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CN103672871B - 加压有氧燃烧功率锅炉和功率设备以及操作其的方法 - Google Patents

加压有氧燃烧功率锅炉和功率设备以及操作其的方法 Download PDF

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CN103672871B CN201310401482.7A CN201310401482A CN103672871B CN 103672871 B CN103672871 B CN 103672871B CN 201310401482 A CN201310401482 A CN 201310401482A CN 103672871 B CN103672871 B CN 103672871B
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Abstract

本发明涉及加压有氧燃烧功率锅炉和功率设备以及操作其的方法，提供了一种加压有氧燃烧循环流化床功率设备，其具有循环流化床锅炉。锅炉的燃烧室与分离器流体连通，并且构造成使得在燃烧期间产生的固体进入分离器。功率设备还包括与燃烧室流体连通的空气分离单元。空气分离单元构造成在大于1巴的压力下将基本纯氧供应至燃烧室。外部换热器与分离器流体连通且与燃烧室流体连通。外部换热器构造成使得在分离器中接收的固体的一部分行进通过外部换热器并将热传递至工作流体，此后，固体返回燃烧室以缓和或控制燃烧室中的温度。

Description

加压有氧燃烧功率锅炉和功率设备以及操作其的方法
技术领域
本公开涉及节能功率设备。更具体而言，本公开涉及包括循环流化床锅炉和循环移动床锅炉中的一个或多个的加压有氧燃烧功率设备。
背景技术
大气有氧燃烧设备需要压缩产物二氧化碳以用于隔离或增强的油回收应用。因此，大气有氧燃烧设备具有源于空气分离单元和气体处理单元的高寄生功率消耗。该设计导致高资金成本以及比没有二氧化碳捕获的空气-燃烧设备低多达10个百分点的设备热效率。
加压有氧燃烧锅炉和功率设备不在工艺结束时压缩二氧化碳，而是可构造成将氧气和燃料提供至已处于高压下的循环。在燃烧前这样做降低了所有接触气体的设备的尺寸，并且使得能够在废热回收工艺自身内进行许多工艺改进，例如提高的传热、更有效的废热利用以及潜在地集成的排放控制。
已知的加压有氧燃烧技术的缺点是所有这些技术依赖于烟气再循环来控制燃烧温度。这需要用于烟气再循环风扇的额外功率消耗，并且还增加了燃烧器下游的烟气管道和污染控制设备的尺寸。
发明内容
根据本文中示出的方面，提供了一种具有循环流化床锅炉的加压有氧燃烧循环流化床功率设备。锅炉包括燃烧室和分离器。燃烧室与分离器流体连通，并且构造成使得燃烧期间在燃烧室中产生的固体进入分离器。功率设备还包括与燃烧室流体连通的空气分离单元。空气分离单元构造成在大于1巴的压力下将基本纯氧供应至燃烧室。外部换热器与分离器流体连通且与燃烧室流体连通。外部换热器构造成使得在分离器中接收的固体的一部分行进通过外部换热器并将热传递至工作流体，此后，固体返回燃烧室以提供缓和或控制燃烧室中的温度的主要手段。产物气体(主要是CO2和H2O)的一部分可再循环至燃烧室以用于流化。如有必要，再循环气体还可用于在外部换热器中的流化。
根据本文中示出的其他方面，提供了一种加压有氧燃烧循环移动床功率设备。该设备包括具有燃烧室和移动床换热器的循环移动床锅炉。锅炉构造成使得燃烧室位于移动床换热器上方的塔中，使得在燃烧期间在燃烧室中产生的固体向下流入移动床换热器中。空气分离单元与燃烧室流体连通。空气分离单元构造成在大于1巴的压力下将基本纯氧供应至燃烧室。在燃烧期间产生的固体进入移动床换热器并将热传递至工作流体，此后，固体返回至燃烧室以提供缓和或控制燃烧室中的温度的主要手段。
通过以下附图和详细描述来例示以上所述的特征及其他特征。
附图说明
现在参照附图，其为示例性实施例，并且其中相似元件被相似标号：
图1是示出了加压有氧燃烧循环流化床功率设备的示意图；并且
图2是示出了加压有氧燃烧循环移动床功率设备的示意图。
