專利名稱：組合空氣分離和蒸汽發(fā)生的方法及其設備的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明簡述本發(fā)明通常涉及了空氣分離方法，特別是涉及了與蒸汽發(fā)生設備組合的空氣分離方法。
2.有關技術(shù)動力研究和開發(fā)界在未來幾年中面臨著重要的挑戰(zhàn)在增加效率和減少污染的愈來愈嚴格的約束下要生產(chǎn)更多的能量。為了同時滿足這兩個目標，現(xiàn)在可以看出，明天的動力設備可能應該是模塊式的，采用先進的系統(tǒng)集成技術(shù)方便地把不同模塊組合在一起。
另一方面，大量的工業(yè)方法需要顯著的動力消耗。其中一個方法是空氣分離方法，動力消耗可能約占總生產(chǎn)成本的50。有效益地減少鍋爐運行中的污染發(fā)散，特別是減少氧化氮(NOx)的發(fā)生，有可能把兩個完全不同領域動力發(fā)生和氣體分離聯(lián)系在一起。
本發(fā)明基于空氣分離、分階段燃燒技術(shù)和氧氣富集方法的組合應用。以下回顧一下這三個概念在鍋爐運行范圍中的先前技術(shù)。
a)分階段燃燒煤的燃燒造成煙囪中大量未燃燒的煤，因此浪費了大量燃料。這個問題可以用以下方法來處理，使得更完全地燃燒燃料，以及顯著減少NOx的形成。

圖1描述了在標準鍋爐中的一個燃燒室2。燃燒室可以分為兩個主要區(qū)域區(qū)域I，如圖1的4所示，代表了與空氣入口一起的燃燒器所在部位。燃燒空氣可以與燃料一起進入燃燒室(利用一部分空氣，即初次空氣，把煤輸送到燃燒室中)，或者在不同的入口進入燃燒室?？梢圆糠值鼗蛉康匕讶紵諝庖脲仩t。更現(xiàn)代的方案采用在如圖1中6所示區(qū)域II中一個不同的空氣入口，以改進燃燒方法和減少NOx發(fā)散。這種方案稱為“分階段燃燒”，因為燃燒方法在兩個區(qū)域中產(chǎn)生。可以注意到，上述圖示是非常一般的，表示了一個水平的煙氣循環(huán)8。一般說，這個循環(huán)可以沿著任何方向(向上、向側(cè)面、向下，等等)。
因此燃燒方法分為兩個主要區(qū)域區(qū)域I代表點火區(qū)，在那里燃料進入燃燒室，被加熱和點火。如果煤的數(shù)量較少，則為了快速點火需要補充燃料(一般為天然氣和燃料油)。區(qū)域II代表了為燃燒分配的最后區(qū)域。如上所述，可以引入補充的氧化劑。現(xiàn)代的分階段燃燒系統(tǒng)容許把氧化劑的顯著部分進入?yún)^(qū)域II(為總氧化劑的10到50％之間)。
但是，由于區(qū)域II的進入空氣壓力低，主要煙氣流的流動模式有時比較平靜，因此兩個氣流之間的混合較差，妨礙了未燃燃料的完全燃燒。
可以在先前技術(shù)中看到的對這個問題的辦法是通過眾多氣流把高速氧化劑引入?yún)^(qū)域II，以便更好地混合。本發(fā)明通過利用引入?yún)^(qū)域II的富氧氣體，也將著手解決這個混合問題。對燃料富集的燃燒產(chǎn)物補充增強的氧化劑(與空氣相比)將導致更有效和完全的燃料燃燒。
b)氧氣富集氧氣富集燃燒已經(jīng)成為在一系列工業(yè)用途中采取的普通技術(shù)，如玻璃、鋼、鋁和水泥的制造，僅舉出了少量名稱。氧氣富集技術(shù)的應用已經(jīng)證明在這些工業(yè)中導致制造方法的顯著改進，如燃料的節(jié)省、生產(chǎn)的增加、以及廢料的處理。目前，有些用途中還沒有大規(guī)模地開始應用富氧燃燒。這些用途之一是蒸汽發(fā)生器，那里為了燃燒要使用大量的燃料。
現(xiàn)有的鍋爐具有廣泛范圍的蒸汽輸出，需要的能量輸入從幾百千瓦(kW)到幾千兆瓦(MW)。但是，對一個蒸汽發(fā)生器需要非常大的投入，以及現(xiàn)有鍋爐已經(jīng)高的熱力效率，使得引入運行上的改變比較難以實現(xiàn)。鍋爐操作者不太愿意引入鍋爐性能的變更，因為可能會改變水蒸汽的性質(zhì)(溫度、濕度等)。在鍋爐各部位(燃燒空間、對流區(qū))的不同傳熱模式將導致蒸汽的不同局部蒸發(fā)/過熱率，直接影響鍋爐的管道。局部的蒸汽過熱會導致較低的傳熱系數(shù)，因此導致局部管道的過熱，最終引起管道的開裂。因此關鍵是相對地保持不改變初始設計的傳熱模式，以安全地生產(chǎn)所設計的蒸汽產(chǎn)量。
采用富氧燃燒對鍋爐有兩個影響減少了氮氣的質(zhì)量比，增加了火焰的絕熱溫度，因此增加了局部的傳熱率，主要是輻射傳熱。
