运输氧-燃烧器中的氧燃烧的制作方法
【专利摘要】公开了具有不同配置的加压运输氧-燃烧器。将加压的实质纯的氧馈入运输氧—燃烧器以与化石燃料燃烧，生成用于提供动力的蒸汽。终产物是在水分冷凝后的包含实质纯的CO2的烟道气。通过加入另一燃料清除低量的过量氧气以实现燃烧器内的完全燃烧从而使得实质上所有被馈入燃烧器的氧气均被完全消耗。可将该运输氧—燃烧器用作一在高固体循环速率下的循环流化床燃烧器的能力使得将再循环的CO2或烟道气用作缓和以及控制燃烧温度的手段不再必要。通过进入燃烧区域（200）的相对较冷的循环固体来有效控制燃烧器内的温度。再循环一小部分CO2用于曝气和将固体燃料运送至该燃烧器。
【专利说明】运输氧-燃烧器中的氧燃烧
[0001]就联邦资助的研究或发展所做的声明
[0002]本发明是在美国能源部第DE-NT0000749号合作协议下获得的一些政府支持下做出的。政府在本发明中享有一定的权利。
[0003]发明背景
[0004]I，发明的【技术领域】
[0005]本发明总体涉及燃煤发电厂的设计，更具体地说，涉及一种运输氧-燃烧器。运输氧-燃烧器被用于用氧气作为氧化剂的煤的燃烧，以在从烟道气流中冷凝出水分后产生基本上纯的CO2。
[0006]2，相关技术的描述
[0007]氧-燃烧是燃煤发电厂的设计中的一部分，其有相比常规燃煤电厂设计而言显著地减少CO2排放量的潜力。在氧-燃烧中，煤在富氧的环境中使用基本上纯的氧或经再循环烟道气稀释的基本上纯的氧的燃烧。从这个过程中，烟道气主要是由CO2和H2O组成，因此，通过简单的将排气流中的水冷凝，即可产生CO2浓缩气流。氧-燃烧优于空气燃烧的一点是，它提供了大幅度减少CO2分离和捕获成本的高潜力，这是因为几乎所有的排气流出物均可以被捕获及螯合。
[0008]Anderson (安德森)等人的美国第6505567号专利中公开了操作一种通过基本纯净的氧气作为氧化剂送入燃烧器中以使燃烧器内的矿物燃料燃烧来操作大气循环流化床的方法。烟气中所夹带的细小的固体的一部分在一外部流化床热交换器中冷却并且被再循环到燃烧器的下部。该固体物的冷却过程中产生用于发电的蒸汽的一小部分。所再循环的夹带的、冷却的固体的一小部分可以帮助控制燃烧器的温度。
[0009]Anderson等人还公开了向燃烧器再循环足够大量的气态燃烧产物以控制燃烧器的温度。除了用氧气代替空气作为氧化剂之外，这样的循环流化床燃烧器(CFB)的操作方法与传统的循环流化床燃烧器的操作方法基本上是相同的。但是，为了控制燃烧器的温度，需要将烟气再循环回到燃烧器并且其速率与在空气供给燃烧过程中的空气中的氮气的量几乎相同。
[0010]虽然当有必要从烟道气中的捕集CO2时，Anderson等人的工艺相比鼓空气燃烧而言有显著的优点，但大量的烟道气再循环会造成高能耗，并且会降低操作的可靠性。因此，这种常规的操作方法需要改进。
[0011]此外，像任何空气燃烧过程一样，为达到完全燃烧，需要过量的氧，因此，在烟道气中会存在氧。然而，对于CO2封存或其他应用而言并不希望CO2流的烟道气中存在氧。同时，即便是仅存在少量的水分，CO2和氧气的混合物也更加具有腐蚀性。此外，生产氧气在燃烧过程中最昂贵的步骤，因此，也极不希望将烟道气与贵重的氧一同排放。
[0012]Anderson等人的专利中所示的循环回路布置类似于最广泛使用的商业循环流化床。流化床热交换器的曝气可以对旋流器性能以及整体的固体循环速度产生不利的影响。
[0013]在循环流化床中的氧-燃料燃烧与空气-燃料燃烧过程具有一些共同的缺点。例如，它需要大的钙硫比以从烟道气中除去90%以上的含硫化合物。因此，针对严格的除硫或从发电厂的硫成分的近零排放，烟道气脱硫(FGD)设备是必需的。然而，在过程中加入FGD会增加投资和运营成本。
[0014]为去除硫化合物需要高钙至少有两个原因。一种是由于操作的大气性质，一煤中的硫化合物将主要转换成SO2，其与钙化合物的反应速率相对较慢。第二个原因是，在循环流化床中使用的都是大尺寸颗粒，并且仅石灰石颗粒的表面层是用来固硫的一而核心的颗粒具有很少有机会与烟道气中的硫化合物相接触。
