專利名稱：：基于模塊的氧燃料鍋爐的制作方法基于模塊的氧燃料鍋爐
背景技術：
本發(fā)明涉及供給氧的鍋爐(oxygenfueledboiler)。更具體地，本發(fā)明涉及具有靈活性設計的基于模塊的氧燃料鍋爐(oxy-fudboiler)。氧燃料燃燒系統(tǒng)的優(yōu)勢得到了公認。例如，Gross美國專利第6,436,337號和第6,596,220號提供了氧燃料燃燒系統(tǒng)的某些優(yōu)勢減少環(huán)境污染(減少NOx的生成)、高效能、高火焰溫度和更小型的整套物理設備設計。通過引用方式將與本申請共同擁有的Gross專利包含到本文的內(nèi)容中。為了獲取來自燃料的能量，鍋爐通常提供某些方式，其中通常將能量輸入到流體中(通過燃料的燃燒)，以改變流體狀態(tài)。然后通常以機械運動的形式(或動能)從流體中獲取能量。大部分的鍋爐使用水作為工作流體，以從燃料中獲取能量。水通過爐管，所述爐管形成鍋爐內(nèi)的一個或多個"壁"或者管束。通常，設計鍋爐的管壁來將能量(以熱量的形式)經(jīng)過管壁傳遞到壁內(nèi)某些回^各和通道里的水中。當水經(jīng)過爐管時，水在壓力下加熱，并經(jīng)由過熱、再熱和/或超臨界狀態(tài)達到高能級(和相變)。還可以使用諸如節(jié)熱器單元等其它階段，水在過熱通道之前的爐壁部分中通過所述節(jié)熱器單元。通過來自流經(jīng)管束的加熱氣體的對流熱傳遞對水進一步加熱(如在節(jié)熱器中)。分別設計鍋爐的階段或區(qū)域，以根據(jù)某種類型熱傳遞機理或現(xiàn)象進行操作。例如，設計下方的爐壁用于輻射熱傳遞，而設計上方的管束、過熱、再熱和節(jié)熱器部分以通過對流熱傳遞原理起作用。應為本領域技術人員理解的是，當水在鍋爐中加熱時，熱傳遞機理相互之間不排斥。雖然這樣的鍋爐構型持續(xù)良好地用于其應用和目的，但是這樣的鍋爐構型未必充分地利用氧燃料燃燒系統(tǒng)的火焰高溫和低廢氣體積。因此，使用氧燃料燃燒系統(tǒng)的鍋爐需要減少環(huán)境污染。期望地，這樣的鍋爐設計實現(xiàn)了高效能(相對于傳遞至工作流體的熱量與由燃燒產(chǎn)物獲取的熱量之間的高比例)，并利用了火焰的高溫。最期望地，這樣的鍋爐構型可以提供更小型的整套物理設備設計。
發(fā)明內(nèi)容基于模塊的鍋爐系統(tǒng)使用多個獨立的、連續(xù)排列的氧燃料鍋爐，用于由水產(chǎn)生蒸汽。設置鍋爐來實現(xiàn)彼此不同的能量傳遞功能。第一或主鍋爐具有與多才艮用于運送水的爐管流體連通(flowcommunication)的給水入口。設置鍋爐以充分防止空氣的引入。主鍋爐的爐管形成至少一個水冷壁。每個鍋爐包括用于供給純度高于21%并優(yōu)選為至少約85%的氧氣的氧氣供給源、用于供給碳基燃料的碳基燃料供給源、以及至少一個氧燃料燃燒爐系統(tǒng)。燃燒爐系統(tǒng)以近似化學計量比、將氧氣和燃料送進(feed)鍋爐中，以便將過量的氧氣或碳基燃料限制到預定容限(tolerance)。針對輻射能的直接暴露來設置每個鍋爐的爐管，以便將能量由火焰?zhèn)鬟f至水冷壁管。遵從傳統(tǒng)的命名法，所提及的水冷壁意^:包括輻射區(qū)中所有的鍋爐爐管，甚至是包括可以用于輸送蒸汽的爐管。在鍋爐系統(tǒng)的一個實施方式中，第二鍋爐是過熱鍋爐，并且經(jīng)由第一鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接送進過熱鍋爐中。蒸汽離開過熱鍋爐，并流至主蒸汽渦輪機?？蛇x地，該系統(tǒng)可以包括再熱鍋爐(所述再熱鍋爐從高壓蒸汽渦輪機的排氣中獲取進料)，所述再熱鍋爐在類似于主鍋爐的氧燃料鍋爐中對蒸汽進行再熱，并將再熱的蒸汽送進再熱蒸汽渦輪機中。每個鍋爐的能量傳遞或加熱功能不同于每一個其它鍋爐。換言之，在主鍋爐中，將水由相對低的能量(焓)值加熱至飽和蒸汽。在過熱鍋爐中(如果使用的話)，將蒸汽進一步加熱至過熱的狀態(tài)。然后，在再熱器中，將來自高壓渦輪機的排出蒸汽重新加熱，以送進再熱蒸汽渦4侖^L中。鍋爐系統(tǒng)可以包括冷凝器，設置該冷凝器，以便蒸汽從高壓蒸汽渦輪機排放至一個或多個再熱蒸汽渦輪機，任選地到達一個或多個低壓渦輪機，并且繼續(xù)到達冷凝器。優(yōu)選的鍋爐系統(tǒng)包括節(jié)熱器。該節(jié)熱器具有氣體側(cè)和給水側(cè)，氣體側(cè)容納來自鍋爐的燃燒產(chǎn)物("廢氣"或"煙道氣")，以使燃燒產(chǎn)物在將給水引至主鍋爐之前對鍋爐給水進行預熱。從節(jié)熱器排出后，廢氣可以用于預熱氧燃料燃燒系統(tǒng)的氧化劑，通常在進行任何期望的下游廢氣加工處理之前，將廢氣排放到廢氣系統(tǒng)中?？梢酝ㄟ^模塊化鍋爐系統(tǒng)的平行分組，來獲得增加的功率?？梢葬槍Χ喾N不同類型的燃料設置氧燃料燃燒爐，所述燃料的例子有天然氣、石油、煤及其它的固體燃料。當使用固體燃料時，可以使用一部分廢氣(任選地與氧氣混合)將固體燃料攜帶入鍋爐中。該燃料進料氣體可以是來自節(jié)熱器下游的廢氣。