加壓有氧燃燒功率鍋爐和功率設備以及操作其的方法
【專利摘要】本發明涉及加壓有氧燃燒功率鍋爐和功率設備以及操作其的方法，提供了一種加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其具有循環流化床鍋爐。鍋爐的燃燒室與分離器流體連通，并且構造成使得在燃燒期間產生的固體進入分離器。功率設備還包括與燃燒室流體連通的空氣分離單元。空氣分離單元構造成在大于1巴的壓力下將基本純氧供應至燃燒室。外部換熱器與分離器流體連通且與燃燒室流體連通。外部換熱器構造成使得在分離器中接收的固體的一部分行進通過外部換熱器并將熱傳遞至工作流體，此后，固體返回燃燒室以緩和或控制燃燒室中的溫度。
【專利說明】加壓有氧燃燒功率鍋爐和功率設備以及操作其的方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及節能功率設備。更具體而言，本公開涉及包括循環流化床鍋爐和循環移動床鍋爐中的一個或多個的加壓有氧燃燒功率設備。
【背景技術】
[0002]大氣有氧燃燒設備需要壓縮產物二氧化碳以用于隔離或增強的油回收應用。因此，大氣有氧燃燒設備具有源于空氣分離單元和氣體處理單元的高寄生功率消耗。該設計導致高資金成本以及比沒有二氧化碳捕獲的空氣-燃燒設備低多達10個百分點的設備熱效率。
[0003]加壓有氧燃燒鍋爐和功率設備不在工藝結束時壓縮二氧化碳，而是可構造成將氧氣和燃料提供至已處于高壓下的循環。在燃燒前這樣做降低了所有接觸氣體的設備的尺寸，并且使得能夠在廢熱回收工藝自身內進行許多工藝改進，例如提高的傳熱、更有效的廢熱利用以及潛在地集成的排放控制。
[0004]已知的加壓有氧燃燒技術的缺點是所有這些技術依賴于煙氣再循環來控制燃燒溫度。這需要用于煙氣再循環風扇的額外功率消耗，并且還增加了燃燒器下游的煙氣管道和污染控制設備的尺寸。

【發明內容】

[0005]根據本文中示出的方面，提供了一種具有循環流化床鍋爐的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備。鍋爐包括燃燒室和分離器。燃燒室與分離器流體連通，并且構造成使得燃燒期間在燃燒室中產生的固體進入分離器。功率設備還包括與燃燒室流體連通的空氣分離單元。空氣分離單元構造成在大于I巴的壓力下將基本純氧供應至燃燒室。外部換熱器與分離器流體連通且與燃燒室流體連通。外部換熱器構造成使得在分離器中接收的固體的一部分行進通過外部換熱器并將熱傳遞至工作流體，此后，固體返回燃燒室以提供緩和或控制燃燒室中的溫度的主要手段。產物氣體(主要是CO2和H2O)的一部分可再循環至燃燒室以用于流化。如有必要，再循環氣體還可用于在外部換熱器中的流化。
[0006]根據本文中示出的其他方面，提供了 一種加壓有氧燃燒循環移動床功率設備。該設備包括具有燃燒室和移動床換熱器的循環移動床鍋爐。鍋爐構造成使得燃燒室位于移動床換熱器上方的塔中，使得在燃燒期間在燃燒室中產生的固體向下流入移動床換熱器中。空氣分離單元與燃燒室流體連通。空氣分離單元構造成在大于I巴的壓力下將基本純氧供應至燃燒室。在燃燒期間產生的固體進入移動床換熱器并將熱傳遞至工作流體，此后，固體返回至燃燒室以提供緩和或控制燃燒室中的溫度的主要手段。
[0007]通過以下附圖和詳細描述來例示以上所述的特征及其他特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]現在參照附圖，其為示例性實施例，并且其中相似元件被相似標號: 圖1是示出了加壓有氧燃燒循環流化床功率設備的示意圖；并且 圖2是示出了加壓有氧燃燒循環移動床功率設備的示意圖。
【具體實施方式】
[0009]參照圖1，示出了加壓有氧燃燒循環流化床(CFB)功率設備10的示意圖。功率設備10除其他元件外包括CFB鍋爐20，CFB鍋爐20包括燃燒室22和分離器28。空氣分離單元(ASU) 30與燃燒室22流體連通。基本純氧在ASU 30中加壓且然后供應至燃燒室22。術語“基本純氧”用來指代具有比大氣空氣顯著更大的氧含量的空氣。本領域技術人員應該理解，氧氣在所輸送空氣中的百分比可改變且其可小于100%。在一些實施例中,輸送空氣為95%氧氣。