采用富氧燃燒的先前技術(shù)指出，它可以導致減少流經(jīng)鍋爐的煙氣質(zhì)量流率，對對流傳熱有負面影響。本發(fā)明也將著手解決這個問題，在減少NOx發(fā)散的條件下，保持煙氣質(zhì)量流率不改變所設計的參數(shù)。
c)空氣分離空氣分離消耗大量電源，大多數(shù)用于空氣壓縮，就像氣體渦輪機的循環(huán)。同時，低溫空氣分離裝置冷卻氣體來分離不同的成分。與較熱的氣體相比，加壓冷的氣體需要比較小的壓縮機功。另外，與加壓氣體相比，加壓液體導致重要的能量節(jié)省。最后，有些被分離的氣體離開分離設備時具有剩余的壓力(特別是當采取隔膜分離設備時)，它可以被一個集成的方法所利用。
可以注意到，名稱“空氣分離”包括空氣分離的任何技術(shù)，包括低溫、隔膜、吸附方法等等。輸出氮、氧、氬均稱為富集氣流，不一定是純氣流。因此，氧氣流可以包含35到100％之間任何的氧，氮氣流可以包含35到100％之間任何的氮。
因此需要一個創(chuàng)新的方法和設備來減少鍋爐運行中的NOx，特別是在集成的空氣分離/動力發(fā)生設備中。
本發(fā)明的一個目的是提出一個方法，明顯地減少在鍋爐運行中NOx的發(fā)生，因為諸如污染發(fā)散的環(huán)境問題現(xiàn)在對動力發(fā)生方法是關鍵。但是，不根據(jù)方法的效率和利益來考慮不能實現(xiàn)新的技術(shù)概念。
因此本發(fā)明的意義是提出一個有效率而且也是有效益的技術(shù)，在一個新設計中通過把蒸汽發(fā)生方法與空氣分離裝置的組合來減少NOx，能夠優(yōu)化總的效率。
本發(fā)明的第一個方面是組合空氣分離和蒸汽發(fā)生的方法，方法包括如下步驟a)把空氣供給到空氣分離裝置中，把空氣分離成為富氧氣流和富氮氣流；b)把上述富氮氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個貧氧的第一階段空氣流，以及把上述富氧氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個富氧的第二階段空氣流；c)混合燃料和上述貧氧的第一階段空氣流進入一個蒸汽發(fā)生裝置的燃燒室，在上述燃燒室中開始燃燒上述燃料與上述貧氧第一階段空氣流，以產(chǎn)生一個煙氣；d)對上述蒸汽發(fā)生裝置供給水，把上述水與上述煙氣間接接觸來發(fā)生蒸汽；以及e)引入在上述燃料和上述貧氧第一階段空氣下游的上述富氧第二階段空氣，基本上完成上述燃料的燃燒，因此建立了明顯降低NOx發(fā)生的燃燒條件。
這里采用的燃料”包括(但不限于)氣體、液體和固體燃料，以及它們的組合和混合。適當?shù)臍怏w燃料包括天然氣、煉油廠的廢氣、酸氣等。適當?shù)囊后w燃料包括燃料油(例如2號、6號、C級船用重油)。適當?shù)墓腆w燃料最好是粉狀煤、但也包括焦煤、生物物質(zhì)、廢料等。這里采用的名稱“貧氧”意味著氣流具有的氧少于空氣中的氧，換句話說，少于21個體積百分點。對于本發(fā)明目的，“貧氧”和“富氮”可以交換使用。
優(yōu)選的方法是從低溫空氣分離裝置、隔膜空氣分離裝置、吸附空氣分離裝置及其組合的一組分離裝置中選擇空氣分離裝置；富氮的第一階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約10％(體積)到剛小于21％；富氮的第一階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約15％(體積)到約19％；富氧第二階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約21％到約35％。
按照本發(fā)明第一方面的另一個優(yōu)選方法是；富氧的第二階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約27％到約33％；富氮的初次空氣具有氧氣濃度范圍從約8％到約15％以及容許未更改的二次空氣氣流進入燃燒室(其中初次和二次空氣均是第一階段空氣的一部分，但初次空氣與燃料一起噴射)。
按照第一方面特別優(yōu)選的方法是在把富氧氣流與空氣組合之前，確定在第二階段空氣中完成燃料燃燒所需的氧氣含量，并且如果所需氧氣含量與富氧氣流之一相符，則在步驟(e)中直接把富氧氣流噴射到燃燒室中。
