專利名稱：氧燃料燃燒鍋爐系統(tǒng)和使用所述鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧燃料燃燒鍋爐系統(tǒng)和使用所述鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)力的方法。本發(fā)明 特別地涉及一種雙燃鍋爐系統(tǒng)(dual-firing boiler system)，即，可或者使用空氣或者使用 基本純的氧與再循環(huán)排放氣體的混合物作為氧化劑氣體(即，作為載氧氣體)來工作的鍋 爐系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氧燃料燃燒是被建議用于從諸如粉煤(PC)鍋爐或循環(huán)流化床(CFB)鍋爐之類的 動(dòng)力發(fā)生鍋爐的排放氣體中去除co2的方法之一。氧燃料燃燒基于使含碳燃料與基本純 的氧(純度通常約為95% )燃燒，從而使二氧化碳和水作為從鍋爐排出的排放氣體的主要 成分。由此，可從排放氣體中相對容易地捕獲二氧化碳，而不必從以氮作為其主要成分 的氣體流(如在使燃料與空氣燃燒時(shí))中分離二氧化碳。通過氧燃料燃燒產(chǎn)生動(dòng)力比傳統(tǒng)的通過空氣進(jìn)行的燃燒更復(fù)雜，這是因?yàn)樾枰?氧供應(yīng)器，例如，低溫的或基于膜的空氣分離單元(ASU)，在這里氧與以氮為主的空氣 中的其它成分分離。然后，所產(chǎn)生的排放氣體隨時(shí)可以在從中去除水時(shí)進(jìn)行C02的截存 (sequestration),并且可能地，凈化此排放氣體以減少源自于氧化劑、燃料或空氣滲漏的 惰性氣體。這種凈化通常在低溫和/或高壓下通過co2冷凝而進(jìn)行。co2可例如通過冷 卻到相對較低溫度同時(shí)將壓縮到大于110巴的壓力而從排放氣體分離。氧的產(chǎn)生以及二 氧化碳的壓縮和凈化均使得動(dòng)力產(chǎn)生過程的總生產(chǎn)成本增大，例如由于減小了在所述過 程中產(chǎn)生的凈動(dòng)力。使用氧燃燒與使用空氣燃燒的不同之處主要在于，具有更高的燃燒溫度和較小 的燃燒體積。由于氧燃料燃燒仍是發(fā)展中的技術(shù)，因而認(rèn)為有利的是，設(shè)計(jì)所謂的第一 代氧燃料燃燒鍋爐，其中燃燒條件被設(shè)置為接近于空燃(air-firing)燃燒的燃燒條件。這 可通過使排放氣體再循環(huán)回到爐子以提供例如20-28%的氧化劑平均02含量而實(shí)現(xiàn)。這 樣的第一代氧燃料燃燒鍋爐有利地可通過改造現(xiàn)有空燃鍋爐而構(gòu)建。由于存在與需要捕 獲和儲(chǔ)存二氧化碳的氧燃料燃燒相關(guān)的許多不確定性，因而還需要雙燃鍋爐，即，盡可 能容易地且優(yōu)選地不需任何實(shí)際結(jié)構(gòu)改變就能夠從空燃燃燒改變至氧燃料燃燒以及再變 回來的鍋爐。采用這樣的雙燃鍋爐，還可以在高負(fù)載需求期間(例如在夏季或在白天) 通過使用空燃燃燒來獲得最大動(dòng)力輸出，并可在其它狀況下采用去除C02的氧燃料燃 燒。而且，可在空燃模式下使用雙燃鍋爐，例如當(dāng)空氣分離單元或(02截存單元發(fā)生故 障時(shí)。美國專利6,418,865公開了一種用于使燃料與富氧空氣進(jìn)行燃燒的鍋爐，這種鍋 爐可通過翻新空燃鍋爐而制成，其中，廢氣再循環(huán)至爐子以具有與空氣燃燒時(shí)大致相同 的火焰溫度和總質(zhì)量流量。公開號(hào)為W0 2006/131283的專利公開了一種翻新的雙燃鍋爐，其中，離開空氣 加熱器的新鮮空氣或者在空燃模式下直接傳送到燃燒室，或者在氧燃料燃燒模式下由鍋爐的進(jìn)給水冷卻、通過采用從高壓蒸汽渦輪提取的蒸汽進(jìn)行壓縮、并被傳送到空氣分離 單元以生產(chǎn)氧。W02006/131283中公開的過程的C02捕獲氧燃料燃燒模式中所產(chǎn)生的凈 動(dòng)力比在空燃模式中的顯著減小。