CN106061909A - 具有改进的热回收的燃烧 - Google Patents

Abstract

用于用富氧预加热的氧化剂(43)燃烧燃料(32)的方法，其中借助于这些产生的烟道气(11)的余热的第一部分在第一热交换器(40a)中加热富氧助燃剂(41)，使该加热的助燃剂与空气和/或主要惰性气体(如空气)混合以便获得富氧氧化剂(42)并且借助于这些烟道气(11)的余热的第二部分在第二热交换器(40b)中预加热该富氧氧化剂。

Description

具有改进的热回收的燃烧

本发明涉及一种用于用预加热的富氧气体作为氧化剂燃烧燃料的方法。

在工业中，空气仍然是最经常使用的氧化剂，即燃烧助燃剂。

然而，已知的是使用氧气代替空气作为氧化剂，特别地以便改进燃烧效率，使产生的热能的使用最大化并且减少污染排放(如NO_x)。

虽然用氧气的燃烧的能量和环境优点是众所周知且公认的，但是与空气相比氧气的成本继续限制氧气在工业背景下作为氧化剂的用途。

对于给定的工业方法为了甚至更多地改进含氧燃料燃烧的效率并且因此减少对于燃料以及对于氧气的需要，已经开发了其中已经预加热氧气的方法。

特别地，已知的是在热交换器中预加热氧气。尤其已知的是用存在于该燃烧室的出口处的燃烧气体(烟道气)中的余热预加热氧气，这是借助于在该热烟道气与热交换流体之间的第一热交换、接着是在该热的热交换流体(由该第一热交换产生的)与该氧气之间的第二热交换实现的。

此类方法特别地描述于EP-A-0 872 690和WO2006/054015中。

然而，使用热交换器用于氧气的预加热引起了材料对与该热氧气接触的耐受性的棘手问题。这是因为，如在WO2008/141939中描述的，与该热氧气接触的交换器的材料必须展现出非常良好的对被这种气体氧化的抵抗性并且在该交换器的启动或关闭过程中必须不能变弱。

最普通的钢不满足这些要求并且因此不使得该交换器的足够的安全性成为可能。

对于与该热氧气接触的热交换器的材料的选择在WO2008/141939中提供了以下选择标准：金属合金，其样品，放置于必须在该交换器中并且在该交换器中遇到的最高温度下循环的富氧气体的气氛中，在1000个循环(每个包括在这个最高温度下维持一小时，在此温度下的每个固定相之后是返回到环境温度)之后不展现出大于0.1mg/cm²的曝露表面面积的重量增加。

明显地上述耐受性的要求还适用于与该热氧气接触的设施的任何金属部分，如用于将该热氧气朝向该燃烧室的燃烧器/喷枪运输的管道。

在WO2008/141939中提到了这些合金中的若干，例如尤其Inconel 600H、Inconel600L和Inconel 800H。

不幸地，此类合金和对应的组装方法具有高成本，对于大量的工业设施，高成本是使用此类技术并且以便因此得益于特别地用预加热的氧气燃烧的环境优点的主要障碍。

本发明的目的是至少部分地克服这个缺点并且使用预加热的氧气的燃烧的更广泛的使用成为可能。

特别地本发明的目的是使得可能生产用于用作为氧化剂的预加热的富氧气体燃烧燃料的方法和设施，这些方法和设施是稳健的并且可靠的，同时限制生产用于预加热所述氧化剂的设备项目的成本。

本发明因此涉及一种用于在燃烧室中用预加热的富氧氧化剂燃烧燃料的方法。在所述燃烧室中所述燃烧产生热和烟道气。从该燃烧室中排出这些产生的烟道气。因为这些排出的烟道气的温度显著大于环境温度，典型地在1200℃与1600℃之间，这些排出的烟道气含有显著量的余热。

在至少一个热交换器中借助于所述余热预加热该氧化剂并且将由此预加热的氧化剂供应给燃烧室用于燃料燃烧。

根据本发明，在第一热交换器中通过与含有来自这些排出的烟道气的余热的至少第一部分的第一热交换流体的热交换加热更具体地具有80体积％至100体积％并且优选90体积％至100体积％的氧含量O1的富氧助燃剂，因此将所述助燃剂从在该第一交换器的入口处的初始温度TOi加热直到在该第一交换器的出口处的最终温度TOf，其中TOf＞TOi。随后使由该第一热交换器产生的加热的助燃剂与空气和/或与主要惰性气体混合，以便获得更具体地具有70体积％至90体积％并且优选75体积％至85体积％的氧含量O2的富氧氧化剂，其中O2＜O1。在第二热交换器中通过与含有来自这些排出的烟道气的余热的至少第二部分的第二热交换流体热交换来预加热所述富氧氧化剂。因此使该氧化剂从在该第二热交换器的入口处的初始温度TCi达到在该第二热交换器的出口处的最终温度TCf，其中TCf＞TCi。将由该第二热交换器产生的预加热的富氧氧化剂的至少一部分并且优选全部作为氧化剂供应给该燃烧室用于燃料燃烧。

