用于全氧煤粉燃烧的三扇区再生式氧化剂预热器

摘要

本发明涉及一种与全氧燃烧式煤粉燃烧发电厂一起使用的三扇区再生式氧化剂预热器的装置、方法和布置。预热器包括固定外壳和可旋转地设置在该外壳内的转子。扇区盘位于该转子的轴向末端，并且将该预热器分成烟气扇区、两个一次氧化剂扇区和插入在所述两个一次氧化剂扇区之间的二次氧化剂扇区。一次氧化剂风机位于预热器的下游，以在一次氧化剂扇区创造负压的环境。在预热器运转期间，所述两个一次氧化剂扇区和烟气扇区的环境几乎处于相同的负压，并且由此在预热器的氧化剂侧和烟气侧之间只有很有限的渗漏。所述二次氧化剂扇区的环境是正压力，并且到所述一次氧化剂扇区的负压环境的渗漏将是从二次氧化剂到一次氧化剂的渗漏，而没有二次氧化剂到预热器气体侧的渗漏。

说明书

本申请要求美国临时专利申请号为60/948,784登记日为2007年7月10日 的优先权权益，并在这里将其合并作为参考。

技术领域

本发明总地涉及全氧燃烧煤粉燃烧，并且特别是涉及将通过氧化剂的渗漏 而进入到旋转再生式氧化剂预热器的气体侧氧气的损失降至最小。

背景技术

在国家以及地方这两个层面有关大气质量的法律，都设置了越来越严格的 排放标准。特别关心的经常是二氧化硫以及其它由矿物燃料燃烧以及各种各样 的工业性作业而产生的酸性气体。众所周知酸性气体对于环境是有害的，因此 进入大气的排放受到空气洁净法令严格地控制。

新技术被应用于解决这个问题，以便于矿物燃料并且尤其是煤可以适合于 未来的利用而不会污染大气，且不会加速全球气侯变暖。该技术发展的一个方面 是可能对现存的煤粉电厂进行改型，而这些电厂是许多国家发电产业的支柱。 这个技术是含氧燃料的燃烧，该燃烧是利用富氧气体混合物替代氧气来点燃矿 物燃料锅炉的过程。从该输入空气中除去几乎所有的氮，从而产生含有大约95％ 氧气的气流。用纯氧燃烧将导致火焰温度过高，所以该混合气体通过与循环烟 气混合而被稀释。含氧燃料的燃烧产生的烟气比加空气燃烧产生的烟气大约少 75％。

从全氧燃烧煤粉燃烧工厂的湿式洗涤器排出的大约70％到80％的烟气被送 回到锅炉，在那里氧气被引入以产生燃烧的氧化性气体，而其余的烟气被送到 提纯和压缩系统，在那里所述系统准备了适合的管道和所需的容纳空间。这样， 至关重要的是以实际的和经济的方式获得浓度尽可能的高的二氧化碳，同时硫、 氮、氧和水的浓度较低。

全氧燃烧式煤粉燃烧在这样的氧化剂中燃烧煤粉，该氧化剂由相对纯的氧 气和循环烟气的混合物组成，以减少在锅炉的燃烧过程中产生的烟气的净容积， 并且在烟气中充分地提高二氧化碳的浓度。该循环烟气表示由燃烧过程产生的 烟气的一部分，并且用于降低火焰温度和保持必需的体积，以确保能与全部锅 炉面积进行充分的对流热交换，并且也能用于将煤粉干燥和传送到锅炉的燃烧 空间。

用于全氧燃烧式煤粉燃烧的氧化剂优选在旋转再生式空气预热器中加热， 尽管这样的空气预热器会遇到从空气侧到煤气侧的渗漏问题。管状的和板式空 气预热器不会遭遇渗漏并且在工业锅炉规模提供到该旋转再生式空气预热器的 适当代替品。然而，在发电业锅炉规模，它不是经济合算的代替品。

在传统的煤粉燃烧中，燃烧需要的空气的一小部分被用于干燥和传送煤粉到 燃烧器，用于在炉子或者锅炉的燃烧空间燃烧煤。这部分空气被称为一次空气。 在直接燃烧系统中，一次空气也被用于干燥磨煤机中的煤。燃烧空气的其余部 分被引入容纳燃烧器的风箱外壳，并称为二次空气。