[0010]在所示實施例中，ASU 30在大于I巴的壓力下將基本純氧輸送至燃燒室22。在本發明的又一些實施例中，ASU 30以在6巴與30巴之間的壓力將基本純氧輸送至燃燒室22。燃料和吸附劑(石灰石或白云石)通過閘斗倉(1ckhopper) 32或固體泵例如Stamet的設計(在圖1中未示出)干式供應至燃燒室22。氧氣及包括煙氣23的所得燃燒產物在功率設備循環期間保持加壓。
[0011]固體在燃燒期間在燃燒室22中生成。固體通過分離器28分離，分離器28也可稱為旋流器。所收集固體的一部分經由導管24直接返回至燃燒室22。殘留固體經由導管26行進通過外部換熱器40。在所示實施例中，外部換熱器40是流化床換熱器或移動床換熱器。外部換熱器40 (經由導管26)與分離器28及經由導管41與燃燒室22流體連通。殘留固體行進通過外部換熱器40，在此能量從固體傳遞至工作流體43，其通常為蒸汽。
[0012]外部換熱器40可以是流化床換熱器(FBHE)或移動床換熱器(MBHE)。FBHE是常規技術，但是其表現為連續攪拌反應器。混合FBHE固體溫度因此與FBHE固體排出溫度相同。這限制了在FBHE中可達到的最大工作流體溫度(例如，蒸汽)。在正常循環流化燃燒溫度下難以將蒸汽加熱到大大超過600-650°C。MBHE是柱塞流逆流傳熱裝置。它具有比FBHE高很多的對數平均溫差，且因此可達到高很多的溫度。可在MBHE中達到高達A-USC蒸汽條件(700°C)的溫度。如果循環流化床在更高溫度下操作，則利用任一換熱器可達到更高的溫度。這可利用某些燃料在一定程度上可行。而且，加壓操作可實現稍微更高的溫度，因為硫捕獲機構在壓力下是不同的，并且可具有更高的最佳溫度。
[0013]鍋爐20和外部換熱器40中的工作流體43用來驅動蒸汽渦輪58或一系列蒸汽渦輪58。經由導管41離開外部換熱器40的經冷卻固體返回至燃燒室22以提供緩和或控制在鍋爐20的燃燒室22中的燃燒溫度的主要手段。如應該理解的，煙氣23可包括硫(通常呈氧化硫的形式，稱為“S0X”)、氮化合物(常常呈氮氧化物的形式，稱為“NO/)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)及其他痕量元素和/或雜質。如圖1中所示，在燃燒期間在燃燒室22中生成的煙氣23的一部分行進通過冷凝換熱器50。離開冷凝換熱器50的煙氣23的一部分經由導管52返回至燃燒室20，以主要流化和運輸在燃燒室20中的固體。在一些實施例中，再循環煙氣還向燃燒室提供名義冷卻，雖然再循環的主要目標是流化，并且該名義冷卻在燃燒室的最低溫度緩和的情況下不需要。在本發明的又一些實施例中，離開冷凝換熱器50的煙氣的一部分經由導管52和53再循環至流化床型外部換熱器40以用于固體流化，然而，該步驟可在移動床型外部換熱器的情況下省略。[0014]污染控制通常發生在燃燒室22中。二氧化硫(SO2)經由吸附劑(例如石灰石或白云石)從閘斗倉或其他加壓供應器32的注入而在爐中至少部分地去除。在圖1中所示實施例中的相對較低的燃燒溫度減小NOx排放。最終二氧化硫磨光(polishing)和顆粒清除(NID脫硫系統60 (在下文中稱為“NID 60”)、ESP (未示出)、Flowpac (未示出)等)可包括在鍋爐20的下游，如果期望的話。燭形過濾器也是用于最終顆粒清除的備選。任何殘余SOx可在冷凝換熱器50中去除。
[0015]所公開的實施例使用冷凝換熱器50來回收煙氣中的潛能(例如，熱量)。在導管54中10巴下水蒸氣露點溫度為約150°C。在該溫度下回收的能量(例如，熱量)很有用，并且可用于代替用于給水加熱器的許多抽汽。設備10包括多個給水加熱器70。多個給水加熱器70與冷凝換熱器50連通(大體在51處示出)，使得冷凝換熱器50的工作流體55可導引至給水加熱器70以補充或代替從渦輪58抽取的蒸汽。
[0016]在燃燒煙煤時，加壓有氧燃燒CFB循環(使用常規的朗肯循環)具有優于大氣壓力有氧燃燒設備3-5個百分點的凈設備效率。在燃燒煙煤時效率優點改進了至少另外2個百分點，因為煙氣中的潛熱可在冷凝換熱器中在高溫下回收且因此可有效地用于蒸汽/水循環中。如果蒸汽條件增加至700°C，則熱設備效率將改進另外2個百分點。
