氧-燃料燃燒氧化劑加熱器內(nèi)部設(shè)置的制作方法
【專利說(shuō)明】氧-燃料燃燒氧化劑加熱器內(nèi)部設(shè)置
[0001] 本申請(qǐng)是相同申請(qǐng)人"巴布科克和威爾科克斯能量產(chǎn)生集團(tuán)公司"提交的申請(qǐng)?zhí)?為201110050394.8、申請(qǐng)日為2011年2月25日的發(fā)明專利申請(qǐng)"氧-燃料燃燒氧化劑加 熱器內(nèi)部設(shè)置"的分案。
[0002] 發(fā)明領(lǐng)域和背景
[0003] 本發(fā)明一般涉及用于燃煤發(fā)電裝置的氧化劑加熱器（空氣加熱器和空氣預(yù)熱器） 領(lǐng)域，具體涉及用于氧-燃料燃燒的系統(tǒng)和方法，其結(jié)合了新穎的代表性的氧化劑加熱器 內(nèi)部扇區(qū)設(shè)置，以及主要氧化劑風(fēng)機(jī)和主要氧化劑混合器的關(guān)鍵性定位。
【背景技術(shù)】
[0004] 氧氣燃燒（"氧-燃料燃燒"）是一種為了在燃燒氣體中達(dá)到高得多的二氧化碳 (CO2)濃度，從而允許壓縮和儲(chǔ)存而顯著減少由燃燒碳質(zhì)燃料的鍋爐產(chǎn)生的煙道氣中氮的 含量的方式。在對(duì)燃料進(jìn)行點(diǎn)燃和燃燒的時(shí)候，將氧化劑（例如純氧）和碳質(zhì)燃料（例如 煤炭）引入鍋爐內(nèi)。得到的氣體燃燒產(chǎn)物主要包含CO2，根據(jù)燃料的組成，還包含一些水以 及各種化合物和氧化物。然后根據(jù)需要對(duì)該氣體進(jìn)行進(jìn)一步的純化和壓縮，以適應(yīng)管道和 儲(chǔ)存的要求。
[0005] 所述氧-燃料燃燒工藝提供了一些構(gòu)造，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在一種構(gòu)造中，將從氧 化劑加熱器出口流出的熱煙道氣分成主要物流和次要物流。然后將氧氣與這些物流混合， 將其再循環(huán)回到鍋爐，作為主要氧化劑和次要氧化劑，用來(lái)降低火焰溫度和保持對(duì)流傳熱 所需的氣體體積。
[0006] 可以在若干位置將氧化劑引入鍋爐系統(tǒng)中，通常在氧化劑和煙道氣的混合物進(jìn)入 燃燒工藝之前對(duì)該混合物進(jìn)行加熱。在再循環(huán)的氣體物流進(jìn)入燃燒工藝之前，對(duì)所述再循 環(huán)的氣體物流進(jìn)行各種煙道氣處理工藝，這些工藝可以包括除去微粒物質(zhì)，SO2.氣以及 減少水分的工藝。
[0007] 在一種工藝的變體（溫?zé)嵩傺h(huán)）中，立刻將離開(kāi)氧化劑加熱器的煙道氣分成兩 股物流。一股物流首先通過(guò)如上所述的微粒去除、SO2去除和水分去除操作，然后再在主要 物流和排出到CPU的物流之間進(jìn)行分流。另一股次要物流通過(guò)微粒去除工藝，然后以"溫 熱"狀態(tài)（大約400F)送回氧化劑加熱器。
[0008] 在常規(guī)的燃燒系統(tǒng)中，可以用來(lái)對(duì)燃燒氧化劑（即空氣）進(jìn)行加熱的最廣泛使用 且最廉價(jià)的氧化劑加熱器是交流換熱氧化劑加熱器（"空氣加熱器"或"空氣預(yù)熱器"）。
[0009] 當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)周期性地旋轉(zhuǎn)到較熱的物流和較冷的物流中的時(shí)候，交流換熱氧化劑 加熱器通過(guò)對(duì)流間接傳熱。在蒸汽發(fā)生裝置中，使用一大堆緊密填充的波紋形鋼板作為儲(chǔ) 存介質(zhì)。在這些單元中，鋼板或表面元件會(huì)旋轉(zhuǎn)通過(guò)氧化劑（或空氣）和氣流，或者用旋 轉(zhuǎn)的管道引導(dǎo)氧化劑和氣流通過(guò)固定的表面元件。
[0010] 最常用的常規(guī)交流換熱型氧化劑加熱器是Ljungstrom?型，其特征是包括圓筒 形外殼以及轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子中裝填了成束的加熱表面元件，這些加熱表面元件旋轉(zhuǎn)通過(guò)逆流的 氧化劑和氣流。圖1顯示了在常規(guī)的Ljwngstrom?交流換熱型氧化劑加熱器中，用來(lái)使得 主要氧化劑物流51和次要氧化劑物流52以及逆流的煙道氣物流50流過(guò)的扇區(qū)的常規(guī)位 置。如圖所示，氧化劑從轉(zhuǎn)子的一半流過(guò)，來(lái)自鍋爐的氣體出口的煙道氣從另一半流過(guò)。另 外，所述氧化劑側(cè)（或"空氣側(cè)"）由兩個(gè)扇區(qū)組成，一個(gè)扇區(qū)用于主要物流，一個(gè)扇區(qū)用 于次要物流。