為了通過氧燃料燃燒鍋爐系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)地產(chǎn)生動(dòng)力，需要改進(jìn)的方法和鍋爐系 統(tǒng)，用于使特別是在雙燃鍋爐中所產(chǎn)生的動(dòng)力的損失最小化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種氧燃料燃燒鍋爐系統(tǒng)和使用該鍋爐系統(tǒng)的方法， 以使所產(chǎn)生動(dòng)力的損失最小化。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種通過使含碳燃料與氧化劑氣體在鍋爐系統(tǒng)的爐子 中燃燒而產(chǎn)生動(dòng)力的方法，所述方法包括以下步驟將含碳燃料以燃料進(jìn)給速率(feeding rate)進(jìn)給到所述爐子中；將氧化劑氣體進(jìn)給到所述爐子中以燃燒所述燃料而產(chǎn)生排放氣 體；將所述排放氣體通過排放氣體通道從所述爐子中排出；將進(jìn)給水流從布置在所述排 放氣體通道中的最末節(jié)約裝置以進(jìn)給水傳送速率(conveying rate)傳送到布置在所述爐子 中和所述排放氣體通道中的蒸發(fā)換熱表面和過熱換熱表面，從而將所述進(jìn)給水轉(zhuǎn)化為過 熱蒸汽；使所述過熱蒸汽在高壓蒸汽渦輪中膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力；從所述高壓蒸汽渦輪中提 取第一部分蒸汽，用于預(yù)熱所述進(jìn)給水；將來自所述高壓蒸汽渦輪的第二部分蒸汽傳送 到布置在所述排放氣體通道中的再加熱換熱表面，用于產(chǎn)生再加熱蒸汽；和使所述再加 熱蒸汽在中壓蒸汽渦輪中膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力，其中，在第一工作狀況下，所述氧化劑氣體 是基本純的氧與再循環(huán)排放氣體的混合物，控制所述第一和第二部分蒸汽的比率，以在 所述最末節(jié)約裝置的下游的排放氣體通道中獲得期望的廢氣溫度。在另一方面，本發(fā)明提供一種鍋爐系統(tǒng)，用于通過使含碳燃料在所述鍋爐系統(tǒng) 的爐子中燃燒而產(chǎn)生動(dòng)力，所述鍋爐系統(tǒng)包括用于將含碳燃料進(jìn)給到所述爐子中的裝 置；用于將基本純的氧和再循環(huán)排放氣體作為氧化劑氣體進(jìn)給到所述爐子中以燃燒所述 燃料而產(chǎn)生排放氣體的裝置；排放氣體通道，用于將所述排放氣體從所述爐子中排出； 用于將進(jìn)給水流從布置在所述排放氣體通道中的最末節(jié)約裝置傳送到布置在所述爐子中 和所述排放氣體通道中的蒸發(fā)換熱表面和過熱換熱表面、從而將所述進(jìn)給水轉(zhuǎn)化為過熱 蒸汽的裝置；高壓蒸汽渦輪，用于使所述過熱蒸汽膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力；用于從所述高壓蒸 汽渦輪提取第一部分蒸汽以用于預(yù)熱所述進(jìn)給水的裝置；用于將來自所述高壓蒸汽渦輪 的第二部分蒸汽傳送到布置在所述排放氣體通道中的再加熱換熱表面以用于產(chǎn)生再加熱 蒸汽的裝置；中壓蒸汽渦輪，用于使所述再加熱蒸汽膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力；和用于控制所述 第一和第二部分蒸汽的比率以在所述最末節(jié)約裝置的下游的排放氣體通道中獲得期望廢 氣溫度的裝置。從高壓蒸汽渦輪中提取的用于預(yù)加熱進(jìn)給水的蒸汽量的減小自然使得進(jìn)入排放 氣體通道中的最末節(jié)約裝置中的進(jìn)給水的溫度降低。這樣，這種蒸汽提取的減少使得在 最末節(jié)約裝置中的排放氣體與進(jìn)給水之間的溫度差增大。由此，蒸汽提取的減少間接使 得最末節(jié)約裝置中發(fā)生的熱交換的交換率增大。相應(yīng)地，從高壓蒸汽渦輪中傳送到再加 熱換熱表面的蒸汽量的增大，使得再加熱表面處發(fā)生的熱交換率增大。在一些情況下， 可能有用的是，增大再加熱表面的傳熱面積以獲得期望的、增大的傳熱率。上述兩種措施均增強(qiáng)了排放氣體通道中排放氣體的冷卻，并共同提供了用于控制排放氣體溫度的特 別有效的方法。當(dāng)使用本發(fā)明時(shí)，有利地，調(diào)節(jié)燃料進(jìn)給速率和進(jìn)給水傳送速率，以獲得期望 的爐子溫度。