[0017]在其中采用更先進的加壓有氧燃燒循環流化床設計的一些實施例中，超臨界的二氧化碳在外部換熱器中加熱以在修改的布雷頓循環中驅動超臨界的二氧化碳渦輪。蒸汽仍然在對流行進時生成以在朗肯底循環中驅動蒸汽渦輪。通過使用超臨界的二氧化碳來驅動S-CO2渦輪，循環效率改進了另外3個百分點。與更高的渦輪入口溫度耦合，先進的加壓有氧燃燒循環流化床循環可具有匹配或超過沒有二氧化碳捕獲的超臨界功率粉煤設備的熱效率。這些效率改進還應用至在圖2中示出及下文所述的加壓有氧燃燒循環移動床110中。
[0018]參照圖2，示出了說明加壓有氧燃燒循環移動床功率設備110的一部分的示意圖。該實施例包括與圖1中所示的實施例類似的元件，諸如渦輪58以及冷凝換熱器50，其為了便于說明而未在圖2中示出。設備110包括循環移動床鍋爐120，其包括燃燒室122和移動床換熱器140。鍋爐120構造成使得燃燒室122位于移動床換熱器140上方的塔中，使得在燃燒期間在燃燒室122中產生的固體向下流過管124進入移動床換熱器140。
[0019]空氣分離單元230可與燃燒室122流體連通。空氣分離單元構造成在大于I巴的壓力下供給基本純氧至燃燒室。在本實施例中，空氣分離單元在6巴與30巴之間提供基本純氧。氧氣及包括煙氣23的所得燃燒產物在功率設備循環期間保持加壓。燃燒過程產生固體，固體向下流動且進入移動床換熱器140并將熱傳遞至工作流體132。在固體行進通過移動床換熱器140之后，固體經由導管142返回至燃燒室122，以緩和或控制燃燒室122中的燃燒溫度。
[0020]圖2中公開的設計方案將燃燒與傳熱過程解耦。在所示實施例110中，大多數傳熱發生在移動床換熱器140中。這是使用延伸表面傳熱管141的重力流動換熱器。該過程不需要任何煙氣123再循環以緩和燃燒室122中的燃燒溫度，因為它依賴于經由導管142離開移動床換熱器140的經冷卻固體流。下落的固體恢復燃燒氣體的能量(例如，熱量)。在該實施例的中試設備試驗中，離開燃燒室122的煙氣123可高達650°C。在出口溫度如此高的情況下，需要小尾部煙道(backpass)來冷卻煙氣。然而，可能需要再循環煙氣125來流化和運輸燃燒器中的固體。[0021]在圖2中公開的基于加壓循環移動床的有氧燃燒概念可被用在朗肯循環中或在聯合布雷頓頂循環和朗肯底循環中，該循環聯合了 S-CO2頂循環與蒸汽底循環。CO2將在移動床換熱器140中的閉環中被加熱以驅動S-CO2渦輪(在圖2中未示出)。CO2溫度可達到高達900°C，但是如此高的渦輪入口溫度可能需要渦輪材料與冷卻技術的改進。如果帶有鎳合金的常規蒸汽渦輪適于將CO2作為工作流體，則更適度的700-800°C的CO2溫度可更容易達到，并且將需要顯著更少的渦輪發展。在另一實施例中，蒸汽/水還將在移動床換熱器140中且可能地在燃燒室122下游的尾部煙道/熱回收蒸汽發生器(HRSG)中被加熱。蒸汽將用于驅動朗肯底循環。冷凝換熱器將用于回收潛能，其然后將傳遞入蒸汽/水循環中以預熱水(在圖2中未示出，但類似于在圖1中示出且上文所述的實施例)。SOx與NOx排放在燃燒室中被局部控制。SOx磨光通常發生在尾端NID系統160中。顆粒控制和再循環129將發生在分離器128和NID系統160中。當CO2準備用于隔離時，氣體處理單元(在圖2中未示出)清除任何殘留排放物。
[0022]用于排放物控制的備選方案將利用在直接接觸冷凝換熱器中的鉛室法反應。這將需要大量額外的發展且可被認為是對加壓有氧燃燒循環的未來改進。然而，成功的發展可潛在地消除對低NOx燃燒器、汞控制系統以及WFGD/DFGD的需要。
[0023]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備的一個優點在于，當壓力增加時，傳熱速率提高。對流傳熱系數在10巴下增加到4倍，并且總傳熱系數比在大氣壓力下增大了 2倍。這導致壓力部件材料重量的明顯減少。
[0024]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備的另一優點在于，水蒸汽的汽化潛熱可在冷凝換熱器中回收。這是因為水蒸氣露點在高壓下顯著增加且回收能量變得更加有用。用于大氣空氣燃燒和有氧燃燒的露點分別是大約45°C和95°C。在10巴下，露點溫度增加至大約150°C以用于加壓有氧燃燒。在冷凝換熱器中回收的能量可用于代替用于給水加熱器的許多抽汽。