[0015]出于捕获CO2的目的，为了产生乏氮的烟道气流，实质上纯的氧气被用来替代例如，第7282171和6918253号美国专利，以及第2009-0255450和2009-0257941号美国专利申请公开中披露的在传统的粉煤(PC)锅炉中使用的空气。在这些参考文献中描述的方法同样再循环大量的CO2或烟道气以缓和并控制锅炉的温度。 [0016]如上所述，对于氧-燃烧循环流化床过程而言，这样的通过对CO2或烟道气的大规模再循环来控制燃烧温度会导致电厂的效率以及操作的可靠性的降低。此外，来自这些参考文献中所描述的烧氧的PC锅炉的烟道气含有明显超过锅炉的操作所必需的量的过量的氧气。因此，需要一个额外的工艺步骤以将氧浓度降至一相对低的ppm水平，以产生一个实质上纯的CO2气流。
[0017]不同于循环流化床燃烧，对于PC锅炉而言，原位除硫是不方便的。此外，PC锅炉所燃烧的燃料的研磨成本明显较高，这是因为它需要更精细燃料以实质上完全燃烧供应的煤。
[0018]所需要的是可以克服上述缺点的更佳的循环流化床回路布置以及更佳的操作方法。本发明首要指向这样的系统和方法。本发明为CFB循环提供了新的布置并且提供了在加压富氧-燃烧环境中的操作该循环方法。
发明概要
[0019]简要地描述的，在一个优选的形式中，本发明提供了一种运输氧-燃烧器，特别是用于煤与氧气作为氧化剂的燃烧以将烟气流中的水分冷凝后产生实质上纯的CO2的运输氧-燃烧器。
[0020]在本运输氧-燃烧器中，燃料在提升管中与实质上纯的氧气(O2)燃烧并实质上完全氧化，其结果是烟道气主要包括CO2和水蒸汽
【权利要求】
1.一种运输氧-燃烧器，包括 包括一初级氧气进料以及一固体燃料流进料的一提升管； 一第一气-固分离装置；以及 带一出口冷却器固体流的一固体冷却器； 其中，该出口冷却器固体流自该固体冷却器运行至该提升管的一下区段，在该下区段该出口冷却器固体流分散来自该初级氧气进料的氧气； 其中，在有出口固体流出现的情况下该固体燃料流以及该分散的氧气在该提升管内的燃烧缓和并且控制提升管内的燃烧温度； 其中，提升管中的该气-固混合物进入该第一气-固分离装置，并且 其中，该第一气-固分离装置向该固体冷却器提供一固体流。
2.根据权利要求1的运输氧-燃烧器，其中，该提升管进一步包括一个或者多个吸附剂流进料以及一次级氧气进料。
3.根据权利要求1的运输氧-燃烧器，其中，该循环固体流内的固体的质量流率在向提升管的固体燃料进料速 率的150倍至400倍的范围内。
4.根据权利要求1的运输氧-燃烧器，进一步包括一位于该提升管以及该第一气-固分离装置之间的分离组件，该分离组件促进该固体的一部分从该气-固混合物中分离出来。
5.根据权利要求1的运输氧-燃烧器，进一步包括一位于该第一气-固分离装置下游的一第二气-固分离装置以收集气体流中夹带的细固体颗粒，并将其回馈至固体冷却器。
6.一运输氧-燃烧器，包括 一提升管，该提升管包括一外壳以及绝热性耐腐蚀耐火内衬；其中，在该提升管中，含碳的固体燃料在氧气以及循环固体出现的条件下燃烧，该燃烧形成一包括一气-固混合物的烟道气流； 一第一级旋流器，其具有一倾斜的切向的进口 ； 一倾斜的将该提升管连接至该第一级旋流器的第一交叉； 一第二级旋流器； 一将该第一级旋流器的出口连接至该第二级旋流器的第二交叉； 一第三级旋流器，其用一清除用固体燃料消耗该烟道气流中的过量氧气；
—— OS管.、f.曰 ， 一位于至少一个第一以及第二旋流器之一下方的密封腿以将固体回馈至竖管，并且提供防止该烟道气流反向流动的密封； 至少一个固体冷却器，其中，该竖管提供该旋流器至该至少一个固体冷却器之间的连通； 其中，该至少一个固体冷却器用于将燃烧热自该循环固体传递至水和蒸汽形成蒸汽和过热蒸汽中的一种或多种。
7.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，该提升管进一步包括 在该提升管的一下区段内的至少一个燃料注射喷嘴以将含碳固体燃料馈至该提升管； 在该提升管的一下区段内的至少两个初级氧气注入喷嘴以将氧气沿提升滚的该下区段的不同高度注入提升管； 位于该至少一个燃料注入喷嘴之上的至少两个次级氧气注入喷嘴以将氧气以不同高度注入提升管；以及 至少两组曝气喷嘴以将曝气气体馈入该至少一个固体冷却器的一下区段以及该密封腿以促进固体流动以及热传递。