這與前述的用于控制排放氣體溫度的方法一起共同提供有效方法，來將由 空燃鍋爐翻新而成的氧燃料燃燒鍋爐的溫度分布(temperature profile)調(diào)節(jié)至與空燃燃燒 的溫度分布幾乎相同，并避免例如鍋爐壁的腐蝕或材料強(qiáng)度問題。根據(jù)本發(fā)明的有利實(shí) 施例，當(dāng)將空燃鍋爐改造用于氧燃料燃燒時(shí)，滿負(fù)載下燃料進(jìn)給速率增大20%，且相應(yīng) 地，進(jìn)給水傳送速率同時(shí)增大10%。這樣，由于本發(fā)明的方法，因?yàn)檩^高的燃燒速率 (firing rate),因而在使用氧燃料燃燒時(shí)從燃料能夠釋放出更多能量，并由此使由于氧燃 燒過程所致的凈動(dòng)力損失整體上最小化。根據(jù)本發(fā)明特別有利的實(shí)施例，所述氧燃料燃燒鍋爐是雙燃鍋爐，即，能夠在 特定工作狀況下(例如當(dāng)氧供應(yīng)器不工作時(shí))用于以空氣燃燒的氧燃料燃燒鍋爐。當(dāng)將 在滿負(fù)載下在正常工作狀況下(即，在所謂的第一工作狀況下)以氧和再循環(huán)排放氣體 的混合物作為氧化劑的燃燒與在所謂第二工作狀況下使用空氣作為氧化劑的燃燒進(jìn)行比 較時(shí)，有利地，在第一工作狀況下的燃料進(jìn)給速率高于在第二工作狀況下的燃料進(jìn)給速 率。在氧燃料燃燒時(shí)的燃料進(jìn)給速率優(yōu)選地比空燃燃燒時(shí)的高至少10%，且更優(yōu)選地高 至少15%。由于燃料進(jìn)給速率較高，因此，鍋爐的總?cè)紵俾试龃?，所產(chǎn)生動(dòng)力的損失 得以最小化。有利地，在氧燃料燃燒中使用增大的燃料進(jìn)給速率而同時(shí)仍然保持爐子溫度是 部分地基于在蒸發(fā)表面處的換熱由于進(jìn)給水的溫度減小和可能的流率增大而增大。如 前所述，相對于空燃燃燒而言，在氧燃料燃燒時(shí)有利的是，可通過減少提取用于預(yù)加熱 進(jìn)給水的蒸汽而將進(jìn)給水溫度降低，特別是在最末節(jié)約裝置之前，不過在某種程度上在 最末節(jié)約裝置之后也降低。爐子溫度自然地、也在很大程度上由來自爐子的排放氣體的排放氣體循環(huán)率決 定，排放氣體循環(huán)率影響將相對較冷的入口氣體進(jìn)給到爐子的速率和對流熱流的速率。 在氧燃料燃燒模式下，有利地可確定排放氣體再循環(huán)率而使得氧化劑氣體的平均氧含 量(體積百分比)處于期望水平，通常從約18%至約28%。在氧燃料燃燒模式下，可替 代地，可確定排放氣體再循環(huán)率以在爐子中保持期望的氣體流速(通常與空燃燃燒時(shí)相 同)。來自爐子的對流熱流增大是部分地基于以下事實(shí)氧燃料燃燒的排放氣體(其 主要成分為二氧化碳)的質(zhì)量和熱容大于空燃燃燒的排放氣體(其主要成分為氮)的質(zhì)量 和熱容。高的熱流使得排放氣體攜載增大量的熱量至排放氣體通道，在這里，所述熱量 有利地通過再加熱表面和最末節(jié)約裝置中增大的熱交換率而被回收，如前所述。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述系統(tǒng)包括氣體-氣體換熱器，在這里，熱量從 在排放氣體通道中的排放氣體傳輸?shù)街辽僖徊糠盅趸瘎怏w。這樣，有利地，該同一氣 體一氣體換熱器在空燃燃燒時(shí)用于將熱量從排放氣體傳輸?shù)饺紵諝?，而在氧燃料燃?時(shí)將熱量從排放氣體傳輸?shù)街辽僖徊糠盅趸瘎怏w。在氧燃料燃燒中常見的是，有利地在空氣分離單元(ASU)中、例如在低溫的或 基于膜的空氣分離單元中生產(chǎn)基本純的氧。相應(yīng)地，一部分排放氣體有利地在多個(gè)排放氣體壓縮器中加壓和冷卻，以截存液態(tài)的或超臨界的二氧化碳。由于這種輔助裝置，通 過氧燃料燃燒鍋爐產(chǎn)生的凈動(dòng)力傾向于顯著少于對應(yīng)的空燃鍋爐產(chǎn)生的凈動(dòng)力。根據(jù)本 發(fā)明的有利實(shí)施例，至少一部分排放氣體壓縮器由使用從蒸汽渦輪系統(tǒng)提取的蒸汽的輔 助蒸汽渦輪的機(jī)械能量直接驅(qū)動(dòng)。