專利名稱：用于運(yùn)行燃燒爐的方法以及燃燒爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于運(yùn)行燃燒爐的方法以及燃燒爐。
背景技術(shù)：
例如，為在發(fā)電站中產(chǎn)生蒸汽而燃燒化石能量載體時(shí)，所產(chǎn)生的燃燒氣體(煙氣) 中除其它以外還有CO2,它是導(dǎo)致氣候變化的溫室效應(yīng)可能的主要原因。為了在地質(zhì)結(jié)構(gòu)如石油或天然氣層、地下蓄水層或煤層長久貯藏(儲(chǔ)藏)的目的， 可以通過不同的方法在發(fā)電站過程中分離co2。在燃燒后(燃燒后捕集)通過吸收(化學(xué)和物理地)、吸附、液化或通過薄膜方法在常規(guī)的發(fā)電站過程的冷端從燃燒氣體的N2/C02/H20混合物中分離CO2是耗費(fèi)的。為此所需的能量例如從過程蒸汽獲取并且導(dǎo)致顯著的效率損失。但是，燃燒后CO2分離的優(yōu)點(diǎn)在于， 相對(duì)于其它方法而言對(duì)于電站過程的干預(yù)較小，因此該方法也適于對(duì)現(xiàn)有的發(fā)電站的再修改。在煤氣化方法中，為了在燃燒之前(燃燒前捕集)分離CO2，首先氣化燃料煤(集成氣化組合循環(huán)，IGCC-發(fā)電站)，并且在此形成的CO與水蒸汽反應(yīng)得到H2和(X)2 (水煤氣反應(yīng)或CO置換)。CCHH2O- > CO2+H2現(xiàn)在，CO2可以以更高的濃度并在高壓下從燃?xì)庵型ㄟ^物理吸收去除。剩余的氫氣用于通過燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)發(fā)電。因此，最后從發(fā)電站排出的廢氣實(shí)際上沒有C02。在所謂的氧燃料方法中，替代空氣向燃燒過程供應(yīng)氧氣作為氧化劑。該方法具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一是與從燃燒后帶有空氣的尾氣流分離(X)2相比，從(X)2高度富集的燃燒氣體中分離(X)2更容易，因?yàn)槿紵龤怏w基本上由(X)2和H2O組成。第二是由于在燃燒氣體中省去了空氣-氮?dú)獾某煞荻鴾p少了燃燒氣體-能量損失，以及第三是避免了由于空氣-氮?dú)鈱?dǎo)致的氮氧化物排放。因?yàn)樵诩冄踔械娜紵龝?huì)導(dǎo)致高得多的燃燒溫度，將從空氣中分離的氧氣與燃燒氣體的循環(huán)部分混合，然后才輸送到燃燒中。因此，用回饋的燃燒氣體替代空氣-氮?dú)?。空氣可以通過各種方法分離其成分(即首先是氮?dú)?、氧氣，其次是稀有氣體)。技術(shù)上成熟、但耗費(fèi)能量、低溫工作的空氣分離(低溫空氣分離)在機(jī)械驅(qū)動(dòng)的熱力學(xué)過程中將空氣分離為其主要的成分氮?dú)夂脱鯕?，并且包括子步驟，如壓縮空氣、去除水蒸氣和二氧化碳、分散蒸餾(精餾)以及通過定量膨脹制冷。替代低溫空氣分離設(shè)備，現(xiàn)在建議以薄膜為基礎(chǔ)用于分離氧氣的裝置(氧傳送膜 0ΤΜ)。薄膜效應(yīng)——滲透性地或電化學(xué)地或也通過產(chǎn)生氧氣的空氣側(cè)(滯留側(cè))和接受氧氣側(cè)(滲透側(cè))之間的局部壓差表示——導(dǎo)致氧氣至少部分地從空氣中分離。通過薄膜替代低溫的空氣分離設(shè)備被認(rèn)為在無(X)2的發(fā)電站方案中提高效率的可能選擇。然而，基于薄膜的、用于空氣分離的裝置具有這樣的缺點(diǎn)，S卩，薄膜裝置必須保持在700°C至1000°C范圍內(nèi)的相對(duì)高的運(yùn)行溫度(高溫薄膜方法)，以便薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)其功能。