TWI396816B - 具有一整合氧氣產生裝置之鍋爐 - Google Patents

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Description

具有一整合氧氣產生裝置之鍋爐
本發明係關於整合氧氣產生裝置之鍋爐，且更特別地係關於一種系統，其中在鍋爐中產生之燃燒熱係用於在鍋爐中產生蒸汽，並且係施加至吹掃氣流及饋進氣流之至少一者，以確保在氧氣產生裝置所需之溫度下提供吹掃氣流及饋進氣流至氧氣產生裝置。
化石燃料與相對純氧的燃燒已由於各種理由而予以考慮，其主要係關於欲移除或有效降低在空氣中之氮氣的稀釋效應。過去，興趣是在燃燒期間減少氮氧化物之形成。最近，產生二氧化碳之濃縮氣流用於捕獲及隔離以便降低溫室氣體排放輻射的期望已經提供推動力。大量的氧氣係經由來自空氣中的氮氣之氧氣的低溫分離而大量生產。然而，用於此方法之能量需求相對於燃燒方法係相當高，其取決於所需的氧氣純度而自燃料能量之約20%至約30%。此能量消耗大量地降低了在發電廠中蒸汽及電力的產出(參見Bozzuto等人在2001年之OCDO/AEP改造研究)。新技術的發展企圖以較少的能量消耗而產生氧氣。經濟研究指出此等方式可改良電廠經濟(參見「在循環流體床中藉由富氧燃燒之溫室氣體排放控制」卷II(Nsakala等人，2003年)。自饋進氣流分離氧氣之先進系統包含(例如)壓力擺動系統、物理及化學吸附系統及薄膜系統。在這類系統中，饋進氣流通過吸附劑、薄膜或其類似物，且在饋進氣體中之至少部分的氧氣係予以去除。在許多此等系統中，需要高溫吹掃氣體以提供用於氧氣分離之化學推動力或再生此吸附劑材料。實際上，吹掃氣流將氧氣「掃」離氧氣產生裝置(例如：吸附劑、薄膜或其類似物)。為確保氧氣產生裝置之正常操作，必須在規定的溫度範圍(參見美國專利第6,562,104號)內之溫度下將吹掃及饋進氣流提供至氧氣產生裝置。
薄膜系統之一個實例係如在美國專利第6,406,518號中所詳述之氧運輸薄膜。在此系統中，空氣在通過一陶瓷薄膜之前係予以加熱。在薄膜之另一側，亦將具有極低之氧含量的氣體預熱並且輸送至薄膜之外側。在氧分壓中的差異提供一驅動力，以用於從通過薄膜的空氣分離氧氣。規定的溫度範圍係450℃至1200℃。在吸附系統中，空氣係傳輸過一介質，此介質在一溫度下捕獲氧氣，並且在一更高溫度下釋放氧氣。用於分離之驅動力亦可藉由如美國專利第6,702,570號中所描述之空氣壓縮而提供。可替換地，材料可在高壓下吸收氧氣，並且在較低壓力下釋放氧氣，如在壓力擺動系統中所做的。所有此等系統之目標係在比低溫分離更低之能量損失下自空氣分離氧氣。
由於在此等系統中經常需要高溫環境，所以吾人期望提供一種系統，其允許使用此等各種氧氣產生系統與一鍋爐系統，以用合理的效率產生蒸汽(及電力)，提供一濃縮的二氧化碳氣流，並且提供為允許氧氣分離系統最佳地運行所必需之高溫環境。
在一態樣中，係提供一種系統，其包含一氧氣產生裝置以及一鍋爐。氧氣產生裝置從饋進氣流中移除氧氣，並且將所移除之氧氣提供至吹掃氣流。鍋爐包含一燃燒室，在燃燒室中之燃料燃燒提供用於產生蒸汽之熱量。鍋爐亦包含至少一空氣加熱器，在空氣加熱器中之饋進氣流及吹掃氣流中的至少一者係在進入氧氣產生裝置前予以加熱。在不同的實施例中，氧氣產生裝置之至少一部分係配置在鍋爐中，並且在燃燒室內藉由燃料燃燒產生之煙道氣體係作為吹掃氣流使用。在此等實施例中，離開氧氣產生裝置之煙道氣體包含自饋進氣流所移除之氧氣。煙道氣體/氧氣混合氣體可用於燃燒室內之燃料燃燒，並且可提供至用於自煙道氣體移除氧氣之氧氣分離器。在氧氣耗盡饋進氣體中含有之可感熱量係由饋進氣流藉由自氧氣耗盡氣體至饋進氣流(空氣)之熱交換而予以回收。