根據(jù)以下詳細的描述，結(jié)合所附的權利要求，本發(fā)明這些和其它的特征和優(yōu)勢將會顯而易見。在回顧以下詳細的描述和附圖之后，本發(fā)明的益處和優(yōu)勢對于相關領域的普通技術人員將變得更顯而易見，其中圖1是一個單獨的再熱/亞臨界鍋爐系統(tǒng)的簡要流程圖，所述再熱/亞臨界鍋爐系統(tǒng)具有體現(xiàn)本發(fā)明原理的基于模塊的氧燃料鍋爐；圖2是非再熱/亞臨界鍋爐系統(tǒng)的簡要流程圖，所述非再熱/亞臨界鍋爐系統(tǒng)具有體現(xiàn)本發(fā)明原理的基于模塊的氧燃料鍋爐；圖3是一個單獨的再熱/超臨界鍋爐系統(tǒng)的簡要流程圖，所述再熱/超臨界鍋爐系統(tǒng)具有體現(xiàn)本發(fā)明原理的基于模塊的氧燃料鍋爐；和圖4是飽和蒸汽鍋爐系統(tǒng)的筒要流程圖，所述飽和蒸汽鍋爐系統(tǒng)具有體現(xiàn)本發(fā)明原理的基于模塊的氧燃料鍋爐。具體實施方式雖然本發(fā)明容許各種形式的實施方式，但是附圖示出了當前優(yōu)選的實施方式并且將在下文進行描述，同時應理解有待將本
發(fā)明內(nèi)容認為是本發(fā)明的示例，而不意欲將本發(fā)明限制于所展示的具體實施方式。應進一步理解的是本說明書此部分的標題，即"具體實施方式"涉及到美國專利局的要求，并且既不意味著也不推斷為限制此處公開的主題。氧燃料燃燒系統(tǒng)結(jié)合燃料源使用本質(zhì)上的純氧以有效、無不利環(huán)境影響的方式通過火焰產(chǎn)生(即，燃燒)來形成熱量。這樣的燃燒系統(tǒng)實現(xiàn)了高效能(相對于傳遞至工作流體的熱量與由燃燒產(chǎn)物獲取的熱量的高比例)的燃燒，并利用了火焰的高溫。優(yōu)選的燃燒系統(tǒng)使用相對高純度的氧氣(約21%以上并且優(yōu)選至少約85%的氧氣)，從而使得經(jīng)過鍋爐的總氣體體積相應地減少。通過使用氧燃料，可以預期鍋爐中的火焰溫度高于約3000。F并高達約5000°F。此外，本鍋爐系統(tǒng)的一個操作參數(shù)是氧燃料燃燒系統(tǒng)的使用，其中將相對的純氧而不是空氣用作為氧化劑。如此處所用，氧化劑用來指攜帶用于燃燒的氧氣的氣體。例如，當純氧(l00%)供給至該系統(tǒng)時，氧氣包含100%的氧化劑，而將空氣用作為氧化劑時，氧氣包含約21%的氧化劑。因此，與常規(guī)的鍋爐相比所需的氧化劑體積顯著地減少(因為基本只使用氧氣而不是使用空氣)，上述情況使得輸入(和由此形成的吞吐量)到鍋爐的氣體體積下降，并且使得通過鍋爐的氣體流速低于常規(guī)的鍋爐。由低流速和體積提供的主要優(yōu)勢在于物理設備系統(tǒng)的整個規(guī)?？梢孕∮诔Ｒ?guī)的鍋爐系統(tǒng)，并且預期這樣的鍋爐系統(tǒng)的資本耗費也因此相應地降低。本鍋爐系統(tǒng)的一個功能性方面或功能性目標在于從燃燒過程獲取最大量的能量(以來自燃燒產(chǎn)物/廢氣的熱傳遞的形式)。上述情況結(jié)合低流速在可比的廢氣堆溫度實現(xiàn)了更低的能量損耗。本發(fā)明的另一個方面或功能性目標在于盡可能最大程度地利用更高的火焰溫度。同樣地，如將在下文所描述的，通過輻射熱傳遞而不是對流熱傳遞，來獲得由燃燒產(chǎn)物至鍋爐爐管并由此到達工作流體(水或蒸汽)的相當大比例的熱4專遞。圖1示出鍋爐系統(tǒng)IO的一個實施方式的示意圖。所展示的系統(tǒng)10為再熱/亞臨界單元。該系統(tǒng)包括三個分開且不同的鍋爐，即用于由水產(chǎn)生蒸汽的第1號鍋爐(主鍋爐12)、用于產(chǎn)生過熱蒸汽的第2號鍋爐(過熱鍋爐14)和第3號鍋爐(再熱鍋爐16)。通過氧化劑和燃料供給系統(tǒng)18、20將氧氣與燃料分別送進鍋爐中。如圖解所示，并且如將在下文所描述的，鍋爐12、14、16分別包括各自獨立的氧燃料燃燒系統(tǒng)22、24、26。在這樣的氧燃料燃燒系統(tǒng)中，每個鍋爐12-16的水冷壁(參見圖1中鍋爐12的爐管T)分別充分地暴露于火焰，絕大部分的熱傳遞通過輻射熱傳遞機理而不是對流傳遞機理獲得。換言之，絕大部分的熱傳遞是由于爐管直接暴露于火焰產(chǎn)生的，而不是由于爐管上方加熱的廢氣運動產(chǎn)生的。將這種優(yōu)選的輻射熱傳遞機理與使用大量、長且復雜的廢氣流道(通過對流的通道、對流的過熱通道、節(jié)熱器部分等等)以使通過對流機理進行熱傳遞最大化的常規(guī)鍋爐形成清楚的對比。本鍋爐系統(tǒng)10還包括節(jié)熱器28,節(jié)熱器28將能量由鍋爐燃氣(優(yōu)選在所有鍋爐中)傳遞至主鍋爐給水(在給水管道30)中，以在給水引入主鍋爐12之前預熱給水。在本系統(tǒng)中，通過從如氧氣發(fā)生器32中的空氣分離形成氧氣。本領域的技術人員應理解其中可以提供送進鍋爐12-16的氧氣的各種方法均在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如，可以從諸如儲罐、分離水等等途徑供給氧氣。