氧燃料鍋爐系統(tǒng)及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鍋爐系統(tǒng)(50)，其包括：氧燃料鍋爐(8)，其中氧氣和燃料流燃燒產(chǎn)生廢氣流(9)；用于冷凝清潔的廢氣的廢氣冷凝器(16)；用于產(chǎn)生加壓的富二氧化碳的廢氣流(21)的廢氣壓縮單元(20)；壓力控制系統(tǒng)(52)，其中測量廢氣調節(jié)系統(tǒng)(12)之后的壓力，并控制至預定的設定值；和流量控制系統(tǒng)(53)，其中測量廢氣壓縮單元(20)之后的流量，并控制至預定的設定值。本發(fā)明進一步涉及操作這種用于氧-燃料工藝的鍋爐系統(tǒng)的方法以及涉及包含這種系統(tǒng)的動力裝置。
【專利說明】氧燃料鍋爐系統(tǒng)及其操作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及氧燃料(oxy-fuel)鍋爐系統(tǒng)和操作這種系統(tǒng)的方法。
[0002]背景
在燃料比如煤炭、石油、泥炭、廢物等的燃燒中，在燃燒設施比如動力裝置中，產(chǎn)生熱的生產(chǎn)氣體，這種生產(chǎn)氣體除了其它組分還含有二氧化碳co2。隨著環(huán)境需求增加，已經(jīng)開發(fā)了用于自生產(chǎn)氣體去除二氧化碳的各種方法。一種這樣的方法為所謂的氧-燃料法。在氧-燃料法中，燃料比如以上提及的燃料中的一種，在貧氮氣體存在下進行燃燒。可由空氣分離單元提供的氧氣被供給其中氧氣氧化燃料的鍋爐。在氧-燃料燃燒過程中，產(chǎn)生富二氧化碳的廢氣，這種廢氣可使用各種CO2捕獲技術進行處理，以減少二氧化碳向大氣中的排放。
[0003]進一步地，CO2捕獲通常包含廢氣的冷卻或者壓縮和冷卻，以分離以液體形式存在的CO2與非凝結的廢氣組分比如N2和O2。
[0004]在純化和分離二氧化碳之后，得到富二氧化碳的料流，并且這種料流需要進行處理，比如通過以槽罐(固定的或以卡車或船只)儲存和運輸、經(jīng)管道和/或泵送輸送至地里，用于長時間(明確)的存儲和礦化作用。
[0005]用于氧-燃料法的不同組件可能并不總是被用于其全容量。鍋爐的下游組件考慮到自鍋爐的輸出進行設計。因為氧-燃料法不總是一直以全容量進行操作，用于氧-燃料法的一些設備因此過大。一種這樣的設備可為對富二氧化碳的廢氣流起作用的氣體處理單元(GPU)中的壓縮機。任何壓縮機的運行范圍被限于扼流區(qū)的高流量側和巨涌的低流量偵U。例如大型離心壓縮機相應地被限制在低至其額定容量的約75%。為了獲得進一步的容量減少和避免巨涌，可使用旁路裝置，其中一部分退出壓縮機的壓縮二氧化碳流再循環(huán)回到壓縮機的入口，以保持一定體積流經(jīng)壓縮機。然而，如果發(fā)生壓縮機出現(xiàn)故障，這種旁路通常被完全打開，以確保氣體流向機器。在氧燃料系統(tǒng)中，造成旁路完全打開的壓縮機故障將在系統(tǒng)內導致峰值壓力，這可能會損壞設備，并因此影響整個動力裝置。而且，壓縮機排放的下游忙藏存量(inventory stored downstream)可能足以導致峰值壓力，這使動力裝置狀況在經(jīng)完全打開的旁路循環(huán)回來時從壓力不足變?yōu)槌瑝骸?br> [0006]在壓縮機故障時出現(xiàn)的峰值壓力問題，在目前是一個問題。峰值壓力也可不利地影響氧燃料鍋爐的火焰穩(wěn)定性。值得注意的是，壓縮機跳閘最有可能會導致動力裝置跳閘。目前市場上沒有具有可靠性以防止?jié)撛诜逯档南到y(tǒng)。
[0007]總是需要改善氧-燃料法的靈活性。期望發(fā)現(xiàn)新的方法，以確保更穩(wěn)定的操作、按比例縮小組件的尺寸/容量、以及更好和更安全地使用存在于氧-燃料法中的組件。
[0008]概述
對于本發(fā)明，可能出現(xiàn)于所述方法中的可能的峰值壓力被減小或進一步減小，如果不能完全避免，并可因此避免動力裝置跳閘。
[0009]通過使用不同的控制廢氣壓縮機的容量的方法，減少在壓縮機故障時出現(xiàn)的峰值壓力問題。這確?？杀苊庠谌魏螘r候由于流量太低造成的壓縮機損壞。而且，可完全避免可能造成動力裝置從壓力不足變?yōu)槌瑝荷嫌蔚姆逯祲毫?。因此提供一種改善氧-燃料法的靈活性的方法。任選地也可結合前饋控制，以確保更加穩(wěn)定的設備運行。
[0010]本發(fā)明的一個目的是提供包含以下的鍋爐系統(tǒng):氧燃料鍋爐，其中氧氣和燃料流燃燒產(chǎn)生廢氣流；用于冷凝清潔的廢氣的廢氣冷凝器；用于產(chǎn)生加壓的富二氧化碳的廢氣流的廢氣壓縮單元；壓力控制系統(tǒng)，其中測量廢氣冷凝器之前(例如廢氣調節(jié)系統(tǒng)之后)的壓力，并控制至至少一個預定的設定值；和流量控制系統(tǒng)，其中測量廢氣壓縮單元之后的流量，并控制至預定的設定值。壓力控制系統(tǒng)的預定的設定值取決于過程的設置。作為一個實例，壓縮機運行的控制范圍在-15至+60毫巴(mbar)之間。流量控制系統(tǒng)的預定的設定值取決于壓縮機類型，包括制造商和壓縮機型號，并且優(yōu)選地被選擇為高于壓縮機喘振點跳閘至少5%。