在该第一热交换器的出口处的该助燃剂的最终温度TOf有利地是从200℃至400℃、优选地从250℃至400℃并且更优选从300℃至400℃。在该第二热交换器的出口处的该氧化剂的最终温度TCf有利地是从400℃至850℃、优选地从400℃至700℃并且更优选从500℃至650℃。

本发明使得可能优化富氧氧化剂的预加热。这是因为，虽然在该第一热交换器中加热特别地富含氧气的助燃剂，但是不必要的是使用特别稀有且因此昂贵的(参见以上)材料用于该设施的与该热助燃剂接触的部件，因为该热助燃剂的温度保持显著低于将该预加热的氧化剂供应给该燃烧室的温度。

此外，虽然在该第二交换器中将该氧化剂预加热直到特别高的温度(至少将该氧化剂引入至该燃烧室内的温度)，但是不必要的是使用特别稀有且因此昂贵的材料用于该设施的与该预加热的氧化剂接触的部件，因为该氧化剂的氧含量小于所谓的“工业氧气”的氧含量并且更具体地不大于90体积％。

与回收和使用来自这些排出的烟道气的余热用于该氧化剂的预加热相关的所述优点不只是补偿该氧化剂的氧含量减少(相对于该助燃剂的氧含量)对该燃烧的效力的影响。

在本发明上下文中：

·“富氧”或“富”气体理解为是指具有大于70体积％的氧含量的气体；

·“主要惰性”气体理解为是指由在该燃烧室中存在的条件下不参与该燃烧的一种或多种物质(既不作为燃料也不作为氧化剂)组成(大于50体积％)的气体。主要惰性气体因此必然包含小于50体积％的氧气；

·“热交换器”理解为是指加热设施或装置，其中贡献热的热交换流体和有待被加热的流体在分开的室中循环，该热交换流体通过将这两个室隔开的一个或多个壁将热传递至该有待被加热的流体，并且因此在该热交换流体与该有待被加热的流体之间没有直接接触或混合；

·“燃烧器”理解为是指用于使至少一种燃料与至少一种氧化剂接触以便借助于所述至少一种氧化剂使所述至少一种燃料的燃烧成为可能的一个装置或一组装置。燃烧器典型地包括用于将燃料和氧化剂注射至燃烧区域内的喷射器和/或喷枪；

·“余热”理解为是指随着燃烧产生的烟道气从燃烧室中排出的热量；

·“预加热”理解为是指在将有待被加热或熔融的产品(如燃料)、氧化剂或者还有原料引入至该燃烧室内之前它的加热。

与该加热的助燃剂混合以便获得该氧化剂的气体可以选自空气、主要惰性气体或空气与主要惰性气体的混合物。该主要惰性气体可以选自蒸汽、CO₂、从该燃烧室排出的烟道气或还有所述主要惰性气体中的至少两种的混合物。

当将NO_x的形成限制为最小值是重要的时，优选地使用蒸汽、CO₂、从该燃烧室排出的烟道气或还有所述气体中的至少两种的混合物。

根据具体实施例，供应含有来自这些排出的烟道气的余热的热交换流体的主流并且将所述主流分成至少两个部分。第一部分构成该第一热交换器中使用的第一热交换流体并且第二部分被用作该第二交换器中的第二热交换流体。在这种情况下，热交换流体的主流的第三部分可以有利地用于在附加的热交换器中通过在该第三部分与该燃料之间的热交换在该燃烧室的上游预加热燃料。

根据替代实施例，热交换流体的主流的至少第一部分用作第二热交换流体，并且在该主流的所述至少一部分已经穿过该第二热交换器之后将其用作第一热交换流体。

因此有利的是使用热交换流体的主流的至少第二部分用于在附加的热交换器中通过在该第三部分与该燃料之间的热交换在该燃烧室的上游预加热燃料。

可能的是使用这些排出的烟道气的至少一部分作为第一和/或第二热交换流体。

根据另一个实施例，通过在辅助热交换器中与这些排出的烟道气热交换来加热辅助流体而回收来自这些排出的烟道气的余热。

然后在该辅助热交换器中被加热的所述辅助流体的至少一部分用作第一和/或第二热交换流体，优选地用作第一和第二热交换流体。

在这种情况下，空气或主要惰性流体或空气与主要惰性流体的混合物优选地用作辅助流体。该主要惰性流体优选地选自蒸汽、CO₂和所述气体的混合物。该辅助流体优选地是空气。在该辅助交换器的出口处的该辅助流体的温度通常是从600℃至900℃、优选地从650℃至800℃并且更优选从650℃至700℃。

