专利名称：氧/燃料燃烧系统的瞬时运行的制作方法
技术领域：
本公开涉及在氧/煤燃烧系统中捕获co2。特别地,本公开涉及使氧/煤燃烧系统的启动、停机和/或跳闸事件(trip events)过程中的CO2含量提高或保持在等于或高于预
定含量。
背景技术：
已知氧/煤燃烧系统包括经安排和布置以接收燃料和氧化剂以形成燃烧流体的炉(或辐射段)、经安排和布置以接收该燃烧流体的对流段和经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传向热交换介质的一个或多个热交换器。在稳定运行中，该已知氧/煤燃烧系统利用该热交换介质中的热提取能量。已知氧/煤燃烧系统可能遇到启动状况，仅举例而言，在最初构造时、在停机维护后或在跳闸事件后。已知燃烧系统可能遇到停机状况，仅举例而言，在定期维护之前、响应跳闸事件、响应降低的燃料可供性或响应运行限制。已知燃烧系统可能遇到跳闸事件，仅举例而言，在运行问题如汽轮机跳闸事件时、响应强制或诱导通风机跳闸事件、响应研磨机问题、响应火焰状态的损失或响应燃烧系统的一个或多个区段的过压。如本领域中公知的那样，碳质燃料的燃烧产生C02。在稳定运行、启动、停机和跳闸事件过程中发生CO2排放。存在几种已知的CO2捕获技术。这些已知技术着眼于后燃和/或预燃CO2捕获。例如，在低浓度或分压下，可以使用化学溶剂洗涤烟道气。化学溶剂的使用导致再生贫溶剂以获得高CO2捕获水平所需的能量损失。或者，可以在燃烧前利用物理吸附剂从整体煤气化联合循环 IGCC 电厂设计(integrated gasification combined cycle, IGCC, plantdesign)中捕获C02。这种设计需要高纯度高压的氧气并产生氢气，其随后在燃气轮机中燃烧产生动力。高含量的基本纯的CO2要求用于物理溶剂系统的非标准设计。第三选项(option)是使用较低纯度、较低压的氧气作为氧化剂以在标准效用锅炉装置(standardutility boiler arrangement)中燃烧。来自燃氧选项的烟道气缺乏氮，由此提高CO2分压。该气体可随后冷却、水冷凝和提纯以产生CO2产物。在已知氧/燃料燃烧系统中，在启动、停机和跳闸事件过程中，不能充分捕获和提纯C02，因为CO2含量比希望的时期更长地保持低于预定含量。因此，仍然需要提供通过提高和/或维持在启动、停机和/或跳闸事件过程中氧/燃料燃烧系统中的CO2含量来改进CO2捕获的方法、系统和装置。
发明内容
本公开通过提高和/或维持在启动、停机和/或跳闸事件过程中燃烧系统中的CO2含量来改进从氧/燃料燃烧中捕获co2。根据一个实施方案，运行氧/燃料燃烧系统的方法包括提供燃烧系统、在激活至少一个燃烧器之前使载气在该燃烧系统中循环、产生包括CO2的燃烧流体，其中该燃烧流体中的CO2含量随时间而提高，并继续产生该燃烧流体一段时间以超过该燃烧流体中的预定CO2含量，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯。在该实施方案中，该燃烧系统包括经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体的炉、经安排以从该炉接收该燃烧流体的对流段、和在该对流段中的经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质的一个或多个热交换器。根据另一实施方案，氧/燃料系统包括经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体的炉、经安排以从该炉接收该燃烧流体的对流段、在该对流段中的经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质的一个或多个热交换器、和经安排和布置以在高于预定CO2含量下提纯CO2的CO2提纯单元。在该实施方案中，安排该炉以在激活至少燃烧器之前使起动流体(primer fluid)循环,该起动流体选自基本纯的O2、基本纯的CO2及其组合。该燃烧流体包括CO2，其中CO2的含量随时间而提高。