相應(yīng)地必須持續(xù)地向薄膜反應(yīng)器輸送熱能，以便該薄膜反應(yīng)器具有用于將氧氣從空氣分離所需的過程溫度。氧燃料方案，其中薄膜是過程的核心組件，例如由A^P-項(xiàng)目(advancedzero emission power plant, 5. Rahmenprogramm der Europaischen Union, Projektnummer ENK5-CT-2001-00514 ；CORDIS, Forschungs-&Entwicklungsinformationsdienst der Gemeinschaft)公知或由亞琛工業(yè)大學(xué)進(jìn)一步發(fā)展以及由RWE Power股份公司、E. ON能源公司、西門子公司、Linde公司和WS-WSrmeprozesstechnik有限公司共同參與并一起贊助。氧煤氣冷方法(Oxycoal-AC-Verfahren)的燃燒過程的框圖在圖1中示出。該過程的重要特征是集成在設(shè)備圖中的、用于獲取氧氣的高溫薄膜設(shè)備，該薄膜在高壓側(cè)被供應(yīng)空氣，并且通過離子傳導(dǎo)的薄膜在約800°C的運(yùn)行溫度下向循環(huán)的燃燒氣體流放出氧氣。 通過這種運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)高的局部壓降并因此實(shí)現(xiàn)對(duì)氧氣的高滲透性。從高溫薄膜設(shè)備向燃燒器輸送的氣體混合物基本上由C02、H2O和&組成，并且具有和傳統(tǒng)的燃燒過程中的燃燒空氣一樣的氧氣份額，因此也應(yīng)形成在燃燒技術(shù)中常見的燃燒溫度?？梢酝ㄟ^冷凝從由該過程排出的燃燒氣體中分離水。然而，該裝置具有這樣的缺點(diǎn)，S卩，如果在過程的外圍設(shè)備上產(chǎn)生氧氣，那么燃燒氣體被從蒸汽發(fā)生器一直輸送到外圍設(shè)備，并且為減小薄膜的接受氧氣側(cè)由于燃燒氣體的污染而造成的負(fù)荷，必須在中間連接一熱燃?xì)馇鍧嵮b置。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，建議一種用于運(yùn)行燃燒爐的方法以及一種燃燒爐，其克服基于薄膜的氧氣分離設(shè)備中的上述缺點(diǎn)。按照本發(fā)明，該技術(shù)問題通過權(quán)利要求1以及權(quán)利要求13的特征解決。其它有利的實(shí)施形式在各從屬權(quán)利要求中提及。在按本發(fā)明的方法中，為保持所需的過程溫度而向薄膜輸送熱能，其中，該熱能由燃燒器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的燃燒氣體與空氣的熱交換獲得，并且加熱的空氣被輸送到薄膜，并且所分離出的氧氣通過導(dǎo)管從薄膜排出。通過熱交換過程及其與在燃燒器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的燃燒氣體的高溫水平的有利耦合獲得了一種特別有效的方法，將空氣加熱到所需的過程溫度，也就是薄膜單元運(yùn)行所需的溫度，并且然后將已加熱的空氣以正確的溫度輸送到薄膜。因此，可以以特別簡單的方式使薄膜處于通常700°C至1000°C的運(yùn)行溫度。在薄膜中分離的氧氣的溫度同樣還基本上是原來的過程溫度，并且可以在氧氣被輸入到燃燒過程的載氣(大多是CO2)中之前有利地用于加熱要輸送到薄膜的一部分空氣。因?yàn)檠鯕獾木植繅毫κ茄鯕馔ㄟ^薄膜分離的驅(qū)動(dòng)力，所以由薄膜將從空氣中分離出的氧氣從薄膜的滲透側(cè)輸送走是合適的。優(yōu)選一部分燃燒氣體在與空氣熱交換之后與氧氣混合，具體是使該混合物具有與傳統(tǒng)燃燒過程中燃燒空氣相同的氧氣份額，因此在氧氣/燃燒氣體的混合物被輸送到用于燃燒化石燃料的燃燒器時(shí)，也可以形成在燃燒技術(shù)中常見的燃燒溫度。
