專利名稱：用于確定來自蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的二氧化碳排放的方法
技術領域：
本公開涉及一種用于確定來自用來加熱工作流體的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的二氧化碳排放的方法。
背景技術：
隨著世界越來越關注溫室氣體(且特別是二氧化碳)的排放，存在盡可能準確地 量化這些排放以便可將努力指向減少它們的不斷增長的需求。減少溫室氣體的一種方法是改進現有技術，從而使其變得更加高效。然而，即使是對現有技術最佳的改進充其量也只能導致溫室氣體排放物減少大約百分之幾。因此，重要的是，用來測量這些排放物減少的方法足夠精確，以便可以準確地記錄減少。如果用于確定和記錄這些改進的方法具有高度的不確定性，則這些改進將幾乎肯定地失去價值?，F有技術利用了對煙 中的二氧化碳和煙氣流率的測量或者使用燃料流量和燃料中的碳含量對二氧化碳進行的計算。在這兩種情況中，流量的測量在算出的二氧化碳排放(量)中產生通常大于約7%的明顯的不確定性。對于諸如煤炭的固體燃料尤其是這樣。當利用差來確定二氧化碳排放的變化時，這種較大的不確定性變得甚至更加有問題。因此，希望有一種能夠準確估計從燃燒過程排放的二氧化碳的量的方法。只有在對溫室排放物準確地進行量化之后，才能有對用來減少這些氣體的排放的各種方法的功效的實際確定。

發(fā)明內容
本文公開了一種方法，該方法包括測量進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的給水的第一能量；測量離開蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的蒸汽的第二能量；減得第一能量和第二能量之間的差以確定由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)吸收的總能量；將由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)吸收的總能量除以蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率以確定向蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的熱輸入；以及根據向蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的熱輸入確定碳排放。本文還公開了一種方法，該方法包括計算當鍋爐中的工作流體經受狀態(tài)變化時由該工作流體吸收的總能量；將由鍋爐吸收的總能量除以鍋爐的效率以確定向鍋爐的熱輸入；以及根據向鍋爐的熱輸入確定碳排放。


圖I是用于產生蒸汽的鍋爐的示例性描繪；圖2是能量平衡法、直接法和CEMS法的不確定性極限的圖示；以及圖3是能量平衡法、直接法和CEMS法的不確定性極限的另一個圖示。
具體實施例方式將理解，雖然可在本文中使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或區(qū)段，但這些元件、部件、區(qū)域、層和/或區(qū)段不應受到這些術語的限制。這些術語僅用來區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段與另一元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段。因此，在不脫離本發(fā)明的教導的情況下，下面討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段可以稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或區(qū)段。如本文所用，術語“和/或”包括相關的所列項目中的一個或多個的任何和所有組合。本文所用的技術術語僅僅是為了描述特定實施例，而并非旨在進行限制。如本文所用，單數形式“一個”、“一種”和“該”也旨在包括復數形式，除非上下文明確表示不是這樣。還將理解，當在本說明書中使用時，術語“包括”和/或“包括有”，或者“包含”和/或“包含有”表明存在所述的特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或附加一個或多個其它特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組。
除非另行限定，本文所用的所有術語(包括技術和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。還將理解，術語(例如在通常使用的字典中定義的那些術語)應當解釋為具有與它們在相關領域和本公開的背景中的含義一致的含義，并且不會以理想化或過度正式的含義來解釋，除非本文中這樣明確地限定。本文公開了一種能夠準確估計從蒸汽發(fā)生系統(tǒng)排放的二氧化碳的量的方法。在一個實施例中，該方法包括測量由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中的工作流體吸收的總能量和將所吸收的總能量除以蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率以得到總熱輸入。