专利名称：使用集成的有机朗肯循环的动力设备排放控制的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的系统和方法。
背景技术：
世界上大多数公用锅炉都燃烧煤或油来获得它们的热源。煤或油的燃烧产生气 态的燃烧产物。这些气体的主要成分是氮氧化物和二氧化碳。还包含在烟道气流中的是 各种污染物，其数量主要取决于包含在所燃烧的燃料中的成分。这些公用锅炉中的许多 都用作用以提供电的动力设备。现行条例限制氮氧化物、硫氧化物和可由公用锅炉排放的颗粒物质的数量。另 外，一些地区限制造成霾等的污染物。限制汞排放的条例在各州已经就绪，而在联邦政 府级上待决。与酸性气体和有害的空气污染物(例如气态形式的重金属)有关的另外的 条例是待决的。传统上可使用静电滤尘器或者在一些情况下使用织物过滤器来去除颗粒物质。 关于气态污染物，传统的去除方法是通过使喷射到洗涤器(例如湿式洗涤器)中的水蒸发 来冷却燃烧产物。可将包含吸附剂的水悬浮液喷射到热气中。在使用此方法的情况下， 气体通过水的蒸发从空气加热器出口处的温度冷却到气体的饱和温度。在饱和温度处， 许多污染物(其为气体)冷凝成饱和液滴。在洗涤过程中的这一点处，许多污染物作为在 洗涤器塔中循环的水的一部分或者作为亚硫酸盐或硫酸盐微粒从烟道气流中被去除。但 是，洗涤器可能在从燃烧产物中去除酸性气体时并不有效。通过蒸发冷却烟道气流需要大量经清洁的清水。热烟道气中的热能在蒸发过程 期间被浪费到大气中。另外，局部高湿度水平可产生成雾和其它独立的气候现象。因 此，蒸发冷却方法浪费能量和水。
发明内容
以下提供了本发明的简明概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。此 概述不是本发明的宽泛综述。不意在确认本发明的关键的或重要的要素，也不描绘本发 明的范围。其唯一的目的在于作为后面介绍的更加详细的描述的序言以简明的形式介绍 本发明的一些概念。根据本发明的一方面，提供了一种降低具有第一温度的燃烧烟道气中的污染物 的浓度的方法。该方法包括提供有机朗肯循环设备的步骤，该有机朗肯循环设备使用工 作流体，并且包括布置成与烟道气热连通的至少一个热交换器。该方法进一步包括以下 步骤通过使用源自烟道气的热能使热交换器内的工作流体气化来将烟道气的温度降低 到低于第一温度的第二温度。该方法进一步包括以下步骤通过设置在热交换器的下游 的至少一个过滤器过滤烟道气，以从烟道气中去除污染物。根据本发明的另一方面，提供了一种降低具有第一温度的燃烧烟道气中的污染 物的浓度的方法。该方法包括提供有机朗肯循环设备的步骤，该有机朗肯循环设备使用工作流体，并且包括布置成闭环流体连通的至少一个热交换器、涡轮、冷凝器和泵。该 至少一个热交换器布置成与烟道气热连通。该方法进一步包括以下步骤通过使用源自 烟道气的热能使热交换器内的工作流体气化来将烟道气的温度降低到低于第一温度的第 二温度。该方法进一步包括以下步骤通过设置在热交换器的下游的至少一个过滤器过 滤烟道气，以从烟道气中去除污染物。根据本发明的又一方面，提供了一种降低具有第一温度的燃烧烟道气中的污染 物的浓度的系统。该系统包括有机朗肯循环设备，该有机朗肯循环设备使用工作流体， 并且包括布置成闭环流体连通的至少一个热交换器、涡轮、冷凝器和泵。该至少一个热 交换器布置成与烟道气热连通。通过使用源自烟道气的热能使热交换器内的工作流体气 化，来通过该至少一个热交换器将烟道气的温度降低到低于第一温度的第二温度。该系 统进一步包括布置成与烟道气热连通的第二热交换器，第二热交换器设置在有机朗肯循 环设备的该至少一个热交换器的下游。通过烟道气与第二热交换器的热连通来通过第二 热交换器将烟道气的温度降低到低于第二温度的第三温度。该系统进一步包括至少一个 洗涤器，该至少一个洗涤器设置在热交换器中的至少一个的下游，并且构造成以便通过 过滤穿过其中的烟道气来从烟道气中去除污染物。
在参照附图阅读以下描述之后，本发明的前述和其它特征和优点对本发明所涉 及的领域的技术人员将变得显而易见，在图中图1示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的示例性系统；图2示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的另一个示例性系统；图3示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的另一个示例性系统；以及图4示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的又一个示例性系统。部件列表10 系统(7)120RC 设备(11)14 烟道气(29)16热交换器(15)18膨胀涡轮(7)20 冷凝器(3)22冷却液24 泵(2)26冷凝的水蒸气/水/水冷凝物28发电机30机械能32静电滤尘器(7)34 洗涤器(3)36鼓风机38排气烟囱
6