基本上還處于原始溫度，即過程溫度的、加熱的空氣在滯留側(cè)離開薄膜裝置，該空氣有利地用于進(jìn)一步的應(yīng)用，例如通過向水-蒸汽回路傳遞熱以利用加熱的空氣的熱能， 或者用于驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)組的膨脹器，該燃?xì)廨啓C(jī)組又有利地用于壓縮要輸送到薄膜的空氣。相對(duì)于氧煤氣冷方法，該方法具有更多的優(yōu)點(diǎn)。第一是薄膜不受燃燒氣體沖擊，因此不需要清潔熱燃?xì)?。在這種結(jié)構(gòu)中，薄膜僅僅與空氣接觸，從而排除了薄膜材料由于包含在燃燒氣體中的燃燒物的損壞。第二是，熱燃燒氣體僅需在相對(duì)較短的循環(huán)管道中輸送。第三是可以在蒸汽發(fā)生器中實(shí)現(xiàn)熱交換器的緊湊結(jié)構(gòu)以及熱空氣導(dǎo)管的緊湊結(jié)構(gòu)，因?yàn)闊峥諝馔ǔ４嬖谟?gt; Mbar的壓力下。此外，薄膜技術(shù)可以集成在第一代的氧煤方法中。按本發(fā)明的、尤其是用于實(shí)施按本發(fā)明的方法的燃燒爐包括一燃燒器和一薄膜單元，該薄膜單元包括薄膜、滲透側(cè)和滯留側(cè)，用于從空氣分離氧氣，其中，薄膜單元以其滲透側(cè)通過導(dǎo)管與燃燒器連接，其中，在燃燒氣體流中這樣地連接一熱交換器，使得其初級(jí)側(cè)可由在化石燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱燃燒氣體加載，而次級(jí)側(cè)可用于將能輸送到熱交換器的空氣加熱到薄膜單元運(yùn)行所需的溫度，并且可輸送給該薄膜單元，并且在薄膜單元中分離出的氧氣可通過導(dǎo)管從薄膜導(dǎo)走。優(yōu)選在滲透側(cè)和燃燒器之間在導(dǎo)管中連接一氧氣/空氣-熱交換器，以便將在薄膜中分離出的、基本上還處于原始過程溫度的氧氣的溫度這樣地降低，使得循環(huán)的燃燒氣體流，即，C02流通過與氧氣的混合不再或僅不明顯地升高溫度。氧氣/空氣-熱交換器的次級(jí)側(cè)有利地連接在薄膜的滯留側(cè)上游，用于輸送加熱的空氣。把來自于與燃燒氣體的熱交換的熱空氣和來自于與分離的氧氣熱交換的加熱空氣在碰到滯留側(cè)之前混合是有利的。也有利的是，針對(duì)于薄膜上氧氣的局部壓力差，在與薄膜的滲透側(cè)連接的導(dǎo)管中設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)。此外有利的是用于燃燒氣體的循環(huán)導(dǎo)管和在薄膜的滲透側(cè)和燃燒器之間將該循環(huán)導(dǎo)管與導(dǎo)引氧氣的導(dǎo)管相連接。在燃燒器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的、在與空氣熱交換時(shí)冷卻的燃燒氣體(大多是CO2)的回送，以及將分離的氧氣向該循環(huán)的燃燒氣體中的供給防止了否則化石燃料在純氧中燃燒會(huì)出現(xiàn)的高燃燒溫度。有利的是，薄膜的滯留側(cè)與壓縮機(jī)連接，該壓縮機(jī)可輸送給要通過薄膜分解的空氣，該薄膜與一膨脹器耦合，該膨脹器可由基本上還處于原始溫度，也就是過程溫度的已加熱的貧氧化空氣加載，所述空氣在滯留側(cè)離開薄膜裝置。所述薄膜優(yōu)選是氧離子傳導(dǎo)的薄膜。燃燒爐相宜地包括一化石加熱的蒸汽發(fā)生器。尤其是在該蒸汽發(fā)電站包括可借助其從燃燒氣體中去除高度富集的(X)2的(X)2去除裝置時(shí)，蒸汽發(fā)電站中的燃汽輪機(jī)設(shè)備帶有一蒸汽透平是尤其有利的。