這種蒸汽有利地通過更多燃燒而產(chǎn)生并由于減少提取 用于加熱進(jìn)給水的蒸汽而被節(jié)省出。這樣，對用于壓縮二氧化碳的輔助動(dòng)力的需要被最 小化。相應(yīng)地，在氧供應(yīng)器包括具有用于對空氣加壓的壓縮器的低溫空氣分離單元的情 況下，這些壓縮器中的一個(gè)或多個(gè)也可由輔助蒸汽渦輪直接驅(qū)動(dòng)，以進(jìn)一步減小對輔助 動(dòng)力的需要。根據(jù)本發(fā)明，基本純的氧和再循環(huán)排放氣體可作為分開的流或作為兩種流的混 合物進(jìn)給到鍋爐。也可使多股流進(jìn)給到鍋爐，所述多股流可為相同的混合物流或者可為 具有不同溫度或成分的流。所述多股流可自然地在爐子中具有不同用途，例如，PC鍋爐 的主、副或過燃?xì)怏w流，或者CFB鍋爐的流化氣體和副氣體流。在實(shí)踐中，總是基于燃料進(jìn)給速率來確定氧進(jìn)給速率，以提供燃料的充分完全 燃燒。通常，氧進(jìn)給速率通過監(jiān)測排放氣體中的殘余氧含量(其應(yīng)保持在合適水平，通 常約為3%)來進(jìn)行控制。根據(jù)本發(fā)明的氧燃燒動(dòng)力產(chǎn)生過程的優(yōu)點(diǎn)在于，可通過翻新諸如PC鍋爐或CFB 鍋爐之類的傳統(tǒng)空燃鍋爐而相對容易地實(shí)現(xiàn)使用。有利地，改造主要包括應(yīng)用以下裝 置氧供應(yīng)器，例如低溫空氣分離單元；用于截存二氧化碳的裝置；用于大量的排放氣 體再循環(huán)的裝置；和用于控制從高壓蒸汽渦輪到進(jìn)給水預(yù)加熱器的蒸汽流和到再加熱器 表面的蒸汽流之比率的裝置。在一些情況下，改造可能還需要使用更新的蒸汽渦輪和蒸 汽冷凝器以及在排放氣體通道上游部分中的增大的換熱表面。當(dāng)如前所述地控制鍋爐中 的溫度時(shí)，相同的燃燒系統(tǒng)可用于氧燃料燃燒中和空燃燃燒中，由此使得所述系統(tǒng)能夠 作為雙燃蒸汽發(fā)生器使用。通過參考以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的目前優(yōu)選但示例性的實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)描 述，以上的簡要描述以及本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將被更全面地認(rèn)知。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的氧燃料燃燒動(dòng)力設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1顯示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的氧燃燒鍋爐系統(tǒng)10的示意圖。鍋爐系統(tǒng) 10包括鍋爐12，鍋爐12可例如為粉煤(PC)鍋爐或循環(huán)流化床(CFB)鍋爐。鍋爐12包 括傳統(tǒng)的燃料進(jìn)給裝置16，例如燃料供應(yīng)管；用于將氧化劑氣體引入鍋爐的爐子14中 的裝置，如氣體供應(yīng)線路18;和排放氣體通道20，用于將由于燃料與氧化劑氣體中的氧 燃燒所產(chǎn)生的排放氣體排出。鍋爐12的一些元件(例如燃料進(jìn)給裝置16和氧化劑氣體進(jìn) 給裝置18)的細(xì)節(jié)和類型自然取決于鍋爐的類型。不過，這樣的細(xì)節(jié)，例如燃燒器、磨 煤機(jī)、用于分別進(jìn)給主氧化劑氣體和副氧化劑氣體的裝置，對于本發(fā)明而言并不重要， 因而其在圖1中未示出。氧燃燒鍋爐系統(tǒng)10有利地由現(xiàn)有的空燃鍋爐翻新而成，主要通過增加用于凈化和截存來自排放氣體的二氧化碳的裝置24;和氧供應(yīng)器26，例如低溫的或基于膜的空 氣分離單元(ASU)，用于從空氣流28產(chǎn)生基本純的氧。由于與純氧的燃燒易于形成對于 空燃鍋爐結(jié)構(gòu)而言過高的燃燒溫度，因而鍋爐系統(tǒng)10優(yōu)選地被設(shè)計(jì)為使得爐子和排放氣 體通道中的溫度分布保持接近原空燃鍋爐中的溫度分布。