210 系统(4)2120RC 设备(4)214 烟道气(8)218 涡轮(5)220冷凝器224 泵232静电滤尘器(4)234 洗涤器(3)250热交换器⑵252热交换器⑵254水蒸气256 冷却器(5)310 系统(6)3120RC 设备314 烟道气(7)318 涡轮(3)320冷凝器324 泵332静电滤尘器(5)334 洗涤器(6)36O热交换器(7)362热交换器(7)364水冷凝物366 冷却器(3)410 系统(4)4120RC 设备(3)414 烟道气(7)418 涡轮(3)432静电滤尘器(2)434 洗涤器(4)438排气烟囱460热交换器⑶462热交换器(8)464水蒸气/水冷凝物470热交换器⑶472 冷却器(4)
具体实施例方式在图中描述和说明了结合了本发明的一方面或多方面的示例性实施例。这些示出的实例不意在作为本发明的限制。例如，可在其它实施例以及甚至其它类型的装置中 使用本发明的一方面或多方面。另外，仅是为了方便而在本文中使用某些术语，且其不 应视为对本发明的限制。更进一步讲，在图中，相同参考标号用来指示相同元件。本文描述了用于以能量高效的方式使酸和气化的有害空气污染物冷凝的系统和 方法。在一个实例中，可使用有机朗肯循环(ORC)从低温气流中吸取能量，以提高降污 过程的效率和有效性。转到图1所示的实例，示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的示例性 系统10。要理解的是，图是本文论述的各种系统和方法的示意图，而且图上出现的任何 符号、词语等仅用于参考，并且不意在对本申请提供任何限制。有机朗肯循环(ORC)设 备12集成到烟道气14的洗涤过程中，以在一个或多个下游过滤系统(例如静电滤尘器和 /或洗涤器)之前提供烟道气14流的冷却。可减少或去除各种污染物，例如S02、S03、 HC1,汞等。ORC可提供各种好处，例如，通过废热回收来冷却排气，产生辅助动力， 产生轴马力，产生可重新使用的冷凝水，通过修改热交换器效率来控制反应器温度，以 及/或者提高设备的整体热效率。例如，通过ORC设备12得到的废热可用来产生动力或产生轴马力，从而从锅炉 的温度相对低的排气烟道气14流中捕获另外的动力输出。另外或备选地，已经使用ORC 设备12冷却到饱和的烟道气14将进入洗涤器塔，在洗涤器塔中可引入吸附剂。另外或 备选地，可将从排气中冷凝的水的一部分用于动力设备中的其它应用，使得可由于ORC 系统冷却的原因而显著地减少用水。另外或备选地，将冷凝冷却区段结合到洗涤过程中 可使该过程在去除酸性气体时有效，这是待决条例的一个目标。酸的冷凝还可通过元素 种类更多地氧化成离子来提高汞的去除。可使用各种ORC构造。一般而言，ORC设备12根据朗肯系统的原理来进行操 作，其中，工作流体蒸发，穿过涡轮，工作流体在涡轮中膨胀，以产生有用功，以及最 终在大体连续的闭环循环中再冷凝。简单概括，ORC设备12可包括热交换器16 (即高温 热交换器)，其中，通过使用源自热烟道气14的热能来使工作流体气化。在离开热交换 器16之后，ORC设备12可进一步包括膨胀涡轮18，其中，气化的工作流体膨胀，以产 生电能和/或机械能。在离开膨胀涡轮18之后，ORC设备12可进一步包括冷凝器20， 其中，如现有技术中已知的那样，在低温热交换器中使用冷却液22等使工作流体冷凝成 液体。在离开冷凝器20之后，可用泵24对冷凝的液体加压，并且闭环气密ORC循环可 持续地重复。要理解的是，可使用各种数量和/或构造的热交换器16、涡轮18、冷凝器 20和泵24。例如，多个涡轮(未显示)可操作性地连接成并联的或串联的布置，以使用 各种变速机构等来对多个动力发生装置(例如发电机、泵、压缩机等)供以动力。类似 地，可使用多个热交换器、泵、冷凝器等。ORC设备12可使用允许从温度相对低的源(例如作为燃煤或燃油的公用锅炉的 副产物产生的工业烟道气14)中回收热量的工作流体。可使用各种工作流体，只要热源 的温度足够高到使工作流体在闭环气密ORC循环中气化即可。在一个实例中，可使用各 种烃，例如戊烷、丙烷、丁烷等。在其它实例中，可使用氨、水、氟里昂等。从实例的 另一个角度看，可使用任何环境友好的流体或混合物，例如，目前接受的用于空调应用 的那些。此外，ORC设备12是闭环的、气密地密封的系统，它是无排放的，因为该系统不依赖于单独的燃料源或与另一个动力发生系统相结合的操作来产生有用的能量。ORC设备12的高温热交换器16可位于为大多数现代公用锅炉提供服务的传统的 空气加热器的出口处。在过程中的这一点处，取决于公用锅炉操作的变量等，烟道气14 可具有约270° F至400° F(132°C至204°C )的温度。存在在空气加热器的出口处降温 的各种方案，而且确切的循环参数可由传统的空气加热器的出口处的烟道气14的实际温 度限定。在一个实例(见图1)中，可使用ORC热交换器16来将烟道气14流的温度降 低到低于烟道气混合物的酸露点的水平。要理解的是，烟道气混合物的酸露点可为动态 的值，其基于烟道气14的众多变量(例如水分含量、温度、压力和/或各种酸的量)而 变化。