专利名称：氧燃烧式蒸汽发生器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及蒸汽发生器，尤其涉及其中基本上纯氧被注入输送式反应器的蒸汽发生器。
背景技术：
蒸汽发生器，特别是燃煤型的，会产生有害排放物。当前的攻关聚焦于氧燃烧，由于空气燃烧中出现的固有氮气被消除，氧燃烧产生可以被更有效分离的基本上纯二氧化碳生成气。大多数的氧燃烧式蒸汽发生器利用有效的干气回注以生成所需要的集流通过蒸汽发生器以支持热传输过程。高速度的干气回注增加了相当多的成本和复杂性，并增加了辅助动力需求。粉煤蒸汽发生器依赖用于控制热传输的火炉面积。这些系统也固有地需要大量的干气回注以生成火炉和对流表面速度。
发明内容
在一个方面上，用于运行蒸汽发生器的方法包括使用一个输送式反应器，其中，基本上纯氧原料流是在燃烧过程中被引入的唯一的外部供应气体，其数量足以将通过反应器的流速升高到最小临界流速以上所期望的流速。因此，所添加的基本上纯氧的数量将根据通过输送式反应器的所期望的流动速率而变化。作为在此使用的，术语“基本上纯氧 (substantially pure oxygen) ”应当被解释为表示包括95-100%氧气的气体。在运行期间，当输送式发生器在基本上满负荷运行时，燃料和基本上纯氧被燃烧以产生烟气，该烟气具有灰烬和形成其一部分的其它热的固物。燃烧之后，烟气被分离成最终产品部分和再循环产品部分。再循环产品部分被传送通过移动床或流化床类型的热交换器。热量从热的烟气传输到形成为热交换器一部分的工作流体例如但不限于水、水汽或蒸汽。然后再循环产品部分被引导到输送式反应器以帮助燃烧过程。在一个实施例中，分离器是旋风分离器并且输送式反应器以大约30英尺/秒到大约50英尺/每秒之间的流动速率运行。在这个实施例中，热交换器是与分离器的出口流体连通的移动床热交换器(MBHE)。移动床热交换器包括一个允许再循环产品部分绕过形成为移动床热交换器(MBHE) —部分的管状热交换器的支路，借此通过允许热的燃烧产品的一部分绕过热交换器并返回到输送式反应器在输送式反应器中提供较大程度的温度控制。输送式反应器还可以包括一个入口，通过该入口，补充空气或补充惰性气体可以被引入输送式反应器。当通过反应器的流速低于最小临界水平时，补充空气或惰性气体被引入。添加补充空气或惰性气体将通过输送式反应器的流速升高到至少临界速度，在该临界速度点， 基本上纯氧可以被引入。本发明还描述了一种蒸汽发生器，其包括限定入口和出口的输送式反应器。提供一分离器，其具有与输送式反应器的出口流体连通的入口，以用于接收产生的烟气并将烟气分离成经过分离器限定的第一出口的最终产品部分和经过分离器限定的第二出口的再循环产品部分。一移动床热交换器(MBHE)或流化床热交换器安置在分离器的第二出口的下游并且具有与之流体连通的入口。热交换器还包括与输送式反应器的入口流体连通的出口。输送式反应器可以包括一入口，通过该入口，可以提供补充空气或补充惰性气体以在基本上满负荷状态之下维持输送式反应器生产能力。一旦达到基本上满负荷状态，补充空气或惰性气体的添加可以中断并且在这一点，只有基本上纯氧可以被供给到输送式反应器。 在基本上满负荷运行时，基本上纯氧是外部供应到输送式反应器的唯一气体。在一个实施例中，在进入输送式反应器之前，基本上纯氧原料流经过位于分离器第一出口下游的氧气预热器。氧气预热器与最终产品部分和基本上纯氧原料流流体连通， 使得热量从烟气的最终产品部分传输到基本上纯氧原料流。上述内容和其他特征将通过如下附图和详细描述说明。
现在参看附图，其是典型的实施例，其中相似的元件标号类似。图1是一个使用移动床热交换器的蒸汽发生器的示意图。图2是一个使用流化床热交换器的蒸汽发生器的示意图。