最優(yōu)選地，鍋爐系統(tǒng)10被設(shè)計(jì) 為雙燃鍋爐，即，能夠在氧燃料燃燒與空燃燃燒之間容易地切換的鍋爐。同時(shí)，所述系 統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在氧燃燒模式下所產(chǎn)生的凈動(dòng)力的損失盡可能低。根據(jù)本發(fā)明，從氣體供應(yīng)線路18被引入爐子14中的氧化劑氣體處于正常工作狀 況(所謂的第一工作狀況)下，并包括基本純的氧與一部分冷卻后排放氣體的混合物，所 述冷卻后排放氣體通過排放氣體再循環(huán)通道30再循環(huán)。排放氣體再循環(huán)通道30有利地 包括用于控制排放氣體再循環(huán)率的裝置，例如風(fēng)扇(在圖1中未示出)。有利地調(diào)節(jié) 排放氣體再循環(huán)率而使得氧化劑氣體的平均氧含量接近于空氣的氧含量，優(yōu)選地從18% 至28%。在本發(fā)明的一些應(yīng)用中，也可以將再循環(huán)排放氣體和基本純的氧的流、或不同 的氧化劑氣體成分的流分別引入爐子14中，例如爐子的不同部分中。爐子14的壁優(yōu)選地形成為管壁結(jié)構(gòu)，其形成蒸發(fā)傳熱表面32，用于將預(yù)熱后的 進(jìn)給水轉(zhuǎn)化為蒸汽。鍋爐12的高溫部分，特別是排放氣體通道20的上游端，包括過熱 傳熱表面34，用于回收來自排放氣體的熱量，以產(chǎn)生將被傳送到高壓蒸汽渦輪36入口用 以在發(fā)生器38中產(chǎn)生動(dòng)力的過熱蒸汽。線路42中的膨脹蒸汽從高壓蒸汽渦輪36出口側(cè) 傳送到再加熱傳熱表面40，以進(jìn)一步回收來自排放氣體的熱量。對于一些情況而言，主 過熱表面和主再加熱表面可位于排放氣體通道20中，另外的最終的過熱表面和再加熱表 面例如位于爐子14中。來自高壓渦輪36的另一部分蒸汽可通過線路42傳送到進(jìn)給水加熱器44。再加 熱的蒸汽從進(jìn)給水加熱器44再加熱換熱表面40傳送到中壓蒸汽渦輪46的入口以產(chǎn)生動(dòng) 力。中壓蒸汽渦輪46可包括線路48，用于從蒸汽渦輪46中提取蒸汽用于其它目的，有 利地用于在輔助蒸汽渦輪中產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)二氧化碳凈化和截存單元24或者空氣分 離單元26中的壓縮器。在實(shí)踐中，蒸汽渦輪系統(tǒng)還通常至少包括低壓蒸汽渦輪，不過低 壓蒸汽渦輪并未在圖1中示出。還可以存在比圖1中所示單一進(jìn)給水加熱器44更多的進(jìn) 給水加熱器。鍋爐12的蒸汽循環(huán)以傳統(tǒng)方式包括在中壓蒸汽渦輪46下游的冷凝器50。冷凝 的蒸汽，即，下一蒸汽循環(huán)的進(jìn)給水，從冷凝器50中被引出用以在通常至少包括第一節(jié) 約裝置52和最末節(jié)約裝置54的節(jié)約裝置系統(tǒng)中預(yù)加熱，以便在蒸發(fā)表面32再次被轉(zhuǎn)化 為蒸汽。另外的進(jìn)給水加熱可通過從高壓蒸汽渦輪36中提取的蒸汽在進(jìn)給水加熱器40 中進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，在氧燃料燃燒時(shí)通過以下方式控制排放氣體溫度通過布置在蒸 汽線路42中的裝置56 (例如調(diào)整閥)調(diào)節(jié)從高壓蒸汽渦輪36提取中壓蒸汽至進(jìn)給水預(yù)加 熱器44的率(rate)。當(dāng)此率減小時(shí)，進(jìn)入最末節(jié)約裝置54的進(jìn)給水的溫度降低，而在最 末節(jié)約裝置54中發(fā)生的熱交換的交換率增大。同時(shí)，較大部分的蒸汽仍然傳送到再加熱 傳熱表面40，這增大了在最末節(jié)約裝置54中發(fā)生的熱交換的交換率。同時(shí)，較大部分的 蒸汽仍然傳送到再加熱傳熱表面40，這增大了在再加熱換熱表面40處發(fā)生的熱交換的交 換率。這樣，這些效果均增大了排放氣體的冷卻，由此它們可用于有效控制排放氣體溫度。有利地，對排放氣體溫度的控制可基于通過溫度計(jì)58對最末節(jié)約裝置54下游排放 氣體溫度的測量。