然后，可根據總熱輸入確定碳排放。工作流體可包括水、氨等。在一個實施例中，工作流體為水。在一個示例性實施例中，該方法包括測量供給到蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(例如在給水入口處)的給水的第一能量和在多個點處(例如在蒸汽出口處)離開蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的蒸汽或熱水的第二能量，以及用第二能量減去第一能量以提供對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中“吸收的能量”的量度。然后，將該吸收的能量除以蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率以確定熱輸入。然后，使用熱輸入計算排放到環(huán)境中的二氧化碳的質量。該方法被稱為能量平衡法，因為它不測量進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的任何直接含碳輸入，而是根據進入和離開蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的工作流體的流來估計碳排放。由于與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中燃燒的燃料的重量或由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產生的煙氣的量相比，可更準確地測量工作流體的溫度和壓力，因此該方法更加精確以及更加準確。能量平衡法或熱損失法這樣命名是因為其根據給水能量和蒸汽能量(當工作流體為水時)之間的差以及蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率來確定碳排放，而不直接測量燃料輸入或氣體流出物。能量平衡法可準確地用來確定蒸汽發(fā)生器中的碳排放，蒸汽發(fā)生器為例如燃油以及燃氣的蒸汽發(fā)生器、燃燒煤粉的蒸汽發(fā)生器、循環(huán)流化床蒸汽發(fā)生器、燃燒加煤機用煤(stoker coal)的蒸汽發(fā)生器、沸騰式流化床蒸汽發(fā)生器等。一種用于在上述蒸汽發(fā)生器中使用的示例性蒸汽發(fā)生系統(tǒng)為鍋爐。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中使用的燃料可以是煤、煤粉、汽油、重油、柴油等。該方法與用于實時或在線測量的類似性質的其它方法的區(qū)別在于包括空氣加熱器以及測量空氣加熱器出口處的格柵中的煙氣氧含量和煙氣溫度。這種包括提高了方法的準確性并且使得能夠連續(xù)確定效率。
圖I是蒸汽發(fā)生系統(tǒng)100中的鍋爐10的示例性描繪。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)100在下文中將稱為鍋爐系統(tǒng)100。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)100由空氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)和蒸汽與水系統(tǒng)構成?？諝庀到y(tǒng)包括入口管道系統(tǒng)，入口管道系統(tǒng)包括風機30、空氣預熱器32、34以及風箱和燃燒器36。該入口管道系統(tǒng)進一步包括空氣預熱器32，空氣預熱器32在空氣進入主空氣加熱器34之前加熱空氣，主空氣加熱器34在將空氣排入燃料系統(tǒng)(粉碎機)、風箱和燃燒器36之前加熱空氣。風箱和燃燒器36是具有氣密罩殼的鍋爐10的一部分，燃料在氣密罩殼中燃燒。鍋爐10由水冷壁18構成，水在水冷壁18中被沸騰成蒸汽。蒸汽與水系統(tǒng)包括用來將熱量從燃燒的燃料和空氣傳遞至水和蒸汽的管道和傳熱表面。給水在節(jié)熱器12中進入蒸汽與水系統(tǒng)，節(jié)熱器12加熱給水，且然后將給水送至蒸汽鼓14，其在蒸汽鼓14中與在爐膛水冷壁18中循環(huán)的水混合。水在水冷壁中或者利用自然循環(huán)或者通過循環(huán)泵16循環(huán)，直到足夠的能量將其轉化為蒸氣。這種水蒸氣或蒸汽離開蒸汽鼓并被導向至一級過熱器20，且然后導向至末級過熱器22。在蒸汽離開鍋爐并到達蒸汽輪機以產生功率或者到達做有用功的過程 之前，過熱器將溫度升高至飽和溫度以上。蒸汽減溫站(有時稱為降溫器)用來控制蒸汽溫度和防止系統(tǒng)金屬過熱。在這種情況下，水被噴入減溫器以通過蒸發(fā)冷卻蒸汽。噴霧水被注入二級過熱器22，同時從二級過熱器22移除主蒸汽。來自鍋爐的蒸汽也被輸送至鼓24并被用作輔助蒸汽。水可以在必要時作為排水抽出以改善水質。在發(fā)電設施的情況中，蒸汽的一部分可返回以再熱，且然后返回蒸汽輪機。蒸汽與水系統(tǒng)的再熱部分包括傳熱表面24，傳熱表面24用于在使蒸汽返回蒸汽輪機之前升高蒸汽溫度。離開節(jié)熱器(economizer)的燃燒產物稱為煙氣并進入煙氣系統(tǒng)。煙氣系統(tǒng)包括熱空氣質量控制系統(tǒng)(AQCS)，并且如果適用，空氣預熱器34的煙氣側包括顆粒控制裝置40，并且可能包括附加的AQCS設備。