具体实施例方式如图1所示，大体上由标号10指示的输送式反应器作为一个燃烧室运行并且限定入口 12和出口 14。固体燃料64，例如但不限于煤，被供给到输送式反应器。输送式反应器 10处于或高于特定的系统载荷运行时，基本上所有的传输气体由导管16和48提供。特定的系统载荷由当所有的或基本上所有的传输气体由导管16和48以用于运行输送式反应器10的最小流速提供时的情况所限定。所述最小流速由输送式反应器和固体燃料的设计和参数所限定，比如说输送式反应器和固体燃料的尺寸。在被供给到燃烧室之前，一部分或基本上所有的传输气体可以在氧气预热器18中被加热(在如下详细描述中解释)。燃烧室出口 14与分离器22的入口 20通过一个导管M连接。如图示的实施例中所示出的，分离器22是具有一个上侧出口沈和一个下侧出口 28的旋风分离器，所述上侧出口沈用于排出烟气的最终产品部分，所述下侧出口观用于排出烟气的、包括停留在燃烧室10期间没有被消耗的加热的固体和在燃烧过程中产生的灰烬的再循环产品部分。旋风分离器22的下侧出口观与热交换器30的入口四流体连通，例如作为“移动床热交换器”(MBHE)在图示的实施例所示出的，在如下详细描述中解释。虽然已经示出移动床热交换器(MBHE)，本发明在这一方面并不限制，作为本发明所属的相关领域技术人员所知的其他类型的热交换器，例如但不限于图2中所示的“流化床热交换器”(FBHE)可以作为替代，其在如下详细描述中解释。流过导管16和18的传输气体是基本上纯氧原料流，其包括由氧气源46提供的基本上纯氧，和其他可能从热交换器30、固体燃料源和/或氧气预热器18渗入的残留气体。 基本上纯氧原料流包括大约90-100%的氧气。如所暗示的，基本上纯氧原料流的氧气纯度可以被流态化气体例如空气加入形成在此描述的实施例的一部分的热交换器所影响。虽然空气已经被描述为用于热交换的流态化气体，但本发明在这一方面并不限制，也可以使用其他气体例如但不限于烟气和基本上纯氧。
仍然参照图1，补充气体管线31连接到输送式反应器10的入口 27。在运行期间， 如果输送式反应器10在用于所期望的系统载荷的最小流速以下运行，补充空气或惰性气体，例如但不限于烟气可以通过气体管线31被引入输送式反应器以将通过输送式反应器的流速升高到至少最小流速。在这一点，基本上纯氧原料流可以被引入输送式反应器。被引入输送式反应器的基本上纯氧原料流的数量将由通过输送式反应器的所期望的系统载荷控制。移动床热交换器(MBHE) 30的出口 32与导管16相流体连通，以使得经过移动床热交换器(MBHE)之后，上述再循环产品部分在导管中与基本上纯氧原料流和被供给在那里的燃料混合并且通过燃烧室入口 12输送到燃烧室10内。烟气的最终产品部分通过上侧出口沈从旋风分离器22排出并且流入由回传管道 35限定的回传空间33。热交换器34与回传管道35相连通并且使用工作流体，例如通过形成热交换器一部分的管道和/或螺旋管供给的蒸汽、水或水蒸汽。通过传导和对流，烟气的热的最终产品部分流过热交换器34，由此将工作流体加热到所期望的温度。继烟气的最终产品部分通过回传空间33后，最终产品部分流过氧气预热器18，以在基本上纯氧引入燃烧室10之前将其预热，所述氧气预热器在如下详细描述中解释。如上所述，旋风分离器22的下侧出口 28与移动床热交换器(MBHE) 30流体连通。 移动床热交换器(MBHE) 30限定可一个内部区域40，在从旋风分离器下侧出口观排出后，烟气的再循环产品部分流入所述内部区域。移动床热交换器(MBHE) 30是一个逆流直接接触热交换器，其使用向下移动经过一系列管状热交换器42的固体集流。热量从燃烧产品传输到管状热交换器以将工作流体例如但不限于蒸汽加热到所期望的处理温度。管状热交换器 42可以使用散热片以增加传热面积。移动床热交换器(MBHE)30的传热机构由其传热率比仅仅使用气体对流所获得的传热率高的传导和对流所控制。虽然移动床热交换器(MBHE) 30 被描述为一个逆流直接接触热交换器来描述，但本发明并不限于这一点，热交换器也可以是并流类型。