专利名称：具有最低限度烟道气再循环的氧/燃料燃烧系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及氧/燃料燃烧系统。特别地，本公开涉及降低或消除了烟道气再循环的氧/燃料燃烧系统。
背景技术：
已知的氧/燃料燃烧系统包括烟道气再循环设备、烟道气再循环控制和/或二次燃料注入。已知系统依赖这些构件提供热交换表面的所需温度。这些构件增加系统的尺寸和复杂性、该系统的资本和运行成本、发生劣化并可能提高系统维护需要。由于为提供所需热分布而要循环的相对较大的气体体积，包含烟道气再循环的系统特别相对较大。在锅炉中用氧气燃烧煤，所谓的氧/煤燃烧，具有两个基本挑战；一个是维持将水加热成蒸汽时辐射和对流传热之间的适当平衡，而另一个是保护锅炉中的金属部件免受由极高温的氧/燃料火焰造成的机械破坏。在转化成氧/燃料运行的空气/燃料锅炉中，最常见的方法是使烟道气以充足体积流速再循环以使再循环到炉中的基本包含A和(X)2的混合物接近空气(例如，02/Ν2)。这可能要求烟道气再循环质量流速为燃料流速的大约10-12 倍。因此，仍然需要提供不依赖烟道气再循环设备、烟道气再循环控制或二次燃料注入提供热交换表面的所需温度的氧/燃料系统和燃烧方法，其中该系统具有更小尺寸、更
4低成本和/或更灵活(resilient)，由此产生更大效率。
发明内容
本公开提供不依赖烟道气再循环设备、烟道气再循环控制或二次燃料注入以提供热交换表面的所需温度的氧/燃料系统和燃烧方法，其中该系统具有更小尺寸、更低成本和/或更灵活(resilient)，由此产生更大效率。根据一个实施方案，氧/燃料燃烧系统包括经安排和布置以接收燃料和氧气并燃烧该燃料和氧气以形成燃烧流体的炉、经安排和布置以接收来自该燃烧流体的热的多个热交换器段、和经安排和布置以向该燃烧流体提供氧气以可控调节该燃烧流体的组成和该燃烧流体的温度的多个注氧器。根据另一实施方案，控制燃料燃烧的方法包括提供系统，测量性质，和响应该性质提供氧气、燃料或氧气和燃料的组合。在该实施方案中，该系统包括经安排和布置以接收燃料和氧气并燃烧该燃料和氧气以形成燃烧流体的炉、经安排和布置以接收来自该燃烧流体的热的多个热交换器段、和经安排和布置以向该燃烧流体提供氧气以可控调节该燃烧流体的组成和该燃烧流体的温度的多个注氧器。所测量的性质选自该燃烧流体的温度、该燃烧流体的组成、热交换器段的温度、在热交换器段中加热的流体的温度、接收来自该燃烧流体的热的介质的温度及其组合并紧邻注氧器进行。本公开的一个优点是能够提供具有减小的尺寸的大容量燃烧系统。本公开的又一优点是通过减少氧/燃料燃烧系统的尺寸和部件来降低制造和维护成本。本公开的另一优点在于该燃烧系统的减小的尺寸和减少的部件提供提高的适应力(resilience)。本公开的再一优点在于该燃烧系统需要较少的循环用气体体积，而不降低效率或总功率输出。另一优点是维持将水加热成蒸汽时辐射和对流传热之间的适当平衡，并保护锅炉中的金属部件免受由极高温的氧/燃料火焰造成的机械破坏。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。附图简述
图1示意性显示根据本公开的氧/燃料系统的一个示例性实施方案。图2示意性显示根据本公开的氧/燃料系统的一个示例性实施方案。图3示意性显示根据本公开的氧/燃料系统的一个示例性实施方案。图4示意性显示根据本公开的燃料传输装置。图5示意性显示根据本公开的氧/燃料系统的一个示例性实施方案。图6显示分配和混合方式的示意性正视图。图7显示分配和混合方式的示意性正视图。图8显示分配和混合方式的示意性正视图。图9显示分配和混合方式的示意性正视图。图10示意性显示根据本公开的氧/燃料系统的一个示例性实施方案。