按照本發(fā)明第一方面的又一個優(yōu)選方法是由ASU產(chǎn)生的富氮氣流的剩余部分用于氣體出售。其他的優(yōu)選方法是由ASU產(chǎn)生的富氧氣流的剩余部分用于氣體出售。
按照本發(fā)明第一方面特別優(yōu)選的方法是空氣分離裝置包括一個或幾個隔膜裝置，在第一壓力下富氮氣流離開這個空氣分離裝置，并且在與第一階段空氣預混合之前，在一個渦輪機中膨脹，形成在第二壓力下的富氮氣流。按照本發(fā)明第一方面另一個優(yōu)選的方法是渦輪機驅(qū)動一個空氣壓縮機，空氣壓縮機把空氣供給到空氣分離裝置中。又一個優(yōu)選方法是在與第一階段空氣預混合之前，把第二壓力下的富氮氣流至少加熱到室溫。最好是，富氮空氣基本上為純氮。
其他的優(yōu)選方法是由與煙氣的交換熱來預熱步驟(b)中的空氣；在渦輪機中膨脹之前預熱富氮氣體；在一個預熱器中與煙氣的熱交換來完成預熱，最好是直接在蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)與煙氣的熱交換來完成預熱。
按照本發(fā)明的另一個方面，如果ASU是一個低溫ASU，則優(yōu)選的方法是在一個預熱器中或直接在蒸汽發(fā)生裝置中與煙氣熱交換來預熱之前，在一個壓縮機中加壓從ASU排出的富氮氣流。另一個優(yōu)選的方法是在與第一階段空氣混合之前在一個渦輪機中膨脹這個富氮氣流，渦輪機同時驅(qū)動用于壓縮富氮氣流的壓縮機和用于把空氣供給到ASU的壓縮機。更優(yōu)選的是，在通過ASU的最終熱交換器之前，富氮氣流作為冷氣體或液體在ASU中被加壓。
另一個優(yōu)選的方法是在通過上述裝置加壓之后，ASU產(chǎn)生的富氮氣流首先與來自蒸汽發(fā)生裝置的熱煙氣進行熱交換，然后在一個渦輪機中膨脹，渦輪機與壓縮富氧第二階段空氣的壓縮機連接；這個壓縮的第二階段空氣最終通過一個拉伐爾噴管噴入，以提高氧化劑的速度，最好是高于音速。
本發(fā)明的第二方面是一個設備，包括a)一個裝置，把空氣供給到空氣分離裝置中，把空氣分離成為富氧氣流和富氮氣流；b)一個裝置，把上述富氮氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個貧氧的第一階段空氣流，以及把上述富氧氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個富氧的第二階段空氣流；c)一個裝置，混合燃料和上述貧氧的第一階段空氣流進入一個蒸汽發(fā)生裝置的燃燒室，在上述燃燒室中開始燃燒上述燃料與上述貧氧第一階段空氣流，以產(chǎn)生一個煙氣；d)一個裝置，對上述蒸汽發(fā)生裝置供給水，把上述水與上述煙氣間接接觸來發(fā)生蒸汽；以及e)一個裝置，引入在上述燃料和上述貧氧第一階段空氣下游的上述富氧第二階段空氣，基本上完成上述燃料的燃燒。
圖6是本發(fā)明集成空氣分離裝置/鍋爐的第二實施例的流程圖；圖7，8，9和10是本發(fā)明方法和設備的其他實施例的流程圖。
優(yōu)選實施例描述本發(fā)明的方法和系統(tǒng)(名稱“系統(tǒng)”和“設備”可交換使用)設計成使鍋爐和空氣分離裝置(ASU)以互補的方式利用它們相關的產(chǎn)物(鍋爐的熱，ASU的氧和氮)，并且具有很大的靈活性。圖2表示了本發(fā)明的一般概念。設備10接受空氣12、水13、以及燃料14?？諝?2供給到一個空氣分離裝置16，它可以是任何已知的ASU，包括低溫、隔膜、吸附等。ASU 16產(chǎn)生至少一個氧氣流18和一個氮氣流20。至少氮氣和氧氣流的一部分供給到一個鍋爐22。鍋爐已為人熟知，不需要再說明。鍋爐22產(chǎn)生的至少一部分動力由箭頭30表示再供應到ASU16。在低NOx條件下產(chǎn)生的多余氣流24、多余氧氣26和多余氮氣28是可能輸出的氣流，以及由鍋爐22發(fā)生的任何多余的動力。
本發(fā)明方法和設備的一個主要特性是減少了NOx，不僅利用了熟知的分階段燃燒的概念，而且通過在三次空氣中氧氣的富集以及初次和二次空氣中氧氣的貧化，擴大了它的效應。
