PFBC电厂所用的方法和这类电厂的前置燃烧室装置

摘要

PFBC电厂前置燃烧室(7)包括所配置的第一室(22)，它使电厂燃烧室的烟道气通过前置燃烧室。配置装置(8)将燃料气体加入前置燃烧室，以及配置至少一个燃烧器(28)使燃料气体在前置燃烧室中燃烧，以使由其产生的气体与所述的烟道气混合从而提高烟道气的温度。前置燃烧室还包括至少一个位于第一室旁边并因此与所述烟道气流分开的第二室(27)。配置所述的装置将燃料气体加入第二室，并配置燃烧器(28)使这些燃料气体在位于第二室内的前置燃烧室第一区(29)中燃烧。本申请还涉及采用上述的前置燃烧室提高PFBC电厂燃烧室烟道气温度的方法。

说明书

发明领域和现有技术

本发明涉及一种前置燃烧室装置(topping combustor device)，该装置将PFBC电厂主燃烧室产生的烟道气的温度提高到使其适合作该电厂气轮机推动气体的温度，所述的前置燃烧室包括具有入口和出口的第一室，以使所述的烟道气流通过前置燃烧室，所述的装置包括将燃料气体加入前置燃烧室的装置以及至少一个所配置的燃烧器，以便使燃料气体在前置燃烧室中燃烧，使其产生的气体与所述的烟道气混合从而提高其温度，本发明还涉及一种根据所附权利要求1的前序部分所述的提高这类电厂所述烟道气温度的方法。

这类装置通过例如瑞士公布的专利申请458955已为人们所知。这类电厂的主燃烧室燃烧时，产生温度约为850-950℃的烟道气，即燃烧产生的气体。如果将这些烟道气直接供给PFBC电厂的气轮机，这些气轮机就将接受大约这种温度的推动气体。由于受该床化学上的限制，不可能得到更高的温度。如果进一步升高温度，该床就会发生烧结。由于气轮机的功率随推动气体温度的提高显著增加，要求推动气体的温度实际高达1200-1500℃，以便在电厂的气轮机部分得到高输出功率，并由此得到较高的电厂总效率。为此配置这种前置燃烧，所以前置燃烧的目的是提高电厂主燃烧室产生的烟道气的温度以使气轮机推动气体的温度达到所要求的水平。

如果使前置燃烧室的温度提高，电厂排放的NO_x浓度就有增加到不可接受的危险。这类现有技术的装置至少在某些操作条件下，特别是在电厂低负荷的条件下，排放的NO_x浓度太高，这是因为在这些情况下，烟道气的氧含量较高，燃料气在氧存在下燃烧时，由于氧和燃料中的含N成分能在这种燃烧通常产生的非常高的温度(＞2000℃)下发生反应，所以生成高含量的NO_x。

发明概述

本发明的目的是提供一种上述类型的装置和方法，对于这类已知装置和方法中的上述问题本发明已经找到一种简单的解决方法。

根据本发明，这一目的的实现是通过这类装置的前置燃烧室包括至少一个位于第一室旁边且因此与所述气流分开的第二室，和配置的把燃料气体加入第二室的装置，以及配置的燃烧器使这些燃料气体在位于这个第二室内的前置燃烧室的第一区中燃烧。

由于燃料气体在与主燃烧室产生的烟道气流分开的室中燃烧，烟道气流中的氧含量对在所述的第一区内进行的燃烧根本没有任何影响，这意味着，在各种操作条件下，保持在由燃料和空气的混合物组成的燃料气体中有恒定的较低的氧含量，以使燃料气体在高温燃烧时产生尽可能少的NO_x是可能的。燃烧气体在烟道气流之外进行燃烧的另一个优点是会在所述的第一室之外发生形成火焰的燃烧，因此不需要任何使火焰稳定的复杂措施，如果在烟道气流中发生有火焰的燃烧，则需要使火焰稳定。