该系统经安排和布置以在高于该燃烧流体中的预定CO2含量下继续产生该燃烧流体一段时间，该预定含量足以使CO2通过·CO2提纯单元来提纯。 根据另一实施方案，运行氧/燃料燃烧系统的方法包括提供氧/燃料燃烧系统、停用(deactivating)至少一个燃烧器中的一个或多个、在停用所述至少一个燃烧器中的所述一个或多个后使起动流体在该燃烧系统中循环、和使该燃烧流体中的CO2含量保持在高于预定CO2含量一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元来提纯，其中该CO2的含量随时间而降低。在该实施方案中，该燃烧系统包括至少一个燃烧器、经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体的炉、经安排以从该炉接收该燃烧流体的对流段、和在该对流段中的经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送至热交换介质的一个或多个热交换器。本公开的一个优点是在启动过程中提高燃烧系统中的CO2含量，由此允许捕获和/或提纯CO2。本公开的另一优点是捕获更多CO2,由此导致未捕获的CO2的较少CO2排放。本公开的再一优点是在启动、停机和跳闸事件过程中捕获和/或提纯CO2。本公开的一个优点是在停机和跳闸事件过程中维持CO2含量高于燃烧系统中的预
定含量。本公开的又一优点是在跳闸事件过程中维持CO2含量高于预定含量。本公开的又一优点是不需要空气处理设备和管道系统(ducting)的氧-燃料燃烧设施的更简单设计。本文中公开了该方法和系统的其它方面。本领域技术人员根据下列详述和附图将会认识和理解如上论述的特征以及本公开的其它特征和优点。
图I显示燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。图2显示该燃烧系统的另一示例性实施方案的示意图。图3显示实现燃烧系统中的所需条件的方法的图示。图4显示实现燃烧系统中的所需条件的方法的图示。图5显示实现燃烧系统中的所需条件的方法的图示。图6显示在停机和/或跳闸事件过程中维持CO2含量的方法的图示。
图7图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。图8图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。图9图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。图10图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。图11图解根据本公开的一个示例性实施方案，烟道气中的CO2含量与时间之间的关系。只要可能，在所有附图中使用相同标号代表相同部件。发明详述
下面参照附图更充分描述本公开，其中显示了本公开的优选实施方案。但是，本公开可以具体体现为许多不同的形式且不应被解释为仅限于本文中阐明的实施方案；相反，提供这些实施方案以使本公开详尽完整并向本领域技术人员充分传达本公开的范围。本文所用的术语“固体燃料“是指适合燃烧用途的任何固体燃料。例如，本公开可用于许多类型的固体燃料，包括但不限于无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤；焦油；浙青；石油焦；造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物；木材；泥炭；草；和所有这些燃料的组合和混合物。本文所用的术语“氧气”是指O2浓度大于环境或大气条件的氧化剂。本文所用的术语燃烧流体是指由燃料燃烧产生的流体，其可用于对流传热。该术语包括至少一些燃烧产物并可进一步包括与燃烧流体混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。图I显示本公开的燃烧系统102的一个示例性实施方案的示意图。具体而言，图I描绘作为燃氧煤电厂的燃烧系统102。