在圖3中用40示意地表示了一個優(yōu)選的分階段燃燒系統(tǒng)，可用于與一個鍋爐實現(xiàn)本發(fā)明的一個優(yōu)選方法。在這個過分簡化的示意圖中，水通過管道42進入鍋爐22，以及蒸汽通過管道44排出。設有一個空氣預熱器46，其中流過管道48的熱煙氣與通過管道50的進入空氣間接接觸。對于理解本發(fā)明來說，空氣預熱器46的實際構(gòu)造并不重要。例如，它可以是殼式或管式熱交換器。初次空氣與燃料一起進入一個燃燒室32，如52所示，從而把燃料輸送到燃燒室32之內(nèi)。這個初次空氣最好代表了總?cè)紵諝獾募s5到20個百分點，更好為約8到約15個百分點。二次空氣54在與燃料相同的部位引入燃燒室32，但在不同的入口中引入，通常和最好在初次空氣的附近。二次空氣占總?cè)紵諝獾募s50個百分點到約90個百分點，最好是燃燒空氣總量的約60個百分點到約80個百分點。最后，三次空氣60代表了氧化劑的剩余部分(最好為總?cè)紵諝庑枰募s10個百分點到約30個百分點)，并且在主燃燒產(chǎn)物氣流的下游噴入，如圖3所示。
本發(fā)明在三次空氣中提供了富氧62，范圍從約21個百分點(空氣中的氧氣濃度)到約35個百分點，最好是30個百分點左右。同時，在初次空氣56和二次空氣58中噴入氮氣，在初次和二次空氣中貧化的空氣包含約10到21個百分點的氧氣，最好是約15到19個百分點(除非另外說明，所有百分點均為克分子百分比)。
也應該提到一個替代的富集構(gòu)形，為考慮到安全性而設計。因為經(jīng)常在引入鍋爐之前有燃料(如粉狀煤)點火的危險，特別是當與氧化劑預先混合時，可能在初次空氣中大大降低氧氣的含量，降到10個百分點。因此，“差”的氧化劑不會使煤點火，對二次氧化劑采用不更改的空氣(21個百分點氧氣)來保持氧化劑貧化的總水平。
本發(fā)明方法的第一結(jié)果，也是最追求的結(jié)果，是大大減少了NOx的發(fā)散。用于標準空氣分階段燃燒的相同論點可以說明這個現(xiàn)象的一部分。實際上在這些條件下，系統(tǒng)在第一區(qū)域中點火富集燃料。因此，由于那里氧化劑較少(噴入總氧化劑的80個百分點，引起當量比為1.25)，發(fā)生的NOx很少，如圖4中所說明，圖4由平衡NOx計算得到。
另外，在本發(fā)明的情形中，通過在氧化劑流中噴入補充的氮氣，貧化了初次和二次空氣中的氧氣。因此，更增強了上述的影響，因為噴入的氮氣作用像一個煙氣再循環(huán)系統(tǒng)(FGR)對燃燒器補充的氮氣將同時降低峰值火焰溫度和局部氧氣濃度，限制了NOx的發(fā)散。與FGR系統(tǒng)得到的關系相聯(lián)系，可以預見到補充氮氣達到的典型NOx的減少，如圖5所示。
因此圖3所示的系統(tǒng)提供了一個非常好的技術(shù)來同時降低化學和熱的NOx，因為當原子氮從燃料釋放時局部存在的氧很少，并且因為峰值火焰溫度保持非常有限制。三次空氣流完成了燃燒，燃燒掉第一階段的所有富集產(chǎn)物。即使在這個部位氧的濃度高，這個貧燃料的燃燒區(qū)將在總體上產(chǎn)生低的火焰溫度，仍限制了NOx的發(fā)生。
本發(fā)明構(gòu)思的另一個結(jié)果是直接來自富氧空氣的應用。即使這個富集氣流僅噴入第二燃燒區(qū)，仍提供了具有增強氧化劑(與空氣比較)的燃料和/或富集燃料的燃燒產(chǎn)物，導致更有效和完全的燃料燃燒。由于在燃燒方法的關鍵階段中提供高級的氧化劑，三次空氣不僅補償了由于火焰溫度降低而在第一區(qū)域中的傳熱損失，而且與基于空氣的燃燒相比，將最容易使整體燃料節(jié)省和/或傳熱增加(通過局部高溫區(qū)的建立)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是把低NOx技術(shù)與保存原始傳熱特性相組合。這是在鍋爐運行中非常重要的方面，因為它排除了由于局部過熱氣流對傳熱的負面影響而引起如管道過熱的問題。理論上，利用富氧燃燒對鍋爐有兩個影響減少了氮氣的質(zhì)量比和增加了火焰的絕熱溫度，因此更改了局部的傳熱率(輻射傳熱增加和對流傳熱降低)。為了保持傳熱模式與基于空氣的原始情形相同，因此應該需要再循環(huán)一定的煙氣質(zhì)量流率。這是至今在已知系統(tǒng)中的方法。
但是，在本發(fā)明中，氧氣的富集影響被初次和二次空氣中氧的貧化所直接補償。實際上，補充氮氣起的作用與煙氣在FGR系統(tǒng)中的作用相同它容許同時保持在火焰部位的平均溫度和通過鍋爐的質(zhì)量流率基本上與基于空氣的情形相同。一個主要的優(yōu)點是本發(fā)明的方法和系統(tǒng)不需要任何再循環(huán)設備，因為補充的氧氣和氮氣均來自獨立的裝置，僅影響鍋爐的噴入?yún)^(qū)。