[0011]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)也可包括以再循環(huán)模式運行至少一段時間的再循環(huán)系統(tǒng)，其中來自廢氣壓縮單元的至少一部分二氧化碳流返回到廢氣冷凝器單元的入口。在再循環(huán)系統(tǒng)中，來自廢氣壓縮單元的至少一部分二氧化碳流，作為至廢氣冷凝器單元入口的料流向前傳遞，或者并入含有來自廢氣調節(jié)單元的二氧化碳的料流，進入廢氣冷凝器單
J Li ο
[0012]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)進一步包含再循環(huán)控制裝置和再循環(huán)調節(jié)裝置，其控制再循環(huán)系統(tǒng)以基于鍋爐系統(tǒng)的實測荷的再循環(huán)模式運行。
[0013]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)再循環(huán)調節(jié)裝置也負責使二氧化碳流膨脹。
[0014]根據(jù)一個實施方案，流量控制進一步包含流量控制裝置和流量調節(jié)裝置，其控制旁路流在廢氣壓縮單元之后，以基于鍋爐系統(tǒng)的實測流值的旁路模式運行。
[0015]根據(jù)一個實施方案，壓力控制系統(tǒng)進一步包含壓力控制裝置和高壓調節(jié)裝置，其控制排放流在廢氣壓縮單元之前，以基于鍋爐系統(tǒng)的實測壓力值的排放模式運行。
[0016]根據(jù)一個實施方案，壓力控制系統(tǒng)進一步包含低壓調節(jié)裝置，其與壓力控制裝置一起，控制來自大氣的空氣流在廢氣壓縮單元之前，以基于鍋爐系統(tǒng)的實測壓力值的進氣模式運行。
[0017]本發(fā)明的一個目的是提供一種運行包含以下的鍋爐系統(tǒng)的方法:氧-燃料鍋爐，其中氧氣流和燃料流燃燒產(chǎn)生廢氣流；用于冷凝清潔的廢氣的廢氣冷凝器；用于產(chǎn)生加壓的富二氧化碳廢氣流的廢氣壓縮單元；所述方法包含:
監(jiān)測廢氣冷凝器之前(例如廢氣調節(jié)系統(tǒng)之后)的壓力，并把廢氣壓縮單元之前的壓力，通過壓力控制系統(tǒng)控制至至少一個預定的設定值，和
監(jiān)測廢氣壓縮單元之后的流量，并把廢氣壓縮單元之后(例如二氧化碳分離單元之前)的流量，通過流量控制系統(tǒng)控制至預定的設定值。
[0018]根據(jù)一個實施方案，該方法包括以再循環(huán)模式運行鍋爐系統(tǒng)至少一段時間，期間來自廢氣壓縮單元的至少一部分二氧化碳流返回到廢氣冷凝器單元的入口。進一步地，以再循環(huán)模式，再循環(huán)調節(jié)裝置也可負責使二氧化碳流膨脹。
[0019]根據(jù)一個實施方案，方法進一步包括:
確立鍋爐系統(tǒng)以第一負載還是以第二負載運行，其中第二負載為比第一負載更低的負
載，
當鍋爐系統(tǒng)以第二負載運行時，控制鍋爐系統(tǒng)以再循環(huán)模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)以第一負載運行時，控制鍋爐系統(tǒng)停止以再循環(huán)模式運行。
[0020]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)的再循環(huán)模式使用再循環(huán)控制裝置和調節(jié)裝置進行控制。
[0021]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)的實測荷載基于來自氧燃料鍋爐之前的燃料存儲的料流進行測量。
[0022]根據(jù)一個實施方案，流量控制系統(tǒng)確立鍋爐系統(tǒng)運行的流值，并且當鍋爐系統(tǒng)以低于預定的設定流值的流值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)以旁路模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)以等于或高于預定的設定流值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)停止以旁路模式運行，所述旁路模式包括使來自廢氣壓縮單元的至少一部分二氧化碳流作為料流向前傳遞至煙道，或至來自向前傳遞至煙道的二氧化碳分離單元的料流。
[0023]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)的旁路模式使用流量控制裝置和流量調節(jié)裝置進行控制。