在另一態樣中，係提供一鍋爐，此鍋爐包括一燃燒室，在燃燒室中之燃料燃燒提供用於產生蒸汽之熱量，並且至少一空氣加熱器係配置在鍋爐最接近燃燒室之處。此至少一空氣加熱器係與氧氣產生裝置流體連通，以及到達氧氣產生裝置之饋進氣流及吹掃氣流中之至少一者係在此至少一空氣加熱器中予以加熱。
在又一態樣中，係提供用於加熱在氧氣產生裝置內使用之饋進氣流以及吹掃氣流的方法。此方法包括：在一鍋爐之一燃燒室中燃燒燃料以產生熱量，此燃燒產生一煙道氣體；使用藉由燃燒燃料產生之熱量加熱一饋進氣流；提供饋進氣流至一氧氣產生裝置，以自饋進氣流中移除氧氣；並且將煙道氣體作為一吹掃氣流提供至氧氣產生裝置，以自氧氣產生裝置移除氧氣。
圖1-5描繪一與一氧氣產生裝置12整合之鍋爐10的不同實施例。在每個系統中，在鍋爐10中產生的燃燒熱(其係用於在鍋爐10中產生蒸汽)係施加至吹掃氣流13及饋進氣流15中的至少一者，以確保吹掃及饋進氣流13、15係在氧氣產生裝置12所需的溫度下提供至氧氣產生裝置12。在圖1-4中描繪之每個實例中，饋進氣體係空氣，吹掃氣係煙道氣體，並且氧氣產生裝置12將氧氣從饋進氣流15傳輸至吹掃氣流13。然而，應注意的是，吹掃氣體係在圖5之鍋爐10中產生的蒸汽。然而，吾人預期氧氣產生裝置12可為任何裝置，其由饋進氣體分離氧氣，並且使用一吹掃氣體以提供用於氧氣分離之化學驅動力或再生用於氧氣分離中之吸附材料。例如，氧氣產生裝置12可為壓力擺動系統、吸附系統、薄膜系統或其類似物。
在圖1顯示之第一實施例中，鍋爐10係與氧氣產生裝置12整合。在鍋爐10中，富有O2 之經回收的煙道氣體取代燃燒空氣，且與燃料預混合以用於在鍋爐10之燃燒室14中點火。燃燒之熱量係轉移至鍋爐10之水牆，以產生蒸汽並且預熱流過高溫空氣加熱器16之饋進氣體(空氣)流15。
在空氣加熱器16中，將饋進氣流15加熱至氧氣產生裝置12之操作特性所需的溫度。在所示之實施例中，氧氣產生裝置12係為一氧運輸薄膜17，其在不允許另一氣體成分通過薄膜17的狀況下選擇性地輸送氧離子通過薄膜17。因此，離開運輸薄膜17之氣體係熱的，O2 耗盡的空氣，其主要係純N2 。此N2 氣體係從位於鍋爐10之外的排氣集管18處之氧氣產生裝置12收集而來，並且N2 氣體係饋送至低溫空氣加熱器20，在該處回收N2 氣流中含有的熱量。熱量回收蒸汽發生器(HRSG)或任何其他冷卻系統可用於取代低溫空氣加熱器20。
饋進氣流15係在低溫空氣加熱器20中預熱，並且係經管道輸送至高溫空氣加熱器16之進口集管22。由此高溫空氣加熱器16，饋進氣流15流至氧氣產生裝置12。在高溫空氣加熱器16與氧氣產生裝置12之間的連接係藉由連接器24之系統在鍋爐10外形成。
在鍋爐10中，至少部分的氧氣產生裝置12(例如，運輸薄膜17)係放置於煙道氣體的路徑中，並且該煙道氣體係作為用於氧氣產生裝置12的吹掃氣流13。燃燒產物主要包含水蒸汽(H2 O)及二氧化碳(CO2 )之混合氣體，並且最適合用於從氧氣產生裝置12掃除O2 。煙道氣體可藉由對流熱傳遞部分26作更進一步冷卻，以維持吹掃氣流13之溫度在氧氣產生裝置12之溫度要求內。