图示的实施例中所示的移动床热交换器(MBHE) 30装备有支路44以允许烟气的一些再循环产品部分绕过管状热交换器42。通过允许热的燃烧产品的一部分绕过热交换器并返回到燃烧室，以在燃烧室10中提供较大程度的温度控制。在输送式反应器10处于或高于特定的系统载荷运行期间，基本上纯氧原料流是被引入输送式反应器的所有或基本上所有气体。由于其低的气体重量和较高的燃烧室速度，以这种方式使用基本上纯氧允许燃烧室/火炉面积剧烈地减少，与空气燃烧式(air fired) “循环流化床”(CFB)相比较，一些例子中超过80%。而且，没有使用气体再循环，替代地，将基本上纯氧供给到导管16的氧气源46(下面将解释)的排放压力作为主要的牵引源(draft source)操作。基本上纯氧通过氧气引入元件48从氧气源46供应到输送式反应器10。由氧气源 46供应的基本上纯氧在氧气引入元件48的上游通过氧气预热器18预热。氧气预热器18 包括与由氧气源46限定的出口 52连通的冷侧入口 50。氧气预热器18包括氧气出口 54， 该氧气出口与用于引入已加热的基本上纯氧的氧气引入元件48流体连通。从回传空间33 供应的烟气的最终产品部分流过与氧气预热器的热侧入口 58相连通的的导管56。由氧气源46供应的基本上纯氧可以由空气分离装置产生，所述空气分离装置从外界空气原料流中分离出氧气。因此，氧气源46可以由低温设备配置而成。氧气源46也可以配置为包括氧气迁移膜的设备。如图1所示，装置62用于捕获燃烧过程中的副产品，例如但不限于在微粒物和二氧化硫，所述装置位于氧气预热器18的下游并且其在图示的实施例中与导管56相连通。图示的实施例中所示的燃烧室10是一个输送式反应器，其中燃烧气体和固体(灰烬和不完全燃烧燃料)的流动速率最好在大约30英尺/秒到大约50英尺/秒之间。然而本发明不限于这一点，可以使用本发明所属相关领域的技术人员所知的任何有效流动速率。输送式反应器10在比常规反应器高的温度下运行。典型地，输送式反应器10在仅低于所使用的燃料的灰烬熔化温度下运行。这个温度一般是大约2000 然而取决于供给到燃烧室的燃料，这个温度可以稍微变化。由于这些高运行温度，N2O明显地被破坏而不成为燃烧过程的副产品。然而，在燃烧过程中产生N0X。因此，选择性催化反应器(SCR)60 位于热交换器34下游的支路导管33中，以从烟气的最终产品部分中移除N0X。捕获装置62 位于氧气预热器18的下游用于捕获二氧化硫(SO2)和存在于燃料气中的微粒物。在图示的实施例中，捕获装置与导管56相连通。仍然参照图1，如果需要，可以设置抽风式(ID)风扇65。转到图2，在此所示的实施例与图1中所示的实施例相似。因此相似的元件将由前面加数字1的相似标号给出。图2的实施例与图1的实施例不同在于图2的系统使用流化床热交换器(FBHE) 130和节流阀131，而不是移动床热交换器(MBHE) 30。图示的实施例中所示出的流化床热交换器(FBHE) 130使用一个支路144。支路144具有一个第一出口 164 和一个第二出口 166，所述第一出口 164与导管145流体连通，导管145接着与导管116流体连通，所述第二出口 166与节流阀131流体连通。节流阀136还与导管116流体连通，以使得在运行期间，可以操作节流阀以允许更多或更少的热的燃烧产品流回进燃烧室110，从而控制其中的温度。流化床热交换器(FBHE) 130与流化气体供应管线168气体连通。供应管线168用于将流化气例如但不限于空气、烟气或基本上纯氧引入形成流化床热交换器(FBHE) —部分的流化床170。在此所述的实施例采用被供给到输送式反应器10的基本上纯氧的使用。以这种方式下配置蒸汽发生器的优点在于蒸汽发生器的复杂性被降低。