[0024]根據(jù)一個實施方案，壓力控制系統(tǒng)確立鍋爐系統(tǒng)運行的壓力值，并且當鍋爐系統(tǒng)以高于預定的第一設定值的壓力值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)以排放模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)以等于或低于預定的第一設定值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)停止以排放模式運行，所述排放模式包括使來自廢氣調節(jié)單元的含有至少部分二氧化碳的流作為料流被傳送至煙道。
[0025]根據(jù)一個實施方案，壓力控制系統(tǒng)確立鍋爐系統(tǒng)運行的壓力值，并且當鍋爐系統(tǒng)以低于預定的第二設定值的壓力值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)以進氣模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)以等于或高于預定的第二設定值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)停止以進氣模式運行，所述進氣模式包括將來自大氣的空氣作為料流引入到來自向前傳遞至廢氣壓縮單元的廢氣冷凝器單元的含有至少部分二氧化碳的料流中。
[0026]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)的排放模式使用壓力控制裝置和高壓調節(jié)裝置進行控制。
[0027]根據(jù)一個實施方案，鍋爐系統(tǒng)的進氣模式使用壓力控制裝置和低壓調節(jié)裝置進行控制。
[0028]根據(jù)一個實施方案，壓力的預定的第一設定值高于預定的第二設定值。
[0029]本發(fā)明的一個目的是提供一種包含以上提及的鍋爐系統(tǒng)的氧-燃料燃燒動力裝置。
[0030]附圖簡述
現(xiàn)參閱附圖，其為示例性的實施方案，并且其中同樣的元件編號相同:
圖1為氧-燃料法中鍋爐系統(tǒng)50的示意圖，公開了依據(jù)本公開的再循環(huán)系統(tǒng)和壓力以及體積流量控制系統(tǒng)的一個實施方案。
[0031]詳述
本文提供具有更好的可操作性和更高的安全性的氧-燃料法。
[0032]鍋爐系統(tǒng)被配置成形以便能夠以全容量運行，因此鍋爐和壓縮單元兩者適合于這種情況。如果系統(tǒng)內發(fā)生故障比如壓縮機故障，需要足夠的體積流經(jīng)壓縮機單元，但不引起系統(tǒng)內的高壓峰。
[0033]為了確保足夠的流經(jīng)壓縮單元，本文提供兩種控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)包括控制裝置，例如致動器。一種控制裝置通過打開壓縮機的排放進行控制。另一種控制裝置通過打開調節(jié)裝置例如煙道連接的活百葉檔板(louvers)或減速簾狀物(curtains)或大氣的專用線路進行控制。通過使用所述兩種控制裝置，可以避免由于太低的流量流經(jīng)壓縮單元造成的壓縮機損壞，并且也可避免由于壓力或流量差異造成的對設備下游和廢氣壓縮單元的上游的損壞。兩種控制系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)，可單獨或一起工作。
[0034]而且，在發(fā)生低容量的情況下，為了保持廢氣中的高二氧化碳濃度，并且不使其與空氣混合，使用再循環(huán)(即旁路)流。旁路流使用動力裝置容量，即輸入的燃料量作為設定點觸發(fā)進行控制。
[0035]使用具有兩種控制系統(tǒng)和再循環(huán)系統(tǒng)的結構，可減小旁路尺寸，僅需覆蓋30-75%之間的容量?？烧J為約30%的容量對于運行氧燃料裝置是最小的。先前需要構建旁路流用于全流量的再循環(huán)。對于本發(fā)明方法，需要覆蓋的容量窗(capacity window)顯著減小。
[0036]如果發(fā)生故障例如閥門故障，使用流量和壓力控制系統(tǒng)和再循環(huán)系統(tǒng)減小峰值壓力，同時保持壓縮機容量控制。而且任選的前饋控制可使得設備運行更加穩(wěn)定。
[0037]本文提供包含以下的鍋爐系統(tǒng):氧燃料鍋爐，其中氧氣和燃料流燃燒產(chǎn)生廢氣流；用于冷凝清潔的廢氣的廢氣冷凝器；用于產(chǎn)生加壓的富二氧化碳的廢氣流的廢氣壓縮單元；壓力控制系統(tǒng)，其中測量廢氣調節(jié)系統(tǒng)之后的壓力，并控制至至少一個預定的設定值；和流量控制系統(tǒng)，其中測量廢氣壓縮單元之后的流量，并控制至預定的設定值。鍋爐系統(tǒng)也可包含產(chǎn)生用于鍋爐的氧氣流的空氣分離單元，和用于清潔至少一部分鍋爐中產(chǎn)生的廢氣的廢氣調節(jié)系統(tǒng)?？砂趸挤蛛x單元，用于產(chǎn)生加壓的二氧化碳最終產(chǎn)物流。鍋爐系統(tǒng)也可包含至大氣的煙道。進一步地，可把以再循環(huán)模式運行至少一段時間的再循環(huán)系統(tǒng)結合至鍋爐系統(tǒng)中，其中來自廢氣壓縮單元的至少一部分二氧化碳流返回到廢氣冷凝器單元的入口。