图11图解气体温度与根据一个实施方案传递的热之间的关系。图12图解气体温度与根据另一实施方案传递的热之间的关系。图13图解气体温度与根据再一实施方案传递的热之间的关系。图14图解气体CO浓度与根据一个实施方案传递的热之间的关系。图15图解气体CO浓度与根据另一实施方案传递的热之间的关系。图16图解气体CO浓度与根据再一实施方案传递的热之间的关系。图17图解气体CO浓度与根据又一实施方案传递的热之间的关系。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”及其语法变体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含碳固体燃料，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”及其语法变体是指A浓度大于大气或环境条件的氧化剂。本文所用的术语“氧/煤燃烧”及其语法变体是指在氧气中的煤燃烧，术语 “空气/煤燃烧”及其语法变体是指在空气中的煤燃烧，术语“氧/燃料燃烧”及其语法变体是指在氧气中的燃料燃烧，和术语“空气/燃料燃烧”及其语法变体是指在空气中的燃料燃烧。本文所用的术语“燃烧流体”及其语法变体是指由燃烧产物形成和/或与燃烧产物混合的流体，其可用于对流传热。该术语不限于燃烧产物并可包括与至少一部分燃烧系统混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。尽管不限于此，但一个这样的实例是烟道气。本文所用的术语“再循环烟道气”及其语法变体是指再循环到该系统任何部分的离开该系统的燃烧流体。本文所用的术语“烟道气再循环”及其语法变体是指允许燃烧流体再循环的构造。尽管各种实施方案显示在特定位置的火焰，但要认识到，在发生燃烧的任何位置，火焰可能存在，但不一定必须存在。图1显示本公开的氧/燃料燃烧系统102的一个示例性实施方案。如图1中所示， 氧/燃料燃烧系统102减少与烟道气再循环(TOR)相关的构件(features)以控制和平衡燃烧系统102的炉104和对流段106之间的传热速率。燃烧系统102通过遍布燃烧系统102 加入多个流径(fluid path) 151、153、155、157来减少与TOR相关的构件，这些流径经安排和布置以控制来自燃料107的化学热释放以实现燃烧系统102中所需的燃烧流体温度和燃烧流体与水或蒸汽之间的热交换速率。术语流径是指用于燃烧流体或部分燃烧的燃烧流体的路径。流径151、153、155和157可位于热交换器段之间和/或可以使燃烧流体与氧气混合。在图1中所示的燃烧系统102的实施方案中，多个热交换器段120是束状的，并包括具有液态水加热负荷的上游端121和具有蒸汽加热负荷的下游端123。参照图1，燃烧系统102使用再循环烟道气105运载燃料107而非控制炉104和/ 或对流段106中的传热。TOR用于运载的这种用途需要的量为控制炉104和对流段106传热所需的量的小百分比。例如，载气的质量流速通常小于燃料的质量流速的三倍，并通常小于或等于燃料的质量流速的大致两倍。与此相比，在从空气-燃料转化成氧-燃料运行的锅炉中用于传热控制的预期量为燃料质量流速的10-12倍。此外，用于运载燃料的再循环烟道气具有高度恒定性和稳定性，使得它通常对于缓和和控制蒸汽温度是不理想的。在燃烧系统102的炉104中，加入燃料107和氧气，氧气以亚化学计算量添加。流径153、155、157位于炉104下游并被例如用于气体到液体或气体到蒸汽的传热的热交换器段120与炉104隔开。最好如图3中的实施方案所示，流径151布置在燃烧区下游但在炉 104的至少一部分的上游。燃烧系统102合意地经由流径151、153、155和/或157提供来自燃料107的化学热释放的控制和分布。