以上說明已經(jīng)提出了由本發(fā)明提倡的新的NOx減少技術(shù)?；旧?，所需的輸入是氧氣和氮氣流，從而在鍋爐的不同氧化劑噴入?yún)^(qū)調(diào)整氧的含量。氧氣和氮氣組合的需求使得本發(fā)明的方法和設備非常有意義把一個空氣分離裝置與“低NOx”蒸汽發(fā)生方法相組合(最好是集成)。這個組合不僅直接提供了所需的氧氣和氮氣流，而且也容許有效地采用兩個方法之間的最佳配合，從而降低總的運行成本。
以下描述了由本發(fā)明提倡的幾個優(yōu)選的可替代方式，從而根據(jù)所選空氣分離系統(tǒng)和根據(jù)用戶的需求(氣體出售、動力效率)提高了整個方法的效率。
圖6的系統(tǒng)70表示了本發(fā)明方法和設備的許多一般原理。對這個一般化的第一實施例沒有規(guī)定空氣分離裝置的特定類型。為了敘述簡單，現(xiàn)在把初次和二次氧化劑氣流稱為組合的“第一階段空氣”(噴入圖1的區(qū)域I中)，而三次氧化劑氣流稱為“第二階段空氣”(噴入燃燒區(qū)域II中)。對空氣分離裝置16設有空氣流12，隨著分離方法之后，至少可以回收氮氣21和富氧空氣19(氧氣百分比≥35個百分點)。這些氣體的一部分噴入用于NOx減少系統(tǒng)的鍋爐22在第一燃燒階段管道20中的氮氣貧化第一階段空氣的氧，在第二階段管道中的氧氣富集第二階段空氣的氧。實際上，對這些補充噴射所需的氣體量是比較低的如果我們認為在第一階段和第二階段空氣之間為80個百分點/20個百分點的再分配，分別為18個百分點和30個百分點的氧含量，則達到這些濃度的所需氧氣和氮氣流將僅分別為氧化劑總體積的2個百分點和11個百分點。由ASU產(chǎn)生的剩余氣體可以用于氣體出售。這個方案實際上是本發(fā)明所提倡概念的最基本方式，至于ASU對鍋爐提供了氣體，但不接受任何動力作為交換。這種系統(tǒng)可以用于容易地在一個動力發(fā)生方法中實現(xiàn)有效的NOx減少方法，而在同時幾乎獨立地產(chǎn)生氣體。
除了組合的空氣分離/蒸汽發(fā)生來達到有效益的NOx減少的一般構(gòu)思之外，本發(fā)明也提出不同的方案，特別適用于市場上現(xiàn)有的不同空氣分離系統(tǒng)的具體特性。它們將在以下各節(jié)中提出。圖7描述了一個優(yōu)選的集成設備80，其中采用一個或幾個隔膜分離系統(tǒng)作為ASU。(實際的隔膜類型并不重要，但可以從非專用的表中選擇，包括聚合物、陶瓷、碳及其混雜物。制造和使用隔膜ASU的方法很普通，不需要在這里作進一步說明。)提供到隔膜系統(tǒng)的空氣81在一個壓縮機86中被壓縮(壓力到1到50巴之間，最好高于5巴)，以形成一個壓縮的空氣流83，在引入隔膜16之前壓力為Psep。分離方法和隔膜16產(chǎn)生在高壓(大約等于分離壓力Psep)下較純的氮氣流90和在大氣壓下的富氧空氣流98，氧氣含量低于40個百分點。至少輸送一部分氮氣流90通過一個氣體渦輪機84，渦輪機通過軸88與壓縮機86連接，因此提供了所需動力的一部分。然后最終減壓的冷氮氣流經(jīng)一個冷凍裝置82，從而把氮氣至少到管道91中的室溫。最后，所需的氮氣量通過管道94噴入第一階段空氣中，為了貧化第一階段空氣中的氧，而剩余的氮氣流92最好用作氣體出售。關于由隔膜系統(tǒng)16產(chǎn)生的富氧空氣流98，可以設想兩種可替代的方式。如果氧氣含量與第二階段空氣所需含量相符，則此時最好把氣流直接噴入鍋爐。如果氧氣含量高于所需(例如對于具有25個百分點氧的所需氧化劑，為40個百分點)，則在噴射之前可以把這個富集空氣與空氣混合。在上述兩者情形中，剩余的富氧空氣流也可以為用戶用作氣體出售，如100所示。
所以圖7的優(yōu)選方案是朝著兩個方法有效組合(最好是集成)的第一步。通過有效利用在分離后仍包含在氮氣流中的壓力，以明顯的節(jié)省動力方式來達到空氣分離方法。因此容許在動力發(fā)生方法中大大減少NOx，而同時和有效益地產(chǎn)生的一些有用氣體(富氧空氣和比較純的氮氣)。
圖8提出了一個組合ASU和蒸汽發(fā)生方法的優(yōu)選的、更集成的方式120。實施例120的原理實際上與圖7的實施例80相同，但在被輸送通過渦輪機122以產(chǎn)生低壓氮氣流132之前，在空氣預熱器46’中預熱壓縮氮氣124到希望的溫度。也可以通過直接在鍋爐22內(nèi)的鍋爐煙氣熱交換來達到這個預熱。這種構(gòu)形的一個主要優(yōu)點是然后可以由氣體渦輪機122充分驅(qū)動ASU空氣壓縮機86，除了在鍋爐運行中減少NOx之外，導致一個氣體的“零補充動力”生產(chǎn)。補充的氮氣130可以在設備中用于其他用途或作為氣體出售，富氧空氣100也可以如此做。
