用燃气轮机和换热器从来自熔炉的烟雾中回收能量的制作方法
【专利说明】用燃气轮机和换热器从来自熔炉的烟雾中回收能量
[0001] 在熔炉中，原料通过施加热能而转化成熔融材料，所述热能通常至少部分由燃烧 提供。通过燃烧产生的大多数热能转移至进料（固体原料和熔融材料）。然而，其余能量随 着燃烧烟雾而从炉中除去。
[0002] 在加气燃烧（aerocombustion)或者空气燃料燃烧熔炉的情况下，因此已知的实 践是使用由陶瓷（再生器）或钢交换器（回收器）构成的交替逆流交换器在炉的上游将燃 烧空气预热以不仅提高炉中的燃烧效率，而且提高装置的总体效率，因为脱除烟雾中所含 的一些热能被回收并用作预热燃烧气体的能量。
[0003] 在具有能量回收器的玻璃炉中，将燃烧空气预热至700°C，而再生器容许在装置寿 命开始时实现1200°C或者甚至1250°C的燃烧空气温度。
[0004] 恪炉的操作员，特别是玻璃工人日益采用氧燃烧（oxycombustion)技术，这是更 加有效（因为它消除了氮气的热压载（thermal ballast))且较少污染的（减少NOj^PCO2, 因为它是与形成来源相同的氮）。
[0005] 然而，开发用于加气燃烧的用于从烟雾中回收能量的系统（再生器和回收器）不 是很好地适于从由氧燃烧产生的烟雾中回收热能。
[0006] EP-A-1338848描述了用于从玻璃炉，特别是氧燃烧玻璃炉的烟雾中回收能量的系 统。所述系统包含至少一个换热器以通过与从炉中除去的烟雾热交换而将富氧气体和/ 或气态燃料预热，位于至少一个换热器下游且能够通过与烟雾热交换而产生过热蒸汽的锅 炉，和用于使过热蒸汽膨胀以产生机械能的蒸汽轮机。
[0007] 根据EP-A-1338848,涡轮产生的机械能可用于满足用于分离空气的气体并提供用 于玻璃炉的燃烧氧气的装置的至少一些能量需求。
[0008] 为了在锅炉中以工业上可接收的效率产生过热蒸汽，锅炉入口以及因此换热器出 口处的烟雾需要在至少1000°c或者甚至1200°C至1500°C的温度下。
[0009] 尽管EP-A-1338848中确定的材料经得起该温度的良好能力，玻璃工人优选使用 认为更耐久的较低温度能量回收系统。
[0010] 从氧燃烧玻璃炉的烟雾中回收能量方面特别可靠的该可选系统描述于 EP-A-0872690 中。
[0011] 根据EP-A-0872690,源自氧燃烧炉的烟雾用于炉上游氧气和/或燃料的间接预 热。在第一换热器中，来自炉的烟雾例如通过两种流体之间的热交换而加热中间流体如空 气。来自第一交换器的经加热中间流体在第二换热器中用于加热燃烧氧气和/或燃料。
[0012] 然而，根据EP-A-0872690的从烟雾中回收能量的系统不容许以过热蒸汽的形式 从烟雾中另外回收能量，如EP-A-1338848中的情况，因为实际上第一交换器出口处的烟雾 在明显低于1000 °C的温度下。
[0013] 本发明的目的是提高使用气态燃料和/或氧气作为氧化剂从熔炉的烟雾中回收 热且燃烧氧气和/或气态燃料通过与从炉中除去的烟雾间接热交换而预热的效率。
[0014] 本发明更特别地涉及在包含熔化室的炉中熔融的方法。根据该方法，熔化室通过 燃烧加热，因此在熔化室中产生热能和热烟雾。热烟雾从熔化室中除去，且用作传热气体的 空气通过与从熔化室中除去的至少一些热烟雾热交换而加热，由此得到热空气。至少一种 选自氧气和/或气态燃料的试剂通过与热空气热交换而预热，由此得到至少一种预热试剂 和温和空气，且至少一种预热试剂用作燃烧试剂以加热熔化室。根据本发明，将在至少一种 试剂预热以后得到的温和空气在空气压缩机中压缩以得到压缩温和空气。该压缩温和空气 然后通过与通过熔化室中的燃烧产生的热烟雾热交换而加热以得到经加热压缩空气，机械 和/或电能通过将该经加热压缩空气在膨胀涡轮中膨胀而产生。
[0015] 根据本发明，在一方面用于从来自熔化室的烟雾中回收热能的系统与另一方面膨 胀涡轮回收的能量之间观察到显著的协同作用。实际上，观察到明显高于关于膨胀涡轮与 通过使用热烟雾将试剂预热而回收热能的装置简单地并置而可能预测的能量效率的总效 率。
[0016] 应当指出，燃烧未必是加热熔化室的唯一手段，且炉可具有辅助燃烧装置如电极。