因此，煙氣在經煙囪42引入到大氣之前行進穿過熱空氣質量控制系統(tǒng)和顆?？刂蒲b置40。在一些鍋爐構造中，使用氣體再循環(huán)風機38將煙氣的一部分再循環(huán)至爐膛以改善熱傳遞。燃料(如煤粉)和空氣經燃燒器36引入到鍋爐10中。也可將油和氣經燃燒器36引入到風箱以有利于點燃燃料或用作主燃料來引入。在鍋爐10中產生的煙氣被用來將給水加熱成蒸汽，然后用蒸汽來驅動發(fā)電機。然后將煙氣經由空氣加熱器34排放至煙囪42。由燃料燃燒產生的灰被從鍋爐10的底部移除。由鍋爐10產生的飛灰由顆粒控制裝置40移除，顆?？刂蒲b置40或者位于空氣預熱器34的熱側，或者如圖所示位于空氣預熱器之后。來自節(jié)熱器的灰也可以如圖I中所示被移除。參照圖1，鍋爐系統(tǒng)100包括三個主要系統(tǒng)空氣與煙氣系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)和蒸汽與水系統(tǒng)。在空氣與煙氣系統(tǒng)中，空氣被吸入稱為強制通風機(FD風機)的一個或多個風機30中，且然后被導向至入口管道系統(tǒng)，該管道系統(tǒng)可將這種空氣導向至空氣預熱器34。來自該空氣預熱器34的空氣(或在空氣預熱器34不存在的情況下)被導向至風箱和燃燒器36，在這里燃料與用于燃燒的空氣混合并在鍋爐10中燃燒。該煙氣然后傳送經過空氣預熱器34的傳熱表面并在排放至大氣之前傳輸至污染控制設備。燃料系統(tǒng)取決于鍋爐系統(tǒng)中燃燒的燃料的類型。氣體燃料最簡單，其中氣體被直接供應至燃燒器。油系統(tǒng)可加熱油以輸送和/或加熱蒸汽以霧化。固體燃料通常在三種裝置中燃燒加煤機或移動爐篦(travelling grate)、流化床或煤粉。在煤粉系統(tǒng)中，將煤在粉碎機中研磨成細粉，其中，也將熱空氣引入以將煤干燥且將其輸送至燃燒器36和鍋爐10以用于燃燒。通過將來自空氣加熱器的熱空氣與未加熱的空氣混合來控制進入粉碎機的空氣的溫度。在蒸汽與水系統(tǒng)中，水首先在節(jié)熱器12中被加熱，且然后被引入蒸汽鼓14中，蒸汽與水混合物在蒸汽鼓14中循環(huán)通過爐膛水冷壁并返回至蒸汽鼓14,蒸汽鼓14將蒸氣與液體分離。液體被再循環(huán)至水冷壁18，同時蒸氣被送至一級過熱器20以進行額外的熱傳遞。在超臨界鍋爐或普通水加熱器的情況中，不使用蒸汽鼓，因為在入口流體和出口流體之間沒有明顯的密度差。來自一級過熱器20的蒸汽被送至取決于鍋爐源的設計的其它過熱表面。在許多情況下，使用蒸汽減溫器(或降溫器)作為對最終蒸汽溫度的控制器。在一些機組設計中，可以存在不止一個減溫或降溫級。在許多鍋爐設計中結合了再熱段。該(再熱)段接納已在過程中使用的蒸汽并在返回過程之前對其進行再熱。用于這種再熱的傳熱表面在煙氣流中與主蒸汽過熱器混合。為了確定來自鍋爐的碳排放，希望測量蒸汽的溫度和壓力。由于蒸汽的溫度和壓力可容易而準確地測量，也可以準確地確定蒸汽或水的焓。在鍋爐的多個點處的蒸汽的質量和焓可被測量和用來通過利用公式Q = MH確定蒸汽的能量，其中M為質量，H為比焓。通過確定在鍋爐的多個點處的蒸汽的能量和進入鍋爐的給水的能量之間的差，可確定由蒸汽和水吸收的能量。鍋爐的效率被定義為蒸汽和水所吸收的能量除以在鍋爐中燃燒的熱量。因此，通過將蒸汽和水中的能量除以鍋爐的效率，可估計向鍋爐的熱輸入。向鍋爐的熱輸入可用來估計碳排放。在本節(jié)接著將會出現大量公式。這些公式用來基于蒸汽和給水之間的能量差來確定碳排放。以下名稱表將用于讀者來確定以下公式中使用的各種術語的含義。如在以下公式中將看到的，存在多個串列在一起的術語。這些組合的術語的含義可利用表I來估計。表I
權利要求
1.一種方法，包括 測量進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的給水的第一能量； 測量離開所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的蒸汽或水的第二能量； 減得所述第一能量和所述第二能量之間的差，以確定由所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)吸收的總能量; 將由所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)吸收的所述總能量除以所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率，以確定對所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的熱輸入；以及 由對所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的所述熱輸入確定碳排放。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括測量空氣加熱器出口處的格柵中的煙氣氧含量和煙氣溫度。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括從所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中周期性地對燃料和灰取樣并分析所述燃料和所述灰。