例如，燃烧系统102提供充足停留时间以供完成燃料混合和燃烧过程。此外，防止热交换器的过热蒸汽管由于引入燃烧系统102的更惯常保持在较低温度的区域的高温而过度加热。热交换器段120可紧邻各流径151、153、155或157的下游安置并用于气体到液体传热。用在气体到液体热交换器下游的气体到蒸汽热交换器布置热交换器段120。在又一实施方案中，布置燃烧系统102以在燃烧系统102中的多个位置测量蒸汽温度、热交换器表面温度、燃烧流体温度和/或燃烧流体组成和用于控制注氧速率和燃料注射速率。在又一实施方案中，紧邻流径151、153、155、157进行这些测量。在再一实施方案中，炉104是位于与燃烧系统102的其余部分分开的容器中的除渣部分氧化反应器(slagging partial oxidation reactor).在此实施方案中，安排和布置炉104以去除渣和将气态产物排放到燃烧系统102。与热交换器段120的分段构造结合的通过控制炉104下游的流径151、153、155、 157来控制燃烧系统102中的能量释放实现进一步控制。该分段构造紧邻位于炉104下游的至少一部分流径151、153、155、157的下游安置水(或液体)加热段。通过选择性安置的工艺气体性质(例如气体和燃烧流体温度或组成)测量装置促进注氧速率的管理和控制。TOR 的使用仅限于提供运载气体105以将燃料107，如煤从燃料加工设备(未显示)运往燃烧器 (其排料到炉104中)的需要。在第一流径151 (显示在图3中)中，燃料107和燃烧流体与氧气一起引入炉104， 在此发生燃料107的部分氧化。在一个实施方案中，将氧气以小于或等于燃料完全燃烧的化学计量需要量的80%的速率注入炉104。在炉104内在第一水加热的传热段140(WH-140) 中发生液体加热。水加热阶段中的能量损失充分降低该燃烧流体的温度以便随后在第一蒸汽加热的热交换段141 (SH-141)中发生蒸气加热。在第二流径153中，注氧器108紧随 SH-14U在第二流径153引入的氧气量低于燃料107的完全燃烧所需的量。在第二流径 153引入的氧气量可能高于推荐蒸汽加热管受到的最高气体温度。因此，在图1所示的实施方案中，第二水加热的热交换器142 (WH-142)紧随第二流径153。在气体和水管之间交换的热将气体温度降至如下程度其中在第二蒸汽加热的热交换器143 (SH-143)中发生向蒸汽的传热。在第三流径巧5中，安排和布置注氧器108以提供亚化学计算量的氧气，接着是从第三水加热的热交换器144 (WH-144)和第三蒸汽加热的热交换器145 (SH-145)传热的第三组合。更往下游，安排和布置第四流径157注氧器108以在燃料107的完全燃烧所需的量以上提供氧气，接着是从第四水加热的热交换器146 (WH-146)和第四蒸汽加热的热交换器147 (SH-147)传热的第四组合。响应在传感器110或其它测量装置处获得的测量结果提供在流径151、153、155、157进入注氧器108的氧气的速率的控制。用于工艺测量的传感器能够控制流径151、153、 155、157。测量包括，但不限于，蒸汽温度、热交换器表面温度、工艺燃烧流体温度和组成， 特别是一氧化碳(CO)和氧气(O2)浓度。例如，考虑离开第一流径151的在SH-141后的条件，如果出口蒸汽温度太低，则在炉104内由燃料107释放更多能量。这可以通过提高注氧速率和/或燃料流速来实现。是否提高燃料107和/或氧气的量或流速的决定取决于离开 SH-141的烟道气的温度和组成。如果这种温度和CO组成的测量结果都在预定范围内，则可调节任一者。在一个实施方案中，优选调节氧气，因为其在燃烧系统的平衡中较不容易产生干扰。在一个实例中，如果温度接近预定范围的下限且CO组成在范围内，则提高注氧速率。 