旋转再生式空气预热器相对紧凑，并且是在发电业锅炉装置中用于预热燃 烧空气最广泛的使用类型。旋转再生式空气预热器作为储热介质通过对流间接 地传递热量，该储热介质周期性地暴露于散热的烟气和吸热的燃烧空气中。该 旋转再生式空气预热器包括圆筒形壳或者外壳，其包含共轴的转子，该转子与 金属储热波纹板一起包裹，该金属储热波纹板被捆扎以便在其中提供流动通路。 该预热器被分成在负压下的气体侧和在正压下的空气侧。最普遍的流动排列方 式具有进入转子顶端的烟气和以逆流方式进入转子底部的燃烧空气。因此，冷 空气进口和冷却后的气体出口在该预热器的同一端，通常被称为冷端，热气体 进口和预热空气的出口都在预热器相反的另一端，通常被称为热端。因此，从 该转子的热端到该转子的冷端存在着轴向的温度梯度。为了响应这个温度梯度， 转子趋向于扭曲和趋向于呈现一种类似于逆转碟的形状，通常称为转子下弯 (rotor turndown)。

在运行中，转子围绕中心轴慢速地旋转，每分钟转数为一到三，从而使每 束吸热板被交替放入放热烟气的流路和该吸热燃烧空气的流路内。旋转再生式 空气预热器最显著的特征是：由于转子下弯和空气预热器的旋转操作，较少的 但是明显的数量的空气从正压空气侧泄露到负压气体侧。为了防止从空气侧到 气体侧的过度渗漏，该空气预热器装备有径向的、轴向的和周向的密封件。公 知的是利用薄而且柔性的金属构造这些密封件。当缝隙最大时调整这些密封件。 这意味着，当由于转子和外壳的膨胀缝隙小时，这密封件可能被严重弯曲并且 被迫与转子或者外壳进入高接触压力的状况。由于这个原因，密封件被相对迅 速地磨损并且需要更换。

在现有技术或者传统的再生空气或者氧化剂预热器布置中，一次空气或者 氧化剂处于大约40英寸水柱(wg)的正压力，二次空气或者氧化剂处于大约20 英寸水柱的正压力，并且烟气处于大约5英寸水柱的负压力。传统的空气或者 氧化剂预热器具有分成三个扇区的预热器空气或者氧化剂侧，用于接收一次空 气或者氧化剂的中央扇区的侧面接一对扇区，这一对扇区接收二次空气或者氧 化剂，并且位于相邻的预热器的烟气侧部分。这种布置使通过空气或者氧化剂 侧和煤气侧之间的密封的压差减到最小大约25英寸水柱，其结果是7％到14％ 渗漏的空气或者氧化剂进入烟气。这些数值，虽然是典型烧煤工厂的特征，但 是可能根据燃料和设备不同而变化并且不倾向于绝对值。

在全氧燃烧煤粉工厂中该燃烧过程通过氧化剂执行，该氧化剂由相对纯的 氧气和循环烟气的混合物组成，其中一部分氧化剂用于干燥和将煤粉传送到燃 烧器并且其余的部分被引入锅炉燃烧空间。这些氧化剂必须在进入燃烧过程以 前被加热，并且选择的设备是一种旋转再生式空气预热器，因为它具有用于电 业发电厂的经济效益。但是，发生在再生式氧化剂预热器中从正压氧化剂到负 压烟气的泄漏是氧气和循环烟气到该再生氧化剂预热器的气体侧的损失。这种 氧气与再循环气体一起的损失要求在空气分离单元中生产额外的氧气以补偿氧 气的损失，并且它也要求为了提高油的回收，通过储存或使用来处理浓缩的二 氧化碳之前，在压缩和净化单元中从生产的尾气除去泄漏的氧气，由于管线和 使用的约束要求，在实际应用中，烟气必须是高浓度的二氧化碳和低浓度的氮、 硫、氧气和水的混合物。这些补偿工序都将导致工厂生产费用的增加。因此， 泄漏到烟气的氧化剂量必须最小化或者消除泄漏。此外，我们不希望氧化剂与 高浓度的氧被暴露到可能含有一些可燃碳的灰中，会由此增加火灾的隐患。