在所顯示之實施例中，煙道氣體流過薄膜17元件，該等元件掃除傳遞過薄膜17之O2 。此時富含氧氣之煙道氣體含有與周圍空氣相同的O2 重量百分比。富含O2 之煙道氣體可 在離開鍋爐10前更進一步地予以冷卻。在離開鍋爐10時，煙道氣體分離成兩個氣流：一個氣流係用於燃燒，而另一氣流則係被轉向至一水蒸汽冷凝器以及CO2 與O2 分離系統28，在此處包含於煙道氣體中的氣體係經分離、淨化並且經製備以用於商業用途。
參見圖2，高溫空氣加熱器16可安裝在鍋爐10之低爐區域，而氧氣產生裝置12則可安裝在鍋爐10之上部爐區域中。在氧氣產生裝置12與高溫空氣加熱器16之間的連接在鍋爐10外部變得更容易。在氧氣產生裝置12使用運輸薄膜17之處，輸運薄膜17可接近燃燒室14定位或定位在燃燒室14中，以增加在運輸薄膜17處之吹掃氣流13的溫度。
圖3描繪一實施例，其中鍋爐10係整裝鍋爐。圖3之實施例類似於圖2之實施例，除了氧氣產生裝置12之位置，其顯示於圖3以包含輸送薄膜17以及空氣進口集管22。在圖3中，高溫空氣加熱器(未顯示)可伴隨氧氣產生裝置12一起安置在鍋爐10內。氧氣產生裝置12及/或高溫空氣加熱器可以氧氣產生裝置12及/或高溫空氣加熱器可伴隨壁40(例如，藉由凸緣壁40的使用)可自鍋爐10之剩餘部移動的方式併入界定鍋爐10之燃燒室14的壁40中。
參考圖4，其顯示一實施例，其中氧氣產生裝置12(例如，運輸薄膜17)係安裝在形成較大鍋爐10之整體部分之鍋爐室50內。在室50內，圍燒氧氣產生裝置12安裝若干小型的溫度控制燃燒器52，以確保系統12在啟動與操作期間保持在所期望之溫度，並且保護系統12免受因著吹掃氣流13穿過薄膜17之流動所造成的潛在熱衝擊。
吹掃氣流13可由內部誘導再循環經由安裝在鍋爐10之水牆的若干端口54提供，藉由氣體再循環風扇56以煙道氣體的外部再循環提供，或藉由二者予以提供。吹掃氣流13實質上不是包含CO2 或者就是包含CO2 加H2 O之混合氣體。包含在吹掃氣流13中的O2 是在主鍋爐10之燃燒室14內的燃燒中被消耗，產生高CO2 及H2 O濃度之煙道氣體。煙道氣體可在一連串的熱交換器26、58中予以冷卻。
熱O2 耗盡之空氣(實質上係純N2 )係自氧氣產生裝置12收集並且經管道傳輸至空氣加熱器20，在此空氣加熱器20包含在N2 氣流中的可感熱量係由饋進氣流15予以回收。HRSG或任何其他冷卻系統可用於取代空氣加熱器20。
圖5描繪一實施例，其中氧氣產生裝置12係放置在鍋爐10外。在鍋爐10中與空氣(或煙道氣體/O2 混合氣體)燃燒的燃料將熱量轉移以產生蒸汽並且將空氣預熱，其係分別作為吹掃氣流13以及饋進氣流15而傳輸至氧氣產生裝置12。
高溫饋進氣流15係藉由一空氣加熱器系統予以提供，此空氣加熱器系統包括安裝在鍋爐10內部之對流(低溫)部分60及輻射(高溫)部分16。熱O2 耗盡空氣(實質上係純N2 )係由氧氣產生裝置12收集並且經管道傳輸至HRSG或空氣加熱器20，在該處回收N2 氣流含有之可感熱量。