具体实施方式
参照图1，示出了加压有氧燃烧循环流化床(CFB)功率设备10的示意图。功率设备10除其他元件外包括CFB锅炉20，CFB锅炉20包括燃烧室22和分离器28。空气分离单元(ASU)30与燃烧室22流体连通。基本纯氧在ASU 30中加压且然后供应至燃烧室22。术语“基本纯氧”用来指代具有比大气空气显著更大的氧含量的空气。本领域技术人员应该理解，氧气在所输送空气中的百分比可改变且其可小于100%。在一些实施例中，输送空气为95%氧气。
在所示实施例中，ASU 30在大于1巴的压力下将基本纯氧输送至燃烧室22。在本发明的又一些实施例中，ASU 30以在6巴与30巴之间的压力将基本纯氧输送至燃烧室22。燃料和吸附剂(石灰石或白云石)通过闸斗仓(lockhopper)32或固体泵例如Stamet的设计(在图1中未示出)干式供应至燃烧室22。氧气及包括烟气23的所得燃烧产物在功率设备循环期间保持加压。
固体在燃烧期间在燃烧室22中生成。固体通过分离器28分离，分离器28也可称为旋流器。所收集固体的一部分经由导管24直接返回至燃烧室22。残留固体经由导管26行进通过外部换热器40。在所示实施例中，外部换热器40是流化床换热器或移动床换热器。外部换热器40(经由导管26)与分离器28及经由导管41与燃烧室22流体连通。残留固体行进通过外部换热器40，在此能量从固体传递至工作流体43，其通常为蒸汽。
外部换热器40可以是流化床换热器(FBHE)或移动床换热器(MBHE)。FBHE是常规技术，但是其表现为连续搅拌反应器。混合FBHE固体温度因此与FBHE固体排出温度相同。这限制了在FBHE中可达到的最大工作流体温度(例如，蒸汽)。在正常循环流化燃烧温度下难以将蒸汽加热到大大超过600-650℃。MBHE是柱塞流逆流传热装置。它具有比FBHE高很多的对数平均温差，且因此可达到高很多的温度。可在MBHE中达到高达A-USC蒸汽条件(700℃)的温度。如果循环流化床在更高温度下操作，则利用任一换热器可达到更高的温度。这可利用某些燃料在一定程度上可行。而且，加压操作可实现稍微更高的温度，因为硫捕获机构在压力下是不同的，并且可具有更高的最佳温度。
锅炉20和外部换热器40中的工作流体43用来驱动蒸汽涡轮58或一系列蒸汽涡轮58。经由导管41离开外部换热器40的经冷却固体返回至燃烧室22以提供缓和或控制在锅炉20的燃烧室22中的燃烧温度的主要手段。如应该理解的，烟气23可包括硫(通常呈氧化硫的形式，称为“SOx”)、氮化合物(常常呈氮氧化物的形式，称为“NOx”)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)及其他痕量元素和/或杂质。如图1中所示，在燃烧期间在燃烧室22中生成的烟气23的一部分行进通过冷凝换热器50。离开冷凝换热器50的烟气23的一部分经由导管52返回至燃烧室20，以主要流化和运输在燃烧室20中的固体。在一些实施例中，再循环烟气还向燃烧室提供名义冷却，虽然再循环的主要目标是流化，并且该名义冷却在燃烧室的最低温度缓和的情况下不需要。在本发明的又一些实施例中，离开冷凝换热器50的烟气的一部分经由导管52和53再循环至流化床型外部换热器40以用于固体流化，然而，该步骤可在移动床型外部换热器的情况下省略。
污染控制通常发生在燃烧室22中。二氧化硫(SO2)经由吸附剂(例如石灰石或白云石)从闸斗仓或其他加压供应器32的注入而在炉中至少部分地去除。在图1中所示实施例中的相对较低的燃烧温度减小NOx排放。最终二氧化硫磨光(polishing)和颗粒清除(NID脱硫系统60(在下文中称为“NID 60”)、ESP(未示出)、Flowpac(未示出)等)可包括在锅炉20的下游，如果期望的话。烛形过滤器也是用于最终颗粒清除的备选。任何残余SOx可在冷凝换热器50中去除。
所公开的实施例使用冷凝换热器50来回收烟气中的潜能(例如，热量)。在导管54中10巴下水蒸气露点温度为约150℃。在该温度下回收的能量(例如，热量)很有用，并且可用于代替用于给水加热器的许多抽汽。设备10包括多个给水加热器70。多个给水加热器70与冷凝换热器50连通(大体在51处示出)，使得冷凝换热器50的工作流体55可导引至给水加热器70以补充或代替从涡轮58抽取的蒸汽。