参照图I，燃烧系统102包括炉104和对流段106。炉104接收粉煤并用氧气燃烧粉煤以生成热和伴生烟道气。尽管已就粉煤描述本公开，但可以利用其它固体燃料。来自炉104的燃烧流体为对流段106提供额外的热。对流段106包括从炉104中形成的燃烧流体中除热的多个热交换器(也参见图2)。利用该热制造和过热用在发生器或其它蒸汽负荷源中的蒸汽。在对流段106中，如业内理解的那样，在一级过热和再热后跟着用于最终预热锅炉进料水的省热器。在该燃烧流体内最好存在充足质量流量以提供经由辐射和对流两者的适当传热。此外，在该燃烧流体内的温度分布可匹配设计的传热表面积以允许表面积的充分利用和在蒸汽发生线路内的适当加热。与已知的空气燃烧的煤系统相比，燃氧的煤系统可提供炉104内的更高温度和该燃烧流体的更低质量流速。受控量的再循环烟道气可助于提供所需火焰特性和/或温度。尽管质量流量(mass flow)不要求，但可利用再循环烟道气以提高该燃烧流体的质量流量以在对流段106中提供提高的传热。图I所示的示例性实施方案进一步包括经构造以使该燃烧流体在离开载气预热器112时经过除尘的静电集尘器110、接着任选烟道气脱硫单元114，在此除去S02。在本公开的某些实施方案中，离开烟道气脱硫单元114的燃烧流体作为再循环烟道气再循环到炉104。该再循环烟道气可助于提供所需火焰特性和/或温度。尽管质量流量不要求，但可利用再循环烟道气提高该燃烧流体的质量流量以在对流段106中提供提高的传热。将离开脱硫单元114的其余燃烧流体送往CO2提纯单元128。CO2提纯单元128可利用与氧/燃料燃烧系统相容的任何已知的CO2提纯/压缩方法并可包括已知的常规可得的CO2提纯/压缩设备。在2007年I月23日提交的美国专利申请2008/0176174和2007年I月23日提交的美国专利申请2008/0173585中公开了已知CO2提纯/压缩设备的实例，两者均全文经此引用并入本文。由于在该系统中利用氧/燃料燃烧，与空气燃烧系统相比，减少或消除烟道气中的氮。由此，从该系统中除去大部分或所有的氮，以产生具有高CO2含量的燃烧流体。CO2的这种富集导致在经CO2提纯单元128处理后更容易捕获CO2以供提纯和压缩，从而产生CO2产物129。如美国专利申请2008/0176174和美国专利申请2008/0173585中进一步描述，CO2产物129可用于几种用途。燃烧系统102也允许来自脱硫单元114的燃烧流体经由烟囱116离开系统102到大气中。如图I中所示，再循环到炉104的再循环烟道气可以由强制通风风扇118供应并由载气预热器112预热。第一载气风扇(primary support gas fan) 120利用一部分的再 循环烟道气，并充当将由燃料源126供应的来自燃料粉碎机122的燃料输送至燃烧器124的载体。载气(其可以是一次再循环和/或二次再循环)优选基本不含氮和/或空气。在燃烧器124处发生煤燃烧，在此也可供应第二载气流130。第二载气流130类似地由强制通风风扇118供应并在供应至煤燃烧器124之前由载气预热器112预热。燃烧器124最好经安排和布置以提供可调节的速度以使启动过程中的条件最大化。这种可调节性可包括在小于或等于燃烧器124的最大燃烧速率的一半的同时维持燃烧稳定性。在全文经此引用并入本文的2002年8月30日提交的美国专利No. 7，185，595中公开了能够实现这些条件的燃烧器的一个实例。可以利用氧气作为载气，其中将氧气添加到再循环烟道气中或替代再循环烟道气。可以由任何合适的来源添加氧气。合适的氧气源可包含包括将空气深冷分离(cryogenic separation)以产生氧气(各种纯度)和其它副产物(通常为氮气和IS气)的系统。来自该氧气源的产品氧气(product oxygen)可以是气体或液体形式。或者,可通过在吸附剂床上的变压/真空变压(pressure swing/vacuum swing )操作生成氧气。其它方法，如膜基系统，包括离子传输膜，也可产生富氧流(oxygen predominant stream)。