[0025]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備的另一優點在于，加壓有氧循環流化床(或循環移動床)中的污染控制大多發生在燃燒室中。二氧化硫經由石灰石(或白云石)注入而在爐中去除，而相對較低的燃燒溫度減小了 NOx排放。最終二氧化硫磨光和顆粒清除(NID、ESP、FloWpac等)可包括在燃燒器的下游。燭形過濾器也是用于最終顆粒清除的備選。任何殘余SOx在冷凝換熱器中基本去除。
[0026]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備特別是加壓有氧燃燒循環流化床功率設備的另一優點在于，鍋爐可使用來自流化床換熱器或移動床換熱器的再循環固體來緩和在鍋爐的燃燒室中的燃燒溫度。煙氣再循環僅需要用于在燃燒器中的固體流化和運輸且用于在外部換熱器中的流化，如果使用流化床換熱器的話。
[0027]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備特別是采用朗肯循環的那些設備的另一優點在于，它們在燃燒煙煤時得到優于大氣壓力有氧燃燒設備3-5%的凈設備效率。因為煙氣中的潛熱可在高溫下在冷凝換熱器中回收，所以在燃燒亞煙煤時效率優點又改進了至少2%，且因此可有效地用于蒸汽/水循環中。
[0028]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備的另一優點在于，在加壓有氧循環流化床(或循環移動床)中的外部換熱器(流化床換熱器或移動床換熱器)可用于生成蒸汽。在更先進的循環設計中，超臨界的二氧化碳在外部換熱器中加熱以在修改的布雷頓循環中驅動超臨界的二氧化碳渦輪。蒸汽仍然在對流行進中生成以驅動朗肯底循環中的蒸汽渦輪。循環效率通過使用超臨界二氧化碳驅動S-CO2渦輪而又改進3%。與更高的渦輪入口溫度耦合，先進的加壓有氧燃燒循環可具有匹配或超過沒有二氧化碳捕獲的超臨界粉煤(SCPC)設備的熱效率。
[0029]當前公開的加壓有氧燃燒功率設備的另一優點在于，由于減小的氣體體積通過量，設備尺寸和成本降低。由于較小尺寸的設備，這提供了用于顯著的資金和操作成本節約的可能性，從而減少了對污染控制和GPU設備的需要。
[0030]雖然已經參照各種示例性實施例描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，可做出各種改變且等價物可用于代替其元件而不脫離本發明的范圍。另外，可做出許多修改以使特定情形或材料適應本發明的教導而不脫離其實質范圍。因此，本發明并不意圖限于作為用于執行本發明的最佳模式公開的特定實施例，而是本發明將包括落在所附權利要求的范圍內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，包括: 循環流化床鍋爐，其包括燃燒室和分離器，所述燃燒室與所述分離器流體連通，并且構造成使得在燃燒期間在所述燃燒室中產生的固體進入所述分離器； 與所述燃燒室流體連通的空氣分離單元，所述空氣分離單元構造成在大于I巴的壓力下供給基本純氧至所述燃燒室；以及 與所述分離器流體連通且與所述燃燒室流體連通的外部換熱器，所述外部換熱器構造成使得在所述分離器中接收的固體的一部分行進通過所述外部換熱器并將熱傳遞至工作流體，此后，所述固體返回至所述燃燒室以緩和所述燃燒室中的燃燒溫度。
2.根據權利要求1所述的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其特征在于，從所述空氣分離單元供給至所述燃燒室的所述基本純氧的壓力在6巴與30巴之間。
3.根據權利要求2所述的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其特征在于，所述外部換熱器包括流化床換熱器或移動床換熱器中的一個或多個。
4.根據權利要求3所述的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其特征在于，還包括冷凝換熱器，并且其中，在燃燒期間在所述燃燒室中生成的煙氣的一部分行進通過所述冷凝換熱器。