由鍋爐10產生之蒸汽係作為吹掃氣流13，以從氧氣產生裝置12掃除O2 。吹掃氣流13係在操作條件下保持薄膜17所需的溫度下予以提供，並且防止薄膜17之熱衝擊。具有O2 之掃除蒸汽是由氧氣產生裝置12將傳輸至一HRSG/H2 O冷凝系統62，在該處蒸汽/O2 混合氣體係予以冷卻，水蒸汽係予以凝結並且分離O2 。分離的O2 可用於在鍋爐10中燃燒或在其他工業用途中使用。
若來自氧氣產生裝置12之CO2 /H2 O/O2 混合氣體係用於在鍋爐10內代替燃燒空氣用於燃燒，離開鍋爐10之煙道氣體可在水蒸汽冷凝器及CO2 分離系統28中予以處理。可替換地，若使用燃燒空氣，離開鍋爐10之煙道氣體可通過煙囪而散逸至周圍環境。
因為本發明容許不同的修改及替換形式，吾人應瞭解本發明並非欲藉由所揭示之特殊形式所限制。相反地，本發明之範圍延伸至所有落入由附加請求項所界定之本發明的範圍及精神內的修改、均等物及替換物。
10．．．鍋爐
12．．．氧氣產生裝置
13．．．吹掃氣流
14．．．燃燒室
15．．．饋進氣流
16．．．空氣加熱器
17．．．薄膜
18．．．排氣集管
20．．．空氣加熱器
22．．．進口集管
24．．．連接器
26．．．對流熱傳遞部分
28．．．分離系統
40．．．壁
50．．．鍋爐室
52．．．溫度控制燃燒器
54．．．端口
56．．．風扇
58．．．熱交換器
60．．．對流(低溫)部分
62．．．冷凝系統
圖1係整合氧氣產生裝置之鍋爐的第一實施例之示意性繪圖；
圖2係整合氧氣產生裝置之鍋爐的第二實施例之示意性繪圖，其中氧氣產生裝置係定位在最接近燃燒室之處；
圖3係整合氧氣產生裝置之鍋爐的第三實施例之截面正視圖，其中氧氣產生裝置係定位在鍋爐之一壁面上；
圖4係整合氧氣產生裝置之鍋爐的第四實施例之示意性繪圖，其中氧氣產生裝置係定位在形成鍋爐之整體部分的一室之內部；及
圖5係整合氧氣產生裝置之鍋爐的第五實施例之示意性繪圖，其中氧氣產生裝置係位於鍋爐之外側。
10．．．鍋爐
12．．．氧氣產生裝置
13．．．吹掃氣流
14．．．燃燒室
15．．．饋進氣流
16．．．空氣加熱器
17．．．薄膜
18．．．排氣集管
20．．．空氣加熱器
22．．．進口集管
24．．．連接器
26．．．對流熱傳遞部分
28．．．分離系統

Claims (23)

  1. 一種系統，包括：一氧氣產生裝置，其由一饋進氣流移除氧氣，並且將所移除的氧氣提供至一吹掃氣流；及一鍋爐，其包含：一燃燒室，在該燃燒室中之燃料燃燒產生煙道氣體並提供熱量，該熱量用於產生蒸汽，並加熱該饋進氣流及該吹掃氣流之至少其一，及至少一空氣加熱器，位於接近該燃燒室並且與該氧氣產生裝置流體連通，其中該饋進氣流係在進入該氧氣產生裝置前在該至少一空氣加熱器中經加熱，其中該氧氣產生裝置包括一位於該鍋爐中之氧運輸薄膜。
  2. 如請求項1之系統，其中由在該燃燒室之燃料燃燒所產生之該煙道氣體係作為該吹掃氣流使用。
  3. 如請求項2之系統，其中離開該氧氣產生裝置之該煙道氣體包含自該饋進氣流移除之氧氣，並且在該燃燒室內之燃料燃燒係使用離開該氧氣產生裝置之至少一些該煙道氣體進行。
  4. 如請求項3之系統，其中一些離開該氧氣產生裝置之該煙道氣體係提供至一氧氣分離器，以用於自該煙道氣體移除氧氣。
  5. 如請求項2之系統，其中離開該氧氣產生裝置之該煙道氣體包含自該饋進氣流移除之氧氣，且其中離開該氧氣 產生裝置之至少一些該煙道氣體係提供至一氧氣分離器，以用於自該煙道氣體移除氧氣。