以下根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。圖1是氧煤氣冷方法的燃燒過程的框圖2是按本發(fā)明的、例如用于燃燒煤粉的蒸汽發(fā)電站的燃燒爐的原理框圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了由現(xiàn)有技術(shù)公開的氧煤氣冷方法的燃燒過程的框圖。燃燒爐1’具有帶有燃燒器3的蒸汽發(fā)生器2。該蒸汽發(fā)生器2連接在沒有詳細(xì)示出的蒸汽透平設(shè)備的水-蒸汽回路中。燃燒器3具有用于化石燃料4的輸送管。此外，存在一用于氧氣/燃燒氣體-混合物的輸送管5，該輸送管通入燃燒器3。化石燃料在蒸汽發(fā)生器2中與氧氣/燃燒氣體混合物一起燃燒，因此蒸汽發(fā)生器的管道系統(tǒng)中的水以高溫轉(zhuǎn)化為蒸汽。在氧煤氣冷方法中，在過程溫度下借助于薄膜單元沈的薄膜6從空氣中分離氧氣 25并且輸送到循環(huán)的燃燒氣體流9中，其中，薄膜的滯留側(cè)7被供給壓縮空氣22。為保持所需的過程溫度所需的加熱能量從燃燒氣體9獲得，所述燃燒氣體通過循環(huán)導(dǎo)管觀被輸送到薄膜6的滲透側(cè)8并且和氧氣25 —起被再次導(dǎo)出(清掃氣體)。通過這種運(yùn)行引導(dǎo)，也實(shí)現(xiàn)了高的局部壓差并因此實(shí)現(xiàn)了氧氣25的高滲透性。氧氣/燃燒氣體混合物10基本上由C02，H2O和&組成，并且具有約和傳統(tǒng)燃燒中的燃燒空氣一樣的氧氣份額，因而會(huì)形成在燃燒技術(shù)中常見的燃燒溫度。為與化石燃料4 反應(yīng)，混合物10被輸送到燃燒器3。由于借助于薄膜25分離氧氣25而至少部分貧化的空氣M被輸送到膨脹器11。 燃汽輪機(jī)組與膨脹器11耦合在同一軸12上，其壓縮機(jī)13抽吸空氣21，而薄膜6通過壓縮空氣導(dǎo)管四用壓縮空氣22加載。為減小薄膜6由于循環(huán)的燃燒氣體9的污染而造成的負(fù)荷，在蒸汽發(fā)生器2和薄膜6之間連接有熱燃?xì)馇鍧嵮b置14。鼓風(fēng)機(jī)15支持燃燒氣體循環(huán)。作為按本發(fā)明的燃燒爐1的實(shí)施形式，圖2示出了用于煤粉加熱的蒸汽發(fā)電站的原理連接圖。以下說明基本上限于與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施形式的區(qū)別，相同的特征和功能可以參見上述說明。相同的部件基本上用相同的附圖標(biāo)記表示。在圖2所示的實(shí)施形式中，為保持所需的過程溫度不直接通過燃燒氣體向薄膜6 輸送熱能，而是通過在薄膜6的滯留側(cè)7上加載的空氣23。所述空氣在燃燒氣體/空氣-熱交換器17中與燃燒氣體熱交換，加熱到700°C至1000°C，優(yōu)選800°C至900°C，以保證薄膜 6足夠的運(yùn)行溫度。積聚在薄膜的滲透側(cè)8的氧氣25 (滲透物)借助于鼓風(fēng)機(jī)16通過導(dǎo)管27輸送走， 并供應(yīng)到燃燒器3。另一安裝在氧氣路徑中的熱交換器18的目的是使氧氣溫度盡可能從薄膜運(yùn)行溫度下降，g卩，在燃燒粉塵的蒸汽發(fā)生器2中，通過循環(huán)導(dǎo)管觀回送的二氧化碳流9通過與氧氣25混合不再或僅不明顯地升高其溫度。在此，熱交換器18的次級(jí)側(cè)通過壓縮空氣管道四加載一部分壓縮機(jī)端空氣19，所述空氣在此被加熱并且混入來自蒸汽發(fā)生器2的熱空氣流20。在這種運(yùn)行導(dǎo)引中，燃燒氣體9和薄膜6之間沒有出現(xiàn)直接接觸。因此也不需要熱燃?xì)馇鍧嵮b置14。