然后特别有利地可能的是通过将该加热的助燃剂与以下项的一部分混合来获得该富氧氧化剂：

(i)由该辅助热交换器产生的加热的辅助流体，

(ii)在用作第一热交换流体之后的由该第一热交换器产生的辅助流体，或者

(iii)在用作第二热交换流体之后的由该第二热交换器产生的辅助流体。

以此方式，优化来自这些排出的烟道气的余热的回收。

应注意的是不同的热交换器并且特别地该第一和该第二热交换器可以是以分开的装置的形式提供，各个具有其自己的外部壳体。

然而，还可以将所述热交换器结合在同一个装置中，也就是说，被同一个外部壳体环绕。

该燃烧室是熔融室、精炼室、熔融-精炼室或者熔融材料进料器，优选玻璃或金属熔融室、玻璃或金属精炼室、玻璃或金属熔融-精炼室或熔融玻璃或熔融金属进料器。

然后该燃烧方法形成熔融方法、精炼方法、熔融-精炼方法或熔融材料进料方法(特别地用于熔融/精炼/进料玻璃或金属)的一部分。

在本发明中的实例的以下描述中更详细地示出本发明和其优点，参考图1至4，这些图是用于实施根据本发明的方法的不同实施例的设施的图解表示。

在不同的图中，相同的参考号表示对应于不同实施例的部件。

I.实例1和2：借助于中间流体并且使用该加热的中间流体作为第一和第二热交换 流体以及主要惰性稀释气体进行余热的回收

I.1：实例1(图1)：

如图1中示出的，通过燃烧在燃烧室1内部产生热，例如以便在该室中加热和/或熔融原料(例如像，蒸汽、金属、玻璃形成体以及类似物)。借助于用于烟道气的出口从室1中排出这些产生的烟道气11。这些排出的烟道气11含有余热。根据本发明，此余热在价值上进行回收，特别地用于在燃烧室1的上游预加热该氧化剂并且优选该氧化剂和该燃料。

为此，将这些排出的烟道气11(或所述烟道气的至少一部分)引入至辅助热交换器10内。在这个辅助热交换器10中，通过与这些排出的烟道气热交换来加热辅助流体21。在所示出的情况下，该有待被加热的辅助流体21是环境温度下的空气。

在辅助交换器10的出口处，如果适合的话在清洗处理(未示出)以便去除灰尘或其他污染物之后，将冷却的烟道气12带到烟囱。

加热的辅助流体22展现出700℃数量级的温度并且构成热交换流体的主流。

所述主流22被分成若干部分(23，24，25)。

将热交换流体的第一部分24引入至第一热交换器40a内用于加热具有高氧含量的助燃剂41。

在所示出的情况下，助燃剂41具有大约100体积％、典型地99体积％的数量级的氧含量。该助燃剂源(未示出)可以例如是助燃剂导管、助燃剂槽或用于生产具有高氧含量的气体的设施，如用于分离大气气体的单元。

在第一交换器40a的出口处回收来自此第一部分24的温和的热交换流体44。

该加热的助燃剂在约400℃的温度下从第一交换器40a离开。该加热的助燃剂以12份(体积)热交换流体26与100份(体积)加热的助燃剂的比例与加热的热交换流体(辅助流体(空气))26混合。

因此获得了具有91.5体积％的氧含量和402℃数量级的温度的富氧氧化剂42，将该氧化剂引入至第二交换器40b内(参见表1)。

在图1示出的设施中，借助于管道在第一交换器40a的用于该加热的助燃剂的出口处产生加热的助燃剂和热交换流体的混合物，该管道一方面将把热交换流体的第一部分24带到第一交换器40a的管线连接至另一方面将第一交换器40a的用于加热的助燃剂的出口连接至第二交换器40b的用于富氧化剂的入口的管线上。安装在该第一管线上的阀经由连接它们的管道调节因此被引导至该第二管线的热交换流体的流速。

