放的燃烧方法。对节热器部分进行重新设计。取消了空气加热器，ESP或集尘室，通过洗涤进行烟道气脱硫(FGD)的部分，这三个部件都会散失热量，通过下述改进的方法和设备能对这些热量的大部分进行回收。
使用基本上不含水分的纯氧和二氧化碳混合物的助燃气体能够获得很高效率。
在锅炉上组合GPS，用以降低废气温度，速度，颗粒量和含水量。废气温度被降至室温或以下，而将返回的助燃气体的温度从室温升高。在锅炉中组合GPS能够对最佳控制的O2与CO2混合助燃气体进行最大程度的预热。
废气和助燃气体流分别通过耐腐蚀的超级奥氏体不锈钢外管道和内管道。废气中的大部分颗粒在用来真空清除的减速非湍流层流中沉积下来。管道的尺寸能够延长助燃气体和废气流的停留时间。废气的低速和层流有利于促进范德华力的效应，导致细小颗粒的聚结；而且慢速气流有利于通过重力沉降颗粒。
烃类燃料中可能含有高达几个百分数的硫和1％的氮。这些元素会在燃料燃烧时发生氧化，存在H2O时，它们成为酸性湿气的来源。大部分酸性湿气会冷凝；痕量的三氧化硫(SO3)冷凝成稀硫酸，痕量的氧化氮(NO)转变成二氧化氮(NO2)并冷凝成稀硝酸(HNO3)。根据燃料的不同，还可能含有其他痕量的酸，氯化氢(HCl)和氟化氢(HF)，也发生冷凝。
大部分废气与氧气混合成燃料的燃烧气体，通过隔热GPS中的一根或多根返回管道被再循环至锅炉中，显热回收率接近100％，并能回收大部分潜热，从而降低燃烧过程中燃料和氧气的消耗。还可以通过GPS使废气返回到锅炉中并再次加热，用于控制温度，也可以用来将粉碎或破碎的燃料输送至锅炉中。
预先加热的基本不含水分而且主要含O2与CO2的助燃气体以及略微过量的O2(过量不超过化学计量的大约3％，但优选超过约1％)以较低速度通过锅炉，为20到30英尺/秒(6-9米/秒)，导致与通常使用过量10％到20％或以上空气的空气燃烧锅炉的60到70英尺/秒(18-21米/秒)的高速相比，能产生较长的燃料燃烧停留时间和更完全的传热作用。锅炉工作时利用调制良好的速度为20英尺/秒(6米/秒)的较干(含水量小于1％)O2/CO2混合助燃气体来控制温度，与60英尺/秒(18米/秒)的开放循环空气燃烧相比，燃料燃烧和传热时间是其三倍。而且，与相同温度下的空气燃烧相比，O2/CO2气体混合物中的燃烧因为CO2的密度和热容大于N2而使燃烧时间缩短33％。这两个优点的总效果使锅炉中的净有效辐射传热增至四倍。将GPS与锅炉组合所获得的这些燃料燃烧条件，以及接近完全的热量回收率，解释了O2/CO2燃烧体系中大部分事先没有预计到的高效率。
没有被再循环到锅炉的剩余废气在室温下通过管道输送，去通过已知方法进一步处理使其冷凝，除去全部剩余的酸性湿气。采用已知方法将中等酸性的冷凝物处理成锅炉进水或饮用水。废气中的剩余颗粒则被干过滤。燃料产生的含汞烟气被活性炭或其他已知吸收剂捕集在过滤器中。再进一步处理废气使SO2液化，然后使CO2液化，少量N2和O2则被排放到大气中。不含硫的燃料只需要较少的这些处理步骤。
组合有GPS的锅炉可以使用部分富氧的空气，提高效率并降低排放。优选进行30％或以上的富氧处理，使氮气含量保持在中等水平。太多的N2会对助燃气体及废气体积，速度，停留时间和传热产生不利影响。
在燃烧天然气或不含硫的合成燃料时，组合有GPS的锅炉还可以使用未富氧的空气，也能够提高效率同时使排放的氮氧化物(NOx)含量非常低，因为水分的冷凝过程能捕集几乎所有的NOx，成为回收冷凝物中的稀HNO3。