燃料供給源20可以是任何不同類型的燃料和不同類型的供給源。例如，燃料可以是氣體燃料(比如天然氣)、流體燃料(比如燃油、柴油或其他基于有機或無機的流體燃料)或者固體燃料(比如煤、農(nóng)業(yè)或畜牧業(yè)的副產(chǎn)物)。所有這樣的氧氣產(chǎn)物和供給設備18以及所有這樣的燃料和燃料供給設備20均在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1,示出作為發(fā)電機34的供給源的鍋爐系統(tǒng)10。始終，該系統(tǒng)包括含發(fā)電機34的渦輪機/發(fā)電機組36、高壓或主蒸汽渦輪機38、中壓蒸汽渦輪機40、低壓蒸汽渦輪機41和冷凝器42。設置系統(tǒng)10以使給水通過給水管道30進入主鍋爐，并且當給水流經(jīng)鍋爐12的水管T時進行加熱。在典型的鍋爐設備中，水在鍋爐相對低的位置進入鍋爐12，并且當加熱時通過爐管升高。上述情況用于將爐管保持在溢流狀態(tài)，并且在壓力下將流體保持在爐管中。分離加熱的流體，且飽和蒸汽通過管道44離開主鍋爐12，并進入過熱鍋爐14。在過熱鍋爐14，將蒸汽進一步加熱至過熱的狀態(tài)后，再次流經(jīng)壁管。過熱的蒸汽通過主蒸汽管道46離開過熱鍋爐14,并進入高壓(主蒸汽)渦輪機38。低壓蒸汽從主高壓蒸汽渦輪機38排出，并通過再熱蒸汽管道48返回至再熱鍋爐16。蒸汽通過再熱的蒸汽流送管道50離開再熱鍋爐16,并進入中壓渦輪機。由中壓渦輪機40排出的蒸汽流經(jīng)交叉管道43，并進入低壓渦輪機41。蒸汽通過渦輪機排出管道52從低壓渦輪機41排出，并在冷凝器42中充分冷凝(通常在低壓(低于大氣壓)下進行以便通過渦輪機40由蒸汽獲取最大量的能量)，且隨后通過節(jié)熱器28返回(泵回)主鍋爐12,節(jié)熱器28(如上所提出)在將水引至鍋爐12之前對水進行預熱。至于燃料回路，如上所述，燃料和氧化劑分別獨立地送進鍋爐12、14和16中。燃氣均分別通過管道13、15和17離開各自的鍋爐，并進入節(jié)熱器28,在節(jié)熱器28中氣體預熱主鍋爐的給水。燃氣離開節(jié)熱器28,并可用于預熱氧化劑預熱器60中的氧化劑。廢氣離開節(jié)熱器28后被送至氧化劑預熱器60(通過管道61),且隨后返回(通過管道63)任何必需的下游處理設備(通常以54表示)的入口，該下游處理設備如洗滌器、沉淀器或類似設備。此外，在期望的情況中，可以將一部分的燃氣二次循環(huán)(通過燃氣二次循環(huán)管道56)至鍋爐12-16,—般繼之以氧化劑預熱。還可以將二次循環(huán)管道56用作為攜帶燃料進入鍋爐12-16，例如攜帶煤末進入鍋爐的載體(通過轉(zhuǎn)移至燃料攜帶管道58)。如應為本領域技術人員所理解的，因為進入鍋爐的氣體流速和總氣體體積(基本上為純氧)小于常規(guī)的鍋爐，所以排出廢氣或燃氣的流速和體積也相應地低于常規(guī)的鍋爐。同樣地，下游的處理設備54可以比相同規(guī)模(功率輸出)動力設施的常規(guī)設備更'J、型且更廉價。圖2示出鍋爐系統(tǒng)110的第二個實施方式的示意圖。所展示的鍋爐系統(tǒng)110為非再熱/亞臨界單元，并且同樣地，該系統(tǒng)包括兩個分開和不同的鍋爐，即用于由水產(chǎn)生蒸汽的第1號鍋爐(主鍋爐112)和用于產(chǎn)生過熱的蒸汽的第2號鍋爐(過熱鍋爐114)。沒有再熱鍋爐。該系統(tǒng)110的其他方面類似于圖1系統(tǒng)10的實施方式，并且包括氧化劑和燃料供給系統(tǒng)118、120(在獨立的氧燃料燃燒系統(tǒng)122、124中)以分別獨立地送進鍋爐112、114中。鍋爐系統(tǒng)110包括節(jié)熱器128,節(jié)熱器128在給水引入主鍋爐112之前，使用燃氣預熱該給水?？梢允褂迷诠?jié)熱器128后的廢氣來預熱氧化劑預熱器160中的氧化劑。在這里也為鍋爐系統(tǒng)110設置含發(fā)電機134的渦輪機/發(fā)電機組136、高壓(或主蒸汽)渦輪機138、中壓渦輪機140、低壓渦輪機141和冷凝器142。給水通過給水管道130進入主鍋爐，并且當給水流經(jīng)水管時加熱。分離加熱的流體，并且飽和蒸汽通過管道144離開主鍋爐112,并進入過熱鍋爐114，在過熱鍋爐114中將蒸汽加熱至過熱的狀態(tài)。過熱的蒸汽通過主蒸汽管道146離開過熱鍋爐114，并進入高壓渦輪機138。與先前的實施方式不同，在此系統(tǒng)110中，離開高壓渦輪機138的蒸汽橫穿交叉管道143,并進入中壓渦輪機140(比如，不存在再熱器)。蒸汽離開中壓渦輪機140,且橫穿交叉148,并進入低壓渦輪機141。然后低壓蒸汽通過低壓渦輪機，由低壓渦輪機141排至冷凝管道152,并隨后通過節(jié)熱器128返回(泵回)主鍋爐112。至于燃料回路，和先前的實施方式一樣，燃料和氧化劑分別獨立地送進鍋爐112、114中。燃氣均分別通過管道113和115離開各自的鍋爐，并進入節(jié)熱器128以預熱主鍋爐的給水。燃氣離開節(jié)熱器128,并可用于預熱氧化劑預熱器160中的氧化劑。