TW201337179A

TW201337179A - 旋轉再生熱交換器

Info

Publication number: TW201337179A
Application number: TW101140607A
Authority: TW
Inventors: Olaf Stallmann; Gerhard Heinz
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-09-16

Abstract

本發明揭示一種經配置用於在一第一氣體流與一第二氣體流之間轉移熱之旋轉再生熱交換器，其裝配有一次至少覆蓋該熱交換器之徑向隔間中之一者之一覆蓋部分。該覆蓋部分包括抽吸連接，透過該等抽吸連接將抽吸施加至所覆蓋隔間。以此方式，減少了一第一氣體與一第二氣體之間的氣體混合。

Description

旋轉再生熱交換器

本發明係關於一種旋轉再生熱交換器、一種燃燒系統及一種減少通過一旋轉再生熱交換器之一第一氣體流與一第二氣體流之間的氣體混合之方法。

人們越來越關注二氧化碳及其他溫室氣體至大氣之排放正導致氣候變化及其他尚未知的後果。由於現有化石燃料燃燒發電廠位於最大的二氧化碳排放源頭之列，因此已將來自此等工廠之煙道氣體中之二氧化碳之捕獲識別為用於減少大氣二氧化碳排放之一重要手段。為此，氧氣燃燒係正在開發用以自現有發電廠及新的發電廠兩者之煙道氣體捕獲二氧化碳之一有前景的鍋爐技術。

在一氧氣燃燒發電廠中，在該發電廠之一燃燒系統中之一燃燒程序中以與在一習用(例如，空氣燃燒)發電廠中類似之一方式燃燒一化石燃料(諸如煤(舉例而言))。然而，在氧氣燃燒發電廠中，使用氧氣及經再循環煙道氣體(所謂的氧化劑)而非空氣作為燃燒程序中之一助燃劑。經再循環煙道氣體主要含有二氧化碳氣體；因此，爐子產生一富含二氧化碳之煙道氣流。由一氣體處理系統處理富含二氧化碳之煙道氣體，該氣體處理系統在經由一煙囪將煙道氣體排出至大氣之前自該煙道氣體捕獲二氧化碳。在一典型氧氣燃燒發電廠中，在到達煙囪之前，離開爐子之煙道氣體中之二氧化碳位準與離開不具有一氣體處理系統之一發電廠之煙道氣體相比減少90%(體積百分比)以上。

空氣及氧化劑洩漏促成氧氣及氮氣濃度之一增加，外加煙道氣體中之其他雜質。氧化劑洩漏至煙道氣體中之一種方式係在再生熱交換器中，尤其係(舉例而言)再生氧化劑加熱器中。更特定而言，再生氧化劑加熱器之一個氧化劑側上之高壓力氧化劑洩漏至一相對較低壓力煙道氣體側，藉此增加其成份在煙道氣體中之濃度。進入至煙道氣體中之氧化劑洩漏或(針對習用發電廠)空氣洩漏可係顯著的。舉例而言，進入至一典型粉煤鍋爐中之空氣洩漏可高達總燃燒空氣之約5%，且較舊鍋爐可具有甚至更多空氣洩漏。

此外，在裝備有一燃燒後二氧化碳捕獲系統之一發電廠中，洩漏減少甚至係更有益的。舉例而言，當設計燃燒後二氧化碳捕獲系統時，需要考量到空氣洩漏，且二氧化碳捕獲系統之過大設備係昂貴的。進入至煙道氣體中之空氣洩漏增加煙道氣體中單體氧之濃度，且因此不利地影響氧敏感二氧化碳捕獲化學品，藉此增加具有二氧化碳捕獲系統之發電廠中之化學成本。

WO 10/132143揭示一種用於一發電廠之再生空氣或氧化劑預熱器，其中藉由在配置於一進口充氣室與一出口充氣室之間的一徑向充氣室及一軸向充氣室中引入一第三氣體流來減少該進口充氣室與該出口充氣室之間的空氣洩漏。