[0038]通過監(jiān)測廢氣調節(jié)系統(tǒng)之后的壓力，并把廢氣壓縮單元之前的壓力經(jīng)壓力控制系統(tǒng)控制至至少一個預定的設定值，和監(jiān)測廢氣壓縮單元之后的流量，并把二氧化碳分離單元之前的流量經(jīng)流量控制系統(tǒng)控制至預定的設定值，可運行包含以下的鍋爐系統(tǒng):其中氧氣和燃料燃燒產(chǎn)生廢氣流的氧-燃料鍋爐、廢氣冷凝器、廢氣壓縮單元。
[0039]然而，運行鍋爐系統(tǒng)的方法也可包括以再循環(huán)模式運行鍋爐系統(tǒng)至少一段時間，期間來自廢氣壓縮單元的至少一部分二氧化碳流返回到廢氣冷凝器單元的入口。
[0040]本發(fā)明方法確立鍋爐系統(tǒng)運行的荷載。通過提供在再循環(huán)模式是積極的時候的荷載極限值，所述方法基于運行期間過程中測得的負載值，在被動和主動模式之間轉換。負載值為動力裝置容量的設定點。通過直接或間接測量例如輸入到鍋爐中的燃料量，燃料泵的能量消耗、需氧量(例如向前傳遞至鍋爐的氧氣的重量或體積流量)、電力輸出、格柵(grid)的需求、廢氣流率、廢氣體積流率、過程的蒸汽生產(chǎn)和/或溫度，確立鍋爐系統(tǒng)的容量。再循環(huán)模式在對鍋爐系統(tǒng)進行低荷載期間是主動的。當荷載低于鍋爐最大容量的75%例如30-75%時，認為鍋爐系統(tǒng)的荷載低。
[0041]鍋爐系統(tǒng)的荷載可使用至鍋爐的燃料流量或鍋爐的需氧量進行測量和控制。廢氣壓縮單元的荷載可使用廢氣壓縮單元的運行點測量。大型離心壓縮機的荷載一般經(jīng)流率測量。低于75%荷載，這種機械使用再循環(huán)運行，以防止巨涌狀態(tài)對設備的損壞。壓縮機預定的設定值，取決于例如壓縮機的制造商和型號，通常在壓縮機容量的75%-80%的范圍內。對于某些壓縮機類型，例如螺桿式壓縮機或往復式壓縮機，范圍可擴展至30-75%。
[0042]鍋爐系統(tǒng)以再循環(huán)模式運行的極限值被設定為第一和第二負載。第一負載的極限值可被設定為鍋爐最大容量的至少75%，此時鍋爐系統(tǒng)不能激活再循環(huán)模式。第二負載的極限值可被設定為低于鍋爐最大容量的75%，此時鍋爐系統(tǒng)啟動和以再循環(huán)模式運行。
[0043]鍋爐系統(tǒng)的運行模式通過控制裝置比如計算機、微處理器或控制器進行控制，這種控制裝置比較測得的目前荷載值與設定的極限值，并然后相應地調節(jié)該過程。
[0044]氣體處理單元(GPU)的富二氧化碳流，例如根據(jù)溫度和/或流量進行控制。鍋爐系統(tǒng)中的富含液態(tài)和氣態(tài)二氧化碳的廢氣流通過以本身已知的方式控制二氧化碳的流量和壓力向前傳遞。
[0045]遍及本申請文本中使用的術語“富二氧化碳”意指所指涉的氣流含有按體積計至少40%的二氧化碳(CO2)。
[0046]廢氣壓縮單元包含至少一個壓縮機，這種壓縮機具有至少一個，并且一般地具有2-10個壓縮級，用于壓縮來自前述廢氣冷凝器單元的富二氧化碳的廢氣。每個壓縮級可作為單獨的單元排列。作為備選，可通過常見的驅動軸運行幾個壓縮級。進一步地，廢氣壓縮單元也可包含中間冷卻器。而且，可包含分離器以分離液相與氣相。
[0047]在低容量的情況下，為了保持廢氣中的二氧化碳濃度，并且不使其與空氣混合，使用旁路流。要再循環(huán)的富二氧化碳的廢氣流在退出廢氣壓縮單元時取自廢氣壓縮單元。
[0048]所涉及的再循環(huán)過程和系統(tǒng)現(xiàn)將參照圖1更詳細地進行公開。值得注意的是，在圖解中沒有公開需要在氧-燃料法中運行的所有料流或控制手段。圖1集中于富二氧化碳的廢氣流的主流，該流被純化、冷卻、壓縮和分離，其流動取決于過程荷載的波動，以使得氧-燃料法根據(jù)能源資源分配、設備除垢和容量更加靈活。
[0049]圖1為鍋爐系統(tǒng)50的示意圖示，如自其側面所見的那樣。鍋爐系統(tǒng)50包含作為主要組件的鍋爐8，在該實施方案中為氧-燃料鍋爐；和廢氣調節(jié)系統(tǒng)12，例如空氣質量控制系統(tǒng)(AQCS)。廢氣調節(jié)系統(tǒng)12包含微粒去除裝置，其可例如為織物過濾器或靜電除塵器；和二氧化硫去除系統(tǒng)，其可為濕式洗滌器。
[0050]在燃料存儲I中含有燃料比如煤炭、石油或泥炭，并可經(jīng)供應流2，3供給鍋爐8。運行空氣分離單元(ASU) 4，用于以本身已知的方式提供氧氣。來自空氣分離單元4的含有氧氣的氣流5，在鍋爐8的運行期間，作為蒸汽6經(jīng)含有二氧化碳的流33和/或作為蒸汽7經(jīng)含有二氧化碳的流29，被連續(xù)進料至鍋爐。所產(chǎn)生的進料至鍋爐8的氧氣，一般包含90-99.9 vol.%氧氣(O2)。在鍋爐系統(tǒng)50中提供至鍋爐8的，含有二氧化碳的再循環(huán)廢氣流。再循環(huán)的廢氣可在廢氣調節(jié)系統(tǒng)12之后，作為富CO2的流26取自廢氣流13的一部分，和/或在冷凝器單元16之后，作為富CO2的流30取自廢氣流17的一部分。