廢氣離開節(jié)熱器128后被送至氧化劑預熱器160(通過管道161),且隨后在離開節(jié)熱器128之后返回(通過管道163)任何必需的下游處理設備(通常以154表示)的入口?？梢詫⑷細膺M行二次循環(huán)156,和/或用作為攜帶燃料(比如煤末)進入鍋爐112、114的載體。圖3展示鍋爐系統(tǒng)210的另一個實施方式，該圖示出一個單獨的再熱/超臨界鍋爐設備。該系統(tǒng)包括兩個分開和不同的鍋爐，即用于由水產(chǎn)生超臨界蒸汽的第1號鍋爐(超臨界主鍋爐212)和第2號鍋爐(再熱鍋爐216)。通過氧化劑和燃料供給系統(tǒng)218、220將氧氣和燃料(在獨立的氧燃料燃燒系統(tǒng)222、226中)分別送進鍋爐212、216中。鍋爐系統(tǒng)210包括節(jié)熱器228,節(jié)熱器228在給水引入主鍋爐212之前，使用燃氣預熱該給水。在這里也為鍋爐系統(tǒng)210設置含發(fā)電機234的渦輪機/發(fā)電機組236、超臨界渦4侖機238、中壓渦輪機240、低壓渦輪機241和冷凝器242。給水通過給水管道230進入主鍋爐212，并且當給水流經(jīng)水管時加熱。加熱的流體通過超臨界蒸汽管道246離開超臨界鍋爐212,并進入超臨界渦輪機238。流體(蒸汽)由超臨界渦輪機238排出，并通過再熱管道248進入再熱鍋爐216,且隨后通過再熱蒸汽管道250流至中壓渦輪機240。蒸汽通過交叉243由中壓渦輪機240排入低壓渦輪機241。低壓蒸汽離開低壓渦輪機241，并在冷凝器242中冷凝。隨后冷凝液通過節(jié)熱器228返回(泵回)超臨界鍋爐212。至于燃料回路，和先前的實施方式一樣，燃料和氧化劑分別獨立地送進鍋爐212、216中。燃氣均分別通過管道213和217離開各自的鍋爐，并進入節(jié)熱器228以預熱主鍋爐的給水。燃氣離開節(jié)熱器228，并可用于預熱氧化劑預熱器260中的氧化劑。廢氣離開節(jié)熱器228后被送至氧化劑預熱器260(通過管道261)，且隨后根據(jù)需要在離開節(jié)熱器228之后返回(通過管道263)任何必需的下游處理設備254的入口?？梢詫⑷細膺M行二次循環(huán)256,和/或用作為攜帶燃料(比如煤末)進入鍋爐的載體。圖4展示鍋爐系統(tǒng)310的又一實施方式，該圖示出飽和蒸汽鍋爐設備。該系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生飽和蒸汽的飽和蒸汽鍋爐312和氧燃料燃燒系統(tǒng)322。鍋爐系統(tǒng)310可以包括節(jié)熱器328,節(jié)熱器328在給水引入主鍋爐312之前，使用燃氣預熱該給水。設置鍋爐系統(tǒng)310以將飽和的蒸汽供給至期望的(當前未指明)下游處理器360。始終，該系統(tǒng)310顯示有"蒸汽需用量"(需要蒸汽的下游處理器)和冷凝器342,對蒸汽的需求將取決于需要蒸汽的設備360。給水通過給水管道330進入主鍋爐312,并且當給水流經(jīng)水管時加熱。加熱的流體在例如蒸汽鼓313中分離為飽和蒸汽和水。飽和的蒸汽通過蒸汽管道346由鼓313離開鍋爐312，并流至需要蒸汽的設備360。然后流體(蒸汽)可以(任選的)在冷凝器342中冷凝，隨后冷凝液通過節(jié)熱器328返回(作為給水泵回)鍋爐312。至于燃料回路，和先前的實施方式一樣，燃料和氧化劑通過氧燃料燃燒系統(tǒng)322送進鍋爐312中。燃氣通過管道313離開鍋爐312,并進入節(jié)熱器328以預熱主鍋爐312的給水。燃氣離開節(jié)熱器328,并可用于預熱氧化劑預熱器370中的氧化劑。廢氣離開節(jié)熱器328后被送至氧化劑預熱器370(通過管道371),且隨后根據(jù)需要在離開節(jié)熱器328之后返回(通過管道373)任何必需的下游處理設備354的入口?？梢詫⑷細膺M行二次循環(huán)356，和/或用作為攜帶燃料(比如煤末)進入鍋爐312的載體。通過氧化劑供給源318供給氧氣，以及通過燃料供給源320供給燃料。分別在鍋爐系統(tǒng)IO、110、210、310的實施方式中，鍋爐必須為獨立的單元，構建該獨立的鍋爐設備來操作，以使經(jīng)由輻射熱傳遞機理產(chǎn)生的熱傳遞達到最大限度。同樣地，該鍋爐相對較小(以確保水冷壁/爐管T有效暴露)，或者至少小于依賴于對流熱傳遞的可比的常規(guī)鍋爐。本領域的技術人員應理解雖然將每個系統(tǒng)的每個鍋爐(例如一個再熱鍋爐系統(tǒng)10的主鍋爐12、過熱鍋爐14和再熱鍋爐16)作為一個鍋爐設備示出和描述，但是也可以預期將這些鍋爐分別設置為連續(xù)的多個單元。此外，例如，可以將主鍋爐12設置為兩個或三個連續(xù)的小型鍋爐。另外，雖然每個鍋爐顯示為具有一個氧燃料燃燒爐，但是根據(jù)需要預期每個鍋爐可以具有多個燃燒爐。應理解的是用于每個加熱階段的一個鍋爐或多個鍋爐的使用，以及用于每個鍋爐的一個燃燒爐或多個燃燒爐的使用，將進一步提高控制熱量輸入單個鍋爐的能力，從而更有效地控制整個過程和蒸汽狀態(tài)。