另外，烟道气混合物的酸露点对于各种设施、所燃烧的各种燃料和/或其它操作 条件而言可为独特的。但是，出于本申请的目的，理解到烟道气的酸露点指的是包含在 烟道气内的酸的至少一部分开始冷凝成液体形式时烟道气所处的温度。在这种布置中，热交换器16可为能够经受与酸相关联的腐蚀的冷凝式热交换 器。在此布置中，烟道气14温度可为约125° F至175° F (52°C至80°C )。换句话说， 高温热交换器16可使烟道气14的温度降低约145° F至约275° F (60°C至135°C )(在传 统的空气加热器的出口处的烟道气14的温度以下)。酸可冷凝，而且可在周围的液体中 捕获许多水溶性的重金属。要理解的是，本文描述的所有温度范围是近似的，并且用来 说明各种实例，而且还可使用各种其它温度和/或温度范围。可在这个过程期间通过使用适当的收集结构来回收冷凝的水蒸气26。当被处理 后，水26可用来满足其它设备需要，并且水26 (另外)在本文描述的各种降污系统中可 为进一步有用的。例如，可处理水26，以在水26再循环之前去除杂质(例如酸、重金属 等)。另外或备选地，可在热过程中使用包含在回收的水中的热量，使得可实现设备效率 的净改进。水26的回收还可表示设备水消耗的净减少。广泛理解的是酸可促进元素汞的氧化。元素汞不是水溶性的，而氧化汞是水溶 性的。如果冷凝的酸使元素汞氧化，则包含在烟道气14中的气态汞的较大一部分就可成 为离开热交换器16的液体溶液的一部分。这表示作为主冷却过程的副产物捕获污染物。 简而言之，热交换器16可有助于减少烟道气14中的污染物(例如在烟道气在下游被传统 的过滤系统过滤之前)。通过ORC从热烟道气14中吸取的能量可用来发电，这将改进电站功率因数。 例如，可通过工作流体在涡轮18中的膨胀来利用高温热交换器16吸取的热能。涡轮18 可操作性地联接到至少一个从动装置上，例如发电机、冷却器等。例如，涡轮18的旋转 可驱动一个或多个发电机28，以产生电能或机械能30。使用ORC设备12发电可导致动 力设备的更大的发电容量，而无需燃烧额外的燃料，这可表示二氧化碳排放和/或设备 效率的改进。类似地，涡轮18的旋转可驱动冷却器或其它从动装置。随后可通过一个或多个过滤装置(例如静电滤尘器、洗涤器等中的至少一个)过 滤离开冷凝式热交换器16的烟道气14，以进一步去除烟道气14内夹带的固体或液体杂 质。也就是说，过滤装置可包括静电滤尘器、洗涤器中的任何一个或两者，或者甚至其 它过滤结构，并且可包括它们中的多个。在一个实例中，烟道气14可进入静电滤尘器32 等，以用于去除颗粒物质的目的，如世界上大多数公用锅炉用来进行颗粒控制的那样。 广泛已知的是，静电滤尘器32大体对经处理的颗粒的电阻率敏感。当颗粒的温度降低且酸在颗粒的表面上冷凝时，静电滤尘器性能得到显著的提高。另外，烟道气14的降温可 提高烟气密度，并且导致进入静电滤尘器的气体的体积减少约15%至25%，或者甚至减 少更多。静电滤尘器的收集效率与被处理的气体体积以指数关系相关，而且因此，烟道 气14体积的相对少量的减少可引起颗粒去除效率的相对大的提高。在历史上，在通向静电滤尘器32的入口处的烟道气温度限于约270° F至 400° F(132°C至204°C)。这对于通过将烟道气温度保持在酸露点以上来避免腐蚀而言是 必要的。但是，在上述示例性系统10中，可在冷凝式热交换器16中去除酸，从而降低 烟道气14中的酸浓度。消除酸降低了对在静电滤尘器中保持高的气体温度的需要。另 外或备选地，还可通过进入颗粒的聚结来有利于静电滤尘器32性能。该聚结将由于包含 在烟道气14中的蒸气的冷凝而发生。一般而言，静电滤尘器32颗粒去除效率可随微粒 大小的增大而提高。但是，尽管在进一步过滤之前从烟道气14中去除了酸，但酸液滴携带仍然可损 害下游过滤器，例如静电滤尘器32。因此，例如，可采用一种策略，通过该策略，可在 热交换器16之后且在冷却气体到达静电滤尘器32的金属表面之前从烟道气14的流中减 少(例如去除)酸性液滴。用以减少进入静电滤尘器32的酸性液滴的一个示例性策略可 为在美国专利申请公开No.2008/0098890和/或N0.2008/0098891的任何一个中描述的
“空气洗洁器”概念，两个申请公开通过对它们的引用而清楚地结合在本文中。虽然所 述专利申请大体描述了从通向燃气涡轮的入口中洗涤掉砂或酸性污染物、同时冷却入口 空气以提高涡轮性能的一种方式，但是它们涉及在除雾器之前使用冷却水喷雾。由于它 们可由塑料制成，所以可降低或避免它们由流中的酸性液滴导致的腐蚀。因此，这种策 略也可在煤动力设备中起作用，尽管静电滤尘器32可能仍然允许一些颗粒穿过。在一种备选构造中，尽管没有显示，但是冷凝式热交换器16可设置在静电滤尘 器32或其它过滤装置的下游。例如，当热交换器16是冷凝型热交换器时，颗粒加载的 存在和热交换器16的表面积垢的对应的可能性可导致最初的热交换器16在静电滤尘器32 或其它过滤装置的下游的备选的布置策略。