在燃烧烟煤时，加压有氧燃烧CFB循环(使用常规的朗肯循环)具有优于大气压力有氧燃烧设备3-5个百分点的净设备效率。在燃烧烟煤时效率优点改进了至少另外2个百分点，因为烟气中的潜热可在冷凝换热器中在高温下回收且因此可有效地用于蒸汽/水循环中。如果蒸汽条件增加至700℃，则热设备效率将改进另外2个百分点。
在其中采用更先进的加压有氧燃烧循环流化床设计的一些实施例中，超临界的二氧化碳在外部换热器中加热以在修改的布雷顿循环中驱动超临界的二氧化碳涡轮。蒸汽仍然在对流行进时生成以在朗肯底循环中驱动蒸汽涡轮。通过使用超临界的二氧化碳来驱动S-CO2涡轮，循环效率改进了另外3个百分点。与更高的涡轮入口温度耦合，先进的加压有氧燃烧循环流化床循环可具有匹配或超过没有二氧化碳捕获的超临界功率粉煤设备的热效率。这些效率改进还应用至在图2中示出及下文所述的加压有氧燃烧循环移动床110中。
参照图2，示出了说明加压有氧燃烧循环移动床功率设备110的一部分的示意图。该实施例包括与图1中所示的实施例类似的元件，诸如涡轮58以及冷凝换热器50，其为了便于说明而未在图2中示出。设备110包括循环移动床锅炉120，其包括燃烧室122和移动床换热器140。锅炉120构造成使得燃烧室122位于移动床换热器140上方的塔中，使得在燃烧期间在燃烧室122中产生的固体向下流过管124进入移动床换热器140。
空气分离单元230可与燃烧室122流体连通。空气分离单元构造成在大于1巴的压力下供给基本纯氧至燃烧室。在本实施例中，空气分离单元在6巴与30巴之间提供基本纯氧。氧气及包括烟气23的所得燃烧产物在功率设备循环期间保持加压。燃烧过程产生固体，固体向下流动且进入移动床换热器140并将热传递至工作流体132。在固体行进通过移动床换热器140之后，固体经由导管142返回至燃烧室122，以缓和或控制燃烧室122中的燃烧温度。
图2中公开的设计方案将燃烧与传热过程解耦。在所示实施例110中，大多数传热发生在移动床换热器140中。这是使用延伸表面传热管141的重力流动换热器。该过程不需要任何烟气123再循环以缓和燃烧室122中的燃烧温度，因为它依赖于经由导管142离开移动床换热器140的经冷却固体流。下落的固体恢复燃烧气体的能量(例如，热量)。在该实施例的中试设备试验中，离开燃烧室122的烟气123可高达650℃。在出口温度如此高的情况下，需要小尾部烟道(backpass)来冷却烟气。然而，可能需要再循环烟气125来流化和运输燃烧器中的固体。
在图2中公开的基于加压循环移动床的有氧燃烧概念可被用在朗肯循环中或在联合布雷顿顶循环和朗肯底循环中，该循环联合了S-CO2顶循环与蒸汽底循环。CO2将在移动床换热器140中的闭环中被加热以驱动S-CO2涡轮(在图2中未示出)。CO2温度可达到高达900℃，但是如此高的涡轮入口温度可能需要涡轮材料与冷却技术的改进。如果带有镍合金的常规蒸汽涡轮适于将CO2作为工作流体，则更适度的700-800℃的CO2温度可更容易达到，并且将需要显著更少的涡轮发展。在另一实施例中，蒸汽/水还将在移动床换热器140中且可能地在燃烧室122下游的尾部烟道/热回收蒸汽发生器(HRSG)中被加热。蒸汽将用于驱动朗肯底循环。冷凝换热器将用于回收潜能，其然后将传递入蒸汽/水循环中以预热水(在图2中未示出，但类似于在图1中示出且上文所述的实施例)。SOx与NOx排放在燃烧室中被局部控制。SOx磨光通常发生在尾端NID系统160中。颗粒控制和再循环129将发生在分离器128和NID系统160中。当CO2准备用于隔离时，气体处理单元(在图2中未示出)清除任何残留排放物。