适合于在O2/CO2中或在本发明的富氧化方法和设备中进行燃烧的燃料包括大多数由废物提取的燃料(RDF)，生物质和大多数可燃有害废物，但是不包括放射性材料。其限制因素是能保持锅炉温度。可以将RDF和生物质等低英国热量单位的燃料与煤，石油焦，天然气或重燃油混合，通过调节助燃气体中稀释剂与氧气的比例控制锅炉温度。造渣燃料会限制对锅炉的选择。使用配备有风分离器炉的锅炉能够回收炉渣。流化床锅炉不适用于本发明的燃烧方法。在流化床燃烧中，大部分燃料硫被粉碎的石灰石等吸收剂所捕集。产生大量固体废物。在本发明的优选方法中，通过液化SO2来实现硫回收，成为制造许多化学品包括硫酸的进料。流化床燃烧锅炉较高的投资成本和运行成本对使用本发明方法和设备的O2/CO2或富氧空气实施方式都是不必要的。
优选使用变速驱动(VSD)控制的马达，具有降低成本的三个作用：(1)VSD能使附加功率要求最低；(2)能够连续优化过程气体，包括废气和助燃气体的流量；(3)对所有系统可变过程流使用VSD能够在最大程度上实现本发明燃烧方法和设备的自动化。
本发明一方面提供了一种兰金(Rankine)循环蒸汽发生系统，包括：具有燃料燃烧区(1a)和用来产生蒸汽的辐射传热与对流传热区(2，3)的锅炉(1)；与锅炉组合的隔热气体发火区(GPS)(4)，废气流流过GPS；GPS包括从废气流中除去颗粒的装置(29)和通过在延长的停留时间内与废气流进行间接逆流热交换将热量传递至助燃气体流的装置(5)，传热的结果是使废气流温度降至水分冷凝温度；将助燃气体流输送至在延长的停留时间内通过与废气流进行间接逆流热交换对其进行加热的部位的装置(12)，加热到的温度至少是约500°F(260℃)；将离开GPS的加热助燃气体流输送到锅炉燃烧区(1a)进行燃料燃烧的隔热管道(6)；从GPS中除去颗粒的装置。
本发明另一方面提供了一种兰金循环蒸汽发生系统，该系包括：具有燃料燃烧区(1a)和用来产生蒸汽的辐射传热与对流传热区(2，3)的锅炉；与锅炉组合的隔热气体发火区(GPS)(4)，废气流过GPS；所述GPS中包括从废气流中除去颗粒的装置(29)，和通过在延长的停留时间内与废气流进行间接逆流热交换将热量传递给包含氧气和大量CO2的助燃气体流的装置(5)，传热的结果是使废气流的温度降低至室温或以下，使水分冷凝；将废气流温度进一步降低至大约32和50°F(0-10℃)之间的装置(14)；将经过进一步冷却的废气流分成第一主要部分和第二部分的装置(9，17)；将废气流第一部分与O2混合形成助燃气体流并输送至GPS，在延长的停留时间内通过与废气流进行间接逆流热交换加热到至少约500°F(260℃)的装置(8，11，12)；将离开GPS的加热助燃气体流输送至锅炉燃烧区(1a)进行燃料燃烧的隔热装置(6)；以及从所述GPS中除去颗粒的装置(29)。
本发明另一方面提供了一种操作兰金循环蒸汽发生系统的方法，该系统包括具有燃料燃烧区(1a)和用来产生蒸汽的辐射传热与对流传热区(2，3)的锅炉(1)，以及与锅炉组合的隔热气体发火区(GPS)(4)，废气流流过GPS，其中的助燃气体流以逆流方向通过，所述方法包括在GPS中在延长的时间内通过与废气流进行间接逆流热交换将热量传递给助燃气体流，传热的结果是使废气流的温度降低至接近室温或以下，使水分冷凝；从GPS的废气流中除去颗粒；进一步冷却废气流至32到50°F(0-10℃)之间，冷凝更多的水分；将经过进一步冷却的废气流分成第一主要部分和第二部分；将废气流第一部分与O2混合，形成含有O2和大量CO2的助燃气体流，输送至GPS中，在延长的停留时间内通过与废气流进行间接逆流热交换被加热到至少约500°F(260℃)的高温；从GPS通过隔热管道(6)将高温助燃气体流输送至锅炉燃烧区(1a)进行燃料燃烧，并从GPS中除去颗粒。
附图简要说明
图1所示是带有烟道气清洁过程的现有技术空气燃烧锅炉系统的示意图。
图2所示是Nakayama等人，1992的带有废气清洁过程和SO2与CO2液体回收装置的O2/CO2-H2O燃烧锅炉系统的示意图。