富CO2的流26和30兩者可分別使用再循環(huán)裝置27和31傳送回到鍋爐8。再循環(huán)裝置27和31可為再循環(huán)風機。在再循環(huán)裝置27和31之后，富CO2的流28和32可分別與來自ASU 4的氧氣接觸。在鍋爐8的上游，再循環(huán)的廢氣和氧氣相互混合，形成按體積計一般含有約20-50%氧氣的氣體混合物，其余部分主要為二氧化碳和水蒸氣。在進入鍋爐8之前，富CO2的流28可與含有氧氣的氣流7混合，和/或富CO2的流32可與含有氧氣的氣流6混合。運行鍋爐8，用于在氧氣的存在下燃燒燃料。經(jīng)供應流2供給的燃料可任選地與含有CO2和氧氣的氣流33混合，形成進入鍋爐8的流3。氧氣流5，6，7的流量可通過控制系統(tǒng)進行控制，這種控制系統(tǒng)例如可包含計算機、微處理器、控制器、閥門、致動器和/或泵，這種系統(tǒng)為了保持圖解清晰的目的而未在圖中示出。以本身已知的方式控制氧氣流量。燃料流2的流量通過控制系統(tǒng)進行控制，這種控制系統(tǒng)例如可包含計算機、微處理器、控制器、閥門、致動器和/或泵。以本身已知的方式控制燃料的流量。本文公開了一種再循環(huán)控制裝置37，例如致動器，其被指定用于測量向前傳遞至鍋爐8的燃料的體積流量。
[0051]料流9借助向前傳遞裝置10例如引風機向前傳遞在鍋爐8中產(chǎn)生的富二氧化碳的廢氣，在進入廢氣調節(jié)系統(tǒng)12之前變?yōu)榱?1。所謂的“富二氧化碳的廢氣”意指經(jīng)流9離開鍋爐8的廢氣將含有至少40%體積的二氧化碳(CO2)。通常離開鍋爐8的廢氣中按體積計多于50%應為二氧化碳。一般地，離開鍋爐8的廢氣將含有50-80%體積的二氧化碳?！案欢趸嫉膹U氣”的其余部分為約15-40%體積的水蒸氣(H2O) ； 2-7%體積的氧氣(O2)，因為在鍋爐8中氧氣稍稍過量通常為優(yōu)選的；以及總計約0-10%體積的其它氣體，主要包括氮氣(N2)和氬氣(Ar)，因為很少能完全避免一些漏氣。
[0052]在鍋爐8中產(chǎn)生的富二氧化碳的廢氣一般可包含以例如塵粒、鹽酸(HCl)、氧化硫(SOx)和包括汞(Hg)的重金屬的形式存在的污染物，其在處理二氧化碳之前應至少部分地自富二氧化碳的廢氣中去除。
[0053]廢氣調節(jié)系統(tǒng)12在不同的步驟自富二氧化碳的廢氣中去除大部分塵粒，以及來自富二氧化碳的廢氣的二氧化硫(SOx)和其它酸性氣體。
[0054]至少部分清潔的富二氧化碳的廢氣，可至少部分地自廢氣調節(jié)系統(tǒng)12向前傳遞至廢氣冷凝器16。退出廢氣調節(jié)系統(tǒng)12的富CO2的流13可被分開，并作為流26部分地再循環(huán)回到鍋爐8。退出廢氣調節(jié)系統(tǒng)12的CO2流13的剩余部分為流14，可作為流15向前傳遞，任選地包含經(jīng)流36進入廢氣冷凝器16例如直接接觸式冷凝器的再循環(huán)的C02。自廢氣冷凝器16，廢氣向前傳遞至以氣體壓縮單元20的形式存在的氣體處理單元和鍋爐系統(tǒng)27的分離單元24。在氣體處理單元中，清潔的富二氧化碳的廢氣被進一步清潔并壓縮，用于處理或進一步使用。
[0055]退出廢氣冷凝器16的清潔的富二氧化碳的廢氣流17可被分開，并作為流30部分地再循環(huán)回到鍋爐8。富CO2的流17的剩余部分為流18，作為料流19向前傳遞至廢氣壓縮單元20。
[0056]廢氣壓縮單元20可包含中間冷卻和分離步驟。
[0057]料流21自廢氣壓縮單元20向分離裝置24向前傳遞其中形成壓縮的二氧化碳流25的壓縮氣體。
[0058]流21可在系統(tǒng)的低荷載期間部分地再循環(huán)，以保持廢氣壓縮單元運行。在鍋爐系統(tǒng)50a的低荷載下，再循環(huán)系統(tǒng)51以再循環(huán)模式運行。如果例如鍋爐系統(tǒng)50以低于預定的設定值的負載值運行，再循環(huán)系統(tǒng)51以再循環(huán)模式運行，并且當鍋爐系統(tǒng)50以等于或高于預定的設定值或以其它預定的設定值運行時，鍋爐系統(tǒng)50被控制土停止按再循環(huán)模式運行。流21的一部分，流34使用調節(jié)裝置35進行控制，以使富含的二氧化碳作為流36向前傳遞回到廢氣冷凝器之前。來自廢氣調節(jié)系統(tǒng)12的流14和再循環(huán)的流36形成進入廢氣冷凝器16的流15。調節(jié)裝置35，例如閥門，用于控制使用再循環(huán)控制裝置37的所述再循環(huán)系統(tǒng)的流量。再循環(huán)控制裝置37可為計算機、微處理器或控制器，這種控制裝置比較測得的目前荷載值與設定的極限值，然后相應地調節(jié)該過程。調節(jié)裝置35也可用于使二氧化碳膨脹。
[0059]離開氣體處理單元的壓縮的二氧化碳可被運走以供處理，其有時稱為“C02隔離”。分離單元24包括氣體處理單元的進一步清潔和壓縮步驟，這種氣體處理單元例如可選自痕量物質去除單元、干燥器單元、廢氣節(jié)約裝置、CO2冷凝器單元和再壓縮單元。
