利用燃气轮机和热交换器从熔化炉的烟气回收能量的制作方法
【专利说明】利用燃气轮机和热交换器从熔化炉的烟气回收能量
[0001] 在熔化炉中，通过施加热能而使原材料转化成熔融材料，该热能通常至少部分地 通过燃烧来提供。
[0002] 火焰产生的大部分热能被传送至炉料（固体原材料和熔融材料）。然而，剩余热量 与燃烧烟气一起被排出炉外。
[0003] 在空气燃烧或空气-燃料燃烧的熔化炉中，已知使用由陶瓷制成的交替对流热交 换器（蓄热器）或使用钢制热交换器（换热器）来预热位于炉的上游的燃烧空气，以便不 仅提高炉中的燃烧效率而且提高设备整体效率，而且，排出的烟气中含有的一部分热能作 为能量被回收并且作为预热燃烧空气的能量来使用。
[0004] 在具有换热器的玻璃炉中，燃烧空气被预热到700°C，同时蓄热器允许燃烧空气温 度在设备寿命的开始时达到1200°C或甚至1250°C。
[0005] 熔化炉的操作者，特别是玻璃制造者，越来越多地采用（富）氧燃烧技术，该技术 更加有效（因为其消除了氮气的热镇流）和更清洁（降低NOx和CO 2，因为NOx是由相同的 氮气形成的）。
[0006] 然而，已经为空气燃烧开发的用于从烟气回收能量的系统（蓄热器和换热器）通 常不是非常适合于从由氧燃烧产生的烟气中回收热能。
[0007] EP-A-1338848中公开了一种用于从玻璃炉、特别是氧燃烧的玻璃炉的烟气回收能 量的系统。所述系统包括用于通过与从炉排出的烟气进行热交换来预热富氧气体和/或气 态燃料的至少一个热交换器，位于所述至少一个热交换器的下游并能通过与烟气热交换而 产生过热蒸汽的锅炉，以及用于使过热蒸汽膨胀以产生机械能的蒸汽轮机。
[0008] 根据EP-A-1338848,由涡轮机所产生的机械能可用于满足从空气分离气体、为玻 璃炉供给助燃氧/燃烧氧（combustion oxygen)的设备的至少一部分能量需求。
[0009] 为了以工业上可接受的效率在锅炉中产生过热蒸汽，位于锅炉入口的烟气，以及 因此也位于热交换器的出口处的烟气需要温度为至少l〇〇〇°C，或者甚至1200°C至1500°C。
[0010] 尽管在EP-A-1338848中确定的材料具有承受这种温度的良好能力，玻璃制造商 更喜欢使用被认为更耐用的较低温的能量回收系统。
[0011] 这种在从氧燃烧玻璃炉的烟气中回收能量时特别可靠的替代系统在 EP-A-0872690 中公开。
[0012] 根据EP-A-0872690,由氧燃烧炉产生的烟气被用于间接预热位于炉上游的氧和/ 或燃料。在第一热交换器中，来自炉的烟气通过在两种流体之间进行热交换而加热中间流 体，例如空气。来自第一热交换器的被加热的中间流体用在第二热交换器中以加热助燃氧 和/或燃料。
[0013] 然而，根据EP-A-0872690的从烟气回收能量的系统并不允许从过热蒸汽形式的 烟气中更多地回收能量，如EP-A-1338848中的情况一样，因为在实践中第一热交换器的出 口处的烟气温度远低于l〇〇〇°C。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是提高从使用气态燃料和/或氧气作为氧化剂的熔化炉的烟气中 回收热量的效率，其中助燃氧和/或气态燃料通过与从炉排出的烟气间接热交换而被预 热。
[0015] 本发明更具体地涉及一种在包括熔化室的炉中进行熔化的方法。根据该方法，助 燃氧和/或气态燃料在熔化室上游的称为主交换器的热交换器中通过与传热气体进行热 交换而被预热。
[0016] 助燃氧和/或经预热的气态燃料用于通过燃烧加热熔化室，从而在熔化室中产生 热能和烟气。
[0017] 烟气从熔化室排出并被引入称为次（级）热交换器的热交换器，用于通过与从熔 化室排出的烟气交换热量而加热压缩空气。