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括維護對燃料和灰的所述分析的數據庫并使用來自所述數據庫的數據準確地確定對所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的所述熱輸入。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述數據庫用來編輯歷史記錄；所述歷史記錄用來分析提供最低不確定性的產物。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，分析提供所述最低不確定性的所述產物除了收到基之外以無水分且無灰基進行；所述收到基涉及收到的燃料。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述碳排放可根據下列公式(11)、(12)和(13)確定
8.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，氮氧化物、二氧化硫和一氧化碳的量使用下列公式(14)和(15)確定
9.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，由所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)吸收的所述總能量根據公式⑶獲得 Qble 一 Qis+Qisspray+QBd+QsB+QAux+QEH+QEHspray ⑶， 其中Qms是主蒸汽的總能量;MMSspray是引入主蒸汽中的噴霧的總能量，QBd是排出蒸汽的總能量，Qsb是吹灰蒸汽的總能量，Qaux是輔助蒸汽的總能量，Qeh是再熱蒸汽的總能量，并且Qshspray是引入再熱蒸汽中的噴霧的總能量。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述主蒸汽的所述總能量Qms由公式(I)確定 Qms — (MFff-MSB-MBd-MAux) (Hms-Hfw)⑴， 其中Mfw是所述給水的質量,Msb是所述吹灰蒸汽的質量,Med是所述排水的質量,Maux是所述輔助蒸汽的質量，Hms是所述主蒸汽的焓，Hfw是所述給水的焓。
11.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述吹灰蒸汽的所述總能量由以下公式(2)確定 Qsb 一 Msb (Hsb_HFW)(2)， 其中Qsb是吹灰蒸汽的總能量，Msb是所述吹灰蒸汽的質量，Hfw是所述給水的焓，并且Hsb是所述吹灰蒸汽的焓。
12.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，排水的所述總能量QBd由以下公式(3)確定 ^Bd 一 MBd (Hbd_HFff)(3)， 其中MBd是排水的質量，Hfw是給水的焓，并且Hbd是所述排水在鼓壓力的飽和條件處的焓。
13.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述輔助蒸汽的所述總能量Qaux由以下公式⑷確定 Qaux 一 Maux (Haux_Hfw)⑷ 其中Maux是輔助蒸汽的所述質量，Hfw是給水的焓，并且Haux是所述輔助蒸汽的焓。
14.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，由通向所述主蒸汽的噴霧吸收的所述總能量由以下公式(5)確定 QrMSspray = MrMSspray (Hms-Hmsspray)(5), 其中QrMSspray和MrMSspray分別是通向所述主蒸汽的噴霧的能量率和通向所述主蒸汽的所述噴霧的z質量速率，Hms是所述主蒸汽的焓，并且HBspray是通向所述主蒸汽的噴霧的 >焓。
15.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，在所述再熱蒸汽中吸收的所述總能量由以下公式(6)確定QrRH = MrCRH (Hheh-Hceh)(6)， 其中QrRH和MrCRH分別是所述再熱蒸汽的所述能量率和所述質量速率，并且Hhkh和Hckh分別是熱再熱蒸汽的焓和冷再熱蒸汽的焓。
16.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，由通向所述再熱蒸汽的噴霧吸收的所述總能量在以下公式(7)中提供 QrRHspray = MrRHspray (H腿-HRHfflspray)(7) 其中QrRHspray和MrRHspray是通向所述再熱蒸汽的所述噴霧的j含速率和質量速率，Hheh和HRHraispray分別是熱再熱蒸汽的焓和用于所述再熱蒸汽的噴霧的焓。
17.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括由以下公式(15a)確定通向所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的所述燃料流量
18.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括通過公式(29)確定在位置z前面進入所述鍋爐的干空氣的量