根据本发明第一个优选的实施方案，配置将所述的燃料气体加入第二室的装置，其中燃料和空气的混合比例使其在第一区中的燃烧是不完全的(Sub-stoichiometric)，以便使燃烧所产生的气体含有未燃烧的燃料，当它们与位于第一室内第二区的烟道气流发生所述的混合时，就与这些气流中所含的氧发生反应。通过始终可以确保燃料在所述第二室内不完全燃烧，即在O₂不足的条件下燃烧这一事实，尽管在第一区有火焰燃烧时温度非常高(＞2000℃)但产生的NO_x量很少。换句话说，当过量的O₂存在时，在这样高的温度下燃烧，会导致大量NO_x的生成。由于所述的第一区位于烟道气流之外，所以这种有利的不完全燃烧总是可以保证NO_x的生成不受电厂负荷的影响。燃料的不完全燃烧会导致未燃烧的燃料在所述的第一室中与烟道气流中存在的氧发生升温型氧化反应，该反应不产生任何火焰，所以温度比有火焰燃烧的温度低得多，因此在第二区内所产生的No_x的含量也很低。

根据本发明另一个优选的实施方案，对于所述类型的燃烧器，即ABB拥有专利权的EV-型燃烧器，是将燃料气体加入在进气方向上器壁收敛能产生涡流的空间，而将空气加入在所述方向上可看到的所述壁端之外的区域。由于在第二室内采用了这种燃烧器，所以在所述的第一区内燃烧时，空气与燃料达到了极好的混合。这延长了燃料气体在第一区的停留时间，其结果是燃料中N成分转化成NO_x的转化率比停留时间短时明显地降低。

根据本发明第三个优选的实施方案，这个第二室是使所述燃料气体燃烧产生的气流与通过第一室的烟道气流呈横向进入该室。由于所述气流的方向与烟道气流呈横向进入该室，所以第二室产生的热气流会立即与烟道气流混合，并确保来自第二室的气流中可燃性气体分子与烟道气流中的剩余氧接触，以便在所述的第二区内发生升温型氧化反应。

根据本发明第四个优选的实施方案，配置所述的第二室是使所述的气流以基本上垂直于第一室中烟道气流的方向进入该室。所述气流与烟道气流的方向呈这种角度流动，使两种气流混合得非常好，因而具有上述优点。

根据本发明第五个优选的实施方案，该装置包括所配置的将第一区燃烧产生的气体在基本上均匀地分布在第一室周围的各点上加入该室的装置。因此，这两种气流的混合得到进一步加强并混合均匀。

根据本发明第六个优选的实施方案，该装置包括多个第二室，其中每一个都有一个燃烧器，而且这些室基本上是均匀分布地配置在管状第一室的周围。这样就可以以一种简单而便利的方式实现前一实施方案。

根据本发明第七个优选的实施方案，配置所述将燃料气体加入第二室的装置，从而使这些气体具有超过进入所述第一室的烟道气流压力的过压。由于第二室和第一室之间的这个压差，在第一区燃烧所产生的气体就可借助其具有的动能与第二区的烟道气流充分地混合。

根据本发明第八个优选的实施方案，该装置包括把空气加入位于预定发生所述混合的区域下游的第一室第三区的装置，以使所述的空气与混合气流混合以便烧尽其中所含的可燃性介质。由于在第三区加入这些空气，可以最终烧尽混合气流中剩余的可燃性介质，并在将气流作为推动气体供给气轮机之前，通过O₂与NO_x反应使有害化合物更少，可使气流中No_x的含量进一步减少。

根据本发明另一个优选的实施方案，所述的空气供给装置包括所配置的通道装置，使空气在前置燃烧室第一和第二区的器壁之外并沿着该壁流动，以便使空气在进入第一室第三区之前被加热同时使这些器壁冷却。空气通过与所述器壁相互作用这种方式被加热，这可增强在所述第三区的最终燃烧效果，同时对所述的器壁提供必要的冷却。

根据本发明另一个优选的实施方案，前置燃烧室的出口构成气轮机的直接入口，这使前置燃烧室同气轮机的组合简单，而且还可毫无问题地避免前置燃烧室和气轮机之间推动气体的热损失。