圖9提出了一個替代的實施例140，采用一個低溫ASU 16’。在這個情形中，可以從ASU回收以下氣流液氮(圖中未示)、液氧、液氬、氣體氧162和氣體氮148。氮氣流148代表了最終總質(zhì)量的主要部分(假定了空氣中氮氣和氧氣之比)，首先在壓縮機144中被壓縮，從大氣壓下的低溫ASU 16’(與隔膜系統(tǒng)不同)排出之后形成希望壓力下的壓縮氮氣流150。然后在鍋爐22之內(nèi)(參見圖9)或之外通過與煙氣的熱交換來預熱壓縮的氮氣流150，形成預熱的氣體氮氣流152。最后，輸送壓縮/加熱的氮氣流152通過一個氣體渦輪機154，渦輪機最好同時與上述壓縮機144和一個產(chǎn)生補充動力的發(fā)電機142連接。當?shù)獨怆x開156從渦輪機時，貧化第一階段空氣所需的氮氣量以氣流158方式導向鍋爐。關于純氧氣流162，它與空氣混合達到所需的富集氧氣，然后噴入燃燒的第二階段。對于這兩個氣流，剩余的氣流(氧164和氮160)可對用戶作為氣體出售。
在ASU和動力發(fā)生之間可以設想一個補充的集成如在圖9中所示，進入ASU 16’的空氣在壓縮機86中壓縮，氮氣渦輪機154最好至少提供一部分動力到壓縮機86。這樣，可以消除發(fā)電機的所有損失，進一步提高了循環(huán)效率。
此外，可以設想關于氮氣線路的另一個實施例在這個方案中，去除在ASU下游的氮氣壓縮機144。在ASU裝置中氮氣作為冷氣體，或者最好作為液體被加壓。為此，在通過ASU的最后熱交換器之前，在蒸餾塔中產(chǎn)生的液氮通過一個泵，因此提高了液體壓力到希望的水平。因此，可以考慮這個替代方式作為空氣分離和動力發(fā)生方法之間更完備的集成，因為空氣分離方法將根據(jù)動力發(fā)生的要求來調(diào)整氣體產(chǎn)物的輸出參數(shù)。
圖10描述了本發(fā)明提出的另一個實施例170。這里的目的是把富氧氣體的高速氣流引入燃燒的第二階段中。設有一個隔膜ASU 16，產(chǎn)生一個在Psep壓力下的富氮氣流124，以及一個富氧空氣流96。最好把至少一部分富氧空氣流96與通過在空氣和氮氣預熱器46’中熱交換產(chǎn)生的預熱空氣流51組合。組合的富氧空氣流171接著通到一個壓縮機172，形成壓縮的富氧空氣流174，在第二階段以高速送入鍋爐22。氣流的速度可以是亞音速或超音速，但最好是超音速Vox≤2Vs，這里Vs是氧化劑氣流在使用條件下的音速。富氮氣流124通到氣體渦輪機122并且膨脹產(chǎn)生空氣壓縮機86的動力和低壓氮氣流128，至少一部分低壓氮氣流128通過管道132與第一階段的燃燒空氣混合，因此貧化了它的氧。
圖10實施例的結(jié)果是提供了具有增強氧化劑的富集燃料燃燒產(chǎn)物(如前所述)，但也改進了這些燃燒產(chǎn)物和氧化劑的混合。高的氧濃度與改進混合的組合將導致更有效和完全的燃燒，同時仍大大減少了NOx的發(fā)生。
建議圖10實施例采用一個隔膜系統(tǒng)，它容許采用已經(jīng)在壓力下的氮氣流124。如上所述，在輸送通過氣體渦輪機122之前，這個氣流124可以是和最好就是在鍋爐內(nèi)或者通過與熱煙氣的熱交換加熱。這個系統(tǒng)的特點是渦輪機122不僅與位于隔膜上游的空氣壓縮機86連接，而且與附加的壓縮機172連接。實際上，壓縮機172用于在優(yōu)選通過拉伐爾噴管噴入第二階段空氣(在空氣51和從ASU產(chǎn)生的富氧空氣96之間混合后得到)之前壓縮第二階段空氣，從而增加氧化劑速度高于音速。
除了大大增強混合方法之外，圖10的實施例還容許采用較低量級的富集可以采用小于2個百分點的富集來達到甚至更完全的燃燒。
這個構(gòu)思也可以用于低溫系統(tǒng)然后可以實現(xiàn)與圖9描述相同的方案，附加一個壓縮機來用于把第二階段空氣提高到希望的壓力，如圖10所示。(在此情形中，如果必要，可以去除圖9中的發(fā)電機142)。