用于排放物控制的备选方案将利用在直接接触冷凝换热器中的铅室法反应。这将需要大量额外的发展且可被认为是对加压有氧燃烧循环的未来改进。然而，成功的发展可潜在地消除对低NOx燃烧器、汞控制系统以及WFGD/DFGD的需要。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备的一个优点在于，当压力增加时，传热速率提高。对流传热系数在10巴下增加到4倍，并且总传热系数比在大气压力下增大了2倍。这导致压力部件材料重量的明显减少。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备的另一优点在于，水蒸汽的汽化潜热可在冷凝换热器中回收。这是因为水蒸气露点在高压下显著增加且回收能量变得更加有用。用于大气空气燃烧和有氧燃烧的露点分别是大约45℃和95℃。在10巴下，露点温度增加至大约150℃以用于加压有氧燃烧。在冷凝换热器中回收的能量可用于代替用于给水加热器的许多抽汽。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备的另一优点在于，加压有氧循环流化床(或循环移动床)中的污染控制大多发生在燃烧室中。二氧化硫经由石灰石(或白云石)注入而在炉中去除，而相对较低的燃烧温度减小了NOx排放。最终二氧化硫磨光和颗粒清除(NID、ESP、Flowpac等)可包括在燃烧器的下游。烛形过滤器也是用于最终颗粒清除的备选。任何残余SOx在冷凝换热器中基本去除。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备特别是加压有氧燃烧循环流化床功率设备的另一优点在于，锅炉可使用来自流化床换热器或移动床换热器的再循环固体来缓和在锅炉的燃烧室中的燃烧温度。烟气再循环仅需要用于在燃烧器中的固体流化和运输且用于在外部换热器中的流化，如果使用流化床换热器的话。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备特别是采用朗肯循环的那些设备的另一优点在于，它们在燃烧烟煤时得到优于大气压力有氧燃烧设备3-5%的净设备效率。因为烟气中的潜热可在高温下在冷凝换热器中回收，所以在燃烧亚烟煤时效率优点又改进了至少2%，且因此可有效地用于蒸汽/水循环中。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备的另一优点在于，在加压有氧循环流化床(或循环移动床)中的外部换热器(流化床换热器或移动床换热器)可用于生成蒸汽。在更先进的循环设计中，超临界的二氧化碳在外部换热器中加热以在修改的布雷顿循环中驱动超临界的二氧化碳涡轮。蒸汽仍然在对流行进中生成以驱动朗肯底循环中的蒸汽涡轮。循环效率通过使用超临界二氧化碳驱动S-CO2涡轮而又改进3%。与更高的涡轮入口温度耦合，先进的加压有氧燃烧循环可具有匹配或超过没有二氧化碳捕获的超临界粉煤(SCPC)设备的热效率。
当前公开的加压有氧燃烧功率设备的另一优点在于，由于减小的气体体积通过量，设备尺寸和成本降低。由于较小尺寸的设备，这提供了用于显著的资金和操作成本节约的可能性，从而减少了对污染控制和GPU设备的需要。
虽然已经参照各种示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可做出各种改变且等价物可用于代替其元件而不脱离本发明的范围。另外，可做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导而不脱离其实质范围。因此，本发明并不意图限于作为用于执行本发明的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (11)

1.一种有氧燃烧循环流化床功率设备(10)，包括：
循环流化床锅炉(20)，其包括燃烧室(22)和分离器(28)，所述燃烧室(22)与所述分离器(28)流体连通，并且构造成使得在燃烧期间在所述燃烧室(22)中产生的固体进入所述分离器(28)；
与所述燃烧室(22)流体连通的空气分离单元(30)，所述空气分离单元(30)构造成供给基本纯氧至所述燃烧室(22)；以及
与所述分离器(28)流体连通且与所述燃烧室(22)流体连通的外部换热器(40)，所述外部换热器(40)构造成使得在所述分离器(28)中接收的固体的一部分行进通过所述外部换热器(40)并将热传递至工作流体，此后，所述固体返回至所述燃烧室(22)以缓和所述燃烧室(22)中的燃烧温度；
其中，从所述空气分离单元(30)供给至所述燃烧室(22)的所述基本纯氧的压力在6巴与30巴之间；