因此，冷凝式热交换器16将经历经预过滤的 烟道气14，这可提高热交换器16的效率和/或寿命。另外或备选地，烟道气14随后可进入设置在静电滤尘器32的下游的洗涤器34。 一个或多个鼓风机36等可沿着烟道气14的流径设置在各种位置处，以使烟道气14移动 通过系统10。各种干式、半干式或湿式洗涤器对本领域技术人员来说是已知的，并且可 用来从烟道气14中进一步去除污染物。当使用半干式或湿式洗涤器时，可在洗涤器34 内处理和使用从高温热交换器16中捕获的水冷凝物26，从而进一步降低系统10的水需 求。在一个或多个过滤装置(例如静电滤尘器32、洗涤器34)之后，经清洁的烟道气14 可通过传统的排气烟 38等从系统10中排出，以及/或者可对经清洁的烟道气14进行 另外的处理、过滤等。现在转到图2的实例，示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的另一个 示例性系统210。为了简便起见，要理解的是，通过使用名称为200系列(即212、214 等)的相似的标号来引用类似的或相同的元件，而且示例性系统210可包括比本文之前描 述的那些更多或更少的元件。不同的或新的元件由新的标号引用。类似地，为了简便起 见，类似的或相同的元件的另外的论述可为受限的，但是类似的或相同的元件的这种之前的论述由此通过引用而结合进来。如前所述，ORC设备212集成到洗涤过程中，以在一个或多个下游过滤系统(例 如静电滤尘器232和/或洗涤器234)之前提供烟道气214流的冷却。同样如前所述， ORC设备212根据包括热交换器(如将进一步论述的那样)、涡轮218、冷凝器220和泵 224的朗肯系统的原理来进行操作。当前的ORC设备212使用两个热交换器250、252。第一热交换器250 (其可称 为高温热交换器)可将烟道(气)冷却到高于酸露点的温度。因此，第一热交换器250 可由传统的材料制成。可使用由第一热交换器250吸取的热能(通过工作流体在涡轮218 中的膨胀)来产生有用的电或机械功。类似地，如果存在的话，可在此过程期间回收冷 凝的水蒸气(未显示)，当被处理后，冷凝的水蒸气可用来满足其它设备需要。设置在第一热交换器250的下游的第二热交换器252可用来将烟道气214的温度 进一步降低到低于酸露点的温度。因而，第二热交换器252可由抗腐蚀性材料制成，因 为降低的烟道气214温度将被降低到导致酸在其上冷凝的水平。第二热交换器252可使用ORC设备212 (或者甚至单独的ORC)中的第二低温回 路，或者可使用由主ORC循环供以动力的冷却器256中所产生的冷却液体。尽管没有显 示，但是甚至可通过由涡轮218驱动的发电机(未显示)所产生的电功率来对冷却器256 以电动的方式供以动力。类似地，冷却器和发电机(未显示)两者均可操作性地联接到 涡轮218上。例如，如图所示，涡轮218可产生有用的电或机械功，例如轴马力，以驱 动冷却器256冷却期望的液体。在一个实例中，冷却器256可将清水冷却到约40° F至 50° (41至10°0的温度。在一个实例中，可将冷却水喷射到反应器塔中，以对气流 进行超冷却，从而增加从烟道气中去除的可冷凝的酸的量。在其中不需要低的气体温度 的应用中，冷却水可在反应器塔(即见图4)的出口处循环通过热交换器，反应器塔可使 液滴冷凝和聚结，从而防止它们释放到大气中。这个冷却液体将促使穿过第二热交换器252的烟道气214流下降到酸露点冷凝温 度以下，从而去除许多水溶性污染物。取决于期望的最终温度，第二热交换器252可在 通向静电滤尘器232的入口处提供处于约85° F至100° F (29°C至38°C )的烟道气214。 在这些入口温度处，静电滤尘器232性能将得到巨大的提高。另外或备选地，第二热交 换器252可产生冷凝的水蒸气254，当被处理后，冷凝的水蒸气254可用来满足其它设备 需要，例如冷却器256或其它需要。洗涤器234维护成本的相对大的百分比可归因于包含在进入的烟道气214流中的 颗粒。当静电滤尘器232颗粒去除效率提高时，洗涤器234的维护可减少，从而降低系 统的操作成本。去除包含在烟道气214中的汞的水溶部分可减少(例如消除)包含在洗 涤器废物中的一些或所有的汞。许多湿式洗涤器产生石膏作为卖给墙板工厂的废产物。 减少或去除洗涤器上游的汞可消除与墙板中的汞有关的担忧。现在转到图3的实例，示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的另一个 示例性系统310。为了简便起见，要理解的是，通过使用名称为300系列(即312、314 等)的相似的标号来引用类似的或相同的元件，而且该示例性系统可包括比本文之前描 述的那些更多或更少的元件。不同的或新的元件由新的标号引用。类似地，为了简便起 见，类似的或相同的元件的另外的论述可为受限的，但是类似的或相同的元件的这种之前的论述由此通过引用而结合进来。如前所述，ORC设备312集成到洗涤过程中，以在一个或多个下游过滤系统(例 如静电滤尘器332和/或洗涤器334)之前提供烟道气314流的冷却。