图3所示是本发明优选实施方式中所述组合有气体发火区(GPS)和带有SO2与CO2液体回收装置的O2/CO2燃烧锅炉系统的示意图。
图4所示是图3中A点处GPS上部管道的截面图，表示通过真空回吹过滤器实现颗粒的回收。
本发明优选实施方式
图3所示是组合有气体发火区(GPS)4的蒸汽发生锅炉1的截面图。锅炉1中包括燃料燃烧区1a，辐射区2和位于锅炉进水管道处的对流区3。燃料被输送至锅炉辐射区2的下部，燃料氧化剂通过隔热管道6输送。
GPS的整体尺寸通常正比于锅炉尺寸。比如，对于由Babock & Wilcox公司设计的100兆瓦规模现有技术锅炉，其高度可以是大约125英尺(38米)；GPS可以从锅炉顶部水平延伸大约125英尺(38米)，然后向下延伸约125英尺(38米)，在下部的气体冷却区再次水平延伸约75英尺(23米)，如图3中所示。为750兆瓦容量设计的类似锅炉可以高250英尺(76米)；GPS可以从锅炉顶部水平延伸大约250英尺(76米)，然后向下延伸约250英尺(76米)，并再次水平延伸约150英尺(46米)。
锅炉的启动氧化剂可以是通过鼓风机25从管道26和12进入系统中的空气。当用于锅炉常规封闭循环操作的氧气供应达到要求的流量时，关闭空气供应管道26。发生完全的O2/CO2燃烧，混有O2的废气继续循环，来自于初始进入空气的氮气被逐渐从废气中分离出来。
优选使用天然气或合成燃料作为锅炉启动燃料，使开放循环操作产生的排放物最少。此排放物中可能包括少量NOx，比如N2O(氧化亚氮)，NO和NO2。GPS4包括隔热的伸长外管和一根或多根伸长内管5。如图4中所示，伸长内管通常与外管同轴，具有倾斜的上表面，能防止颗粒聚集。氧化剂被吹入隔热气体发火区4的管道5的内部，然后通过隔热管道6到达下面的锅炉燃料燃烧区。管道5由耐腐蚀的薄壁超级奥氏体不锈钢制造，能够使流出的废气与流入和氧化性助燃气体的传热最大。优选使用从Allegheny Technologies获得的AL-276超级奥氏体不锈钢。AL-276是耐腐蚀的，能承受GPS 4中的酸性高温环境。这种金属的最大工作温度是1000°F(538℃)，因此适应锅炉进水加热区3后面的腐蚀性流出废气的条件，温度会从进水加热区3的大约800°F(427℃)降低到GPS4的垂直截面底部的70至120°F(21-49℃)。管道5可以构建在悬挂的金属框架上，与大约1/16英寸(0.15厘米)厚度的不锈钢板焊接固定。优选牢固焊接的薄板，防止内管5中的助燃气体泄漏到外管中，使从流出的废气传递到较冷的流入助燃气体的热量最大。AL-276在800°F废气温度下的热导率大约是9.8英国热量单位/平方英尺/小时/°F/英尺，在200°F降低到6.4，在70°降低到5.9(在427℃是17瓦/米/°K，93℃是11，21℃是10.2)。
GPS 4的外管隔热良好。隔热效率优选超过90％，最优选是98到99％。其结构材料包括厚达3英尺的隔热级混凝土，使保热性能最强，加上超级奥氏体不锈钢的内衬，防止发生腐蚀。
锅炉启动之后，废气向上通过锅炉辐射传热区2，将热量传递给锅炉管线产生蒸汽。然后通过对流区3，进一步通过管线传递热量，加热锅炉进水，从而使废气温度从大约1800-2000°F(982-1093℃)降低到在GPS 4入口位置附近的大约800°F(427℃)。GPS 4中包括上部水平部分，中间垂直部分和与上部水平部分对齐的下部水平部分。优选使流出废气的温度逐渐降低到在水平的上部管线部分末端的大约200°F(93℃)或更低，然后在垂直管线底部进一步降低至优选大约70-120°F(21-49℃)，更优选是大约70°F(21℃)。中等酸性的水分冷凝并通过收集槽和管线16离开气密的GPS。废气在GPS的区域13中被进一步冷却，GPS中优选配备有制冷盘管14。废气温度被降低至50°F(10℃)以下，优选是至少约40°F(4℃)，进一步冷凝酸性湿气，通过管线15离开系统。在冷却区13的低速气体层流中，大部分剩余的颗粒沉积在冷凝物中。