如同上述屬于Gross專利中所假設的，通過氧燃料燃燒系統(tǒng)將能量輸入鍋爐中。使用這樣的配置，熱傳遞至爐的原理模式為輻射，同時伴有一些對流熱傳遞。因為這些燃燒爐(和一^:的氧燃料系統(tǒng))產(chǎn)生了高溫的火焰，所以氧燃料燃燒系統(tǒng)提供了這種有效的輻射熱傳遞。鍋爐的幾何形狀(比如鍋爐爐管直接暴露于火焰)進一步通過使金屬表面積達到最大，來提高熱流量，在該金屬表面上方形成了由火焰至金屬的熱傳遞。有利地，本鍋爐結(jié)合氧燃料燃燒的使用最大程度地利用了輻射熱傳遞，上述情況可以允許鍋爐形體小于約為相等規(guī)模(功率輸出)的常規(guī)鍋爐。換言之，因為將本質(zhì)上的純氧(而不是空氣)用作為氧化劑，所以全部的氧化劑均可用于燃燒，并且當將空氣用作為氧化劑來提供燃燒需要的氧氣時，輸入鍋爐的氣體體積約為所需的氣體體積的21%。由于使用了本質(zhì)上的純氧而不是空氣，因此該鍋爐可以相當?shù)匦?。此外，燃?氧氣混合物(再次說明，不是燃料/空氣混合物)使得鍋爐中的火焰溫度更高。在鍋爐中利用氧燃料可以獲得約為5000。F的火焰溫度。這比常規(guī)的鍋爐約為1500。F-2000。F的火焰溫度更高。還觀察到結(jié)合這些較高的火焰溫度使用氧燃料導致更高效的過程。在當前使用天然氣作為燃料的鍋爐系統(tǒng)中，氧氣/天然氣的比例約為2.36:1。該比例將根據(jù)所供給的氧氣純度和燃料的性質(zhì)發(fā)生改變。例如，在100%純氧的理想狀態(tài)下，該比例經(jīng)理論計算為2.056:1。但是，由于所供給的氧氣可能具有一定百分比的非氧氣成分(通常高達約15%)并且天然氣不可能總是100%的純，所以這樣的變化是可以預期的。同樣地，本領域的技術人員應重視和理解該比例可以稍微改變，但是用于計算該比例的算法必須保持精確，其中該比例接近于燃料和氧氣的化學計量比。氧氣和燃料的這種比例提供了大量的優(yōu)勢，例如，接近化學計量的比例實現(xiàn)了燃料的完全燃燒，因此使排放的NOx和其他有害的廢氣的體積基本上更少。值得指出的是精確控制氧氣與燃料的比例確保了燃料的完全燃燒。這和與LOI(lossonignition,燒失量)作斗爭的常規(guī)設備(例如化石燃料動力發(fā)電廠)完全不同。實質(zhì)上，LOI等同于燃料的不完全燃燒。另一方面，當前的鍋爐系統(tǒng)10、110、210、310使用了緊密控制在接近燃料化學計量比的本質(zhì)上的純氧(使鍋爐"密封"，換言之，設置密封的鍋爐，以充分防止空氣的引入)，旨在使這些損耗達到最低限度，并且盡可能地消除。此外，當使用這些燃燒爐時(在氧燃料系統(tǒng)中)，唯一獲得的理論NOx來自燃料中的氮(ftiel-bornenitrogen),而不是以其他方式由使用空氣的燃燒產(chǎn)生。因此，將NOx(如果沒有完全排放的話)減少至與常規(guī)的燃燒系統(tǒng)相比可以忽略的數(shù)量。此外，因為輻射熱傳遞是期望的熱傳遞機理，所以在鍋爐內(nèi)很少依賴于對流(氣體)通道。這也允許更小型的、更簡單的鍋爐設計。這些設計構思允許鍋爐有待作為獨立的、模塊單元進行設置。換言之，參考圖1,獨立的主鍋爐12可以與獨立的過熱鍋爐14組合，所述獨立的過熱鍋爐14可以與獨立的再熱鍋爐16組合。同樣地，參考圖3，單獨的超臨界主鍋爐212可以與單獨的再熱鍋爐216組合作為鍋爐系統(tǒng)210的核心。這種單獨的構型具有優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)的控制優(yōu)勢，其中通過降溫(atempemtion)(過熱后冷卻)控制溫度。過熱后冷卻的過程通過加入水或蒸汽(如蒸汽或水霧)來冷卻過熱的蒸汽，并降低系統(tǒng)的效能，且可以經(jīng)由使用分開的沸騰和過熱鍋爐進行消除。在調(diào)低操作期間也具有優(yōu)勢(以低于設計功率的功率操作)。在調(diào)低的狀態(tài)下，沸騰區(qū)域的熱量輸入可以獨立于過熱區(qū)域或再熱區(qū)域的熱量輸入而進行控制，并且獲得更有效的操作。根據(jù)不同鍋爐構型的熱量和質(zhì)量平衡的研究顯示預計的鍋爐效能相當高，并且明顯地高于已知的鍋爐系統(tǒng)。例如，在主鍋爐的第一再熱/亞臨界單元中，進水口至蒸汽出口的焓變約為1.95E9BTU/hr,同時燃料輸入的焓約為2.08E9BTU/hr。在過熱鍋爐中，蒸汽入口至蒸汽出口的焓變約為7.30E8BTU/hr,同時燃料輸入焓約為8.32E8BTU/hr，并且在再熱鍋爐中，進水口至蒸汽出口的焓變約為5.52E8BTU/hr，同時燃料輸入的焓約為6.22E8BTU/hr。上述情況使得主鍋爐、過熱鍋爐和再熱鍋爐的效能分別為93.8%(包括節(jié)熱器增益)、87.8%和88.7%。同樣地，在第二非再熱亞臨界單元中，在主鍋爐中，進水口至蒸汽出口的焓變約為1.99E9BTU/hr,同時燃料輸入焓約為1.97E9BTU/hr。在過熱鍋爐中，蒸汽入口至蒸汽出口的焓變約為1.22E9BTU/hr,同時燃料輸入的焓約為1.60E9BTU/hr。