同样如前所述， ORC设备312根据包括热交换器(如将进一步论述的那样)、涡轮318、冷凝器320和泵 324的朗肯系统的原理来进行操作。洗涤器使用大量清水来将烟道气冷却到低至饱和温度或接近饱和温度。在使用 冷却的循环流体来冷却气体的洗涤器334的直接上游提供热交换器362可降低洗涤器334 的补充水要求。当前的ORC设备312使用两个热交换器360、362。第一热交换器360可在静 电滤尘器332上游将烟道气冷却到高于酸露点的温度。使温度保持高于酸露点可避免与 静电滤尘器332的过度腐蚀相关联的潜在问题，同时通过烟道气314体积的减小和提高的 灰尘电阻率来提高收集效率。第一热交换器360 (其可称为高温热交换器)可将烟道(气)冷却到高于酸露点 的温度，并且可由传统的材料制成。可使用由第一热交换器360吸取的热能(通过工作 流体在涡轮318中的膨胀)来产生有用的电或机械功。类似地，如果存在的话，可在此 过程期间回收冷凝的水蒸气(未显示)，当被处理后，冷凝的水蒸气可用来满足其它设备需要。在静电滤尘器332的下游且在洗涤器334的上游，烟道气温度可被进一步冷却到 低于酸露点的温度。酸的冷凝可减少(例如消除)与燃烧含硫煤的大多数湿式洗涤器相 关联的酸性烟流。类似地，烟流浮性可得到更好的控制，因为干的烟流一般更不易受环 境条件的影响。可通过冷却过程减小烟道气314体积，而且减少了(例如消除)用来保 持可接受的洗涤器334操作温度的水。例如，经过恰当的处理，可回收从预洗涤的第二 热交换器362中提供的水冷凝物364，以便于在设备中使用。设置在第一热交换器360的下游的第二热交换器362可用来将烟道气314的温度 进一步降低到低于酸露点。因而，第二热交换器362可由抗腐蚀性材料制成，因为降低 的烟道气314温度将被降低到导致酸在其上冷凝的水平。第二热交换器362可使用ORC设备312 (或者甚至是单独的ORC)中的第二低温 回路，或者可使用由主ORC循环供以动力的冷却器366中产生的冷却液体。例如，如图 所示，涡轮318可产生有用的电或机械功来驱动冷却器366，以冷却期望的液体。这个冷 却液体将导致穿过第二热交换器362的烟道气314流下降到低于酸露点冷凝温度，从而去 除许多水溶性污染物。在另一个实例中，(未显示)第二热交换器362可使用吸收冷却器来代替发电机 或从动冷却器。吸收冷却器可使用氨、氨水或大范围的其它商用制冷剂。吸收冷却器可 在气流中具有蒸发器以用于进行进一步冷却，或者可通过外部蒸发器冷却喷射到气流中 的水。当冷却而非增加的功率产生是重要的目标时，这种情况可更加高效。在不使用静电滤尘器332来进行颗粒物质控制的过滤系统的情况下，可将冷却 器366所提供的冷却液体直接喷洒到进入洗涤器334的反应器塔的气体中。例如，一个 或多个喷雾器排列可将冷却水用作与烟道气直接接触的冷却和过滤介质。喷雾器排列可 产生连续的冷却水喷雾幕等。在设计成适应腐蚀的洗涤器334容器中将发生酸的冷却和相关联的冷凝。现在转到图4的实例，示出了用于减少燃烧过程的烟道气中的污染物的又一个 示例性系统410。为了简便起见，要理解的是通过使用名称为400系列(即412、414等) 的相似的标号来引用类似的或相同的元件，而且示例性系统410可包括比本文之前描述 的那些更多或更少的元件。不同的或新的元件由新的标号引用。类似地，为了简便起 见，类似的或相同的元件的另外的论述可为受限的，但是类似的或相同的元件的这种之 前的论述由此通过引用而结合进来。大体上，当前的系统410类似于之前描述的系统310。如前所述，类似的ORC 设备412集成到洗涤过程中，以在一个或多个下游过滤系统(例如静电滤尘器432和/或 洗涤器434)之前提供烟道气414流的冷却。当前的ORC设备412使用三个热交换器460、462、470。第一热交换器460可在 静电滤尘器432的上游将烟道气冷却到高于酸露点的温度，并且可由传统的材料制成。 可使用由第一热交换器460吸取的热能(通过工作流体在涡轮418中的膨胀)来产生有用 的电或机械功。设置在第一热交换器460的下游的第二热交换器462可用来将烟道气414 的温度进一步降低到低于酸露点。因而，第二热交换器462可由抗腐蚀性材料制成，因 为降低的烟道气414温度将被降低到导致酸在其上冷凝的水平。可从热交换器460、462 中的任何一个或两者中回收冷凝的水蒸气464，当被处理后，冷凝的水蒸气464可用来满 足其它设备需要。第二热交换器462可使用ORC设备412 (或者甚至是单独的ORC)中的第二低温 回路，或者可使用由主ORC循环供以动力的冷却器472中产生的冷却液体。例如，如图 所示，涡轮418可产生有用的电或机械功来驱动冷却器472，以冷却期望的液体。这个冷 却液体将导致穿过第二热交换器462的烟道气414流下降到低于酸露点冷凝温度，从而去 除许多水溶性污染物。第三热交换器470可设置在洗涤器434的下游及排气烟囱438的上游。第三热 交换器470可用来对离开洗涤器434的、经过滤的烟道气414进行除雾，并且冷却该烟道 气414，例如冷却到低于饱和温度的温度。