在锅炉启动的短时间内，经过冷却基本不含水分废气的主要部分被输送通过管道9和鼓风机10，然后通过与空气和来自于空气分离装置7的部分氧气混合的管道11，借助具有变速驱动(VSD)马达的输送O2通过管道8的鼓风机控制其进气流。燃烧系统开始工作时，来自管道11和8的气流以及部分空气进行混合，该混合气体通过管道12返回至GPS。一小股过量废气通过管道17，鼓风机18，管线23被输送至烟囱24。
如果锅炉燃料是不含硫的天然气或合成燃料，则持续进行的开放循环空气燃烧产生只含少量NOx的排放物，因为在GPS的废气冷却过程中，NO被氧化成NO2，在痕量氧气存在情况下在延长的停留时间内被冷却，冷凝成HNO3。因为GPS的热量回收作用，其效率相比现有技术的开放循环空气燃烧有所提高。
在最优选的运行方法中，不论是什么燃料，组合有GPS的锅炉能产生完全O2/CO2燃烧的最大效率，如表1(5)中所示，此时循环稀释剂是大于95％的CO2。排除了空气，只有燃料中存在的氮气通过该系统。氮气向NOx的转变率非常低，HNO3在冷却区13发生冷凝之后，检测不出NOx。
                          表1
空气燃烧，O2/CO2-H2O燃烧以及O2/CO2燃烧的粉煤燃烧锅炉废气的主要组成
  气体   分子量(1)   比重   体积立方英尺每磅(1)   各燃烧方式的重量百分比(2)
  空气(3)   O2/CO2-H2O(4)   O2/CO2(5)
  H2O   18.106   1.0   21.004   10.0％   40.0％   ＜1.0％
  N2   28.106   1.555   13.46   72.0   ＜1.0   ＜1.0
  空气   28.975   1.600   13.069   -   -   -
  O2   32.00   1.776   11.816   3.0   ＜2.0   1.0
  CO2   44.00   2.442   8.593   15.0   56.0   ＞95.0
  SO2   64.06   3.556   5.901   0.25   1.5   2.5
(1)压缩空气和气体手册，1988，水蒸汽等处于60°F，14.7磅绝对压力。
(2)一般估计。燃料：烟煤，3％硫。
(3)在空气加热器出口估计，300°F或更高。
(4)在烟道气循环风扇处估计，250-450°F。
(5)在气体发火区(GPS)出口估计，40°F。
在燃料在锅炉的辐射传热区燃烧之后，热废气携带颗粒向上进入GPS的水平区域；离开锅炉的气流速度优选是大约30英尺/秒(9米/秒)或较小，更优选是大约20英尺/秒(6米/秒)或较小。在低速和长时间气体层流条件下，当流出的热废气在管道5中与逆流的O2/CO2助燃气体发生间接热交换而冷却时，大部分颗粒沉积下来。流出的气体在向下运动时继续冷却，水分被冷凝，进一步除去颗粒进入冷凝物中。当废气通过冷却区13时，大部分剩余的颗粒被捕集在冷凝物中，这时最终废气温度降低至大约32到50°F(0-10℃)，优选是大约40°F(4℃)，其速度降低至大约10英尺/秒(3.3米/秒)或较小。经过冷却的大部分废气(其含水量已降至小于1％)通过管道9，鼓风机10和管道11，与O2混合；此混合物流过大致为室温的管道12，进入GPS的内管5。混合的O2/CO2助燃气体在与流出的废气进行逆流低速长时间热交换后被加热至500-750°F(260-399℃)，优选是至少约700°F(382℃)。