发明内容

本发明提供一种三扇区旋转再生式氧化剂预热器的装置、方法和布置，该 预热器包括固定的外壳和安装在外壳内的可旋转的转子。扇区盘位于转子轴向 的末端并且将预热器划分成烟气扇区、二次氧化剂扇区、和两个一次氧化剂扇 区。二次氧化剂扇区插入两个一次氧化剂扇区之间。

在预热器运行期间，预热器的烟气扇区和一次氧化剂扇区的环境处于大约5 英寸水柱的负压力，并且预热器的二次氧化剂扇区处于大约20英寸水柱的正压 力。

两个一次氧化剂扇区其中的一个邻接烟气扇区的3点钟侧而另一个一次氧 化剂扇区邻接烟气扇区的9点钟侧。因为烟气扇区和两个一次氧化剂扇区的运 行环境几乎处于相同的负压力，所以在预热器的氧化剂侧和气体侧之间仅有极 其有限的渗漏。

二次氧化剂扇区位于两个一次氧化剂扇区之间。因为一次氧化剂扇区的运 行环境是大约5英寸水柱的负压力，并且二次氧化剂扇区的运行环境是大约20 英寸水柱的正压力，所以在一次氧化剂扇区和二次氧化剂扇区之间将有大约25 英寸水柱的压差，然而任何渗漏将是从二次氧化剂到一次氧化剂的渗漏，并且 因此将不会导致从二次氧化剂到预热器气体侧的损失。

在本发明的一个实施例中，预热器转子沿着顺时针方向旋转。在这个实施 例中，邻接烟气扇区3点钟侧的一次氧化剂扇区通常大于邻接烟气扇区9点钟 侧的一次氧化剂扇区，并且其尺寸满足传递所要求的一次氧化剂温度。邻接烟 气扇区9点钟侧的一次氧化剂扇区通常小于邻接烟气扇区3点钟侧的一次氧化 剂扇区，并且尺寸满足大体上防止氧化剂渗漏进入烟气扇区的最低要求。插入 在两个一次氧化剂扇区之间的二次氧化剂扇区的尺寸满足传递所要求的二次氧 化剂温度。

在本发明的另一个实施例中，预热器转子沿着逆时针方向旋转。在这个实 施例中，邻接烟气扇区9点钟侧的一次氧化剂扇区通常大于邻接烟气扇区3点 钟侧的一次氧化剂扇区，并且尺寸满足传递所要求的一次氧化剂温度。邻接烟 气扇区3点钟侧的一次氧化剂扇区通常小于邻接烟气扇区9点钟侧的一次氧化 剂扇区，并且尺寸满足大体上防止氧化剂渗漏进入烟气扇区的最低要求。插入 两个一次氧化剂扇区之间的二次氧化剂扇区的尺寸以满足所要求的二次氧化剂 温度。

在本发明的另一个具体实施例中，预热器的转子可以以顺时针方向或者逆 时针方向旋转。所述两个一次氧化剂扇区中的一个邻接烟气扇区3点钟侧并且 另一个一次氧化剂扇区邻接烟气扇区9点钟侧。两个一次氧化剂扇区一起设置 成用于传递所要求的一次氧化剂温度。插入两个一次氧化剂扇区之间的二次氧 化剂扇区基本上具有相同的尺寸，并且尺寸满足传递所要求的二次氧化剂温度。

本发明的另一个方面是包括锅炉的全氧燃烧式煤粉燃烧发电厂。边界壁在 锅炉内部形成燃烧空间。燃烧器壁形成在边界壁内，并且相互隔开以在其中形 成风箱。在边界壁内形成燃烧器口，并且提供煤粉燃烧器喷嘴，该燃烧器喷嘴 通过所述口进入锅炉的燃烧空间。磨煤机和将煤供给到磨煤机并在那里磨成粉 煤的管道。三扇区旋转再生式氧化剂预热器具有扇区盘，该扇区盘将预热器分 成烟气扇区、两个一次氧化剂扇区和插入所述两个一次氧化剂扇区之间的二次 扇区。管道将热烟气从锅炉传递到预热器。压力通风机位于预热器的上游流动 方向，并且将二次氧化剂供应到预热器，当二次氧化剂经过预热器的二次扇区 时被加热。管道将加热后的二次氧化剂输送到风箱。一次氧化剂风机位于预热 器的下游，并且将一次氧化剂吸引通过两个一次氧化剂扇区，当一次氧化剂通 过其中时被加热。管道将加热后的一次氧化剂输送到磨煤机。加热后的一次氧 化剂冲走和干燥煤粉，并且携带它经过管道到达煤粉燃烧器喷嘴，该煤粉燃烧 器喷嘴将煤粉和加热后的一次氧化剂与加热后的二次氧化剂混合，以在锅炉燃 烧空间内形成稳定的火焰。