[0011] Counterman在其提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第2006/0090468號(hào)（"Counterman")中揭不 了另一種常用的常規(guī)交流換熱型氧化劑加熱器扇區(qū)設(shè)置。Counterman的交流換熱型氧化劑 加熱器適于以與熱的煙道氣流逆流的方式接受冷的氧化劑物流，使得冷的氧化劑和熱的煙 道氣之間發(fā)生熱交換，從而將冷的氧化劑轉(zhuǎn)化為加熱過(guò)的燃燒氧化劑。圖2(現(xiàn)有技術(shù)）是 同樣用于Counterman中的具有常規(guī)扇區(qū)設(shè)置的氧化劑加熱器轉(zhuǎn)子的底部截面圖。圖中顯 示了主要氧化劑扇區(qū)61和次要氧化劑扇區(qū)62,相應(yīng)的主要氧化劑和次要氧化劑物流通過(guò) 這些扇區(qū)流向鍋爐。所述主要扇區(qū)61和次要扇區(qū)62被扇區(qū)板63分隔，它們都與煙道氣扇 區(qū)60相鄰，煙道氣通過(guò)所述煙道氣扇區(qū)60從鍋爐流出。另外，所述主要扇區(qū)61和次要扇 區(qū)62通過(guò)扇區(qū)板64和65與煙道氣扇區(qū)60隔開(kāi)。
[0012] 在用于空氣燃燒發(fā)電裝置的常規(guī)交流換熱型氧化劑加熱器中，主要氧化劑物流 ("或空氣物流"）的一般壓力高于次要空氣物流和煙道氣物流的壓力。例如，主要氧化劑 物流的常規(guī)壓力約為+40英寸水柱（in. wg)，次要氧化劑物流的常規(guī)壓力約為+20 (in. wg)， 來(lái)自鍋爐的煙道氣物流的壓力約為-5 (in. wg)。因此，在次要空氣扇區(qū)和氣體側(cè)之間存在約 +25英寸的空氣壓力的水柱差，這可能導(dǎo)致14%的氧化劑滲漏到氣體側(cè)中。另外，所述主要 空氣扇區(qū)與氣體側(cè)之間的壓力梯度要大得多。
[0013] 在使用例如上文所述的常規(guī)扇區(qū)設(shè)置的所有交流換熱型加熱器中，旋轉(zhuǎn)的熱交 換器與相應(yīng)的物流之間的壓力差相結(jié)合，會(huì)造成空氣（或氧化劑）側(cè)與從鍋爐輸送熱煙道 氣的氣體側(cè)之間的內(nèi)在滲漏。
[0014] 因此，圖3所示的另一種已知的氧化劑加熱器扇區(qū)設(shè)置將次要氧化劑物流72分成 兩股，其位置在與氣體側(cè)70相鄰的兩個(gè)次要空氣扇區(qū)中。在此處，用來(lái)通過(guò)主要氧化劑物 流的主要扇區(qū)71設(shè)置在兩個(gè)次要扇區(qū)之間，以便可以最大程度將壓力差減至最小，以力圖 減少泄漏和優(yōu)化性能。
[0015] 但是，在氧-燃料燃燒中，所有這些構(gòu)造都會(huì)導(dǎo)致從氧化劑向氣體側(cè)的泄漏。另 外，必須將大部分氧氣加到氧氣加熱器的再循環(huán)的煙道氣的上游，以便使離開(kāi)氧化劑加熱 器的煙道氣達(dá)到合理的煙道氣溫度。因此，任何泄漏都會(huì)導(dǎo)致到排出物流中的昂貴的氧氣 與再循環(huán)的氣體損失，因此必須在空氣分離單元（ASU)中進(jìn)行另外的氧氣生產(chǎn)，以便補(bǔ)償 所述損失，并且在濃縮的〇)2能夠被處理之前，在壓縮和純化單元（CPU)中從產(chǎn)物氣體除去 另外的氧氣。因?yàn)榱硗獾难鯕馍a(chǎn)和除去的成本過(guò)高，存在將這種泄漏減至最少的需求。
[0016] 當(dāng)在氧-燃料燃燒中使用包括常規(guī)扇區(qū)設(shè)置的氧化劑加熱器的時(shí)候，遇到的另一 個(gè)問(wèn)題是難以達(dá)到可以接受的排出氣體溫度。由于煙道氣和氧化劑物流的溫度高，可能很 難（對(duì)于溫?zé)嵩傺h(huán)特別明顯）在氧化劑加熱器排出口獲得可以接受的氣體溫度。
[0017] 另外，關(guān)于昂貴的氧氣的損失以及氧化劑和煙道氣的高溫造成的問(wèn)題使得難以 獲得平衡以下特性的的設(shè)計(jì)：能夠在氧化劑加熱器內(nèi)實(shí)現(xiàn)可以接受的熱交換，以及合理的 氧化劑加熱器排出氣溫度。