流出的废气通过GPS 4的时间优选是15到45秒，更优选是至少约30秒。流入的助燃气体通过GPS 4和管道6与锅炉1的时间优选是15到45秒，更优选是至少约30秒。
在本发明方法和设备的这个最优选实施方式中，未被再循环至锅炉的过量废气通过管道17和鼓风机18，然后经过通向气体处理过程的管道19，按照已知方式进行处理。此优选方法包括使室温废气通过压缩机和冷却器，除去剩余的所有水分；然后在需要时使干燥气体通过过滤器，使剩余颗粒的粒径低于1微米；然后使气体通过活性炭等吸收剂过滤器，除去可能存在的含汞烟气；然后在包括热交换器的装置20中降低气体温度到至少约70°F(21℃)，回收在其中冷凝的液体SO2；最后使剩余物通过管道21进一步用已知方法进行冷却，优选是气体/液体交换器22，使CO2液化，或者通过管线23输送气相CO2至烟囱24，排放到大气中。
在最优选的过程中，废气在装置20和22中被压缩至100-450磅/平方英寸(6.9-31巴)，并冷却使SO2冷凝；然后被进一步冷却至大约-30°F(-34℃)供储存之用，这时，CO2中所含的N2或O2会汽化逸出。可以用储存的液体CO2以及液体SO2进行制冷，冷却中间制冷剂，该制冷剂随后用来冷却设备的冷凝器和热交换器。
废气处理步骤中使用了鼓风机18和压缩机，其质量流量与可比尺寸的空气燃烧锅炉相比要小10％，其原因是：显著缩小了体积的冷却气的处理是在室温下发生的，而热烟道气的温度是200-450°F(93-232℃)；燃料消耗降低进一步降低了助燃气体和废气的流量；用大约1％的过量O2替代15-20％或以上的过量空气；用更大密度/更高热容的CO2替代N2和水蒸汽作为助燃气体中的循环稀释剂，使最终要处理的产物中含有超过95％的CO2。
根据锅炉燃料和优选操作技术的选择，这个实施方式的O2/CO2燃烧方法与设备可以包括另外一些管道和鼓风机。固体燃料优选是粉碎的或破碎。此封闭循环系统最好使用循环气体将固体燃料吹入锅炉中，不用空气进行吹扫，因为空气中含有氮气，会降低锅炉效率。图3所示鼓风机27与未示出的管道相连，使控制量的废气由管道36通过GPS(参见图4)，加热至500-750°F(260-399℃)，然后通过未示出的隔热管道，并联的助燃气体管道6，通向未示出的粉碎机或破碎机，热气体从这里将加热的燃料吹入锅炉中。
还可以使用鼓风机28使废气通过未示出的管道，到达GPS4，提供上部锅炉废气的调温，避免超过约2200°F(1204℃)的灰熔温度。采用这种方法，可以将锅炉上部和对流区的温度保持在大约2000°F(1093℃)，防止会限制效率的颗粒集聚在辐射与对流传热管线的表面上。如果优选使用主要是CO2的热废气在500-750°F(260-399℃)进行调温时，该管道也可以是通过GPS的(参见图4中的管道37)。或者，可以使室温废气由未示出的管道通过鼓风机28，在注射入上部锅炉区域时不进行预先加热。在任何情况下，调温气流中优选含有小于1％的水分。优选使用含有大多是CO2的废气通过VSD鼓风机进行调温，废气中通常含有超过95％的CO2。
操作本发明O2/CO2燃烧过程的灵活简便方法的优势是，通过对系统中的主要鼓风机使用变速驱动(VSD)马达，简化操作过程，这些鼓风机是10，18，27，28和38，在单个控制点进行精确控制。如上所述，优选对助燃气体流性质进行整体控制，从而使废气流以较低速度，比如是20到30英尺/秒通过锅炉。分别控制颗粒真空泵，水和其他泵。
本发明优选操作方法的系统压力比较低，通过锅炉辐射传热区2时是几磅，在GPS的冷却区13中，当流出的废气冷却并冷凝水分时，逐渐降低至低真空。锅炉辐射传热区2中的压力可以是2到50磅/平方英寸(0.13到3.3巴)，但是优选将其保持在5到1 5磅/平方英寸(0.3到1.0巴)的范围内。通过调节鼓风机10和18的速度控制压力。