全氧燃烧式煤粉燃烧发电厂包括主氧气混合器，所述主氧气混合器可操作 的位于压力通风机的氧化剂流动方向的上游。

在一个实施例中，全氧燃烧式煤粉燃烧发电厂包括二次氧气混合器，所述 二次氧气混合器可操作地位于压力通风机和三扇区旋转再生式氧化剂预热器之 间。

在另一个具体实施例中，全氧燃烧式煤粉燃烧发电厂包括二次氧气混合器， 所述二次氧气混合器可操作地位于三扇区旋转再生式氧化剂预热器和锅炉风箱 之间。

从优选实施例的详细描述，特别是当参照所述附图来阅读时，可以更好的 理解本发明的这些和其他的特征和优点，并且更容易意识到这些优点。

附图说明

图1是全氧燃烧式煤粉燃烧系统的流程图，该系统包括位于三扇区再生式 氧化剂预热器的氧化剂流动的上游方向的二次氧气混合器。

图2是全氧燃烧式煤燃烧系统的流程图，该系统包括位于三扇区再生式氧 化剂预热器的氧化剂流动的下游方向的二次氧气混合器。

图3是根据本发明的转子和再生式氧化剂预热器扇区的立体示意图。

图4是根据本发明的再生式氧化剂预热器扇区的一个实施例的简化示图；

图5是根据本发明的再生式氧化剂预热器的扇区的另一个具体实施例的简 化示图；

图6是根据本发明的再生式氧化剂预热器的扇区的再一个具体实施例的简 化示图；

图7是通过现有技术或者传统的再生式氧化剂预热器压力分布图的图示；

图8是根据本发明的三扇区再生式氧化剂预热器压力分布图的图示。

具体实施方式

参考以下所述附图，其中在整个附图中，相同的数字表示相同或者功能相 似的部件。本发明旨在于使从旋转再生式氧化剂预热器的氧化剂侧到气体侧的 氧化剂渗漏量减少。

如图1和2所示，这里示意性的示出用于加热一次和二次富氧烟气的三扇 区再生式氧化剂预热器，一次和二次富氧烟气以下简称氧化剂。锅炉通常表示 为10并且包括燃烧空间12。煤从煤输送系统提供到磨煤机14，所述煤输送系 统包括煤仓16，所述煤仓16通过导管18将煤输送到磨煤机14内。

氧化剂输送系统包括主氧气混合器20，该混合器20接收从煤燃烧过程产生 的循环烟气22和大约具有95％的纯净氧的氧气流24。富氧烟气或者氧化剂气 流通过管道系统26被传输。大部分氧化剂气流是二次氧化剂并且被传送到压力 通风机28的吸入侧，而其余的氧化剂气流是一次氧化剂并且被传送到管道系统 30。

一次氧化剂通过管道系统30被传输到三扇区再生式氧化剂预热器32，如图 3-6所示，当该一次氧化剂通过预热器32的一次氧化剂扇区84和86时被加热。 离开预热器32的部分扇区84和86的加热后的一次氧化剂气流被传送到公共管 道系统34并且被传送到一次氧化剂风机36的吸入侧。离开风机36的一次氧化 剂通过管道系统38被传输到磨煤机14，并在那里干燥和掠过煤粉并且将其通过 导管40带到燃烧器42，燃烧器42混合煤粉和一次氧化剂与二次氧化剂以在燃 烧空间12内形成稳定的火焰。