根據(jù)本發(fā)明，所產(chǎn)生的凈動(dòng)力的損失通過以下方式最小化設(shè)置條件而使得可 讓更多燃料燃燒，而同時(shí)仍然保持爐子14中和排放氣體通道20中的溫度。爐子14中的 溫度可通過以下方式保持將排放氣體的再循環(huán)率調(diào)節(jié)至合適水平，或控制進(jìn)給水的溫 度和流率。當(dāng)排放氣體再循環(huán)率被調(diào)節(jié)而使得爐子14中的氣體的體積流量保持在期望水 平時(shí)，爐子14中的溫度仍可通常通過前述措施被調(diào)節(jié)至其期望水平。由于主要由二氧化 碳構(gòu)成的排放氣體增大的質(zhì)量流量和高熱容，因而由排放氣體攜載的對流熱增大，即使 爐子14中的溫度不變也是如此。于是，這種另外的熱可通過利用裝置56減少提取用于 進(jìn)給水預(yù)加熱的蒸汽、和通過如前所述的增大再加熱速率(reheatingrate)、以及通過因主 蒸汽產(chǎn)生量增加而增大進(jìn)給水流量來進(jìn)行回收。有利地，回收性或再生性的氣體_氣體換熱器60被布置在最末節(jié)約裝置54的下 游的排放氣體通道中。氣體-氣體換熱器60可為回收性或再生性的類型，用于將排放氣 體的熱量傳到鍋爐12的氧化劑氣體。排放氣體通道20還通常包括用于清除排放氣體中 的微粒和氣態(tài)污染物的不同單元，不過由于它們對于本發(fā)明而言并不重要，因而這樣的 單元并未在圖1中示出。根據(jù)氧燃料燃燒的主要目的，即為了從排放氣體中回收二氧化碳，排放氣體通 道20的端部分配備有諸如分離器之類的裝置24，用以在通常約110巴的壓力下產(chǎn)生液態(tài) 的或超臨界的二氧化碳，從而使其可被傳輸以供進(jìn)一步使用或儲(chǔ)存在合適的地方。二氧 化碳凈化和截存系統(tǒng)還通常包括用于使排放氣體中的所有水分完全干燥的裝置；和用 于將氧和其它可能雜質(zhì)與二氧化碳分離的裝置，不過這些裝置并未在圖1中示出。這樣 的用于干燥的裝置和用于分離的裝置在現(xiàn)有技術(shù)中各自都是已知的。有利地，再循環(huán)排放氣體的水含量在排放氣體再循環(huán)至爐子14之前被降低。因 此，排放氣體再循環(huán)線路30有利地從用作排放氣體冷凝冷卻器的第一節(jié)約裝置52的下游 的排放氣體通道20分支。由此，再循環(huán)氣體的水含量減小，從而還使得爐子14中的和 從爐子14排出的排放氣體中的水含量減小。由于排放氣體的02含量不得不保持在合適 水平(其體積百分比約為3%)以確保燃料充分完全燃燒，因而水含量的減小使得排放氣 體中的02/C02比率減小?？商娲?，冷凝冷卻器可以處于再循環(huán)排放氣體的分支點(diǎn)的下 游。由于如前所述的用于控制爐子14中和排放氣體通道20中的溫度的有效方法，因 而圖1中所示氧燃料燃燒系統(tǒng)可通過翻新現(xiàn)有空燃鍋爐而相對簡單地構(gòu)建。出于相同的 原因，該鍋爐系統(tǒng)也可用作雙燃鍋爐，其可在氧燃料燃燒與空燃燃燒之間切換，而不需 對系統(tǒng)進(jìn)行任何實(shí)體改造。這通過布置諸如空氣入口供應(yīng)線路之類的裝置62和煙囪64 而實(shí)現(xiàn)，其中，裝置62用于引入新鮮空氣作為氧化劑氣體以替代氧與再循環(huán)排放氣體的 混合物，而煙 64用于將排放氣體釋放到環(huán)境中。有利地，空氣入口 62被布置在再循 環(huán)氣體通道30中，布置方式使得氣體-氣體加熱器60可以可替代地被用作空氣加熱器。 在空燃燃燒模式下，通過使用前述的原理將燃料進(jìn)給速率和蒸汽再加熱速率調(diào)節(jié)至合適 的值，爐子14中和排放通道20中的溫度分布可被調(diào)節(jié)至其期望值。