如下列实施例所示，通过计算或通过在现有燃烧系统102上进行的试验确定该范围。类似地，如果该温度在预定范围内但CO接近预定范围的上限，则提高注氧速率以从燃料107中释放必需的能量。但是，如果温度和CO都接近预定范围的下限，则以固定注氧速率提高燃料107的注射速率。本领域技术人员会认识到，可基于该系统的可用测量与特定的设计和运行要求开发额外的控制响应。以类似方式，可以在燃烧系统102各处测量温度和CO组成以控制其它流径151、 153、155、157。在热交换段147后的区域中，传感器110可测量CO和仏浓度。可察觉量的 CO的存在例如意味着需要提高到最终流径157的氧气流量。除有助于控制燃料107注射速率和注氧速率外，燃烧流体温度测量提供安全功能。在一个实施方案中，流径151、153、155或157的局部燃烧流体温度处于或高于燃料 107的自燃温度。自燃温度的值取决于燃料107，但许多燃烧器管理系统需要至少1400 T (760°C)的温度以确保燃料107的自燃。因此，局部燃烧流体温度用于验证是否符合该要求。如果局部气体温度低于自燃点，则需要使用单独的点火源，如引燃喷嘴或连续火花等离子体运行燃烧系统102和用新注入的氧气流151、153、155或157维持部分氧化的燃烧流体的安全稳定燃烧。图2显示本公开的氧/燃料燃烧系统102的一个示例性实施方案。图2中所示的系统类似于参照图1显示和描述的系统。在图2中，燃烧系统102先在单独的室202 (其中从部分燃烧的燃烧流体206中除去炉渣204 (或熔融形式的其它固体残渣))中加工燃料 107后将燃料107注入炉104。在图2中所示的实施方案中，第一流径151、燃料107和部分燃烧的燃烧流体204与氧气一起引入室202，在此发生燃料107的部分氧化。在室202内在 WH-140中发生液体加热。在水-加热阶段过程中损失的能量充分降低该燃烧流体的温度， 以便随后在炉104中的SH-141中发生蒸气加热，而不过度加热蒸汽管。在此实施方案中， 在室202和燃烧系统102的其余部分之间进行燃烧流体温度和组成测量以利于控制工艺条件。图2中所示的实施方案从燃料107中除去炉渣204，由此降低微粒转移到炉104 中。因此，降低下游微粒去除设备的尺寸，也降低燃烧系统102内的结垢和侵蚀倾向。结垢降低的效果在于，可以将各种热交换器中的管之间的间距减至最低，由此提高管束中的燃烧流体速度和降低促进气体与水或蒸汽之间的能量转移所需的燃烧系统102总尺寸。图3显示与图2中所示的实施方案类似的实施方案，但在炉104中包括WH-140。 也在图3中，包含氧气的第一流径151在用于第一氧化阶段的室202中。图4显示不需要使用TOR运载燃料107的本公开的一个实施方案。在此实施方案中，将TOR换成例如使用含水流、通过固体燃料重力进料到燃烧器、通过机械装置、通过用氧气或其它气体(不包括RFG)作为吸入剂吸入、通过本领域已知的其它系统和/或通过它们的组合输送燃料107。图4显示经安排和布置以将燃料107送入燃料导管404的装置 401。装置401被描绘为带有回转阀406的料斗，但可以是任何其它燃料输送装置。如图4 中所示，推杆408或活塞将燃料107送往燃料导管404的喷嘴端410。气态流体流402在环形套筒412中沿燃料导管404的外部流动并在喷嘴端410会合燃料107。气态流体流402 的高速度产生吸力(suction)，其将燃料107吸出燃料导管404并将其分散到从喷嘴端410 排出的流动的气体/固体混合物中。如果燃烧器的取向为垂直而非水平，可以使用无推杆 408的相同系统。图4的料斗的使用允许从燃烧系统102中完全除去TOR。图5显示本公开的另一实施方案。燃烧系统102的这一实施方案包括来自上述实施方案的所有特征和限制。