  6. 如請求項2之系統，其中在該煙道氣體進入該氧氣產生裝置前，該煙道氣體係藉由在該鍋爐內之一對流熱傳遞部分予以冷卻。
  7. 如請求項1之系統，其中該氧氣產生裝置係安裝在形成該鍋爐之一整體部分的一室之內部，且在該室之內部，圍繞該氧氣產生裝置安裝溫度控制燃燒器，以將該氧氣產生裝置維持在一所需溫度。
  8. 如請求項1之系統，其中該至少一空氣加熱器包含位於接近該燃燒室之一輻射熱傳遞部分，及遠離該燃燒室的一對流熱傳遞部分。
  9. 如請求項1之系統，其中該至少一空氣加熱器係配置在該鍋爐之一壁。
  10. 如請求項9之系統，其中該壁係帶有凸緣的，以有助於從該鍋爐移除該壁及該至少一加熱器。
  11. 如請求項1之系統，其中包含在來自該氧產生裝置氧氣已耗盡之該饋進氣流中的可感熱量係由該饋進氣流予以回收。
  12. 如請求項1之系統，其中該蒸汽係作為該吹掃氣流予以使用。
  13. 一鍋爐，包括：一燃燒室，在其中之燃料燃燒產生煙道氣體並提供熱量，該熱量用於產生蒸汽，並加熱該饋進氣流及該吹掃 氣流之至少其一；及至少一空氣加熱器，接近該燃燒室配置，該至少一空氣加熱器與一氧氣產生裝置流體連通，其中至該氧氣產生裝置之該饋進氣流係在該至少一空氣加熱器中經加熱，及其中該氧氣產生裝置包含一位於該燃燒室中之氧運輸薄膜。
  14. 如請求項13之鍋爐，其中由該燃燒室內之燃料燃燒產生之該煙道氣體係作為該吹掃氣流使用。
  15. 如請求項14之鍋爐，其中離開該氧氣產生裝置之該煙道氣體包含自該饋進氣流移除之該氧氣，並且在該燃燒室內之燃料燃燒係使用離開該氧氣產生裝置之至少一些該煙道氣體進行。
  16. 如請求項14之鍋爐，其中一些離開該氧氣產生裝置之該煙道氣體係提供至一氧氣分離器，用於自該煙道氣體移除氧氣。
  17. 如請求項13之鍋爐，其中離開該氧氣產生裝置之該煙道氣體包含自該饋進氣流移除之該氧氣，並且其中離開該氧氣產生裝置之一些該煙道氣體係提供至一氧氣分離器，用於自該煙道氣體移除氧氣。
  18. 如請求項13之鍋爐，其中該至少一空氣加熱器係配置在該燃燒室之一壁。
  19. 如請求項18之鍋爐，其中該壁係帶有凸緣的，以有於從該燃燒室移除該壁及該至少一加熱器。
  20. 一種用於提供一饋進氣流及一吹掃氣流至一氧產生裝置之方法，該方法包括：燃燒在一鍋爐之一燃燒室中的燃料以產生熱量，該燃燒產生一煙道氣體；使用藉由燃燒該燃料產生的熱量加熱一饋進氣流及一吹掃氣流中的至少一者；將該饋進氣流提供至一氧氣產生裝置，以從該饋進氣流移除氧；及將該吹掃氣流提供至該氧產生裝置，以自該氧氣產生裝置移除氧氣，其中該煙道氣體係為該吹掃氣流，且該提供該吹掃氣流至氧氣產生裝置產生該煙道氣體與由該氧氣產生裝置產生之氧氣的一混合氣體；以及在該燃燒室中的該燃料燃燒係使用該煙道氣體與由該氧氣產生裝置產生之該氧氣的該混合氣體執行。
  21. 如請求項20之方法，其更進一步包括：在提供該煙道氣體作為該吹掃氣流至該氧氣產生裝置前，在該鍋爐內冷卻該煙道氣體。
  22. 如請求項20之方法，其更進一步包括：回收在該氧氣已耗盡饋進氣流中含有的可感熱量以用於加熱該饋進氣流。
  23. 如請求項20之方法，其更進一步包括：提供在該鍋爐中產生的蒸汽作為該吹掃氣流。
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