[0017] 有利地，氧气作为燃烧试剂使用与热空气热交换而预热。气态燃料也可单独或者 优选与氧气组合作为燃烧试剂预热。
[0018] 经预热氧气可以为用于在熔化室中燃烧的唯一氧化剂。经预热氧气也可与空气， 通常预热空气组合用作氧化剂。
[0019] 因此，熔炉可以为氧燃烧炉（其中唯一的氧化剂为氧气）、富燃烧炉 (enriched-combustion furnace)(使用富氧空气作为氧化剂），或者甚至混杂氧化剂炉 (使用用氧气燃烧的组合和用空气燃烧的组合，该空气可能是富氧的）。
[0020] 在本文中，术语"氧气"指具有至少75体积％，优选80体积％至100体积％，更优 选90体积％至100体积％的O 2含量的气体。
[0021] 类似地，经预热气态燃料可以为用于在熔化室中燃烧的唯一燃料，或者经预热气 态燃料可与其它燃料组合使用。
[0022] 炉优选为氧燃烧炉。
[0023] 天然气为优选的气态燃料。
[0024] 至少一种燃烧试剂通过与热空气热交换而预热通常在称为初级换热器的换热器 中进行。
[0025] 用作传热气体的空气的加热类似地通常在称为二级换热器的第二换热器中进行。
[0026] 根据第一实施方案，经压缩温和空气也在二级换热器中通过与热烟雾热交换而加 热。
[0027] 根据该实施方案的可选形式，经压缩温和空气通过在称为三级换热器的第三换热 器中与热烟雾热交换而加热。二级交换器和三级交换器可串联或并联操作。在后一种情况 下，热烟雾分成几个部分。第一部分然后引入二级交换器中以加热用作传热气体的空气。第 二部分引入三级交换器中以在膨胀涡轮上游加热经压缩温和空气。
[0028] 由膨胀涡轮产生的机械和/或电能可至少部分地供入一个或多个空气压缩机中。 一个或多个空气压缩机显著地选自：压缩温和空气的空气压缩机、向用于分离空气的气体 的装置供料的空气压缩机，和另一空气压缩机，例如将压缩空气作为传热气体供入二级换 热器中的空气压缩机。具体而言，熔化装置不仅装配有也称为送风机的空气压缩机以在二 级交换器处压缩温和空气，而且它通常还包含在空前用作传热气体以前提供空气的空气压 缩机。
[0029] 该装置还可包含用于分离空气的气体的装置和/或其它单元，该其它单元是空气 压缩机提供的压缩空气的消耗者。该装置可显著地包含用于分离空气的气体并提供燃烧氧 气的单元、经压缩空气冷却装置等。
[0030] 根据本发明方法的一个实施方案，膨胀涡轮提供向二级换热器供入压缩空气的空 气压缩机的能量消耗的75-100%，优选100%。
[0031] 优选，膨胀涡轮提供向用于分离空气的气体的装置供料的空气压缩机的能量消耗 的25-100 %，优选50-100 %，特别是100 %。该用于分离空气的气体的装置优选产生在熔融 方法中用作燃烧试剂的氧气。用于分离空气的气体的装置可显著地包含蒸馏塔以低温蒸馏 空气的气体，但用于分离空气的气体的其它类型的装置也是可能的。
[0032] 当由用于分离空气的气体的装置产生燃烧氧气停机或者生产较少时，还有利的是 提供液态氧储存器作为燃烧氧气的来源。该氧气储存器具有容许燃烧氧气在用于分离空气 的气体的装置停机时供入熔化室的容量6-8小时的储存容积。还有利的是提供辅助电源如 发电机以提供在膨胀涡轮停机时可使用的机械能和/或电能。
[0033] 本发明方法的参数取决于待熔化的材料，例如玻璃、金属、瓷釉等，熔化室的尺寸 和类型，熔融材料的物料通过量等。
[0034] 显著，但不是唯一地，当该方法为熔化玻璃的方法时，以下操作参数单独或者组合 地确定是有利的：
[0035] ?从熔化室中除去的热烟雾的温度为1000°C至2000°C，
[0036] ?初级交换器出口处的氧气（预热氧气）温度为约250°C至600°C，
[0037] ?初级交换器出口处的气态燃料（预热燃料）温度为约250°C至550°C，
[0038] ?来自二级交换器的热空气温度为600°C至800°C，
[0039] ?视情况而定，来自二级或三级交换器的经加热经压缩的空气的温度为600°C至 800 °C,
[0040] ?来自初级交换器的温和空气的温度为150°C至400°C。
[0041] 本发明还涉及适于执行本