特别地，此实施方案可包括reR，尽管未描绘在图5中。在此实施方案中，燃烧系统102包括供氧系统502。如图5中所示，供氧系统502可以是例如，空分装置(ASU)。使用已知设备和方法将来自ASU的空气分离成气态氧504和气态氮506。如所示，气态氮506流向第一外部热交换器512，同时从离开SH-147的燃烧流体中接收热能。 气态氮506随后流经第二外部热交换器510，在此将其大部分热释放到气态氧504流中。随后如上所述分布气态氧504。气态氮506的温流(warm stream)离开第二外部热交换器510 和流向燃料干燥器508，在此利用其固有的低湿含量和略微升高的温度，其加热和干燥进入燃烧系统102的燃料107。气态氮506废气由此在等于或接近环境温度下与残留燃料水分一起离开燃烧系统102，同时以由于这些热交换和燃料干燥过程而提高的热效率在炉104 中燃烧该加热的干燥的燃料加上加热的氧气。在炉104下游的注氧器108快速混合和释放来自燃烧流体的化学能，尽管化学活性组分的浓度较低。安排和布置注氧器108以与燃烧流体快速混合。图6至9显示经安排和布置以促进氧气与燃烧流体的快速混合的注氧器108。如图6至9中所示，流径153 (可能是流径151、155和/或157)可包括专门经构造以提高混合速率的混合装置，在此注氧器108和燃烧流体在区域600中会合。尽管所示流径153被描绘在区域600中，但可以在要求混合两种流体，例如氧气和燃烧流体的任何位置使用该混合装置。快速混合可能对提高的效率和控制精度而言是合意的。如图6中所示， 在一个实施方案中，可以将喷枪404插入流径153以在整个燃烧流体各处分配氧气。图7显示在流径153 (可能是流径151、155和/或157)分配氧气的另一方式。在图7中，紧邻注氧器108安装多个喷嘴502。要认识到，圆形或非圆形横截面的喷嘴502可如图7中所示与输入的气流呈90度角取向，或以不同角度取向。图8显示在流径153 (可能是流径151、155和/或157)流向中呈非90度角的喷嘴502。图9显示在流径153 (可能是流径151、155和/或157)的相反流向中呈非90度角的喷嘴502。可以使用其它注氧布置108。
实施例主要基于管结垢考虑，合意的炉排出气体温度通常为大约2200至2550° F(1200 至1400°C )。因此，根据局部传热系数，在气体到蒸汽热交换器，特别是使用现有技术状况的锅炉管材料的那些，略高的气体温度是可接受的。对本实施例中的举例说明而言，分析进入气体到蒸汽热交换器的达到大约2700 T (1482°C)的气体温度。通过下列实施例说明本公开的上述实施方案的可能的操作参数。在根据本公开的图1所示的实施方案的系统中用100%纯氧燃烧的具有表1中所列性质的高挥发性烟煤燃烧，以产生用于单再热涡轮发电机的蒸汽，产生600 MW (净)电力。气体与水/蒸汽之间的总热交换速率为4700 MMBtu/hr (百万英热单位/小时)。传热分配为从气体到(液态)水 3000 MMBtu/hr 和从气体到蒸汽 1700 MMBtu/hr 表 权利要求
1.氧/燃料燃烧系统，包含炉，其经安排和布置以接收燃料和氧气并燃烧该燃料和该氧气以形成燃烧流体； 多个热交换器段，其经安排和布置以接收来自该燃烧流体的热；和多个注氧器，其经安排和布置以向该燃烧流体提供氧气以可控调节该燃烧流体的组成和该燃烧流体的温度。
2.权利要求1的燃烧系统，其中该燃料是固体燃料。
3.权利要求2的燃烧系统，进一步包含经安排和布置用于将该固体燃料传输至该炉的烟道气再循环构造。
4.权利要求2的燃烧系统，进一步包含经安排和布置以仅用于将固体燃料传输至炉的烟道气再循环构造。