由于低的气体重量和较高的燃烧室速度，燃烧室火炉面积可以被明显地减少，相对于常规的空气燃烧式循环流化床 (CFB)蒸汽发生器所需要的燃烧室火炉面积。在此所述的实施例将燃烧和热传输过程分开，因此在热交换器中有更有效的热传输。 虽然本发明的描述涉及各种典型实施例，本领域技术人员知道其可以生成各种变化而且等同物可以替换其中的元件，这并不脱离本发明的保护范围。另外，可以做出多种修改以将具体情况或材料适用于本发明的教导，不脱离其本质范围。因此，其意指本发明不限于用于实行本发明而作为预期的最佳模型所公开的具体实施例，而是本发明将包括属于在所附权利要求范围内所有的实施例。
权利要求
1.一种用于运行蒸汽发生器的方法，包括提供输送式反应器；将单一的基本上纯氧原料流引入所述输送式反应器，其数量足以维持输送式反应器处于或高于特定的系统载荷，特定的系统载荷是指当单一的基本上纯氧原料流以用于运行所述输送式反应器的最小流速供应到输送式反应器时的系统载荷；在所述基本上纯氧原料流面前燃烧燃料以产生烟气，所述烟气包含固体物质；将所述固体物质从烟气中分离；将所述固体物质转移到一热交换器；以及将所述固体物质引导到所述输送式反应器以帮助燃烧过程。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述基本上纯氧原料流由90-100%的氧气组成。
3.如权利要求1所述的方法，其中，分离所述烟气之后，所述方法进一步包括使已分离的烟气部分通过氧气预热器，在所述氧气预热器那里烟气的热量被传输到所述基本上纯氧原料流。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括提供进入所述输送式反应器的入口；当所述输送式反应器以最小临界速度以下的速度运行时，提供补充空气和补充惰性气体中的至少一个通过所述入口并由此进入所述输送式反应器，其数量足以升高通过所述输送式反应器的所述流速至少到所述最小临界速度。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述热交换器是流化床热交换器，且所述方法进一步包括提供进入所述流化床热交换器的入口 ；以及通过所述入口将流化气体引入所述流化床热交换器的所述入口内。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述流化气体是烟气、空气和基本上纯氧中的至少一种。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述热交换器是包括用于允许所述固体物质的至少一部分经其流过的支路的移动床热交换器和流化床热交换器中的一个，且所述方法进一步包括通过操作所述支路控制所述输送式反应器中的温度。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述分离器是旋风分离器，且所述方法进一步包括所述分离之后和在使所述已分离的烟气产品部分通过所述氧气预热器之前，所述烟气的所述已分离的烟气部分被引导进入一回传空间，所述回传空间具有至少一个与其相连通的热交换器，在该热交换器处，热量从所述已分离的烟气部分传输到流经所述至少一个热交换器的工作流体。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述输送式反应器在大约30英尺/秒到大约50英尺/秒的流动速率之间运行。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述热交换器是流化床热交换器，所述方法包括提供一个节流阀，所述节流阀与所述支路流体连通且与所述输送式反应器流体连通；以及操作所述节流阀以控制所述固体物质部分被引导进入所述输送式反应器的速率，从而控制所述输送式反应器内的温度。