上述情況使得主鍋爐和過熱鍋爐的效能分別為101.0°/。(包括節(jié)熱器增益)和76.2%。值得指出的是節(jié)熱器包括在主鍋爐的計算中(主鍋爐采用鍋爐和過熱鍋爐的排氣)，并且同樣地，可以相信廢氣的能量來自過熱鍋爐，該過熱鍋爐使效能看起來大于100%(但并不是)。在第三再熱超臨界鍋爐中，在超臨界主鍋爐中，進水口至蒸汽出口的焓變約為2.37E9BTU/hr,同時燃料輸入焓約為2.72E9BTU/hr。在再熱鍋爐中，蒸汽入口至蒸汽出口的焓變約為6.23E8BTU/hr,同時燃料輸入的焓約為7.24E8BTU/hr。這些情況使得超臨界主鍋爐和再熱鍋爐的效能分別為87.2%(包括節(jié)熱器增益)和86.0%。在最后或者飽和蒸汽鍋爐系統(tǒng)中，進水口至蒸汽出口的焓變約為3.42E9BTU/hr,同時燃料輸入焓約為3.73E9BTU/hr。存在約0.13E8BTU/hr的排氣損耗。這種損耗使得主鍋爐的效能為91.7%。下表1示出了按鍋爐分類的用于再熱/亞臨界單元的部分質(zhì)量和能量平衡成分，表2示出了按鍋爐分類的用于非再熱/亞臨界單元的部分質(zhì)量和能量平衡成分，表3示出了按鍋爐分類的用于再熱-超臨界單元的部分質(zhì)量和能量平衡成分，以及表4示出了用于飽和蒸汽鍋爐設備的部分質(zhì)量和能量成分。應指出的是表3中再熱-超臨界鍋爐設備的部分質(zhì)量和能量平衡值示出第一和第二鍋爐的部分，將所述質(zhì)量和能量平衡值加在一起以確定效能并確認圖3的示意圖。在每一個表1-3的部分質(zhì)量和能量平衡值的概括中，具體和總的焓值為進水口到節(jié)熱器之前各個第一燃燒部分的數(shù)值。表l再熱/亞臨界鍋爐系統(tǒng)的部分質(zhì)量和能量平衡<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表2非再熱/亞臨界鍋爐系統(tǒng)的部分質(zhì)量和能量平衡<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>表4飽和蒸汽鍋爐系統(tǒng)的部分質(zhì)量和能量平衡<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>如上所示，每個鍋爐系統(tǒng)在兩個主要方面不同于常規(guī)的過程。首先，常規(guī)的燃燒過程將空氣(作為供給氧氣的氧化劑)而不是本質(zhì)上的純氧用于燃燒。燃燒時使用了空氣的氧氣成分(約21%),而剩余的成分(基本上為氮氣)在爐中加熱并由爐排出。其次，本過程以彼此接近化學計量比的比例，來使用氧氣和燃料(在約±5%的允許容限內(nèi))。換言之，僅加進與燃料成比例的足夠的氧化劑，以確保燃料在預定容限內(nèi)完全燃燒。此外，本過程在多個鍋爐組成部分或作為坐標系設置的模塊中進行，每個模塊以各自期望的狀態(tài)加熱(如主鍋爐、過熱區(qū)域、再熱區(qū)域)。使用本燃燒系統(tǒng)獲得了許多優(yōu)勢和益處。如下文將要描述的，已經(jīng)觀察到產(chǎn)生等量功率或熱量的燃料燃燒減少了。值得注意地，這種減少可以實現(xiàn)所導致的污染量急劇降低。此外，在某些應用中，NOx的排放基本上可以減至零。此外，已經(jīng)觀察到因為氣體的吞吐量顯著地低于常規(guī)的鍋爐，所以排出的廢氣體積也相應地減少。事實上，因為氧化劑的輸入(本系統(tǒng)中的氧氣與常規(guī)系統(tǒng)中的空氣相比)約為常規(guī)系統(tǒng)的21%,所以排出的氣體也約為常規(guī)系統(tǒng)的21%(由于將固體燃料運至鍋爐需要大量的推動氣體，因此常規(guī)的系統(tǒng)可能有例如40%用于固體燃料)。并且，預期廢氣的主要成分將是可以冷凝或以其他方式釋^:的水(如水蒸汽)和C02。還預期以濃縮的形式獲if又co2用于其他的工業(yè)和/或商業(yè)應用和/或用于固石岌。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用燃料/氧氣混合物(再次說明，不是燃料/空氣混合物)獲得了如上所討論的更高的火焰溫度。利用氧燃料可以獲得約為500(TF的火焰溫度。這比其他已知的鍋爐約為1500。F-2000。F的火焰溫度更高。還觀察到結(jié)合這些較高的火焰溫度使用氧燃料導致極高效的過程。在本
發(fā)明內(nèi)容中，術語"一(a)"或"一(an)"有待包括單數(shù)和復數(shù)。相反地，任何提及的復數(shù)項目在適當處應包括單數(shù)。根據(jù)前述內(nèi)容將觀察到可以實現(xiàn)大量的修改和變動而不脫離本發(fā)明新穎構思的實質(zhì)和范圍。有待理解的是不意欲或者不應推斷關于所闡述的具體實施方式的限制。