根据依照上述类型的本发明的方法，使燃料气体在前置燃烧室的与第一室分开的第二室第一区内燃烧，使所述的烟道气通过第一室流过前置燃烧室。这种方法的优点与对装置的独立权利要求的上述优点相同。

本发明的另一些优点和有利特性可从下文以及其它有关的陈述中显示出来。

附图简述

下面参照附图继续描述作为实施例而列举的本发明的具体实施方案。

在附图中：

图1是用流程图来说明将气体和蒸汽循环(后者未示出)结合起来的PFBC电厂，其中的前置燃烧室是根据本发明配置的。

图2是根据本发明优选的实施方案的装置的局部截面流程图。

图3是具有局部剖面的图2装置的正视图。

本发明优选实施方案的详述

为了说明其中包括根据本发明的装置的PFBC电厂即在加压流化床中燃烧粒状燃料的电厂是如何实现的，现参照图1简要地叙述一下这类电厂。

该电厂包括燃烧室1，该燃烧室安装在压力容器2内，主燃烧室体积约为10⁴m³且可被加压到例如约16巴。将用于对燃烧室1加压和使该室内的床层流态化的压缩空气3加入该压力容器。压缩空气通过在燃烧室底部未示出的流化喷嘴加入该燃烧室，以使封装在该燃烧室中的床层流态化。该床是由床料、粒状吸收剂和颗粒状的燃料构成的，该燃料在加入该床的流化空气中燃烧。该床产生的烟道气4被加入净化装置5，在这个实施例中，净化装置由供用于高压的高温过滤器组成。烟道气通过中间截止阀6之后进入前置燃烧室7，该室的结构是本发明的对象，并将参照图2和3对其作进一步地叙述。燃料气体可由已知类型气化器9的管道8通过过滤器10加入前置燃烧室7。燃料气体在通过管道11由高压压缩机12供给压缩空气的前置燃烧室内燃烧，并与燃烧室1的烟道气混合，以提高烟道气的温度，以致离开前置燃烧室的气体的温度(1200-1500℃)使这些气体非常适合作驱动高压气轮机13的推动气体。通过前置燃烧室，所述烟道气的温度从约850-950℃提高到1200-1500℃。

高压气轮机和高压压缩机与发电机14配置在同一个轴上，可从发电机取得有用的能量。高压压缩机12还将压缩空气通过管道11输入PFBC-燃烧室1，对此参照图2叙述看来会更清楚些。中间截止阀15配置在高压压缩机和燃烧室1之间。高压压缩机还通过管道16将用于气化的空气输入气化器9。燃料也可以是天然气，这样可以省掉气化器。

在高压气轮机13中膨胀的气体进入低压气轮机17。离开低压气轮机的废气仍然含有能量，这些能量由节能器18处理。还可以将低压压缩机19配置在低压气轮机的轴上，通过过滤器20为其提供常压空气。因此低压压缩机是由低压气轮机驱动的，从其出口为高压压缩机12提供第一级压缩空气。在低压压缩机和高压压缩机之间配置中间冷却器21，以降低进入高压压缩机12入口的空气的气温。

现在参照图2叙述根据本发明的前置燃烧室的优选实施方案。前置燃烧室7包括管状第一室22，该室具有来自PFBC-电厂主燃烧室1的烟道气24的入口23和位于相对端的出口25，该出口构成高压气轮机13的直接入口26，通向与所述第一室的纵向轴垂直的高压气轮机轴向延伸部分。