雖然本發(fā)明已經(jīng)在此結(jié)合目前被認(rèn)為最優(yōu)選的實(shí)施例以示例方式進(jìn)行了描述，不過，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，而是意在涵蓋在由所附權(quán)利要求書限定 的本發(fā)明范圍內(nèi)所包括的其特征的各種組合或修改以及多種其它應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種通過使含碳燃料與氧化劑氣體在鍋爐系統(tǒng)的爐子中燃燒而產(chǎn)生動(dòng)力的方法， 所述方法包括以下步驟(a)將含碳燃料以燃料進(jìn)給速率進(jìn)給到所述爐子中；(b)將氧化劑氣體進(jìn)給到所述爐子中以燃燒所述燃料而產(chǎn)生排放氣體；(c)將所述排放氣體通過排放氣體通道從所述爐子中排出；(d)將進(jìn)給水流從布置在所述排放氣體通道中的最末節(jié)約裝置以進(jìn)給水傳送速率傳送 到布置在所述爐子中和所述排放氣體通道中的蒸發(fā)換熱表面和過熱換熱表面，從而將所 述進(jìn)給水轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽；(e)使所述過熱蒸汽在高壓蒸汽渦輪中膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力；(f)從所述高壓蒸汽渦輪提取第一部分蒸汽，用于預(yù)熱所述進(jìn)給水；(g)將來自所述高壓蒸汽渦輪的第二部分蒸汽傳送到布置在所述排放氣體通道中的再 加熱換熱表面，用于產(chǎn)生再加熱蒸汽；和(h)使所述再加熱蒸汽在中壓蒸汽渦輪中膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力，其中，在第一工作狀況下，所述氧化劑氣體是基本純的氧與再循環(huán)排放氣體的混合 物，控制所述第一和第二部分蒸汽的比率，以在所述最末節(jié)約裝置的下游的排放氣體通 道中獲得期望的廢氣溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，調(diào)節(jié)所述燃料進(jìn)給速率和所述進(jìn)給水傳送速率， 以獲得期望的爐子溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，在第二工作狀況下，所述氧化劑氣體是空氣； 當(dāng)在所述第一和第二工作狀況下使燃燒系統(tǒng)以滿負(fù)載工作時(shí)，在所述第一工作狀況下的 所述燃料進(jìn)給速率高于在所述第二工作狀況下的所述燃料進(jìn)給速率。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，當(dāng)在所述第一和第二工作狀況下使所述燃燒系統(tǒng) 以滿負(fù)載工作時(shí)，在所述第一工作狀況下的所述第一部分蒸汽少于在所述第二工作狀況 下的所述第一部分蒸汽，在所述第一工作狀況下的所述第二部分蒸汽多于在所述第二工 作狀況下的所述第二部分蒸汽。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述系統(tǒng)包括氣體-氣體換熱器，在所述第一和 第二工作狀況下，在所述氣體-氣體換熱器中，熱量從所述排放氣體通道中的排放氣體 傳輸?shù)街辽僖徊糠炙鲅趸瘎怏w。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述控制包括測量所述排放氣體的溫度。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述第一工作狀況下的所述進(jìn)給水傳送速率大 于在所述第二工作狀況下的所述進(jìn)給水傳送速率。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述第一工作狀況下所述方法還包括以下步 驟在多個(gè)排放氣體壓縮器中對一部分所述排放氣體加壓，以產(chǎn)生液態(tài)的或超臨界的二 氧化碳。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述第一工作狀況下所述方法還包括以下步 驟從所述中壓蒸汽渦輪中提取一部分蒸汽以驅(qū)動(dòng)壓縮器。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在所述第一工作狀況下，所述氧與所述再循環(huán) 排放氣體混合，以產(chǎn)生氧化劑氣體，所述氧化劑氣體具有體積百分比為約18%至約28% 的平均氧含量。