權(quán)利要求
1.一種用于運(yùn)行燃燒爐(1)的方法，該燃燒爐帶有用化石燃料運(yùn)行的燃燒器O)，其中，在過程溫度下借助于薄膜(6)從空氣中分離氧氣，其中，將所分離出的氧氣輸送到所述燃燒器(3)，以便與所述化石燃料一起燃燒，從而形成熱燃燒氣體，其特征在于，為保持所需的過程溫度而向所述薄膜(6)輸送熱能，其中，所述熱能在與所述空氣的熱交換中從熱燃燒氣體獲得，其中，加熱的空氣被輸送到所述薄膜(6)，并且所分離出的氧氣通過導(dǎo)管(XT) 從所述薄膜(6)導(dǎo)引走。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述空氣在與所述燃燒氣體的熱交換中加被熱到 700°C至 1000°C，優(yōu)選 800°C至 900"C。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，冷卻借助于所述薄膜(6)分離的氧氣。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述分離出的氧氣在與空氣的熱交換中被冷卻，其中，所述空氣則被加熱。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，已加熱的空氣與通過與所述燃燒氣體的熱交換加熱的空氣混合，并將如此加熱的空氣輸送到所述薄膜(6)。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其中，所述氧氣被從所述薄膜(6)輸送走。
7.如權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其中，至少一部分燃燒氣體在與所述空氣熱交換之后與氧氣混合。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述燃燒氣體/氧氣混合物被輸送到所述燃燒器 (3)，用于與所述化石燃料一起燃燒。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其中，由于氧氣借助于所述薄膜(6)的分離而至少部分貧化的空氣被輸送到一膨脹器(11)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述膨脹器(11)驅(qū)動(dòng)一壓縮機(jī)(13)，該壓縮機(jī)用壓縮空氣加載所述薄膜(6)的滲透側(cè)。
11.如權(quán)利要求1至10之一所述的方法，其中，80%至100%的空氣被輸送到與所述熱燃燒氣體的熱交換。
12.如權(quán)利要求1至11之一所述的方法，其中，0%至20%的空氣被輸送到與從空氣分離出的氧氣的熱交換。
13.一種燃燒爐(1)，尤其是用于實(shí)施如前列各項(xiàng)權(quán)利要求之一所述的方法，帶有一燃燒器C3)和一薄膜單元( )，該薄膜單元包括薄膜(6)、滯留側(cè)(7)和滲透側(cè)(8)，用于從空氣中分離氧氣，其中，所述薄膜單元06)以其滲透側(cè)(8)通過導(dǎo)管(XT)與所述燃燒器(3) 連接，其特征在于，在燃燒氣體流中這樣地連接有熱交換器(17)，使得該熱交換器在初級(jí)側(cè)可由在化石燃燒中產(chǎn)生的熱燃燒氣體加載，而次級(jí)側(cè)可將能輸送到所述熱交換器(17)的空氣(19)加熱到所述薄膜單元06)運(yùn)行所需的溫度并且可輸送到所述薄膜單元( )，并且在所述薄膜單元06)中分離的氧氣可通過導(dǎo)管(XT)從所述薄膜(6)導(dǎo)引走。