前置燃烧室包括多个第二室27(在本图中是4个)，它们在烟道气24流动方向的同一水平上均匀地分布在第一室周围，  因此这些第二室的方向对第一室呈辐射状，且在配置上，它们与进入前置燃烧室的烟道气流分开。每个第二室27都装备有燃烧器28，在配置上，使来自气化器9的压缩燃料气体通过管道8加入燃烧器。其中的燃料优选碳或油。燃烧器28是EV型的，即将燃料气体加入在供气方向上器壁扩张能产生涡流的室中，而将用于燃烧的空气加入在这些壁端之后在所述方向上的区域。以便使其达到近于完全的混合，所述的涡流在用于燃料气体燃烧的第二室中的第一区29消失。将进一步叙述如何加入空气，但相对于加入的燃烧量，按氧量不足加入空气，以致在非常高的温度(＞2000℃)下在第一区29发生的有火焰燃烧是不完全燃烧，借此将NO_x的生成保持在低水平。燃料气体与空气在第一区29内良好的混合使燃烧产生的气体在第二室有较长的停留时间，这对NO_x的生成产生非常不利的影响，即减少了NO_x的生成。因此加入的全部氧基本上都用于燃烧，只有极少量的氧耗于NO_x的生成。

由于加入第二室27的燃料气的压力高于第一室烟道气流的压力，所以在所述第一区29燃烧所产生的气体会由于其很高的动能而流入第一室的烟道气流24中，因而发生有效的混合。第二室的气流以一定角度，优选垂直地进入第一室的气流中，和第二室27的气流在基本上均匀分布在第一室周围的各点上加入该室的烟道气流中对这种混合的效率有促进作用。

这样，燃烧室1产生的烟道气24在位于前置燃烧室第一室内的第二区30与在第一区29燃烧产生的气体混合，从而使仍没燃烧的燃料与烟道气体24中剩余的氧发生没有火焰和温度为约1200-1300℃的升温型氧化。这一反应的较低温度使生成的NO_x也少。

配置高压压缩机12将压缩空气通过包括平行延伸的双通道部分的通道装置加入前置燃烧室第一室22，进入位于在第二区30的烟道气流方向上所看到的下游的第三区31，配置双通道中的第一通道32使空气与前置燃烧室的内壁30离开一定距离从第三区旁边流过进入第一区的区域，并从那里进入所配置的第二通道34，使空气在第一通道和所述的室壁33之间返回进入第三区。由于空气沿内壁33的导热作用，空气在到达第三区31之前已被预热。有一部分空气在从第一通道到第二通道的过渡区被输入第一区29的燃烧器28的区域，因此高压压缩机12向第一区和第三区提供空气。仍含在气流中的可燃性介质最终在第三区发生燃烧，加入的另一部分氧然后会与NO_x反应生成其它危害更小的化合物，从而进一步减少NO_x的含量。由于上述的最终燃烧，可以最大程度地回收投入电厂的功，并利用其推动气轮机13。当加入燃料的能量一定时可以通过几乎是完全的燃烧将从前置燃烧室流出的空气流减小到最小，从而也可使气轮机的尺寸减小到最小。含有第二和第三区的第一室部分的总长，实际上最好超过构成第一室的管段的直径的1.5倍。在通道34中流动的空气用以冷却室22和27的室壁。

虽然前置燃烧室7周围的室壁实际上基本是圆筒形的，但为了清晰起见，在图2中省略了这些室壁。前置燃烧室的室壁35由外壁36包围着，由高压压缩机送入电厂燃烧室1的压缩空气在所述的外壁内沿着某些部件通过双层壳37流过前置燃烧室进入燃烧室1，从而使前置燃烧室壁得到良好的冷却。

在前置燃烧室7的入口配置中间截止阀6，并在高压压缩机和燃烧室1之间的管道38内，在前置燃烧室的所述外壁36和内壁36之间配置中间截止阀15。可以调节中间截止阀6关闭前置燃烧器的入口，并在一旦电厂停止运行时，将前置燃烧室与燃烧室1庞大体积的烟道气隔离，以避免超速和因此而造成转子12、13和14的损坏。此外，也可通过阀15使燃烧室1与高压压缩机分开，以便有效地减慢燃烧室1中的燃烧。

图2所说明的前置燃烧室实际装置的外观示于图3。设置中间截止阀39直接与前置燃烧室连接，这种简单适宜的设计是特别引人注意的。显然，第三区的空气出口孔40紧密地配置在整个前置燃烧室管段的周围。

当然，本发明无论如何不只限于上述优选的实施方案，但对于本领域的技术人员来说对实施方案的许多改进显然都没有离开本发明的基本构思。