也可以在系统102中的任何合适的位置添加氧气,包括添加到第一载气(primary support gas) 132、第二载气(secondary support gas)130、燃烧器124、炉104或支持固体燃料的燃烧的任何其它位置。如图I中所示，第二载气流130可以在各种点供应到第一载气132中。第二载气130的这种提高的注射灵活性提供独立地控制第一(primary)和再循环(recycle)的温度的手段并提供包括第一载气132的预热器的旁路(bypass)的能力。另外，在一些实施方案中，第二载气130可单独通过预热器112。图2包括与图I中所示的布置基本相同的燃烧系统102的布置。但是，在图2中，在完全行经对流段106后，烟道气在选择性催化还原单元302中发生DeNOx，接着用载气预热器112 (例如优选的Lungstrom型旋转装置)冷却。在图I所示的实施方案中，由于几种原因，可能省略DeNOx，选择性催化还原单元302。这些原因包括，但不限于，在燃烧系统102中使用基本无氮的CO2或02，由此减少NOx，和/或由于NOx不会释放到大气中，相反NOx将与CO2 —起进入CO2提纯单元128。燃烧系统102可能遇到偏离稳态运行的瞬时状况。这些状况包括启动状况、停机状况和跳闸事件(其包括热启动，其中该燃烧系统保持在高于环境温度的温度并最终恢复到稳态运行)。如稳态运行那样，瞬时状况造成CO2排放。如CO2提纯单元128之类的技术要求CO2含量高于预定含量以产生CO2产物129。该预定含量基于该系统中包含的特定提纯单元的要求。某些提纯单元需要比其它单元高的CO2含量。因此，尽管在本公开中以举例说明为目的使用具体含量，但本公开部分涉及CO2含量的控制。如本领域中公知的那样，点火器可用于使燃烧系统102达到所需温度。通常，激活点火器进入燃烧系统以使该燃烧系统缓慢变温。点火器通常以单独的辅助燃料为进料。当 燃烧系统达到足以维持主燃料燃烧的所需温度时，引入主燃料并发生燃烧(在本公开中为固体燃料)。在实现稳定燃烧后，可以停用点火器。图3、4和5图解启动本公开的燃烧系统的示例性实施方案。如上所述，所公开的方法部分意在实现例如，启动、停机和瞬时状况中的预定CO2含量。如图3、4和5中所示，该方法包括在激活燃烧器124、多个燃烧器或成组燃烧器之前使载气循环。例如，该载气可以是外部供应的起动流体，如基本纯的O2、基本纯的CO2、与基本纯的CO2混合的基本纯的O2或促进CO2捕获和提纯的其它流体，如再循环烟道气，包括在开始燃烧之前该系统中的空气首次进料(initial charge of air)。通过在载气循环后激活燃烧器124、多个燃烧器或一组燃烧器，燃烧系统102的温度以更稳定方式提高。可以基于预先计算或基于通过在燃烧系统102各处并入的传感器，如温度传感器(例如热电偶)收集的信息激活燃烧器124和/或点火器。通过逐步激活或停用点火器，逐渐将燃烧系统102加热或冷却至所需温度。燃烧系统102的这种逐渐加热或冷却延长燃烧系统102的组成部分的可用寿命。另外，通过使用外部供应的起动流体，如基本纯的CO2、基本纯的O2或其组合作为载气，燃烧系统102的加热或冷却导致达到捕获和提纯更多CO2所需的预定CO2含量(保持高于捕获和提纯更多CO2用的预定含量)。例如，如下列实施例中所示，如果CO2的预定摩尔分数含量为大约O. 5，在一个实施方案中，其可以在实现完全燃烧状况的总时间的大约O. 7下实现。会认识到，预定CO2含量随燃烧系统102的尺寸和/或运行方法而变。参照图3，本公开的一个示例性实施方案包括在激活至少一个点火器的步骤404之前的开始载气循环的步骤402。如图3中进一步显示，在激活至少一个点火器的步骤404后接着激活至少一个燃烧器的步骤406。任选可以重复激活至少一个点火器的步骤404和激活至少一个燃烧器的步骤406。需要这种重复以进一步使燃烧系统102的升温随时间经过逐渐转变；但是，不希望这种重复不必要地延长实现所需条件之前的持续时间，所需条件包括，但不限于，实现完全燃烧。图3中所示的最终步骤包括实现所需条件的步骤408。参照图4，本公开的另一实施方案包括在开始载气循环的步骤402之前的激活至少一个点火器的步骤404。在此实施方案中，在开始载气循环的步骤402后接着激活至少一个燃烧器的步骤406。任选可以重复激活至少一个点火器的步骤404和激活至少一个燃烧器的步骤406。需要这种重复以进一步使燃烧系统102的升温随时间经过逐渐转变；但是，不希望这种重复不必要地延长实现所需条件之前的持续时间，所需条件包括，但不限于，实现完全燃烧。图4中所示的最终步骤包括实现所需条件的步骤408。