5.权利要求1的燃烧系统，进一步包含测量装置，其紧邻所述多个注氧器安排在该系统中，并经布置以测量选自该燃烧流体的温度、该燃烧流体的组成、该热交换器段的温度、 接收来自该燃烧流体的热的介质的温度及其组合的性质。
6.权利要求5的燃烧系统，进一步包含控制系统，其经安排和布置以响应由该测量装置进行的测量调节注氧速率和燃料注射速率。
7.权利要求1的燃烧系统，其中该炉进一步包含经安排和布置以去除炉渣的单独的室。
8.权利要求1的燃烧系统，其中该燃烧系统基本不含烟道气再循环构造。
9.权利要求1的燃烧系统，进一步包含经安排和布置以产生氧气和基本包含氮气的副产物的供氧系统。
10.权利要求9的燃烧系统，进一步包含经安排和布置以将来自燃烧流体的热传送至该副产物的第一热交换器，和经安排和布置以将来自该副产物的热传送至该氧气的第二热交换器。
11.权利要求10的燃烧系统，其中离开该第二热交换器的该副产物经构造以用作用于干燥该燃料的介质。
12.权利要求1的燃烧系统，其中该热交换器段的每个包含液体加热段，接着蒸气加热段。
13.权利要求1的燃烧系统，其中所述多个注氧器中的一个或多个安排在该热交换器段之间。
14.权利要求1的燃烧系统，其中注入该炉的该氧气少于或等于该燃料的完全燃烧的化学计算需要量的80%。
15.控制燃料燃烧的方法，包括提供系统，其包含经安排和布置以接收燃料和氧气并燃烧该燃料和该氧气以形成燃烧流体的炉、经安排和布置以接收来自该燃烧流体的热的多个热交换器段、和经安排和布置以向该燃烧流体提供氧气以可控调节该燃烧流体的组成和该燃烧流体的温度的多个注氧器；测量选自该燃烧流体的温度、该燃烧流体的组成、该热交换器段的温度、接收来自该燃烧流体的热的介质的温度及其组合的性质，紧邻该注氧器实现该测量；和响应该性质提供氧气、燃料、或氧气和燃料的组合。
16.权利要求15的方法，进一步包括提供充足的氧气和燃料以调节来自燃料的该化学热释放。
17.权利要求16的方法，其中调节所提供的氧气和燃料的量以控制该燃烧流体的温度和在该燃烧流体与该热交换段之间的传热速率。
18.权利要求16的方法，其中测量该热交换器段温度，可通过提供来自该燃料的受控化学能释放来调节该热交换器段温度。
19.权利要求16的方法，其中通过调节注氧速率来调节由该燃料释放的化学能。
20.权利要求15的方法，进一步包括测量该燃烧流体中的CO的浓度，可通过调节至少一个注氧器中的注氧速率来调节CO的浓度。
21.权利要求15的方法，进一步包括测量该燃烧流体的温度并响应该燃烧流体的该温度调节在至少一个该注氧器中的注氧速率。
22.权利要求15的方法，进一步包括测量燃烧流体温度和响应该燃烧流体温度激活点火源。
23.权利要求15的方法，进一步包括将少于或等于该燃料的完全燃烧的化学计算需要量的80%的氧气注入到该炉中。
24.权利要求15的方法，其中该燃料是固体燃料。
25.权利要求M的方法，其中该系统进一步包含经安排和布置用于将该固体燃料传输至该炉的烟道气再循环构造。
26.权利要求M的方法，其中该系统进一步包含经安排和布置仅用于将该固体燃料传输至该炉的烟道气再循环构造。
全文摘要
本公开包括控制燃料燃烧的系统和方法，包括提供系统，测量性质，和响应该性质提供氧气和燃料。该系统包括经安排和布置以接收燃料和氧气并燃烧该燃料和氧气以形成燃烧流体的炉、经安排和布置以接收来自该燃烧流体的热的多个热交换器段、和经安排和布置以向该燃烧流体可控提供氧气以调节该燃烧流体的组成和该燃烧流体的温度的多个注氧器。所测量的性质选自该燃烧流体的温度、该燃烧流体的组成、热交换器段的温度及其组合并紧邻注氧器进行。
文档编号F23L7/00GK102165254SQ200980137774
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月26日
发明者M·D·达戈斯蒂尼 申请人:气体产品与化学公司