根據本文中所圖解說明之態樣，提供一種用於在一第一氣體流與一第二氣體流之間轉移熱藉此減少該第一氣體流與該第二氣體流之間的氣體混合之旋轉再生熱交換器。

根據本文中所圖解說明之一項態樣，提供一種用於在一第一氣體流與一第二氣體流之間轉移熱之旋轉再生熱交換器，該熱交換器包括：一殼體，其具有用於該第一氣體流之一第一流動通道及用於該第二氣體流之一第二流動通道；一轉子，其以可旋轉方式安裝於該殼體內，該轉子具有將該轉子劃分成若干徑向隔間之徑向延伸分割件；其中一覆蓋部分配置於該殼體中且分離該第一流動通道與該第二流動通道，該覆蓋部分一次至少覆蓋該轉子之一個徑向隔間且具有經調適用於將抽吸施加至由該覆蓋部分覆蓋之該至少一個徑向隔間以減少該第一氣體流與該第二氣體流之間的混合之抽吸連接。

根據本文中所圖解說明之其他態樣，提供一種燃燒系統，其包括：一鍋爐，其在存在一含氧氣體之情形下燃燒燃料且產生富含二氧化碳之煙道氣體；及根據上文之一旋轉再生熱交換器，其經配置以將熱自一富含二氧化碳之煙道氣體流轉移至用作該鍋爐中之燃燒氣體之一富氧經再循環富含二氧化碳之煙道氣體流，且減少該富含二氧化碳之煙道氣體流與該富氧經再循環富含二氧化碳之煙道氣體流之間的混合。

根據本文中所圖解說明之其他態樣，提供一種減少通過一旋轉再生熱交換器之一第一氣體流與一第二氣體流之間的氣體混合之方法，該旋轉再生熱交換器具有：一殼體，其具有用於該第一氣體流之一第一流動通道及用於該第二氣體流之一第二流動通道；及一轉子，其以可旋轉方式安裝於該殼體內，該轉子具有將該轉子劃分成若干徑向隔間之徑向延伸分割件，該方法包括以下步驟：藉由在使該轉子旋轉之同時使該第一氣體流通過該第一通道且使該第二氣體流通過該第二通道而使該第一氣體流與該第二氣體流進行熱交換，及透過配置於分離該第一流動通道與該第二流動通道且一次至少覆蓋一個徑向隔間之一覆蓋部分中之抽吸連接施加抽吸以減少該第一氣體流與該第二氣體流之間的混合。

藉由以下各圖及詳細說明來例示上文所闡述之特徵及其他特徵。

現在參考各圖，該等圖係例示性實施例且其中相似元件以相似方式編號。

圖1中展示一旋轉再生熱交換器100。該熱交換器具有一殼體102，殼體102具有用於一第一氣體流106之一第一流動通道104及用於一第二氣體流110之一第二流動通道108。氣體流中之一者具有高於另一者之一溫度，且在操作中，旋轉熱交換器將熱自較暖氣體流轉移至較冷氣體流，且反之亦然。

如圖2中所展示，該熱交換器進一步具有一轉子112，轉子112憑藉一旋轉軸114以可旋轉方式安裝於殼體102中以憑藉旋轉軸114沿一方向116旋轉。藉由若干個徑向延伸分割件118將轉子112劃分成若干個徑向隔間120。在隔間120中配置有熱交換元件122。該等熱交換元件由一材料製成，該材料適合於隨著轉子112旋轉而在兩個氣體流106與110之間進行熱交換以達成經受一個氣體流之隔間120經旋轉以經受另一氣體流，藉此將熱自一個氣體流轉移至另一氣體流。可注意，亦可能使隔間120本身構成熱交換元件，諸如藉由將其極緊密地配置在一起。

使第一流動通道104與第二流動通道108彼此分離之一覆蓋部分124配置於殼體102中且示意性地展示於圖2中且更詳細地展示於圖3a中。覆蓋部分124具有將抽吸施加至當前由覆蓋部分124覆蓋之一或若干隔間120之抽吸連接126。該覆蓋部分可包括配置於當前由覆蓋部分124覆蓋之徑向隔間之相對側上之一第一扇形板125a及一第二扇形板125b。抽吸連接可提供於扇形板125a、125b中之一者或兩者中。

抽吸連接126可(例如)呈若干個較小連接之形式或呈一狹縫之形式，且其可居中安置於一或若干覆蓋板125a、125b中，後一形式藉由確定以下來改良抽吸連接126之功能：由覆蓋部分124覆蓋之隔間120直至整個隔間120皆由覆蓋部分124覆蓋才與抽吸連接126流體連接，且進一步地，抽吸連接126之間的流體連接在隔間120旋轉至其中該隔間不再由覆蓋部分124覆蓋之一位置之前斷開。此繼而意指存在自第一氣體流動通道104或第二氣體流動通道108至抽吸連接126之一減少之氣體洩漏量。