總之，本發(fā)明通過空氣分階段燃燒與空氣分離概念的組合提出了在鍋爐運行中減少NOx的創(chuàng)新技術(shù)。本發(fā)明的方法和設備，基本上是更改在不同燃燒階段中氧的含量，將需要補充噴入氮氣和氧氣。一個ASU不僅可以對蒸汽發(fā)生器直接提供所需的氮氣和氧氣量，而且依靠實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的靈巧和適合的組合，還容許提高整個方法的效率。可以注意到，在本專利中提出的方法和設備可以根據(jù)用戶的需要進一步細化和優(yōu)化，使得方法的效率達到最大。
本發(fā)明的主要優(yōu)點列出如下●高的熱動力效率，由于有效地采用了ASU和蒸汽發(fā)生方法之間的最佳配合。因此，可以再利用從ASU排出氣體的剩余壓力或者從鍋爐排出的任何剩余熱，由此提高了總效率。
●在不同層次上的高度靈活性。首先，低溫和隔膜ASU在這個組合(最好是集成)方法中均可以有效地被采用。其次，ASU的組合(最好是集成)可以根據(jù)資金投入具有程度不同的重要性；實際上，采取少數(shù)幾個氣體壓縮機、渦輪機和熱交換器可以產(chǎn)生氮氣和富集空氣，而幾乎不增加動力。最后，可以調(diào)整在不同鍋爐燃燒階段中富集和貧化的水平，從而滿足用戶對蒸汽生產(chǎn)、燃料消耗和NOx發(fā)散的需求。
●對現(xiàn)有鍋爐所需的更改很少。另外，熱交換模式受到的影響極微(不需要煙氣再循環(huán))。鍋爐操作者應該理解這兩個方面。
●采用十分清潔的流體氮氣。所以，壓縮機、渦輪機、熱交換器不受到任何類型的雜質(zhì)或腐蝕作用?？梢蚤L時期地延長設備的壽命。
所以，本發(fā)明對動力發(fā)生和空氣分離的領域是非常重要的，因為通過這兩個方法的一種有效率和有效益的組合(最好是集成)，它著手解決了有重大環(huán)境意義的NOx發(fā)生問題。
雖然以上本發(fā)明優(yōu)選方法和系統(tǒng)的描述是本發(fā)明的代表，但決不想用它們來限制所附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一個組合空氣分離和蒸汽發(fā)生的方法，方法包括如下步驟a)把空氣供給到空氣分離裝置中，把空氣分離成為富氧氣流和富氮氣流；b)把上述富氮氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個貧氧的第一階段空氣流，以及把上述富氧氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個富氧的第二階段空氣流；c)混合燃料和上述貧氧的第一階段空氣流進入一個蒸汽發(fā)生裝置的燃燒室，在上述燃燒室中開始燃燒上述燃料與上述貧氧第一階段空氣流，以產(chǎn)生一個煙氣；d)對上述蒸汽發(fā)生裝置供給水，把上述水與上述煙氣間接接觸來發(fā)生蒸汽；以及e)引入在上述燃料和上述貧氧第一階段空氣下游的上述富氧第二階段空氣，基本上完成上述燃料的燃燒，因此顯著地減少了NOx的形成。
2.權(quán)利要求1的方法，其中從低溫空氣分離裝置、隔膜空氣分離裝置、吸附空氣分離裝置及其組合的一組分離裝置中選擇空氣分離裝置。
3.權(quán)利要求1的方法，其中貧氧的第一階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約10％(體積)到剛小于21％。
4.權(quán)利要求1的方法，其中貧氧的第一階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約15％(體積)到約19％。
5.權(quán)利要求1的方法，其中富氧的第二階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約21％到約35％。
6.權(quán)利要求1的方法，其中富氧的第二階段空氣流具有氧氣濃度范圍從約27％到約33％。
7.權(quán)利要求3的方法，其中貧氧的初次空氣(為與燃料一起噴入的第一階段空氣的一部分，)具有氧氣濃度范圍從約8％到約15％，并且容許未更改的二次空氣氣流(第一階段空氣的剩余部分)進入燃燒室。
8.權(quán)利要求1的方法，其中由ASU產(chǎn)生的上述富氮氣流的剩余部分用于氣體出售。
9.權(quán)利要求1的方法，其中由ASU產(chǎn)生的上述富氧氣流的剩余部分用于氣體出售。
10.權(quán)利要求1的方法，其中空氣分離裝置包括一個或幾個隔膜裝置，在第一壓力下富氮氣流離開空氣分離裝置，并且在與第一階段空氣預混合之前，在一個渦輪機中膨脹，形成在第二壓力下的富氮氣流。