發(fā)明內(nèi)容預期為所附的權利要求所包括，所有這樣的修改均落入權利要求的范圍內(nèi)。權利要求1.一種用于由水生成蒸汽的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，包括第一鍋爐，所述第一鍋爐具有與用于運送水的多根爐管流體連通的給水入口，所述爐管形成至少一個水冷壁，所述第一鍋爐經(jīng)設置以充分防止空氣的引入；第一鍋爐氧氣供給源，用于供給純度高于21％的氧氣；第一鍋爐碳基燃料供給源，用于供給碳基燃料；至少一個第一鍋爐氧燃料燃燒爐系統(tǒng)，所述第一鍋爐氧燃料燃燒爐系統(tǒng)以彼此的近似化學計量比、將氧氣和碳基燃料送進所述第一鍋爐中，以將過量的氧氣或碳基燃料限制到預定容限，其中，針對輻射能的直接暴露來設置所述第一鍋爐爐管，以便將能量傳遞至水從而產(chǎn)生蒸汽；第二鍋爐，所述第二鍋爐具有多根爐管，所述第二鍋爐與所述第一鍋爐串聯(lián)，并且所述第二鍋爐經(jīng)設置以實現(xiàn)不同于所述第一鍋爐的能量傳遞功能，在所述第二鍋爐中的爐管形成至少一個管壁，所述第二鍋爐經(jīng)設置以充分防止空氣的引入；第二鍋爐氧氣供給源，用于供給純度高于21％的氧氣；第二鍋爐碳基燃料供給源，用于供給碳基燃料；至少一個第二鍋爐氧燃料燃燒爐，所述第二鍋爐氧燃料燃燒爐以彼此的近似化學計量比、將氧氣和碳基燃料送進所述第二鍋爐中，以將過量的氧氣或碳基燃料限制到預定容限，其中，針對輻射能的直接暴露來設置所述第二鍋爐爐管，以便進行能量傳遞從而產(chǎn)生蒸汽，并且其中，所述第一鍋爐和所述第二鍋爐彼此獨立且相互串聯(lián)。2.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，所述第一鍋爐氧氣供給源供給純度約為85%的氧氣。3.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，所述第二鍋爐氧氣供給源供給純度約為85%的氧氣。4.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中所述第一鍋爐為主鍋爐和所述第二鍋爐為過熱鍋爐，并且其中經(jīng)由所述第一鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接送進所述過熱鍋爐中。5.根據(jù)權利要求4所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括蒸汽渦輪機，其中離開所述過熱鍋爐的蒸汽送進所述蒸汽渦輪機中。6.根據(jù)權利要求5所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括再熱器鍋爐，其中所述再熱器鍋爐具有多根爐管，所述再熱器鍋爐與所述主鍋爐和所述過熱鍋爐串聯(lián)，并且所述再熱器鍋爐經(jīng)設置以實現(xiàn)不同于所述主鍋爐和所述過熱鍋爐的能量傳遞功能，所述再熱器鍋爐中的爐管形成至少一個管壁，所述再熱器鍋爐經(jīng)設置以充分防止空氣的引入，所述再熱鍋爐系統(tǒng)包括用于供給純度高于21%的氧氣的氧氣供給源、用于供給碳基燃料的碳基燃料供給源、和至少一個再熱鍋爐氧燃料燃燒爐，所述氧燃料燃燒爐以彼此的近似化學計量比、將氧氣和碳基燃料送進所述再熱鍋爐中，以將過量的氧氣或碳基燃料限制到預定容限，其中針對輻射能的直接暴露來設置所述再熱鍋爐爐管，以便進行能量傳遞從而對蒸汽進行過熱，并且其中所述再熱鍋爐獨立于所述主鍋爐和所述過熱鍋爐，所述再熱鍋爐>(人所述蒸汽渦輪機的排氣中獲取進料，并且經(jīng)設置以產(chǎn)生蒸汽。7.根據(jù)權利要求6所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，所述再熱器鍋爐氧氣供給源供給純度約為85%的氧氣。8.根據(jù)權利要求6所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括中壓渦輪機，其中經(jīng)由所述再熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽送進所述中壓渦輪機中。9.根據(jù)權利要求8所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括低壓其中由所述低壓渦輪機排出的蒸汽送進冷凝器中。10.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括具有氣體側(cè)和給水側(cè)的節(jié)熱器，其中來自所述第一鍋爐和所述第二鍋爐的廢氣流入所述節(jié)熱器的氣體側(cè)，并且其中給水流經(jīng)所述節(jié)熱器進入所述給水入口。11.根據(jù)權利要求IO所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，所述第一鍋爐和所述第二鍋爐為固體燃料鍋爐，并且其中一部分所述廢氣用于攜帶固體燃料進入至少一個所述鍋爐中。12.根據(jù)權利要求11所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中一部分所述廢氣用于攜帶固體燃料進入所述第一鍋爐和所述第二鍋爐中。13.