在某些例項中，覆蓋部分124覆蓋至少兩個隔間120，且將一次至少覆蓋一個隔間120。藉由將抽吸施加至由覆蓋部分124覆蓋之隔間120，在由覆蓋部分124覆蓋之隔間120中提供了低於第一流動通道104及第二流動通道108中之壓力之一壓力，且因此將在隔間120旋轉至第二流動通道108之前自彼隔間120移除來自第一流動通道104之任何剩餘氣體，且反之亦然。以此方式，可減少第一氣體流106與第二氣體流110之間的洩漏。在圖3b中亦圖解說明隔間之一壓力量變曲線，依據該壓力量變曲線，很明顯，氣體已自當前由覆蓋部分124覆蓋之徑向隔間120抽吸出來。

另一選擇為，可透過可配置於第二覆蓋板125b中之供應連接127將一沖洗氣體饋送至由覆蓋部分覆蓋之隔間。在此情形中，抽吸連接126將僅配置於第一覆蓋板125a中。如圖4中所展示，沖洗氣體可係來自一燃燒系統400中之一鍋爐402之經再循環非富氧煙道氣體。

圖4示意性地展示包含圖1至圖3中所展示之旋轉再生熱交換器100之一燃燒系統400。燃燒系統400包括在存在一含氧氣體之情形下燃燒諸如煤或油之燃料且產生熱的富含二氧化碳之煙道氣體之一鍋爐402。該熱的富含二氧化碳之煙道氣流自鍋爐402經饋送穿過一管道404，作為第一氣流106透過第一流動通道104通過旋轉再生熱交換器100。然後，該煙道氣流通過一燃燒系統之若干個習用部分或在該等部分中予以處理，諸如一靜電沈澱器ESP、可能的其他熱交換器、渦輪機等，所有這些皆由裝置406表示。然後，經由管道408透過一壓縮機或風扇410將煙道氣流之至少部分作為燃燒氣體再循環或饋送回至鍋爐402。該經再循環煙道氣流已富含來自一氧氣源412之氧氣，然後該氣流作為由第一氣體流106(亦即，來自鍋爐402之熱煙道氣體)加熱之第二氣體流110透過第二流動通道108通過旋轉再生熱交換器100。

為減少在旋轉再生熱交換器100中來自鍋爐402之熱煙道氣體與經再循環富氧煙道氣體之間的氣體混合，透過覆蓋部分124中之抽吸連接126將抽吸施加至轉子112之至少一個隔間120。

如圖4中所展示，可藉由提供將抽吸連接連接至在壓縮機410上游之管道408之一管道414來提供抽吸。然後將壓縮機410用於將經再循環煙道氣體壓縮且饋送至鍋爐及將抽吸提供至由覆蓋部分覆蓋之徑向隔間兩者，且針對後一目的不需要安裝額外設備。替代方案為，亦可安裝經專門設計用於將抽吸提供至抽吸連接126之一單獨裝置。

如圖4中所展示，可在使經再循環煙道氣體富氧之前將自由覆蓋部分124覆蓋之徑向隔間移除之氣體饋送至用於將該煙道氣體饋送至鍋爐之管道。此提供在不必安裝任何單獨設備之情況下移除氣體之一便利方式。亦可將經移除氣體饋送至其他位置，諸如供在另一燃燒系統中使用或可能地饋送至一氣體淨化設備。

如先前所提及，另一選擇為，可透過供應連接127將一沖洗氣體供應至當前由覆蓋部分覆蓋之徑向隔間120用於甚至進一步減少第一氣體流與第二氣體流之間的氣體混合。可在富氧之前透過連接至用於將經再循環煙道氣體饋送至鍋爐之管道之一管道416給供應連接127饋送呈非富氧經再循環煙道氣體之形式之沖洗氣體。將沖洗氣體饋送至由覆蓋部分覆蓋之徑向隔間中甚至進一步減少熱煙道氣體與富氧經再循環煙道氣體之間的氣體混合之風險。

圖5圖解說明減少通過一旋轉再生熱交換器100之一第一氣體流與一第二氣體流之間的氣體混合之一方法500，旋轉再生熱交換器100具有：一殼體102，其具有用於第一氣體流106之一第一流動通道104及用於第二氣體流110之一第二通道108；及一轉子112，其以可旋轉方式安裝於殼體102內，轉子112具有將轉子112劃分成若干徑向隔間120之徑向延伸分割件118。