[0060]如以上討論的那樣，氧-燃料法可在運行期間經(jīng)受波動。為了得到更好的可操作性和更高的安全性，把兩種另外的控制系統(tǒng)結合到氧-燃料法中。
[0061]結合壓力控制系統(tǒng)52以測量系統(tǒng)50中的壓力變化并對這樣的壓力變化做出反應。結合流量控制系統(tǒng)53以測量系統(tǒng)50中的流量并對系統(tǒng)50中的流量例如體積流量變化做出反應。
[0062]結合對系統(tǒng)內的壓力變化有反應的一種控制裝置，壓力控制裝置44，和對系統(tǒng)50內的體積流量變化有反應的另一種控制裝置，流量控制裝置41。
[0063]如果存在壓力變化，例如壓力突然增加，由例如壓縮機或閥門故障引起的壓力峰值突然增加，控制裝置44，例如連接于至少部分地由富二氧化碳的流14組成的流46的壓力操縱開關作出反應，并控制高壓調節(jié)裝置45在壓力控制系統(tǒng)52中以合適的方式運行。在這種情況下，高壓調節(jié)裝置45例如調節(jié)活百葉檔板或減速簾狀物，用于在預定的高壓力極限下打開，并允許含有二氧化碳的廢氣作為流46，經(jīng)煙道49退出系統(tǒng)。低于所述預定的高壓力極限，高壓調節(jié)裝置45關閉。
[0064]如果存在壓力變化，例如壓力下降，控制裝置44作出反應，并控制低壓調節(jié)裝置48以合適的方式運行。如果在系統(tǒng)中由于系統(tǒng)內的故障存在壓力下降，必須保護設備免于經(jīng)受低于設備可承受的內部真空(即低壓)。在這樣的情況下，低壓調節(jié)裝置48，例如真空解除閥，用于在預定的低壓力極限下打開，并允許空氣作為流47進入系統(tǒng)。這打破系統(tǒng)中所形成的壓力不足。高于所述預定的低壓力極限，低壓調節(jié)裝置48關閉。盡管不期望系統(tǒng)中有另外的空氣，優(yōu)選的是允許小量控制的體積進入系統(tǒng)，而不允許系統(tǒng)和壓縮機崩潰。因此，進入廢氣壓縮單元20的流19應總是對于廢氣壓縮單元20具有足夠的壓力，以適當?shù)剡\行而不引起損壞。
[0065]壓力控制系統(tǒng)52包括壓力控制裝置44和高壓調節(jié)裝置45及低壓調節(jié)裝置48。
[0066]壓力控制系統(tǒng)52確立鍋爐系統(tǒng)50運行的壓力值，并且當鍋爐系統(tǒng)50以高于預定的第一設定值的壓力值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)50以排放模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)50以或低于預定的第一設定值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)50停止以排放模式運行，所述排放模式包括使來自廢氣調節(jié)單元12的含有至少部分二氧化碳的流13作為流46向前傳遞至煙道49。
[0067]由壓力控制系統(tǒng)52確立的壓力值，也可用于當鍋爐系統(tǒng)50以低于預定的第二設定值的壓力值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)50以進氣模式運行，并且當鍋爐系統(tǒng)50以等于或高于預定的第二設定值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)50停止以進氣模式運行，所述進氣模式包括將來自大氣的空氣作為流47引入到來自向前傳遞至廢氣壓縮單元20的廢氣冷凝器單元16的含有至少部分二氧化碳的流17中。
[0068]壓力的預定的第一設定值高于預定的第二設定值。
[0069]為了舉例說明不同運行模式(排放和進氣模式)的用途，以下給出本發(fā)明運行方法的實施方案的實例。假定壓縮機運行的控制范圍在-15至+60毫巴之間，這些端值可分別用作所述第二和第一設定值。因此，對鍋爐系統(tǒng)50的低于或高于這樣范圍的所測量的壓力值將觸發(fā)以上模式中的一種。如果+60毫巴為壓縮機運行的最大控制范圍，并且認為第一設定值+80毫巴的壓力將觸發(fā)排放模式，并將來自廢氣調節(jié)單元12的含有至少部分二氧化碳的流13作為料流46向前傳遞至煙道49。當壓力然后恢復到第一設定值+60毫巴或低于該值時，排放模式停止。如果-15毫巴為壓縮機運行的最小控制范圍，并且認為第二設定值-30毫巴的壓力將觸發(fā)進氣模式，并且將來自大氣的空氣作為流47引入到來自向前傳遞至廢氣壓縮單元20的廢氣冷凝器單元16的含有至少部分二氧化碳的流17中。當壓力然后恢復到第二設定值-15毫巴或高于該值時，排放進氣停止。