这样，就可从洗涤器流出物中消除可见的烟 流。从第一热交换器460的废热中产生的动力可用来通过涡轮418对冷却器472供以动 力，以提供冷却液体来对离开洗涤器的烟道气414进行除雾和冷却。同一个冷却器472 可对第二热交换器462和第三热交换器470中的各个提供冷却液体，或者可为各个热交换 器提供单独的冷却器(未显示)。在其它实例中，由前面的热交换器460、462提供的水 冷凝物464可用于关于第三热交换器470的冷却液体。更加高效的除雾还可去除可视为 违反各种政府条例(例如PM2.5条例)的细小颗粒的前体的、在洗涤器434中产生的细微 的液滴。另外或备选地，第二热交换器462、第三热交换器470中的任何一个或两者可如 本文之前描述的那样使用吸收冷却器。另外或备选地，第三热交换器470可构造成以便 在洗涤器434之后加热烟道气14流，以减少(例如消除)从大多数洗涤器中排出的蒸汽 烟流。加热烟道气14可防止烟道气14在离开烟囱438之后发展经过冷凝阶段。例如， 第三热交换器470可相对于之前的描述“逆向”操作，以加热烟道气14流(即代替冷却 它)，并且甚至可充当用于冷却器472的冷却的另外的源。
本申请进一步描述了用于使用本文论述的各种系统10、210、310、410中的任 何系统来减少燃烧过程的烟道气中的污染物的方法。在一个实例中，该方法可包括提供 有机朗肯循环设备的步骤，该有机朗肯循环设备使用工作流体，并且包括布置成与烟道 气热连通的至少一个热交换器；以及通过使用源自烟道气的热能使热交换器内的工作流 体气化来将烟道气的温度降低到低于第一温度的第二温度。该方法可进一步包括以下步 骤通过设置在热交换器的下游的至少一个过滤器过滤烟道气，以从烟道气中去除污染 物。在另一个实例中，该方法可包括以下步骤提供布置成与烟道气热连通且设置在有 机朗肯循环设备的至少一个热交换器的下游和静电滤尘器的上游的第二热交换器。该方 法可进一步包括以下步骤通过烟道气与第二热交换器的热连通将烟道气的温度降低到 低于第二温度的第三温度。在又一个实例中，该方法可包括提供布置成与烟道气热连通 的第三热交换器的步骤，其中，第三热交换器设置在洗涤器的下游，并且通过烟道气与 第三热交换器的热连通将烟道气的温度降低到低于第三温度的第四温度。在另一个实例 中，该方法可包括以下步骤收集来自于由热交换器中的至少一个引起的烟道气的冷凝 的冷凝物，并且处理该冷凝物，以从该冷凝物中去除污染物。要理解的是前述步骤仅意 图为示例性步骤，而且该方法可包括与本文论述的任何结构或方法有关的任何另外的或 不同的步骤。另外或备选地，本文论述的热交换器中的任何或全部均可使用直接水接触式喷 雾系统来冷却烟道气。例如，一个或多个喷雾器排列可将冷却水用作与烟道气直接接触 的冷却和过滤介质。喷雾器排列可产生连续的冷却水喷雾幕等。本文论述的各种系统10、210、310、410可在洗涤器的入口处提供好处，在许
多动力设备中，洗涤器在静电滤尘器后面。进入洗涤器的烟道气流可被冷却到饱和，从 而减少(例如消除)使烟道气流骤冷必需的水。可从烟道气流中消除在大多数湿式洗涤 器中未有效地去除的酸。另外或备选地，存在这样的可能性在ORC热交换器16、250、360、460前面 有另外的化学物质，以降低(例如最小化)腐蚀或增强污染物的去除。可将减少(例如 中和)酸的吸附剂和/或溶液(例如石灰或氧化镁)引入烟道气14、214、314、414中， 以用于腐蚀控制的目的。还可在第一 ORC热交换器16、250、360、460处添加可提高汞 的氧化的其它化合物，例如氯化物。吸附剂喷射所处的位置和所喷射的吸附剂的类型可 随目标而变化。可利用在一个或多个位置处喷射的两种或多种吸附剂来实现多个目标， 例如酸中和以及汞氧化。例如，可将各种干式或湿式吸附剂喷射到包含在反应器塔中的 文丘里管区段中。热交换器将位于反应器塔前面的导管区段中。由于高水平的再循环吸 附剂和飞尘的原因，在洗涤过程期间将需要最少量的另外的水。可通过在反应器塔中添 加雾化水来控制过程温度。通过结合空气过滤和冷却，本申请的系统可减少整体的直接材料和人工成本。 类似地，与已知装置相比，应该在总体上降低了系统的正在进行的维护。因此，不管环 境条件如何，本申请的系统都可提供可靠的动力输出和效率提高。使用集成的ORC系统是减少包含在动力设备燃烧产物中的污染物的独特的方 法。操作成本可低于基于在冷却过程期间回收大量的水的可比较的方法。可通过使用 ORC中的废热来降低动力要求。来自反应器塔的废产物相对于传统的湿式洗涤器副产物
14来说可为干的，而且该过程处理了湿式洗涤不能去除或不能高效地去除的各种可冷凝的 污染物，例如S02、S03、汞等。 已经参照上述示例性实施例对本发明进行了描述。在阅读和理解了本说明书之 后，其他人将想到修改和变化。结合了本发明的一方面或多方面的示例性实施例意在包 括所有这种修改和变化(在它们处于所附的权利要求书的范围内的限度内)。
权利要求