根據(jù)權利要求11所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，用于攜帶固體燃料進入至少一個所述鍋爐中的一部分所述廢氣由所述節(jié)熱器下游的廢氣流動^4圣排出。14.根據(jù)權利要求10所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，由所述節(jié)熱器的氣體側(cè)排出的廢氣對所述第一鍋爐氧氣供給源和所述第二鍋爐氧氣供給源的所述氧氣供給源進行預熱。15.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，所述第一鍋爐為主鍋爐和所述第二鍋爐為再熱鍋爐，并且包括主蒸汽渦輪機和中壓渦輪機，其中離開所述主鍋爐的蒸汽送進所述主蒸汽渦輪機中，由所述主渦輪機排出的蒸汽送進所述再熱鍋爐中，并且離開所述再熱鍋爐的蒸汽送進所述中壓渦輪機中。16.根據(jù)權利要求15所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括低壓渦輪機，其中蒸汽由所述中壓渦輪機排放至所述低壓渦輪機。17.根據(jù)權利要求16所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括冷凝器，并且其中由所述低壓渦輪機排出的蒸汽排放至所述冷凝器。18.根據(jù)權利要求15所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其包括具有氣體側(cè)和給水側(cè)的冷凝器，其中來自所述主鍋爐和所述再熱鍋爐的廢氣經(jīng)所述節(jié)熱器排出，且其中來自所述冷凝器的給水流經(jīng)所述節(jié)熱器，進入所述給水入口。19.根據(jù)權利要求18所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，所述主鍋爐和所述再熱鍋爐為固體燃料鍋爐，并且其中一部分所述廢氣用于攜帶固體燃料進入至少一個所述鍋爐中。20.根據(jù)權利要求19所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，一部分所述廢氣用于攜帶固體燃料進入所述主鍋爐和所述再熱鍋爐中。21.根據(jù)權利要求20所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，用于攜帶固體燃料進入至少一個所述鍋爐的一部分所述廢氣由所述節(jié)熱器下游的廢氣流動路徑排出。22.根據(jù)權利要求18所述的基于模塊的氧燃料鍋爐系統(tǒng)，其中，由所述節(jié)熱器的氣體側(cè)排出的廢氣對所述主鍋爐氧氣供給源和所述再熱鍋爐氧氣供給源的氧氣進行預熱。23.—種用于由水產(chǎn)生蒸汽的鍋爐系統(tǒng)，包括多個連續(xù)排列的鍋爐，每個鍋爐都具有與用于運送水的多根爐管流體連通的入口，所述爐管形成至少一個管壁，設置每一個所述鍋爐以充分防止空氣的引入，每一個所述鍋爐包括用于供給純度高于21%的氧氣的氧氣供給源、用于供給碳基燃料的碳基燃料供給源、和至少一個氧燃料燃燒爐系統(tǒng)，所述氧燃料燃燒爐系統(tǒng)用于以近似化學計量比、將氧氣和碳基燃料送進其各自的鍋爐中，以將過量的氧氣或碳基燃料限制到預定容限，其中針對輻射能的直接暴露來設置每個鍋爐的所述鍋爐爐管，以便進行能量傳遞，其中每個所述鍋爐獨立于每個其他的鍋爐。24.根據(jù)權利要求23所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，每個所述鍋爐氧氣供給源供給純度約為85%的氧氣。25.根據(jù)權利要求23所述的鍋爐系統(tǒng)，其包括多列所述多個連續(xù)排列的鍋爐，所述多列中的每一列相互平行。26.根據(jù)權利要求25所述的鍋爐系統(tǒng)，其中，所述多列中的每一列類似于所述多列中的每一個其他列。全文摘要一種用于由水產(chǎn)生蒸汽的鍋爐系統(tǒng)，包括多個連續(xù)排列的氧燃料鍋爐。每個鍋爐具有與多根爐管流體連通的入口。每個鍋爐的爐管都形成至少一個水冷壁。設置每個鍋爐，以充分防止空氣的引入。每個鍋爐包括氧燃料燃燒系統(tǒng)，所述氧染料燃燒系統(tǒng)包括用于供給純度高于21％的氧氣的氧氣供給源、用于供給碳基燃料的碳基燃料供給源、以及至少一個氧燃料燃燒爐系統(tǒng)，氧燃料燃燒爐系統(tǒng)用于以近似化學計量比、將氧氣和碳基燃料送進其各自的鍋爐中。設置所述氧燃料系統(tǒng)，以便將過量的氧氣或碳基燃料限制到預定容限。針對輻射能的直接暴露來設置每個鍋爐的鍋爐爐管，以進行能量傳遞。每個鍋爐都獨立于每一個其它鍋爐。文檔編號F01K7/34GK101283161SQ200680006419公開日2008年10月8日申請日期2006年3月1日優(yōu)先權日2005年3月1日發(fā)明者丹尼洛·B·歐瑞斯凱恩,凱茜·A·薩姆斯,布賴恩·R·帕特里克,湯姆·L·奧赫斯申請人:朱比特氧氣公司