14.如權(quán)利要求13所述的燃燒爐(1)，其中，一氧氣/空氣熱交換器(18)的初級(jí)側(cè)連接在所述滲透側(cè)(8)和所述燃燒器(3)之間的導(dǎo)管(XT)中。
15.如權(quán)利要求14所述的燃燒爐(1)，其中，所述氧氣/空氣熱交換器(18)的次級(jí)側(cè)連接在所述滯留側(cè)(7)的前面。
16.如權(quán)利要求13至15之一所述的燃燒爐(1)，其中，可在所述熱交換器(17)中加熱到過程溫度的空氣與在所述氧氣/空氣-熱交換器(18)的次級(jí)側(cè)加熱的空氣可以混合，并能輸送到所述滯留側(cè)(7)。
17.如權(quán)利要求13至16之一所述的燃燒爐(1)，其中，在所述滲透側(cè)⑶和燃燒器(3) 之間的導(dǎo)管(XT)中連接有鼓風(fēng)機(jī)(16)。
18.如權(quán)利要求13至17之一所述的燃燒爐(1)，其中，將所述滲透側(cè)⑶與所述燃燒器(3)相連接的所述導(dǎo)管(XT)與用于燃燒氣體的循環(huán)導(dǎo)管08)連接，。
19.如權(quán)利要求13至18之一所述的燃燒爐(1)，其中，所述滯留側(cè)(7)與用于利用滲透物的機(jī)械能和熱能的膨脹器(11)連接。
20.如權(quán)利要求19所述的燃燒爐(1)，其中，所述膨脹器(11)與壓縮機(jī)(1 耦合。
21.如權(quán)利要求20所述的燃燒爐(1)，其中，所述壓縮機(jī)(13)是空氣壓縮機(jī)(13)，該空氣壓縮機(jī)可為通過所述薄膜(6)的分離而輸送空氣01)。
22.如權(quán)利要求21所述的燃燒爐(1)，其中，所述空氣壓縮機(jī)(13)通過導(dǎo)管09)與所述滯留側(cè)(7)連接。
23.如權(quán)利要求13至22之一所述的燃燒爐(1)，其中，所述薄膜(6)是傳導(dǎo)氧離子的薄膜。
24.如權(quán)利要求13至23之一所述的燃燒爐(1)，其中，帶有一化石加熱的、可用所述燃燒器⑶加熱的蒸汽發(fā)生器O)。
25.一種蒸汽發(fā)電站，帶有蒸汽透平和按權(quán)利要求13至M之一所述的燃燒爐(1)。
26.如權(quán)利要求25所述的蒸汽發(fā)電站，包括(X)2分離裝置，借助于該分離裝置可將C02 從燃燒氣體分離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃燒爐，該燃燒爐帶有一燃燒器和一薄膜單元，該薄膜單元包括薄膜、滲透側(cè)和滯留側(cè)，用于從空氣中分離氧氣，其中所述薄膜單元以其滯留側(cè)通過導(dǎo)管與所述燃燒器連接，其中，一熱交換器這樣地連接在燃燒氣體流中，使得該熱交換器在初級(jí)側(cè)可由在化石燃燒中產(chǎn)生的熱燃燒氣體加載，而次級(jí)側(cè)可將能輸送到所述熱交換器的空氣加熱到所述薄膜單元運(yùn)行所需的溫度并且可輸送到所述薄膜單元。本發(fā)明還涉及一種用于運(yùn)行這種燃燒爐的方法。
文檔編號(hào)F23L7/00GK102216687SQ200880102384
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者卡斯滕·格雷伯, 哈拉爾德·蘭德斯, 弗蘭茲·斯圖爾米勒, 托拜厄斯·喬肯霍伊維爾 申請(qǐng)人:西門子公司