[0070]如果在過程中存在變化，例如廢氣壓縮單元20的下游由于故障而堵塞、過程中的后續(xù)純化步驟關閉、或來自廢氣壓縮單元20的體積流量太低，這可引起廢氣壓縮單元20的下游設備損壞，控制裝置41，例如連接于壓縮的富二氧化碳的廢氣的致動器或流量控制，作出反應并控制調節(jié)裝置39以合適的方式運行。在這樣的情況下，調節(jié)裝置39，例如閥門或調節(jié)活百葉檔板或減速簾狀物，用于在預定的低體積流量極限下打開，并允許含有至少一部分二氧化碳的廢氣流22作為流38，經(jīng)煙道49作為流40向前傳遞以退出系統(tǒng)。任選地流40在向前傳遞至煙道49之前與退出分離單元24的流42合并。調節(jié)裝置39也可負責使二氧化碳流38膨脹。控制裝置41和調節(jié)裝置39操縱流體流動，以補償系統(tǒng)中的荷載擾動。并保持所調節(jié)的過程變化盡可能接近于所期望的設定值。高于所述預定的體積流量限制，調節(jié)裝置39關閉。
[0071]流量控制系統(tǒng)53包括流量控制裝置41和流量調節(jié)裝置39。當鍋爐系統(tǒng)50以低于預定的設定流值的流值運行時，流量控制系統(tǒng)53以旁路模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)50以等于或高于預定的設定流值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)50停止以旁路模式運行。
[0072]本文公開的以下系統(tǒng)的結合，導致氧-燃料系統(tǒng)中更好的可操作性和更高的安全性:使用動力裝置容量控制的壓縮單元的再循環(huán)系統(tǒng)，例如燃料的進料流率作為設定點觸發(fā)；分別通過向煙道打開專用線路或來自大氣的專用線路對過程的運行壓力的增加或降低有反應的壓力控制系統(tǒng)；和通過向煙道打開專用線路對例如過程的運行流量降低有反應的體積流量控制系統(tǒng)。
[0073]壓縮機單元的再循環(huán)旁路設計，由于旁路不再必須能夠再循環(huán)退出壓縮機單元的整個體積流量，而也可受到影響，例如縮小尺寸。
[0074]如果發(fā)生系統(tǒng)內故障例如閥門故障，再循環(huán)旁路以及另外的壓力和體積流量控制系統(tǒng)的設計減小壓力峰值，同時保持壓縮機容量控制。先前可導致動力裝置中上游從壓力不足變?yōu)槌瑝旱膲毫Ψ迥壳翱赏耆苊狻?br> [0075]應該意識到，上述實施方案的眾多變化在所附權利要求書的范圍內是可能的。
[0076]盡管本發(fā)明已關于一些優(yōu)選的實施方案進行了描述，本領域的技術人員應該理解可進行各種變化，并且等價物可替代其要素而不背離本發(fā)明的范圍。另外，可進行許多修飾以使具體情況或材料適合于本發(fā)明的講授，而不背離其基本范圍。因此，本發(fā)明打算不限于如對于實施本發(fā)明構思的最佳模式所公開的具體實施方案，但是本發(fā)明將包括落入所附權利要求書范圍內的所有實施方案。此外，術語第一、第二等的使用不意味著任何順序或重要性，而是術語第一、第二等用于區(qū)別一個要素與另一個要素。
【權利要求】
1.一種鍋爐系統(tǒng)(50)，所述系統(tǒng)包括: 氧燃料鍋爐(8)，其中氧氣流和燃料燃燒產(chǎn)生廢氣流(9)； 用于冷凝清潔的廢氣的廢氣冷凝器(16)； 用于產(chǎn)生加壓的富二氧化碳的廢氣流(21)的廢氣壓縮單元(20)； 壓力控制系統(tǒng)(52)，其中測量廢氣冷凝器(16)之前的壓力，并控制至至少一個預定的設定值；和 流量控制系統(tǒng)(53)，其中測量廢氣壓縮單元(20)之后的流量，并控制至預定的設定值。
2.依據(jù)權利要求1的鍋爐系統(tǒng)(50)，所述系統(tǒng)進一步包括以再循環(huán)模式運行至少一段時間的再循環(huán)系統(tǒng)(51)，其中來自廢氣壓縮單元(20)的至少一部分二氧化碳流(21)返回到廢氣冷凝器單元(16)的入口。
3.依據(jù)權利要求1或2的鍋爐系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包含再循環(huán)控制裝置(37)和再循環(huán)調節(jié)裝置(35)，其控制再循環(huán)系統(tǒng)(51)以基于鍋爐系統(tǒng)(50)的實測荷載的再循環(huán)模式運行。
4.依據(jù)權利要求1-3中任何一項的鍋爐系統(tǒng)(50)，其中所述流量控制系統(tǒng)(53)進一步包含流量控制裝置(41)和流量調節(jié)裝置(39)，其控制旁路流(38，40)在廢氣壓縮單元(20)之后，以基于鍋爐系統(tǒng)(50)的實測流值的旁路模式運行。
5.依據(jù)權利要求1-4中任何一項的鍋爐系統(tǒng)(50)，其中所述壓力控制系統(tǒng)(52)進一步包含壓力控制裝置(44)和高壓調節(jié)裝置(45)，其控制排放流(46)在廢氣壓縮單元(20)之前，以基于鍋爐系統(tǒng)(50)的實測壓力值的排放模式運行。
6.依據(jù)權利要求1-5中任何一項的鍋爐系統(tǒng)(50)，其中所述壓力控制系統(tǒng)(52)進一步包含低壓調節(jié)裝置(48)，其與壓力控制裝置(44) 一起，控制來自大氣的空氣流(47)在廢氣壓縮單元(20)之前，以基于鍋爐系統(tǒng)(50)的實測壓力值的進氣模式運行。