19.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括由公式(31)和(32)確定在位置z前面進入所述鍋爐的所述濕空氣MqAz = (I+MFrffA)MqDAz 磅 /BTU (31)MFrAz = (I+MFrffA)MFrDAz 磅 / 磅燃料 (32),其中術語Mq表示以磅/BTU計的質量，MqAz表示在位置z處的干空氣的以磅計的質量，MFrffA是濕空氣的質量分數，MqDAz表示在位置z處的干空氣以磅/BTU計的質量，并且MFrDAz表示在位置z處的干空氣的質量分數。
20.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括由以下公式(33)確定來自燃料的濕氣體
21.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括通過公式(41)確定以磅/BTU計的濕煙氣總重量，其中MqFgz = MqDAz+MqWAz+MqFgF+MqC02Sb+MqWSb+MqWADz (41)，其中MqFgz是在位置z處的燃料中的濕氣體以磅/BTU計的質量，MqDAz表示在位置z處的干空氣以磅/BTU計的質量，MqffAz表示在位置z處的濕空氣以磅/BTU計的質量，MqFgF是以磅/BTU計的燃料中的濕氣體的質量，MqCO2Sb是以磅/BTU計的吸附劑中的二氧化碳的質量，MqWSb是以磅/BTU計的濕吸附劑的質量，并且MqWADz是燃燒的每磅燃料所增加的水分的以磅/BTU計的質量。
22.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，還包括通過以下公式(21)確定針對已燃燒碳修正的理論空氣MFrThACr = 0. 1151XMpCb+0. 3430 XMpH2F+0. 0431 XMpSF (I+. 5MFrSc) -0. 0432 XMpO2F (21)， 其中MFrThACr是針對以磅/磅燃料計的已燃燒碳修正的所述理論空氣，其中MFrSc是捕獲的硫的質量分數，并且其中MpCb、MpH2F、MpSF和MpO2F分別是碳的質量百分比、燃料中氫的質量百分比、燃料中硫的質量百分比和燃料中氧的質量百分比。
23.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率由經修改的ASME PTC 4方法確定。
24.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)為鍋爐。
25.—種方法,包括 計算當鍋爐中的工作流體經受狀態(tài)變化時由所述工作流體吸收的總能量； 將由所述鍋爐吸收的所述總能量除以所述鍋爐的效率，以確定對所述鍋爐的熱輸入；以及 由對所述鍋爐的所述熱輸入確定碳排放。
26.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述工作流體為水。
27.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，計算由所述工作流體吸收的所述總能量包括測量在所述工作流體進入所述鍋爐時所述工作流體的第一能量和在所述工作流體離開所述鍋爐時所述工作流體的第二能量，并從所述第二能量中減去所述第一能量。
28.根據權利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一能量是在給水進入所述鍋爐時所述給水的能量。
29.根據權利要求28所述的方法，其特征在于，通過反復驗證給水流量測量結果至流量不確定性小于I. 5%的情況來確定給水的所述能量。
30.根據權利要求27所述的方法，其特征在于，所述第二能量是在蒸汽離開所述鍋爐時所述蒸汽的能量。
31.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述碳排放可根據下列公式(11)、(12)和(13)確定
32.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率由經修改的ASME PTC 4方法確定。
全文摘要
公開了一種用于確定來自蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)的碳排放的方法。該方法包括測量進入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)的給水的第一能量和測量離開蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)的蒸汽的第二能量。從第二能量中減去第一能量以確定由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)吸收的總能量。將由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)吸收的總能量除以總能量以確定對蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)的熱輸入。該熱輸入用來確定來自蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(100)的碳排放。
文檔編號F22B37/38GK102803847SQ201080035287
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2009年6月4日
發(fā)明者M·J·杜利 申請人:阿爾斯通技術有限公司