[0018] 根据本发明，来自次交换器的经加热的压缩空气被用作燃气轮机中的氧化剂。因 此该燃气轮机产生机械能和/或电能以及气态排出物。来自燃气轮机的所述气态排出物被 用作传热气体，用于预热主交换器中的助燃氧和/或气态燃料。
[0019] 至少助燃氧，和优选以及气态燃料有利地在主交换器中被预热。具体地，根据本发 明，因为燃烧反应物通过与烟气间接热交换而被加热，即，经由传热流体进行交换，本发明 对于预热氧气是特别适合并且可靠的。
[0020] 根据本发明可以观察到在一方面：用于从来自燃烧室的烟气回收热量的系统与另 一方面：燃气轮机之间的显著的协同作用。具体地，可以观察到能量效率大大高于可在燃气 轮机与通过烟气预热的助燃氧和/或气态燃料的简单组合中预期的能量效率。
[0021] 应指出的是，燃烧不一定是加热熔化室的唯一方法，也可使用其它加热装置例如 电极。
[0022] 预热的助燃氧可以是用于在熔化室中燃烧的唯一氧化剂，或者也可以与另一氧化 剂、通常是空气相结合使用。
[0023] 炉因此可以是氧燃烧炉（其中氧气是唯一的氧化剂）、增浓燃烧炉（富氧空气作为 氧化剂）或替代地混合氧化炉（一方面用氧气燃烧与另一方面用空气、可能是富氧空气来 燃烧相结合）。
[0024] 在本发明的上下文中，术语"氧气"是指O2含量为至少75vol %，优选介于SOvol % 和lOOvol%之间，以及更优选介于90vol%和lOOvol%之间的气体。
[0025] 同样地，预热的气态燃料可以是在熔化室中燃烧的唯一燃料，或者预热的气态燃 料可以与另一种燃料相结合使用。
[0026] 燃气轮机所产生的机械能和/或电能可以至少部分地供给至一个或多个空气压 缩机。所述一个或多个空气压缩机尤其选自：供给次热交换器的空气压缩机，供给用于从空 气分离气体的单元的空气压缩机，以及另一空气压缩机。特别是，不仅熔化设备装备有空气 压缩机（通常被称为鼓风机）以用于向次交换器供给压缩空气，而且该设备还可以附加地 包括用于空气气体分离的单元和/或其它消耗压缩空气的单元。该设备尤其可以包括分离 空气气体的提供助燃氧的单元、压缩空气冷却设备等。
[0027] 根据本发明的方法的一个实施例，燃气轮机供给空气压缩机的能量消耗的75%至 100 %，优选100 %，该空气压缩机向次热交换器供给压缩空气。
[0028] 作为参照，燃气轮机供给空气压缩机的能量消耗的25 %至100%，优选50 %至 100%，特别优选100%，该空气压缩机供给空气气体分离单元。该空气气体分离单元优选产 生用于熔化方法的助燃氧。所述空气气体分离单元可以特别包括用于低温蒸馏空气中气体 的蒸馏塔，尽管也可以包括其它类型的用于分离空气气体的单元。空气气体分离单元可以 特别地是一基于称为VSA(真空变压吸附）技术的系统。
[0029] 还有益的是，当通过空气气体分离单元生产助燃氧被停止或产出减少时，提供液 态氧贮存器作为助燃氧源。如果分离单元由燃气轮机供给动力，当燃气轮机停机以维护时， 分离单元的输出的这种停止或减少可能显著发生。这种氧贮存器具有储存容量，该储存容 量允许当空气气体分离单元停止时向熔化室的生产能力供给助燃氧6至8小时。还有益的 是，提供辅助动力源，例如可以在燃气轮机停机时使用的用于供给机械能和/或电能的发 电机组。
[0030] 根据本发明的方法的参数取决于待熔化的材料例如玻璃、金属、陶瓷等，熔化室的 大小和类型，熔融材料的生产量等。
[0031] 当所述方法尤其（但不是唯一地）用于熔化玻璃时，该方法的下列操作参数（单 独或组合地）已被确定为是有利的：
[0032] ?次级交换器的入口处烟气温度为1000°C至2000°C，
[0033] ?次级交换器的入口处的压缩空气处于10至20atm的压力，
[0034] ?次级交换器的出口处的已加热的压缩空气的温度为600°C至800°C，
[0035] ?燃气轮机出口处的气态排