1.一种降低具有第一温度的燃烧烟道气(14)中的污染物的浓度的方法，包括以下步骤提供使用工作流体并且包括布置成与所述烟道气(14)热连通的至少一个热交换器 (16)的有机朗肯循环设备(12)；通过使用源自所述烟道气(14)的热能使所述热交换器(16)内的所述工作流体气化来 将所述烟道气(14)的温度降低到低于所述第一温度的第二温度；以及通过设置在所述热交换器(16)的下游的至少一个过滤器过滤所述烟道气(14)，以从 所述烟道气(14)中去除污染物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二温度等于或低于烟道气(14) 混合物的酸露点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作流体包括能够在所述第一温度 处被气化的有机流体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过至少一个过滤器过滤所述烟道气 (14)的步骤包括通过静电滤尘器(32)和洗涤器(34)中的至少一个过滤所述烟道气 (14)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤提供布置成与所述烟道气(214)热连通的第二热交换器(252)，所述第二热交换器 (252)设置在所述有机朗肯循环设备(212)的所述至少一个热交换器(250)的下游和所述 静电滤尘器(232)的上游；以及通过所述烟道气(214)与所述第二热交换器(252)的热连通，将所述烟道气(214)的 温度降低到低于所述第二温度的第三温度，其中，所述第二温度等于或高于所述烟道气(214)混合物的酸露点，而且所述第三 温度等于或低于所述烟道气(214)混合物的酸露点。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤提供 用于冷却由所述第二热交换器(252)用来降低所述烟道气(214)的温度的液体的冷却器 (256)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤提供布置成与所述烟道气(414)热连通的第二热交换器(462)，所述第二热交换器 (462)设置在所述静电滤尘器(432)的下游，以及通过所述烟道气(414)与所述第二热交换器(462)的热连通，将所述烟道气(414)的 温度降低到低于所述第二温度的第三温度，其中，所述第二温度等于或高于所述烟道气(414)混合物的酸露点，而且所述第三 温度等于或低于所述烟道气(414)混合物的酸露点。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤 收集来自于由所述第一热交换器和第二热交换器(460，462)中的至少一个引起的所述烟道气(414)的冷凝的冷凝物(464)；以及处理所述冷凝物(464)，以从所述冷凝物(464)中去除污染物。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤 通过布置在所述静电滤尘器(432)的下游的所述洗涤器(434)过滤所述烟道气(414)；提供布置成与所述烟道气(414)热连通的第三热交换器(470)，所述第三热交换器 (470)设置在所述洗涤器(434)的下游；以及通过所述烟道气(414)与所述第三热交换器(470)的热连通，将所述烟道气(414)的 温度降低到低于所述第三温度的第四温度，其中，所述第四温度等于或低于所述烟道气(414)混合物的饱和温度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤提供 具有布置成与所述热交换器(16)闭环流体连通的涡轮(18)、冷凝器(20)和泵(24)的有 机朗肯循环设备(12)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括由所述涡轮(18)的操作 供以动力的、操作性地联接到所述涡轮(18)上的至少一个从动装置，其中，所述从动装 置包括用于产生电能的发电机(28)和用于冷却液体的冷却器(256)中的至少一个。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤将至 少一种吸附剂喷射到所述烟道气(14)中，以增强从所述烟道气(14)中去除污染物。