11.如权利要求1所述的方法，其中，燃料的燃烧包括在一个接近由所述燃料所限定的灰烬熔化温度的温度下运行所述输送式反应器。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述基本上纯氧原料源由95-100%的氧气组成。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述热交换器是移动床热交换器之一。
14.一种用于运行蒸汽发生器的方法，所述方法包括 提供输送式反应器；将单一的基本上纯氧原料流引入所述输送式反应器，其数量足以保持所期望的流速， 高于通过所述输送式反应器的最小临界速度；在所述基本上纯氧原料流面前燃烧燃料以产生烟气，所述烟气包含固体物质，其至少一部分是热的灰烬；提供具有入口的旋风分离器，所述入口与所述输送式反应器所限定的出口流体连通以使得所述烟气被引导进入所述旋风分离器；所述旋风分离器运行以将所述烟气分离为最终产品部分和再循环产品部分； 使包括所述热的灰烬的至少一部分的再循环产品部分通过与所述旋风分离器的出口流体连通的移动床热交换器；使所述最终产品部分通过氧气预热器，在该氧气预热器处，热量从烟气传输到氧气原料流；以及将所述再循环产品部分引导到燃烧室以帮助燃烧过程。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述基本上纯氧原料流包括90-100%的氧气。
16.如权利要求12所述的方法，其进一步包括提供进入所述输送式反应器的入口；且当所述输送式反应器以低于最小临界速度以下的速度运行时，提供补充空气和补充惰性气体中的至少一个通过所述入口并由此进入所述输送式反应器，其数量足以升高通过所述输送式反应器的所述流速至少到所述最小临界速度。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述方法包括，分离所述烟气之后并且在使所述最终产品部分通过所述氧气预热器之前，所述烟气的所述最终产品部分被引导进入一回传空间，所述回传空间具有至少一个与其相连的热交换器，在该热交换器处，热量从所述最终产品部分传输到流经所述至少一个热交换器的工作流体。
18.如权利要求11所述的方法，其中，当所述输送式反应器在基本上满负荷运行时，将基本上纯氧原料流引入所述输送式反应器，包括在足以促成所述基本上纯氧原料流作为用于蒸汽发生器的主要牵引源的速率和压力下将所述基本上纯氧原料流引入所述输送式反应器。
19.如权利要求12所述的方法，其中，所述输送式反应器在大约30英尺/秒到50英尺 /秒的流动速率之间运行。
20.一种蒸汽发生器，包括输送式反应器，该输送式反应器在单一的基本上纯氧原料流面前燃烧燃料，单一的基本上纯氧原料流的数量足以保持所期望的流速，处于或高于最小临界流速，通过所述输送式反应器以产生烟气，所述烟气包含固体物质； 提供基本上纯氧的氧气源； 将固体物质从烟气中分离的分离器；和接收所述固体物质的热交换器，所述固体物质被引导到所述输送式反应器以帮助燃烧过程。
全文摘要
在一种用于运行蒸汽发生器的方法中，提供输送式反应器。只有基本上纯氧原料流被引入输送式反应器中，其数量足以维持输送式反应器处于或高于特定的系统载荷。特定的载荷是指当单一的基本上纯氧原料流以用于运行所述输送式反应器的最小流速供应到输送式反应器时的系统载荷。在基本上纯氧原料流面前，燃料燃烧以产生包含固体物质的烟气。固体物质从烟气中被分离并且被传送到热交换器。热交换器可以是移动床热交换器或流化床热交换器中的一个。固体物质被引导到输送式反应器以帮助燃烧过程。
文档编号F23C10/10GK102449395SQ201080022333
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月11日 优先权日2009年5月19日
发明者乔治·D·迈克尔雷斯特, 约翰·H·基乌 申请人:阿尔斯通技术有限公司