8.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其具有在约30psia至约1000psia范围内的操作压力。
9.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其固体流动速率与含碳固体燃料质量的比率在约150至约400的范围内；其中，该固体燃料与氧气在提升管内的在循环固体参与下的燃烧缓和并且控制提升管的燃烧温度。
10.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其固体流动速率与含碳固体燃料质量的比率在约150至约400的范围内；其中，该至少一个冷却器中的至少一个为一位于提升管下方的上升流固体冷却器。
11.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，该提升管进一步包括一将吸附剂加入提升管以自该烟道气中至少部分的移除不期望的物质的吸附剂进料。
12.根据权利要求11的运输氧-燃烧器，其中，该不期望的物质是硫氧化物，其中，该吸附剂是石灰石或白云石，并且其中钙与硫的摩尔比小于约1.3。
13.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其中，该第一级旋流器具有在每磅气体约10磅至40磅固体的范围内的倾斜的进口固体负载能力。`
14.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其中，该第一级旋流器具有在约25英尺/秒至55英尺/秒的范围内的进口速度。
15.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其中，该至少一个固体冷却器之一定位于竖管的底部，以使得循环固体向下流动至该定位于竖管底部的该至少一个固体冷却器中并且向上流动并汇入位于该提升管底部的至少一个固体冷却器之一的提升管中。
16.根据权利要求15的运输氧-燃烧器，其中，该至少两个固体冷却器包括一个其中有固体流向下流过的固体冷却器以及一其中固体流向上流动的固体冷却器。
17.根据权利要求15的运输氧-燃烧器，其中，该其中固体流向上流动的固体冷却器使用氧气作为在固体冷却器底部的曝气气体以使得再循环至运输氧-燃烧器中的CO2减至最小。
18.根据权利要求6的运输氧-燃烧器，其中，通过在该第一级或第二级旋流器的出口处注入一气相或固相清除用燃料来利用过量的氧气。
19.一种运输氧-燃烧器,包括: 一提升管，其包括一初级氧气供料以及一化石燃料流供料； 一第一气-固分离装置，以及 一带出口冷却器固体流的固体冷却器； 其中，该出口冷却器固体流自固体冷却器运行至提升管的一下区段，在该下区段，该出口冷却器固体流分散自该初级氧气供料的加压氧气； 其中，该化石燃料流和氧气在提升管内的燃烧形成退出提升管的烟道气； 其中，提升管中的该烟道气进入该第一气-固分离装置；其中，该第一气-固分离装置向该固体冷却器提供一固体流；以及 其中，该退出该燃烧器的烟道气包括经过水分冷凝后的压力提升的实质上纯的co2。
20.根据权利要求19的运输氧-燃烧器，其中，该运输氧-燃烧器作为在足够高的固体循环速率下的循环硫化床燃烧器，以使得利用再循环的CO2或烟道气作为缓和以及控制提升管内的燃烧温度的手段不再必要。
21.根据权利要求19的运输氧-燃烧器，其中，提升管内的温度由进入该提升管的下区段的相对较冷的循环固体有效控制。
22.根据权利要求19的运输氧-燃烧器，其中，一部分CO2被再循环用于限制曝气以及用于将固体燃料运送至提升管。
23.根据权利要求19的运输氧-燃烧器，其中，借助添加清除用燃料来清除实现提升管内的完全燃烧所需的过量 氧气，以至于实质上所有被馈入提升管内的氧气被完全消耗。
【文档编号】F22B31/00GK103732316SQ201280031633
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年2月27日 优先权日:2011年5月4日
【发明者】帕纳拉尔·维摩乾德, 刘国海, 彭万旺 申请人:南方公司