[发明专利]运输氧-燃烧器中的氧燃烧

说明书

就联邦资助的研究或发展所做的声明

本发明是在美国能源部第DE-NT0000749号合作协议下获得的一些政府支持下做出的。政府在本发明中享有一定的权利。

发明背景

1，发明的技术领域

本发明总体涉及燃煤发电厂的设计，更具体地说，涉及一种运输氧-燃烧器。运输氧-燃烧器被用于用氧气作为氧化剂的煤的燃烧，以在从烟道气流中冷凝出水分后产生基本上纯的CO₂。

2，相关技术的描述

氧-燃烧是燃煤发电厂的设计中的一部分，其有相比常规燃煤电厂设计而言显著地减少CO₂排放量的潜力。在氧-燃烧中，煤在富氧的环境中使用基本上纯的氧或经再循环烟道气稀释的基本上纯的氧的燃烧。从这个过程中，烟道气主要是由CO₂和H₂O组成，因此，通过简单的将排气流中的水冷凝，即可产生CO₂浓缩气流。氧-燃烧优于空气燃烧的一点是，它提供了大幅度减少CO₂分离和捕获成本的高潜力，这是因为几乎所有的排气流出物均可以被捕获及螯合。

Anderson（安德森）等人的美国第6505567号专利中公开了操作一种通过基本纯净的氧气作为氧化剂送入燃烧器中以使燃烧器内的矿物燃料燃烧来操作大气循环流化床的方法。烟气中所夹带的细小的固体的一部分在一外部流化床热交换器中冷却并且被再循环到燃烧器的下部。该固体物的冷却过程中产生用于发电的蒸汽的一小部分。所再循环的夹带的、冷却的固体的一小部分可以帮助控制燃烧器的温度。

Anderson等人还公开了向燃烧器再循环足够大量的气态燃烧产物以控制燃烧器的温度。除了用氧气代替空气作为氧化剂之外，这样的循环流化床燃烧器（CFB）的操作方法与传统的循环流化床燃烧器的操作方法基本上是相同的。但是，为了控制燃烧器的温度，需要将烟气再循环回到燃烧器并且其速率与在空气供给燃烧过程中的空气中的氮气的量几乎相同。

虽然当有必要从烟道气中的捕集CO₂时，Anderson等人的工艺相比鼓空气燃烧而言有显著的优点，但大量的烟道气再循环会造成高能耗，并且会降低操作的可靠性。因此，这种常规的操作方法需要改进。

此外，像任何空气燃烧过程一样，为达到完全燃烧，需要过量的氧，因此，在烟道气中会存在氧。然而，对于CO₂封存或其他应用而言并不希望CO₂流的烟道气中存在氧。同时，即便是仅存在少量的水分，CO₂和氧气的混合物也更加具有腐蚀性。此外，生产氧气在燃烧过程中最昂贵的步骤，因此，也极不希望将烟道气与贵重的氧一同排放。

Anderson等人的专利中所示的循环回路布置类似于最广泛使用的商业循环流化床。流化床热交换器的曝气可以对旋流器性能以及整体的固体循环速度产生不利的影响。

在循环流化床中的氧-燃料燃烧与空气-燃料燃烧过程具有一些共同的缺点。例如，它需要大的钙硫比以从烟道气中除去90％以上的含硫化合物。因此，针对严格的除硫或从发电厂的硫成分的近零排放，烟道气脱硫（FGD）设备是必需的。然而，在过程中加入FGD会增加投资和运营成本。

为去除硫化合物需要高钙至少有两个原因。一种是由于操作的大气性质，—煤中的硫化合物将主要转换成SO₂，其与钙化合物的反应速率相对较慢。第二个原因是，在循环流化床中使用的都是大尺寸颗粒，并且仅石灰石颗粒的表面层是用来固硫的—而核心的颗粒具有很少有机会与烟道气中的硫化合物相接触。

出于捕获CO₂的目的，为了产生乏氮的烟道气流，实质上纯的氧气被用来替代例如，第7282171和6918253号美国专利，以及第2009-0255450和2009-0257941号美国专利申请公开中披露的在传统的粉煤（PC）锅炉中使用的空气。在这些参考文献中描述的方法同样再循环大量的CO₂或烟道气以缓和并控制锅炉的温度。

如上所述，对于氧-燃烧循环流化床过程而言，这样的通过对CO₂或烟道气的大规模再循环来控制燃烧温度会导致电厂的效率以及操作的可靠性的降低。此外，来自这些参考文献中所描述的烧氧的PC锅炉的烟道气含有明显超过锅炉的操作所必需的量的过量的氧气。因此，需要一个额外的工艺步骤以将氧浓度降至一相对低的ppm水平，以产生一个实质上纯的CO₂气流。