参照图5，本公开的再一实施方案包括在激活至少一个燃烧器的步骤406之前的激活至少一个点火器的步骤404，步骤406在开始载气循环的步骤402之前。在此实施方案中，开始载气循环的步骤402后接着激活至少一个点火器的步骤404，其后接着激活至少一个燃烧器的步骤406。任选可以重复激活至少一个点火器的步骤404和激活至少一个燃烧器的步骤406。需要这种重复以进一步使燃烧系统102的升温随时间经过逐渐转变；但是，不希望这种重复不必要地延长实现所需条件之前的持续时间，所需条件包括，但不限于，实现完全燃烧。图5中所示的最终步骤包括实现所需条件的步骤408。会认识到，与图3、4和5相关的步骤可以在与本公开相符的情况下重复或重排。此外，可以在需要热启动的跳闸事件后使用本公开的启动方法。参照图6，本公开的一个示例性实施方案包括停用至少一个燃烧器的步骤702、在停用至少一个燃烧器之后使载气在燃烧系统中循环的步骤704 (同时仍产生包括CO2的流 体，其中CO2含量随时间而降低)和保持高于预定CO2含量的步骤708，该预定含量允许通过CO2提纯单元捕获和提纯C02。在一个实施方案中，在系统102热(或高于环境温度)的同时吹扫空气。在另一实施方案中，再循环的一次烟道气(primary flue gas)再循环降低使用空气吹扫该系统的速率，由此空气吹扫速率为大于O和小于或等于再循环烟道气流速的率值(ratio)。
实施例对于各个下列实施例而言，选择典型的墙式燃烧电厂锅炉(wall-fired utilityboiler)与本公开的实施方案进行比较。第一实施例着眼于在完全燃烧之前的空气-燃料燃烧中启动多用燃烧器，接着使气体再循环和引入氧气作为氧化剂。第二实施例验证在系统升温开始时使用氧气和因此再循环的条件。第三实施例例证使用来自外部来源的CO2作为再循环气流时的条件。图7至11显示在一段无量纲时间内作为燃烧流体(如果载气循环，其包括载气)的摩尔分数的CO2含量。图7至11指定CO2组分801、H2O组分803、N2组分805和O2组分807的摩尔分数。这些组分的图解仅是示例性的且无意限制燃烧流体和/或载气可能包含的组分。对应于表3,图7至9通过显示包括在无量纲时间(dimensionless time) O. O激活第一组点火器的步骤、激活第二组点火器的步骤809、激活第三组点火器的步骤811、激活第四组点火器的步骤813、激活第一组燃烧器的步骤815、在移除或停用第一组点火器的同时激活第二组燃烧器的步骤817、在移除或停用第二组点火器的同时激活第三组燃烧器的步骤819、在移除或停用第三组点火器的同时激活第四组燃烧器的步骤821和在移除或停用第四组点火器的同时实现完全燃烧的步骤823的示例性方法进一步阐述启动方法。表I详述前三个实施例各自中使用的燃料。表2将用于实施模拟的各种系统参数制表。启动周期保持恒定并显示在表3中。使用无量纲时间作为模拟基础，因为启动程序随系统而变。I. O的无量纲时间代表该系统被视为处于完全燃烧速率时，无需点火器以辅助燃烧。在所有这三个实施例中，最小再循环风扇容量限于40%。为了比较，用于下游捕获和加工的烟道气中最低CO2摩尔分数保持在O. 50。表I :煤分析
权利要求
1.运行氧/燃料燃烧系统的方法，该方法包括 提供燃烧系统，该系统包含 炉，其经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体； 对流段，其经安排以从该炉接收该燃烧流体；和在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传向热交换介质； 在激活至少一个燃烧器之前使载气在该燃烧系统中循环； 产生包括CO2的该燃烧流体，其中该燃烧流体中的CO2含量随时间而提高；和继续产生该燃烧流体一段时间以超过在该燃烧流体中的预定CO2含量，该预定含量足以使该CO2通过CO2提纯单元提纯。