11.權(quán)利要求10的方法，其中渦輪機驅(qū)動一個空氣壓縮機，空氣壓縮機把空氣供給到空氣分離裝置中。
12.權(quán)利要求10的方法，其中在與上述第一階段空氣預混合之前，把上述第二壓力下的富氮氣流至少加熱到室溫。
13.權(quán)利要求1的方法，其中上述富氮空氣基本上為純氮。
14.權(quán)利要求1的方法，其中在把富氧氣流與空氣組合之前，確定在第二階段空氣中完成上述燃料燃燒所需的氧氣含量，如果上述所需氧氣含量與上述富氧氣流之一相符，則在步驟(e)中直接把富氧氣流噴到燃燒室中。
15.權(quán)利要求1的方法，其中用上述煙氣的交換熱預熱步驟(b)中的空氣。
16.權(quán)利要求10的方法，其中在上述渦輪機中被膨脹之前，上述富氮氣體被預熱。
17.權(quán)利要求16的方法，其中在一個預熱器中與煙氣的熱交換來完成上述預熱。
18.權(quán)利要求16的方法，其中直接在上述蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)與煙氣的熱交換來完成上述預熱。
19.權(quán)利要求1的方法，其中空氣分離裝置是一個低溫空氣分離裝置，以及其中在與上述煙氣熱交換來預熱之前，離開空氣分離裝置的富氮氣流通過一個壓縮機加壓。
20.權(quán)利要求19的方法，其中在一個預熱器中與煙氣熱交換來完成上述預熱。
21.權(quán)利要求19的方法，其中直接在上述蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)與煙氣熱交換來完成上述預熱。
22.權(quán)利要求19的方法，其中在與第一階段空氣混合之前預熱的壓縮富氮氣流在一個渦輪機中被膨脹。
23.權(quán)利要求22的方法，其中上述渦輪機驅(qū)動一個空氣壓縮機，空氣壓縮機把空氣供給到空氣分離裝置中。
24.權(quán)利要求22的方法，其中上述渦輪機驅(qū)動壓縮機，壓縮機用于壓縮從空氣分離裝置排出的富氮氣流。
25.權(quán)利要求19的方法，其中在通過空氣分離裝置的最終熱交換器之前，富氮氣流在空氣分離裝置中作為冷氣體或液體被加壓。
26.權(quán)利要求1的方法，其中富氮氣流被加壓之后，首先與來自上述蒸汽發(fā)生裝置的熱煙氣交換熱量，然后在一個渦輪機中膨脹，渦輪機與壓縮富氧第二階段空氣的壓縮機連接；這個第二階段空氣最終通過一個拉伐爾噴管噴入，以提高氧化劑的速度，最好是高于音速。
27.一個設備，包括a)一個裝置，把空氣供給到空氣分離裝置中，把空氣分離成為富氧氣流和富氮氣流；b)一個裝置，把上述富氮氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個貧氧的第一階段空氣流，以及把上述富氧氣流的至少一部分與空氣組合，產(chǎn)生一個富氧的第二階段空氣流；c)一個裝置，混合燃料和上述貧氧的第一階段空氣流進入一個蒸汽發(fā)生裝置的燃燒室，在上述燃燒室中開始燃燒上述燃料與上述貧氧第一階段空氣流，以產(chǎn)生一個煙氣；d)一個裝置，對上述蒸汽發(fā)生裝置供給水，把上述水與上述煙氣間接接觸來發(fā)生蒸汽；以及e)一個裝置，引入在上述燃料和上述貧氧第一階段空氣下游的上述富氧第二階段空氣，基本上完成上述燃料的燃燒。
28.權(quán)利要求27的設備，其中貧氧的第一階段空氣流包括一個貧氧的初次空氣流和一個貧氧的二次空氣流，第二階段空氣流包括一個富氧的三次空氣流。
全文摘要
本發(fā)明通過修改燃燒鍋爐中的分階段燃燒,提出了在鍋爐運行中減少NOx的創(chuàng)新技術(shù)。在優(yōu)選的方法中,把空氣供給一個空氣分離裝置,把富氮氣流與空氣組合來產(chǎn)生富氮的第一階段空氣流,把富氧氣流的至少一部分與空氣混合來產(chǎn)生一個富氧的第二階段空氣流。本發(fā)明的方法和設備促進了NOx的減少和效率的增加。
文檔編號F23L7/00GK1423081SQ0215488
公開日2003年6月11日 申請日期2002年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者奧維迪烏·馬林, 歐文·彭福尼斯 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監(jiān)督和管理委員會的有限公司