图4所示是图3点A处GPS4上部管道的截面图。该截面图中表示了将助燃气体输送至锅炉的大管道。小管道36和37的讨论如上所述。外管中的底板30是由穿孔的超级奥氏体不锈钢板制成的，能使沉降的颗粒通过。真空泵/鼓风机31启动时，颗粒通过管道29离开GPS；需要时可以间歇操作。这些颗粒和热气体进入灰分分离装置32，可以沿着GPS 4的水平上部区域每隔10到15英尺(3.3-4.6米)配置一个灰分分离装置。过滤器33收集颗粒，热废气被回吹通过管线34。气体的回吹力能除去可能聚集在管道5和锅炉进水加热管线3中的颗粒。鼓风机/泵31的反向脉冲操作能清洁过滤器33，颗粒通过管线35沉降回收。
表1引用的是与兰金循环空气燃烧系统效率差原因相关的数据，而通过闭合的单循环O2/CO2燃烧方法(5)能基本上克服这些缺点。水蒸气的比重/密度低于CO2。CO2的热容是以水蒸汽形式存在的H2O显热容量的2.44倍。除了在温度通常是300°F(149℃)或以上的空气加热器出口测量废气质量流量时可知的显热损耗之外，(3)和(4)中的大量水蒸汽使潜热损失很大，该潜热损失是970英国热量单位/磅(540卡/克)。在大气压和系统最低温度下，按照表1中所示的分子量和比重，H2O的显热损失是1.0英国热量单位/磅-°F，N2是1.56英国热量单位/磅-°F，CO2是2.44英国热量单位/磅-°F(对H2O是4.15千焦/千克-℃，对N2是6.48千焦/千克-℃，对CO2是10.14千焦/千克-℃)。这些潜热和显热无法用于(3)中的蒸汽发生。在(4)中不能回收潜热，但是显热可部分回收。(5)中能够回收大部分潜热和显热。水蒸气的低密度导致产生高速度，因而传热变差。水蒸气的气体空间要求与CO2相比是CO2的21÷8.59(1)即2.44倍。与(4)和(5)相比，(3)中的N2对速度有不利影响。在(5)中使用最多的CO2和最少的水蒸气和氮气，能使体积和空间速度最小，导致废气与循环助燃气体中的传热效果最好。
除了在装置20中冷凝SO2之外，另一种除硫方法是注射溶解在水中的氧化钙(CaO)或其他碱性吸收剂，与SO2反应形成盐，这是众所周知的烟道气洗涤方法。可以通过将溶液喷洒在GPS4垂直部分的顶部进行注射。当废气以10到15英尺/秒(3.3-4.6米/秒)的低速流动时其温度从顶部的大约200°F(93℃)降低到底部的大约70°F(21℃)，降落的碱性水雾会吸收然后将盐沉淀出来。在冷却区域13，在该区域中废气温度降低至大约40°F(4℃)，会进一步发生冷凝，致使含水量小于1％。最终废气中仅含有痕量SO2和所形成的酸。因此能安全地排放此废气，无须使用装置20进行压缩和清洁。在装置20中的过程发生中断时，可以使用此替代方法。在燃烧低硫燃料时也可以连续使用此方法。比如，美国西部Montana和Wyoming的大多数煤以及许多褐煤中含有天然的SO2吸附剂和仅为0.25％到0.50％的硫，当SO2含量低时，使用此方法能令人满意地替代装置20，回收如此低含量的SO2没有明显的商业价值。该除硫方法的缺点是，因为注射的水雾会显著降低显热回收率并大大降低回收潜热的可能性，因此其效率降低。同时要处理的固体废物体积也有所增加。
发现使用这种方法操作组合有该设备的锅炉能够显著提高效率并减少排放物。通过具体而非限制性的实施方式说明了本发明。本领域技术人员能够理解，可以在不超出本发明原理的情况下进行变化和改进，应当认为这些变化和改进属于权利要求及其等同权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种兰金循环蒸汽发生系统，该系统包括：
具有燃料燃烧区(1a)和用于产生蒸汽的辐射传热与对流传热区(2，3)的锅炉(1)；
与锅炉组合的隔热气体发火区(GPS)(4)，废气流流过GPS；