2.权利要求I的方法，其中该载气选自该系统中的空气的首次进料、再循环烟道气、外部供应的起动流体及其组合。
3.权利要求2的方法，其中该起动流体选自基本纯氧、基本纯的CO2及其组合。
4.权利要求I的方法，进一步包括提纯C02。
5.权利要求I的方法，其中该燃烧系统进一步包含CO2提纯单元。
6.权利要求I的方法，进一步包括在使该起动流体循环后激活第一燃烧器组。
7.权利要求6的方法，进一步包括在激活该第一燃烧器组后激活第二燃烧器组。
8.氧/燃料系统,该系统包含 炉，其经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体； 对流段，其经安排以从该炉接收该燃烧流体； 在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质；和 CO2提纯单元，其经安排和布置以在高于预定CO2含量下提纯该CO2 ;且其中安排该炉以在激活至少一个燃烧器之前使起动流体循环，该起动流体选自基本纯的O2、基本纯的CO2及其组合， 其中该燃烧流体包括CO2，其中该CO2含量随时间而提高，且 其中该系统经安排和布置以在高于该燃烧流体中的预定CO2含量下继续产生该燃烧流体一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯。
9.权利要求9的系统，进一步包含第一燃烧器组，其经安排和布置以在在该起动流体被循环后被激活。
10.权利要求11的系统，进一步包含第二燃烧器组，其经安排和布置以在激活第一燃烧器组后被激活。
11.运行氧/燃料燃烧系统的方法，该方法包括 提供氧/燃料燃烧系统，该系统包含 至少一个燃烧器； 炉，其经安排和布置以接收和燃烧燃料以形成燃烧流体； 对流段，其经安排以从该炉接收该燃烧流体；和在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质；停用所述至少一个燃烧器中的一个或多个； 在停用所述至少一个燃烧器中的所述一个或多个后使起动流体在该燃烧系统中循环； 使该燃烧流体中的CO2含量保持高于预定CO2含量一段时间，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯；且 其中该CO2含量随时间而降低。
12.权利要求13的方法，其中该起动流体选自基本纯氧、基本纯的CO2及其组合。
13.权利要求13的方法，进一步包括提纯该C02。
14.权利要求13的方法，其中该燃烧系统进一步包含该CO2提纯单元。
15.权利要求13的方法，进一步包括在使该起动流体循环后停用第一燃烧器组。
16.权利要求14的方法，进一步包括在停用该第一燃烧器组后停用第二燃烧器组。
17.权利要求10的方法，进一步包括在停用至少一个燃烧器后激活至少一个点火器。
18.权利要求10的方法，进一步包括在该系统高于环境温度时用空气吹扫。
19.权利要求17的方法，进一步包括使一次烟道气再循环并减少吹扫该系统的空气量。
20.权利要求17的方法，其中该用空气吹扫相比于该一次烟道气的再循环具有高于O但不大于大约I的比率。
全文摘要
根据一个实施方案，运行氧/燃料系统的方法和氧/燃料系统在激活至少一个燃烧器之前使载气在该燃烧系统中循环、产生包括CO2的燃烧流体，其中该燃烧流体中的CO2含量随时间而提高，并继续产生该燃烧流体一段时间以超过该燃烧流体中的预定CO2含量，该预定含量足以使CO2通过CO2提纯单元提纯。
文档编号F23L7/00GK102947649SQ200980137744
公开日2013年2月27日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月26日
发明者J.W.克卢斯特曼, V.怀特 申请人:气体产品与化学公司