[0018] 當(dāng)試圖實(shí)現(xiàn)此種平衡的時(shí)候，通常已知的步驟是在氧化劑加熱器之前（即上游） 將冷的氧化劑加入氧化劑流的物流中。但是，此種常規(guī)方法是不合乎需要的，因?yàn)閺某溲醯?氧化劑物流進(jìn)入鍋爐煙道氣物流中的泄漏會(huì)導(dǎo)致昂貴的氧氣的損失。之所以造成氧氣的損 失是因?yàn)榇蟛糠盅鯕鈺?huì)在通向壓縮過(guò)程的充氧的氧化劑物流中流動(dòng)。另外，如果在氧化劑 加熱器之后將氧氣加入所述主要或次要氧化劑物流中，則可以接受的氧化劑加熱器設(shè)計(jì)變 得更難以實(shí)現(xiàn)。
[0019] 人們已采用的另一種力圖減少泄漏、從而減少昂貴的氧氣的損失的常用方法是在 氧化劑加熱器下游設(shè)置主要氧化劑風(fēng)機(jī)。但是，此種方法始終效率低下。
[0020] 另外，一種已知的使用交流換熱型氧化劑加熱器以消除內(nèi)部泄漏，避免昂貴的氧 氣損失的替代方法是為次要和主要氧化劑物流使用昂貴的獨(dú)立的主要和次要管式或板式 預(yù)熱器，從而將氧化劑側(cè)和氣體側(cè)完全分離，使其不會(huì)發(fā)生泄漏。但是，盡管此種替代方法 可能在空氣燃燒應(yīng)用中對(duì)于以工業(yè)鍋爐規(guī)模的使用是合理的，但是在用于大型公用工程 鍋爐的時(shí)候不是有成本效益的。另外，獨(dú)立的管式預(yù)熱器所需的空間顯著大于交流換熱型 氧化劑加熱器和管式預(yù)熱器，其容易隨著時(shí)間的推移發(fā)生顯著的內(nèi)部泄漏，因此不可避免 地造成氧化劑損失。
[0021] 因此，很明顯人們需要一種有成本效益的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法能夠結(jié)合 交流換熱型氧化劑加熱器設(shè)計(jì)，將通常由于內(nèi)部氧化劑加熱器泄漏造成的昂貴的氧氣的損 失減至最少，還可以實(shí)現(xiàn)以下特性的可接受的平衡：氧化劑加熱器內(nèi)合理的熱交換，氧化劑 加熱器排出的煙道氣具有合理的溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于氧-燃料燃燒的有成本效益的系統(tǒng)和方 法，所述系統(tǒng)和方法能夠?qū)崿F(xiàn)以下目的：能夠采用交流換熱型氧化劑加熱器設(shè)計(jì)；將通常 由于交流換熱型氧化劑加熱器（或者"空氣加熱器"或"空氣預(yù)熱器"）空氣側(cè)和氣體側(cè)之 間的內(nèi)部泄漏造成的昂貴的氧氣的損失減至最少；同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)氧化劑加熱器中的可接 受的熱交換以及合理的氧化劑加熱器出口氣體溫度之間的平衡。本發(fā)明的另一個(gè)目的是與 使用獨(dú)立的空氣加熱器和/或管式空氣加熱器設(shè)計(jì)的裝置相比，顯著減少總體發(fā)電裝置操 作成本。本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過(guò)減少經(jīng)由主要和次要氧化劑再循環(huán)物流返回鍋爐的再 循環(huán)燃燒氧化劑中硫和水分的總量，改進(jìn)輸送到鍋爐的氣體組成。
[0023] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的和消除現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用了一種 非常規(guī)的新穎的交流換熱型氧化劑加熱器內(nèi)部扇區(qū)設(shè)置，該設(shè)置利用了從具有低氧氣含量 的主要燃燒氧化劑物流（或"再循環(huán)氣體物流"）進(jìn)入從鍋爐的氣體出口流出的煙道氣物流 以及進(jìn)入流向鍋爐的充氧的次要燃燒氧化劑物流的泄漏。
[0024] 本發(fā)明的一種優(yōu)選的氧化劑加熱器內(nèi)部扇區(qū)設(shè)置包括：由扇區(qū)組成的煙道氣側(cè)， 煙道氣物流通過(guò)該扇區(qū)從鍋爐的氣體出口流出；以及逆流的燃燒氧化劑側(cè)，其包括至少一 個(gè)次要燃燒氧化劑扇區(qū)以及至少