包括从废气流中除去颗粒的装置(29)和在延长的停留时间内通过与废气流的间接逆流热交换将热量传递给助燃气体流的装置(5)的GPS，热传递的结果是使废气流温度降低到水分发生冷凝的温度；
将所述助燃气体流输送至GPS，在延长的停留时间内在与废气流的间接逆流热交换中将其加热到至少约500°F(260℃)的装置(12)；
将离开GPS的加热的助燃气体流输送到锅炉燃烧区(1a)进行燃料燃烧的隔热管道装置(6)；
从GPS中除去颗粒的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于在GPS中加热的助燃气体流是(a)空气，(b)富氧空气，(c)富氧空气与循环废气的混合物，或(d)氧气与循环废气的混合物。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于GPS中包括环绕延长内管(5)的延长隔热外管，内管中输送的助燃气体流用于所述逆流过程。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于外管的隔热效率大于90％。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于延长内管通常与外管同轴，具有倾斜的上表面，防止颗粒集聚。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于外管中有块用来除去颗粒的水平穿孔金属底板(30)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于从GPS中除去颗粒的装置使用真空过滤器，能将热气体回吹至GPS的上部区域中。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于助燃气体流是富氧空气和循环废气的混合物，或者是O2与循环废气的混合物，提供并使用变速驱动(VSD)鼓风机来控制各组分的质量流量和比例，混合构成助燃气体，保持优选的锅炉燃烧温度和助燃气体速度。
9.一种兰金循环蒸汽发生系统，包括：
具有燃料燃烧区(1a)和用于产生蒸汽的辐射传热与对流传热区(2，3)的锅炉(1)；
与锅炉组合的隔热气体发火区(GPS)(4)，废气流由锅炉流过GPS；
包括从废气流中除去颗粒的装置(29)和在延长的停留时间内通过与废气流的间接逆流热交换而将热量传递给包含氧气和大部分是CO2的助燃气体流的装置(5)的GPS，热传递的结果是使废气流的温度降低至接近室温或以下，使水分冷凝；
进一步将废气流温度冷却至大约32和50°F(0-10℃)之间的装置(14)；
将经过进一步冷却的废气流分离成第一主要部分和第二部分的装置(9，17)；
将第一部分与O2混合成助燃气体流并将其输送至GPS，在GPS中在延长的停留时间内，它与废气流的间接逆流热交换中被加热到至少约500°F(260℃)的装置(8，11，12)；
将离开GPS的加热助燃气体流输送至锅炉燃烧区(1a)进行燃料燃烧的隔热管道装置(6)；
从GPS中除去颗粒的装置(29)。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于GPS中包括上游区，向下延伸的中间区和下面的下游区，进一步冷却的方式与下游区有关，冷却和水分冷凝的结果是缩小废气流的体积，使其速度降低至大约10英尺/秒(3.3米/秒)或以下。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于GPS中包括延伸的隔热外管，其隔热效率大于90％，该外管环绕延伸内管，内管中输送的助燃气体流用于逆流过程。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于：