其中，所述外部换热器(40)包括流化床换热器或移动床换热器中的一个或多个；
其特征在于，
所述功率设备为加压功率设备，氧气和包括烟气的所得燃烧产物在通过所述功率设备时保持加压；
提供冷凝换热器(50)，其中，在燃烧期间在所述燃烧室(22)中生成的烟气的一部分行进通过所述冷凝换热器(50)。
2.根据权利要求1所述的有氧燃烧循环流化床功率设备(10)，其特征在于，在所述冷凝换热器(50)中回收的潜能用来补充蒸汽，所述蒸汽从所述功率设备(10)中的涡轮(58)抽取，以用于加热供应至所述锅炉(20)的给水。
3.根据权利要求2所述的有氧燃烧循环流化床功率设备(10)，其特征在于，离开所述冷凝换热器(50)的所述烟气的一部分返回至所述燃烧室(22)，以流化和运输所述燃烧室(22)中的固体。
4.根据权利要求3所述的有氧燃烧循环流化床功率设备(10)，其特征在于，离开所述冷凝换热器(50)的所述烟气的一部分被引导至所述外部换热器(40)以用于固体流化。
5.一种有氧燃烧循环移动床功率设备(10)，包括：
循环移动床锅炉，其包括燃烧室(22)和移动床换热器(140)，所述锅炉构造成使得所述燃烧室(22)位于所述移动床换热器(140)上方的塔中，使得在燃烧期间在所述燃烧室(22)中产生的固体向下流入所述移动床换热器(140)中；以及
与所述燃烧室(22)流体连通的空气分离单元，所述空气分离单元构造成供给基本纯氧至所述燃烧室(22)；
其中，进入所述移动床换热器(140)的固体将热传递至工作流体，此后，所述固体返回至所述燃烧室(22)以缓和所述燃烧室中的燃烧温度；
其中，从所述空气分离单元供给至所述燃烧室(22)的所述基本纯氧的压力在6巴与30巴之间；
其特征在于，
所述功率设备为加压功率设备，氧气和包括烟气的所得燃烧产物在通过所述功率设备时保持加压；
提供冷凝换热器，其中，在燃烧期间在所述燃烧室(22)中生成的烟气的一部分行进通过所述冷凝换热器。
6.根据权利要求5所述的有氧燃烧循环移动床功率设备(10)，其特征在于，在所述冷凝换热器中回收的潜能用于补充蒸汽，所述蒸汽从所述功率设备中的涡轮抽取，以用于加热供应至所述锅炉的给水。
7.根据权利要求5所述的有氧燃烧循环移动床功率设备(10)，其特征在于，离开所述冷凝换热器的所述烟气的一部分返回至所述燃烧室(22)，以流化和运输所述燃烧室中的固体。
8.一种操作有氧燃烧流化床功率设备(10)的方法，包括：
提供包括燃烧室(22)和分离器(28)的流化床锅炉(20)，所述燃烧室(22)与所述分离器(28)流体连通，并且构造成使得在燃烧期间在所述燃烧室(22)中产生的固体进入所述分离器(28)；
将基本纯氧供应至所述燃烧室(22)；以及
将在所述分离器(28)中接收的所述固体的一部分传送通过外部换热器(40)并将热传递至工作流体，
使所述固体返回至所述燃烧室(22)，以缓和所述燃烧室(22)中的燃烧温度；
其中，供给至所述燃烧室的所述基本纯氧的压力在6巴与30巴之间；
其中，所述外部换热器包括流化床换热器或移动床换热器中的一个或多个；
其特征在于，
氧气和包括烟气的所得燃烧产物在通过所述功率设备时保持加压；
所述方法还包括：
提供冷凝换热器(50)；以及
将在燃烧期间在所述燃烧室(22)中生成的烟气的一部分传送通过所述冷凝换热器(50)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述冷凝换热器(50)中回收的潜能补充蒸汽，所述蒸汽从所述功率设备(10)中的涡轮(58)抽取，以用于加热供应至所述锅炉(20)的给水。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
使离开所述冷凝换热器(50)的所述烟气的一部分返回至所述燃烧室(22)，以流化和运输所述燃烧室(22)中的固体。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，离开所述冷凝换热器(50)的所述烟气的一部分被引导至所述外部换热器(40)以用于固体流化。
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