在一第一步驟502中，藉由在使轉子112旋轉之同時使第一氣體流106通過第一通道104且使第二氣體流110通過第二通道108而使第一氣體流106與第二氣體流110進行熱交換。在一第二步驟504中，透過配置於分離第一流動通道104與第二流動通道108且一次至少覆蓋一個徑向隔間120之一覆蓋部分124中之抽吸連接126施加抽吸以減少第一氣體流106與第二氣體流110之間的混合。

本文中論述一種用於在一第一氣體流與一第二氣體流之間交換熱之一旋轉再生熱交換器，亦即，一雙扇形體旋轉熱交換器。然而，本發明之實施例之原理亦可應用於一個三扇形體或四扇形體熱交換器，該兩者係用於旋轉再生熱交換器之眾所周知之選項。假如使用一個三扇形體或四扇形體熱交換器，則可使用本文中所闡述之覆蓋部分來分離該等流中的其中氣體混合之減少係最重要的僅某些流，，且可使用其他手段來分離其中可容忍較多氣體混合之此類氣體流。亦可安裝諸如本文中所闡述之一覆蓋部分以便減少熱交換器中所有鄰近氣體流之間的氣體混合。

本文中揭示一種用於諸如一發電廠之一燃燒系統之再生熱交換器。此設備通常稱作一空氣預熱器，但其亦將適合於與一氧化劑氣體一起使用。該發電廠可係一氧氣燃燒發電廠或一空氣燃燒發電廠、一粉煤發電廠或者具有或不具有二氧化碳捕獲之一循環流化床發電廠。儘管已相對於此一燃燒系統闡述了本發明，但本發明亦涵蓋此一再生熱交換器用於其他應用。

簡而言之，一種經配置用於在一第一氣體流與一第二氣體流之間轉移熱之旋轉再生熱交換器裝配有一次至少覆蓋該熱交換器之徑向隔間中之一者之一覆蓋部分。該覆蓋部分包括抽吸連接，透過該等抽吸連接將抽吸施加至該經覆蓋隔間。以此方式，減少了一第一氣體與一第二氣體之間的氣體混合。

儘管已參考若干個較佳實施例闡述了本發明，但熟習此項技術者將理解，在不背離本發明之範疇之情況下，可作出各種改變且可用等效物替代其中之元件。另外，在不背離本發明之本質範疇之情況下，為適應一特定情況或材料亦可對本發明之教示內容作出諸多修改。因此，本文並非意欲將本發明限於作為實施本發明最佳設想模式所揭示之特定實施例，而是意欲使本發明包含屬於隨附申請專利範圍之範疇內之所有實施例。此外，術語第一、第二等之使用不表示任何次序或重要性，而是使用術語第一、第二等區分一個元件與另一個元件。

100‧‧‧旋轉再生熱交換器/熱交換器

102‧‧‧殼體

104‧‧‧第一流動通道/第一氣體流動通道/第一通道

106‧‧‧第一氣體流/氣體流

108‧‧‧第二流動通道/第二氣體流動通道/第二通道

110‧‧‧第二氣體流/氣體流

112‧‧‧轉子

114‧‧‧旋轉軸

116‧‧‧方向

118‧‧‧徑向延伸分割件

120‧‧‧徑向隔間/隔間

122‧‧‧熱交換元件

124‧‧‧覆蓋部分

125a‧‧‧第一扇形板/扇形板/覆蓋板/第一覆蓋板

125b‧‧‧第二扇形板/扇形板/覆蓋板/第二覆蓋板

126‧‧‧抽吸連接

127‧‧‧供應連接

400‧‧‧燃燒系統

402‧‧‧鍋爐

404‧‧‧管道

406‧‧‧裝置

408‧‧‧管道

410‧‧‧壓縮機或風扇/壓縮機

412‧‧‧氧氣源

414‧‧‧管道

416‧‧‧管道

圖1以一透視圖展示一旋轉再生熱交換器。

圖2以一局部剖面圖圖解說明旋轉再生熱交換器。

圖3a及圖3b藉助一相關壓力量變曲線以一透視圖圖解說明旋轉再生熱交換器。

圖4展示包括圖1至圖3之熱交換器之一燃燒系統。

圖5圖解說明減少氣體混合之一方法。