5.根據權利要求4所述的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其特征在于，在所述冷凝換熱器中回收的潛能用來補充蒸汽，所述蒸汽從所述功率設備中的渦輪抽取，以用于加熱供應至所述鍋爐的給水。
6.根據權利要求5所述的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其特征在于，離開所述冷凝換熱器的所述煙氣的一部分返回至所述燃燒室，以流化和運輸所述燃燒室中的固體。
7.根據權利要求6所述的加壓有氧燃燒循環流化床功率設備，其特征在于，離開所述冷凝換熱器的所述煙氣的一部分被引導至所述外部換熱器以用于固體流化，如有必要的話。
8.一種加壓有氧燃燒循環移動床功率設備，包括: 循環移動床鍋爐，其包括燃燒室和移動床換熱器，所述鍋爐構造成使得所述燃燒室位于所述移動床換熱器上方的塔中，使得在燃燒期間在所述燃燒室中產生的固體向下流入所述移動床換熱器中；以及 與所述燃燒室流體連通的空氣分離單元，所述空氣分離單元構造成在大于I巴的壓力下供給基本純氧至所述燃燒室； 其中，進入所述移動床換熱器的固體將熱傳遞至工作流體，此后，所述固體返回至所述燃燒室以緩和所述燃燒室中的燃燒溫度。
9.根據權利要求8所述的加壓有氧燃燒循環移動床功率設備，其特征在于，從所述空氣分離單元供給至所述燃燒室的所述基本純氧的壓力在6巴與30巴之間。
10.根據權利要求9所述的加壓有氧燃燒循環移動床功率設備，其特征在于，還包括冷凝換熱器。
11.根據權利要求9所述的加壓有氧燃燒循環移動床功率設備，其特征在于，在燃燒期間在所述燃燒室中生成的煙氣的一部分行進通過所述冷凝換熱器。
12.根據權利要求11所述的加壓有氧燃燒循環移動床功率設備，其特征在于，在所述冷凝換熱器中回收的潛能用于補充蒸汽，所述蒸汽從所述功率設備中的渦輪抽取，以用于加熱供應至所述鍋爐的給水。
13.根據權利要求8所述的加壓有氧燃燒循環移動床功率設備，其特征在于，離開所述冷凝換熱器的所述煙氣的一部分返回至所述燃燒室，以流化和運輸所述燃燒器中的固體。
14.一種操作加壓有氧燃燒流化床功率設備的方法，包括: 提供包括燃燒室和分離器的流化床鍋爐，所述燃燒室與所述分離器流體連通，并且構造成使得在燃燒期間在所述燃燒室中產生的固體進入所述分離器； 在大于I巴的壓力下將基本純氧供應至所述燃燒室；以及 將在所述分離器中接收的所述固體的一部分傳送通過外部換熱器并將熱傳遞至工作流體， 使所述固體返回至所述燃燒室，以緩和所述燃燒室中的燃燒溫度。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，供給至所述燃燒室的所述基本純氧的壓力在6巴與30巴之間。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述外部換熱器包括流化床換熱器或移動床換熱器中的一個或多個。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟: 提供冷凝換熱器；以及 將在燃燒期間在所述燃燒室中生成的煙氣的一部分傳送通過所述冷凝換熱器。
18.根據權利要求17所述的`方法，其特征在于，在所述冷凝換熱器中回收的潛能補充蒸汽，所述蒸汽從所述功率設備中的渦輪抽取，以用于加熱供應至所述鍋爐的給水。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟: 使離開所述冷凝換熱器的所述煙氣的一部分返回至所述燃燒室，以流化和運輸所述燃燒室中的固體。
20.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，離開所述冷凝換熱器的所述煙氣的一部分被引導至所述外部換熱器以用于固體流化，如有必要的話。
【文檔編號】F23C10/08GK103672871SQ201310401482
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月6日 優先權日:2012年9月6日
【發明者】G.D.朱科拉 申請人:阿爾斯通技術有限公司