在第二交换器40b中，通过与该加热的热交换流体的第二部分23热交换进而将因此获得的富氧氧化剂42加热直到650℃的预加热温度。将来自这个第二部分的温和的热交换流体45从第二交换器40b中排出并且将预加热的富氧氧化剂43供应到燃烧室1的一个或多个燃烧器2用于燃烧在所述室1中的燃料，其中产生热量和烟道气。

由于第一交换器40a中的助燃剂41的温度保持相对低，可能的是产生此第一交换器40a而不必求助于以它们在高温下对近似纯氧气的特别高耐受性已知的特别昂贵的材料，同时提供所述第一交换器40a的高耐久性和高可靠性。

由于富氧氧化剂42的氧含量小于助燃剂41的氧含量，类似地尽管第二交换器40b中的氧化剂42、43的高温，可能的是产生此第二交换器40b而不必求助于此类昂贵的材料，同时提供第二交换器40b的高耐久性和高可靠性。

根据示出的实施例，在附加的热交换器30中使用加热的热交换流体22的第三部分25用于预加热燃料31。对于气态燃料(如天然气)，该燃料典型地被加热到400℃至600℃的预加热温度。

将来自此第三部分25的温和的热交换流体33从附加的交换器30中排出并且将由附加的交换器30产生的预加热的燃料32供应到该一个或多个燃烧器2以便在室1中用预加热的氧化剂43进行焚烧。

I.2：实例2(图2)：

图2中示出的实施例与图1中示出的实施例的不同之处主要在于加热的热交换流体22的仅一部分23分别用于助燃剂41的加热和氧化剂42的预加热。

加热的热交换流体22的所述部分23首先用于预加热第二热交换器40b中的富氧氧化剂42，并且将来自此部分的部分温和的热交换流体45从第二交换器40b中排出并且引入至第一交换器40a中用于加热助燃剂41。

引入至第二交换器40b内的富氧氧化剂42是通过以下方式获得的：将由第一交换器40a产生的加热的助燃剂以12份(体积)热交换流体与100份(体积)加热的助燃剂的比例与由所述第一交换器40a产生的温和的热交换流体(辅助流体(空气))44的一部分27混合。

借助于管道在第一交换器40a的用于该加热的助燃剂的出口处产生加热的助燃剂和加热的热交换流体的混合物，该管道一方面将第一交换器40a的用于温和的热交换流体44的出口连接至另一方面将第一交换器40a的用于加热的助燃剂的出口连接至第二交换器40b的用于富氧化剂的入口的管线上。通过阀27’再次调节被引导至该第二管线的温和的热交换流体的流速。

在已经充当不同交换器40a、40b、30中的热交换流体之后，该辅助流体或辅助流体的这些部分44、45、33可以(i)再循环，(ii)被送至大气(如果该辅助流体的性质允许)或(iii)用于现场的其他目的。

II.实例3和4：使用从该燃烧室排出的烟道气作为第一和第二热交换流体

II.1：实例3(图3)：

图3的实施例与图1的实施例的不同之处主要在于从室1排出的这些烟道气11的至少一部分直接用作热的热交换流体22。

因此将余热直接从这些排出的烟道气22分别传递至第一热交换器40a中的助燃剂41、第二热交换器40b中的氧化剂42以及附加的热交换器30中的燃料31(没有至用作辅助交换器10中的热交换流体的辅助流体的中间传递)。

因此减少了该设备的成本和热能损失。然而，根据本发明的方法的这个选项的延长使用总体上受限于产生相对干净的烟道气的加热方法，即，具有低含量的灰尘和可凝结材料的烟道气。

富氧氧化剂42是通过以下方式获得的：使由第一交换器40a产生的加热的助燃剂与空气并且特别地环境空气或与主要惰性气体28(如环境空气、蒸汽、N₂或CO₂)混合。

II.2：实例4(图4)：

类似地图4的实施例与图2的实施例不同的之处在于从室1排出的这些烟道气11的至少一部分用作热的热交换流体22。

富氧氧化剂42是通过以下方式获得的：使由第一交换器40a产生的加热的助燃剂与空气并且特别地环境空气或与主要惰性气体28(如蒸汽、N₂或CO₂)混合。

在已经充当热交换流体之后，这些温和的烟道气44’、45’、33’被送到烟囱，就像没有被用作热交换流体的这些排出的烟道气的该部分12’。

Claims (12)