7.一種運行包含以下的鍋爐系統(tǒng)(50)的方法:氧燃料鍋爐(8)，其中氧氣流(5)和燃料流(2)燃燒產(chǎn)生廢氣流(9);用于冷凝清潔的廢氣的廢氣冷凝器(16);用于產(chǎn)生加壓的富二氧化碳的廢氣流(21)的廢氣壓縮單元(20)，所述方法包括: 監(jiān)測廢氣冷凝器(16)之前的壓力，并把廢氣壓縮單元(20)之前的壓力，通過壓力控制系統(tǒng)(52)控制至至少一個預定的設定值，和 監(jiān)測廢氣壓縮單元(20)之后的流量，并把廢氣壓縮單元(20)之后的流量，通過流量控制系統(tǒng)(53)控制至預定的設定值。
8.依據(jù)權利要求7的方法，所述方法進一步包括以再循環(huán)模式運行鍋爐系統(tǒng)(50)至少一段時間，期間來自廢氣壓縮單元(20)的至少一部分二氧化碳流(21)返回到廢氣冷凝器單元(16)的入口。
9.依據(jù)權利要求7或8的方法，所述方法進一步包括: 確立鍋爐系統(tǒng)(50)以第一負載還是以第二負載運行，其中第二負載為比第一負載更低的負載， 當鍋爐系統(tǒng)以第二負載運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)以再循環(huán)模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)(50)以第一負載運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)停止以再循環(huán)模式運行。
10.依據(jù)權利要求7-9中任何一項的方法，其中鍋爐系統(tǒng)(50)的再循環(huán)模式使用再循環(huán)控制裝置(37)和再循環(huán)調節(jié)裝置(35)進行控制。
11.依據(jù)權利要求7-9中任何一項的方法，其中鍋爐系統(tǒng)(50)的實測荷載基于來自氧燃料鍋爐(8)之前的燃料存儲(I)的流(2)進行測量。
12.依據(jù)權利要求7-11中任何一項的方法，其中流量控制系統(tǒng)(53)確立鍋爐系統(tǒng)(50)運行的流值，并且當鍋爐系統(tǒng)(50)以低于預定的設定流值的流值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)以旁路模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)(50)以等于或高于預定的設定流值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)停止以旁路模式運行，所述旁路模式包括使來自廢氣壓縮單元(20)的至少一部分二氧化碳流(22)作為流(38)向前傳遞至煙道(49)，或至來自向前傳遞至煙道(49)的二氧化碳分離單元(24)的流(42)。
13.依據(jù)權利要求12的方法，其中鍋爐系統(tǒng)(50)的旁路模式使用流量控制裝置(41)和流量調節(jié)裝置(39)進行控制。
14.依據(jù)權利要求7-13中任何一項的方法，其中壓力控制系統(tǒng)(52)確立鍋爐系統(tǒng)(50)運行的壓力值，并且當鍋爐系統(tǒng)(50)以高于預定的第一設定值的壓力值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)以排放模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)(50)以等于或低于預定的第一設定值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)停止以排放模式運行，所述排放模式包括使來自廢氣調節(jié)單元(12)的含有至少部分二氧化碳的流(13)作為流(46)向前傳遞至煙道(49)。
15.依據(jù)權利要求7-14中任何一項的方法，其中壓力控制系統(tǒng)(52)確立鍋爐系統(tǒng)(50)運行的壓力值，并且當鍋爐系統(tǒng)(50)以低于預定的第二設定值的壓力值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)以進氣模式運行，和當鍋爐系統(tǒng)(50)以等于或高于預定的第二設定值運行時，控制鍋爐系統(tǒng)(50)停止以進氣模式運行，所述進氣模式包括將來自大氣的空氣作為流(47)引入到來自向前傳遞至廢氣壓縮單元(20)的廢氣冷凝器單元(16)的含有至少部分二氧化碳的流(17)中。`
16.依據(jù)權利要求14或15的方法，其中壓力的預定的第一設定值高于預定的第二設定值。
17.一種氧-燃料燃燒動力裝置，所述裝置包含依據(jù)權利要求1-6中任何一項的系統(tǒng)。
【文檔編號】F22B35/00GK103776017SQ201310486269
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權日:2012年10月17日
【發(fā)明者】O.斯塔爾曼恩 申請人:阿爾斯通技術有限公司