进一步的冷却装置能将废气流冷却至大约40°F(4℃)或以下；
GPS的设计能将助燃气体流加热到至少约700°F(371℃)；
能连续控制助燃气体流中氧气和大部分CO2的质量流量和比例，优化锅炉温度和助燃气体速度的装置；
能将经过加热的基本不含水分的废气输送通过GPS，将粉碎或破碎或切碎的燃料吹入锅炉中的装置；
通过水含量小于1％的废气的调温作用控制锅炉上部温度的装置。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于还包括通过变速驱动(VSD)鼓风机连续控制助燃气体流中O2和大部分CO2的质量流量和比例，优化锅炉温度和速度的装置；
将基本不含水分的废气输送至GPS，将粉碎，破碎或切碎的燃料吹入锅炉燃烧区的装置；
通过VSD鼓风机利用主要含有CO2的废气的调温作用控制锅炉上部区域温度的装置，废气中的CO2含量超过95％。
14.一种操作兰金循环蒸汽发生系统的方法，该系统包括具有燃料燃烧区(1a)和用于产生蒸汽的辐射传热与对流热传区(2，3)的锅炉(1)，和与锅炉组合的隔热气体发火区(GPS)(4)，废气流流过GPS，其中的助燃气体流以逆流方向流动，
所述方法包括：
通过GPS中在延长停留时间内与废气流的间接逆流热交换将热量传递给助燃气体流，传热的结果是使废气流的温度降低至接近室温或以下，使水分冷凝；
从GPS的废气流中除去颗粒；
进一步冷却废气流至32到50°F(0-10℃)之间，冷凝更多的水分；
将经过进一步冷却的废气流分离成第一主要部分和第二部分；
将第一部分与O2混合成含有O2和大部分CO2的助燃气体流，输送至GPS，在延长的停留时间内在与废气流的间接逆流热交换中加热到至少约500°F(260℃)的高温；
将高温助燃气体流从GPS通过隔热管道(6)输送至锅炉燃烧区(1a)，供燃料燃烧之用，
从GPS中除去颗粒。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于通过重力和间歇使用真空过滤器将热气回吹至GPS，从废气流和GPS中除去颗粒。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于流出的废气流通过GPS的停留时间至少是15秒。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于GPS包括上游区，向下延伸的中间区和下面的下游区，进一步冷却在下游区中发生，在下游区中废气流的速度被降低至10英尺/秒(3.3米/秒)或以下，废气的含水量被降低至大约1％或以下。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于锅炉出口(3)处测得的气体流速是大约30英尺/秒或以下。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于控制助燃气体流中的氧含量，使燃料燃烧区中的氧气与化学计量的燃料燃烧要求相比过量不超过3％。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于：
使用变速鼓风机连续控制助燃气体流中氧气和大部分CO2的质量流量和比例，优化锅炉温度和助燃气体速度；
将含水量不超过约1％的加热废气流输送通过GPS，将粉碎，破碎或切碎的燃料吹入锅炉燃烧区中；
通过含水量不超过约1％的废气的调温作用控制锅炉上部区域的温度。
21.如权利要求14所述的方法，其特征在于流出的废气流通过GPS的停留时间是大约30秒或以上。
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