1.一种用于在燃烧室(1)中用预加热的富氧氧化剂(43)燃烧燃料(32)的方法，其中在所述燃烧室(1)中产生了热量和烟道气(11)，在该方法中：

-将这些烟道气(11)从该燃烧室(1)中排出，所述排出的烟道气(11)含有余热；

-在至少一个热交换器(40a，40b)中借助于所述余热预加热氧化剂(42)；并且

-将该预加热的氧化剂(43)供应给该燃烧室(1)用于该燃料燃烧，

其特征在于：

-在第一热交换器(40a)中，通过与含有来自这些排出的烟道气的余热的至少第一部分的第一热交换流体(24，45)的热交换将具有80体积％至100体积％并且优选90体积％至100体积％的氧含量O1的助燃剂(41)从在该第一交换器(40a)的入口处的初始温度TOi加热直到在该第一交换器(40a)的出口处的最终温度TOf，其中TOf＞TOi；

-由该第一热交换器(40a)产生的加热的助燃剂与空气、与主要惰性气体或与空气和主要惰性气体的混合物混合，以便获得具有70体积％至90体积％并且优选75体积％至85体积％的氧含量O2的富氧氧化剂(42)，其中O2＜O1；

-在第二热交换器(40b)中，通过与含有来自这些排出的烟道气的余热的至少第二部分的第二热交换流体(23，46)的热交换将该富氧氧化剂(42)从在该第二热交换器(40b)的入口处的初始温度TCi预加热直到在该第二热交换器(40b)的出口处的最终温度TCf，其中TCf＞TCi；并且

-将由该第二热交换器(40b)产生的该预加热的富氧氧化剂(43)的至少一部分供应给该燃烧室(1)用于该燃料燃烧。

2.如权利要求1所述的方法，其中在该第一热交换器(40a)的出口处的该助燃剂的最终温度TOf是从200℃至400℃、优选地从250℃至400℃并且更优选从300℃至400℃。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中在该第二热交换器(40b)的出口处的该氧化剂的最终温度TCf是从400℃至850℃、优选地从400℃至700℃并且更优选从500℃至650℃。

4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中由该第一热交换器产生的该加热的助燃剂与空气或者与空气和主要惰性气体的混合物混合以便获得该富氧氧化剂。

5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该主要惰性气体(28)选自蒸汽、CO₂、由该燃烧室排出的烟道气或者还有所述气体中的至少两种的混合物。

6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中供应含有来自这些排出的烟道气(11)的余热的热交换流体的主流并且将所述主流(22)分成至少两个部分：

·构成该第一热交换流体的第一部分(24)，以及

·构成该第二热交换流体的第二部分(23)，以及

·优选地还有第三部分(25)，所述第三部分(25)用于在附加的热交换器(30)中通过在该第三部分(25)与该燃料(31)之间的热交换在该燃烧室(1)的上游预加热该燃料(31)。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中：

·供应含有来自这些排出的烟道气(11)的余热的热交换流体的主流(22)，

·所述主流(22)的至少第一部分(23)用作第二热交换流体，

·在该主流的所述至少一部分(46)已经穿过该第二热交换器(40b)之后将其用作第一热交换流体，并且

·优选地该热交换流体的主流(22)的至少第二部分(25)用于在附加的热交换器(30)中通过在该第二部分(25)与该燃料(31)之间的热交换在该燃烧室(1)的上游预加热燃料(31)。

8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中从该燃烧室(1)排出的烟道气(11)用作第一和/或第二热交换流体，优选地用作第一和第二热交换流体。

9.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中：

-通过在辅助热交换器(10)中与这些排出的烟道气(11)热交换来加热辅助流体(21)而回收来自这些排出的烟道气(11)的余热，并且

-在该辅助热交换器(10)中被加热的辅助流体用作第一和/或第二热交换流体(23，24，46)，优选地用作第一和第二热交换流体。

10.如权利要求9所述的方法，其中该辅助流体(21)空气、主要惰性流体或者空气与主要惰性流体的混合物，该主要流体优选地选自蒸汽、CO₂以及所述主要惰性气体中的至少两种的混合物，该辅助流体(21)优选地是空气。

11.如权利要求10所述的方法，其中该富氧氧化剂是通过将该加热的助燃剂与以下项的一部分混合而获得的：

(i)由该辅助热交换器(10)产生的加热的辅助流体，

(ii)在用作第一热交换流体之后的由该第一热交换器(40a)产生的辅助流体，或者

(iii)在用作第二热交换流体之后的由该第二热交换器(40b)产生的辅助流体。

12.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中该燃烧室(1)是熔融室、精炼室、熔融-精炼室或者熔融材料进料器，优选玻璃或金属熔融室、玻璃或金属精炼室、玻璃或金属熔融-精炼室或熔融玻璃或熔融金属进料器。