13.—种降低具有的第一温度的燃烧烟道气(14)中的污染物的浓度的方法，包括以下 步骤提供有机朗肯循环设备(12)，该有机朗肯循环设备(12)使用工作流体，并且包括布 置成闭环流体连通的至少一个热交换器(16)、涡轮(18)、冷凝器(20)和泵(24)，其中， 所述至少一个热交换器(16)布置成与所述烟道气(14)热连通；通过使用源自所述烟道气(14)的热能使所述热交换器(16)内的所述工作流体气化来 将所述烟道气(14)的温度降低到低于所述第一温度的第二温度；以及通过设置在所述热交换器(16)的下游的至少一个过滤器过滤所述烟道气(14)，以从 所述烟道气(14)中去除污染物。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤 提供布置成与所述烟道气(314)热连通的第二热交换器(362)，所述第二热交换器(362)设置在所述有机朗肯循环设备(312)的所述至少一个热交换器(360)的下游；通过所述烟道气(314)与所述第二热交换器(362)的热连通，将所述烟道气(314)的 温度降低到低于所述第二温度的第三温度，其中，所述第二温度等于或高于所述烟道气(314)混合物的酸露点，而且所述第三 温度等于或低于所述烟道气(314)混合物的酸露点；收集来自于由所述第二热交换器(362)引起的所述烟道气(314)的冷凝的冷凝物 (364)；以及处理所述冷凝物(364)，以从所述冷凝物(364)中去除污染物。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过至少一个过滤器过滤所述烟道气 (314)的步骤包括通过静电滤尘器(332)过滤所述烟道气(314)，并且其中，所述第二热 交换器(362)位于所述静电滤尘器(332)的下游。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括由所述涡轮(318)的操作 供以动力的、操作性地联接到所述涡轮(318)上的至少一个从动装置，其中，所述从动 装置包括用于产生电能的发电机(28)和用于冷却液体的冷却器(366)中的至少一个。
17.—种构造成以便降低具有第一温度的燃烧烟道气(414)中的污染物的浓度的系 统，包括有机朗肯循环设备(412)，该有机朗肯循环设备(412)使用工作流体，并且包括布置 成闭环流体连通的至少一个热交换器(460)、涡轮(418)、冷凝器(420)和泵(424)，其 中，所述至少一个热交换器(460)布置成与所述烟道气(414)热连通，其中，通过使用源自所述烟道气(414)的热能使所述热交换器(460)内的所述工作流 体气化而经由所述至少一个热交换器(460)将所述烟道气(414)的温度降低到低于所述第 一温度的第二温度，布置成与所述烟道气(414)热连通的第二热交换器(462)，所述第二热交换器(462) 设置在所述有机朗肯循环设备(412)的所述至少一个热交换器(460)的下游，其中，通过所述烟道气(414)与所述第二热交换器(462)的热连通而经由所述第二热 交换器(462)将所述烟道气(414)的温度降低到低于所述第二温度的第三温度；以及至少一个洗涤器(434)，该至少一个洗涤器(434)设置在所述热交换器(460)中的至 少一个的下游，并且构造成通过过滤穿过其中的所述烟道气(414)来从所述烟道气(414) 中去除污染物。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括布置成与所述烟道气(414)热连通的第三热交换器(470)，所述第三热交换器(470) 设置在所述洗涤器(434)的下游，其中，通过所述第三热交换器(470)将所述烟道气(414)的温度降低到等于或低于所 述烟道气(414)混合物的饱和温度的第四温度。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括由所述涡轮 (418)的操作供以动力的、操作性地联接到所述涡轮(418)上的至少一个冷却器(472)， 其中，所述冷却器(472)冷却由所述第二热交换器和第三热交换器(462，470)中的至少 一个用来降低所述烟道气(414)的温度的液体。
20.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括收集结构，该收 集结构构造成以便收集来自于由所述热交换器(460，462，470)中的至少一个引起的所 述烟道气(414)的冷凝的冷凝物(464)，使得可处理所述冷凝物(464)，以从所述冷凝物 (464)中去除污染物。
全文摘要
本发明涉及使用集成的有机朗肯循环的动力设备排放控制。提供了一种降低具有第一温度的燃烧烟道气(14)中的污染物的浓度的方法。该方法包括提供有机朗肯循环设备(12)的步骤，该设备(12)使用工作流体且包括布置成与烟道气(14)热连通的至少一个热交换器(16)。该方法进一步包括以下步骤通过使用源自烟道气(14)的热能使热交换器(16)内的工作流体气化将烟道气(14)的温度降低到低于第一温度的第二温度。该方法进一步包括以下步骤通过设置在热交换器(16)下游的至少一个过滤器过滤烟道气(14)，以从烟道气(14)中去除污染物。还提供了一种构造以便降低燃烧烟道气(14)中的污染物的浓度的相关联的系统。
文档编号F01K11/02GK102022746SQ201010293488
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月16日 优先权日2009年9月16日
发明者C·M·布思, J·E·罗伯茨, R·W·泰勒 申请人:Bha控股公司