11.一種鍋爐系統(tǒng)，用于通過使含碳燃料在所述鍋爐系統(tǒng)的爐子中燃燒而產(chǎn)生動(dòng)力， 所述鍋爐系統(tǒng)包括用于將含碳燃料進(jìn)給到所述爐子中的裝置；用于將基本純的氧和再循環(huán)排放氣體作為氧化劑氣體進(jìn)給到所述爐子中以燃燒所述 燃料而產(chǎn)生排放氣體的裝置；排放氣體通道，用于將所述排放氣體從所述爐子中排出；用于將進(jìn)給水流從布置在所述排放氣體通道中的最末節(jié)約裝置傳送到布置在所述爐 子中和所述排放氣體通道中的蒸發(fā)換熱表面和過熱換熱表面、從而將所述進(jìn)給水轉(zhuǎn)化為 過熱蒸汽的裝置；高壓蒸汽渦輪，用于使所述過熱蒸汽膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力； 用于從所述高壓蒸汽渦輪提取第一部分蒸汽以用于預(yù)熱所述進(jìn)給水的裝置； 用于將來自所述高壓蒸汽渦輪的第二部分蒸汽傳送到布置在所述排放氣體通道中的 再加熱換熱表面以用于產(chǎn)生再加熱蒸汽的裝置；中壓蒸汽渦輪，用于使所述再加熱蒸汽膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力；和 用于控制所述第一和第二部分蒸汽的比率以在所述最末節(jié)約裝置的下游的排放氣體 通道中獲得期望廢氣溫度的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，所述鍋爐系統(tǒng)包括用于將空氣作為氧化劑氣體進(jìn)給到所述爐子中以燃燒所述燃料而產(chǎn)生排放氣體的裝置。
13.如權(quán)利要求11所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，所述鍋爐系統(tǒng)包括氣體-氣體換熱器，用于將熱量從在所述排放氣體通道中的排放氣體傳輸?shù)街辽僖?部分所述氧化劑氣體。
14.如權(quán)利要求11所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，所述用于控制的裝置包括用于測量所 述排放氣體的溫度的裝置。
15.如權(quán)利要求11所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，所述鍋爐系統(tǒng)包括多個(gè)排放氣體壓縮器，用于對一部分所述排放氣體加壓，以產(chǎn)生液態(tài)的或超臨界的 二氧化碳。
16.如權(quán)利要求11所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，所述鍋爐系統(tǒng)包括 用于從所述中壓蒸汽渦輪中提取一部分蒸汽以驅(qū)動(dòng)壓縮器的裝置。
全文摘要
含碳燃料在鍋爐系統(tǒng)的爐子中與氧化劑氣體燃燒以產(chǎn)生動(dòng)力。氧化劑氣體進(jìn)給到爐子中以燃燒燃料而產(chǎn)生排放氣體；排放氣體通過排放氣體通道從爐子中排出；進(jìn)給水流從布置在排放氣體通道中的最末節(jié)約裝置傳送到布置在爐子中和排放氣體通道中的蒸發(fā)換熱表面和過熱換熱表面，從而將進(jìn)給水轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽；過熱蒸汽在高壓蒸汽渦輪中轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生動(dòng)力；從高壓蒸汽渦輪中提取第一部分蒸汽，用于預(yù)熱進(jìn)給水；從高壓蒸汽渦輪傳送第二部分蒸汽到布置在排放氣體通道中的再加熱換熱表面，用于產(chǎn)生再加熱蒸汽；以及，再加熱蒸汽在中壓蒸汽渦輪中膨脹以產(chǎn)生動(dòng)力。氧化劑氣體可以是基本純的氧與再循環(huán)排放氣體的混合物，可控制第一和第二部分蒸汽的比率，以在最末節(jié)約裝置的下游的排放氣體通道中獲得期望的廢氣溫度。
文檔編號(hào)F01K7/38GK102016241SQ200980114284
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日
發(fā)明者A·塞爾策, A·羅伯遜, H·哈克, O·西普, T·埃里克森, 范鎮(zhèn) 申請人:福斯特能源公司