离开压力抽风机28的二次氧化剂被传输到二次氧气混合器44，在其中二次 氧化剂通过加入氧气流46进一步富氧化。进一步富氧化的二次氧化剂被传输到 三扇区再生式氧化剂预热器32，如图所示3-6所示，在那里当二次氧化剂通过 预热器32的扇区82时被加热。离开预热器32扇区82的加热后的二次氧化剂 通过管道系统48被传输到容纳煤粉燃烧器的风箱50，如42表示的那个，并且 以在燃烧空间12内形成稳定焰的方式将二次氧化剂与煤粉和引入燃烧器42的 一次氧化剂混合。煤粉在燃烧空间12内焚烧，并且由此产生的热烟气流过含热 交换面的对流烟道13，图中未示出。离开对流烟道13的热烟气通过管道系统 15被传输到预热器32的烟气扇区78，在那里它将热传到流过预热器32的氧化 剂扇区82、84和86的一次和二次氧化剂。离开预热器32的冷却烟气被传输到 空气质量控制系统，该烟气的大约70％到80％被循环回到锅炉10用做氧化剂。

如图2所示，其中显示了另一种布置，其中管道系统48分成部分48a和48b， 其中二次氧气混合器44可操作的位于管道系统部分48a和48b之间，并且位于 三扇区预热器32的氧化剂流动方向的下游。离开扇区82的氧化剂通过管道系 统部分48a传送到二次氧气混合器44，其中用氧气流46来使二次氧化剂进一步 富氧化。离开混合器44的进一步富氧氧化剂通过管道系统部分48b传送到风箱 50。

图3示意性地示出了如本发明所述并被标明为32的三扇区再生式氧化剂预 热器。该氧化剂预热器32具有共轴的并且可旋转地设置在壳或者外壳62内的 转子60。转子60被分隔件64分割，该分隔件64从中心标杆66沿径向向外延 伸到转子壳62，并且由此将转子60分隔成为含热交换器部件72的馅饼形状(扇 形)的隔间70。氧化剂预热器32被扇区盘74分割成氧化剂扇区76和烟气扇区 78。氧化剂扇区76被扇区盘80细分成二次氧化剂扇区和二个一次氧化剂扇区 84和86。二次氧化剂扇区82位于一次氧化剂扇区84和86之间，并且一次氧 化剂扇区84和86与烟气扇区和二次氧化剂扇区82邻接。因此二次氧化剂82 与烟气扇区78不相邻。

参见图4-6，其中示出三扇区再生式氧化剂预热器32的简化图。一次氧化 剂流过扇区84和86，这些扇区与烟气扇区78邻接。二次氧化剂流过插入到扇 区84和86之间的扇区82。根据本发明，如图1和2所示，一次氧化剂风机36 位于预热器32的氧化剂流动方向的下游。一次氧化剂被一次氧化剂风机36吸 引通过预热器32的扇区84和86，由此在一次氧化剂扇区84和86内创造一种 环境，在该环境中流过其中的一次氧化剂处于大约5英寸水柱的负压力。如图1 和2所示，二次氧化剂被位于预热器32的气流方向上游的压力通风机28强制 吸引通过预热器32的扇区82，由此在二次氧化剂扇区82内创造一种环境，在该 环境中流过其中的二次氧化剂处于大约20英寸水柱的正压力。烟气被引风机(未 图示)抽吸通过预热器32的扇区78，由此在烟气扇区78内创造一种环境，在该 环境中烟气处于大约5英寸水柱的负压力。作为扇区78、84和86这种布置的 结果，在烟气扇区78和一次氧化剂扇区84和86之间的压差是可忽略的，并且 由此几乎消除了从预热器32的氧化剂侧到气体侧的渗漏。在二次氧化剂扇区82 和一次氧化剂扇区84和86之间的压差大约是25英寸水柱，但是扇区82和扇 区84和86的任何渗漏都将是从扇区82的氧化剂到扇区84和86的氧化剂，并 且没有从二次氧化剂扇区82到预热器32气体侧的氧气损失。

如图4简要地示出一种顺时针方向旋转的三扇区再生式氧化剂预热器32。 一次氧化剂扇区86与烟气扇区78的3点钟侧邻接，并且其尺寸设置成可传递 所要求的一次氧化剂温度。一次氧化剂扇区84与烟气扇区78的9点钟侧邻接， 并且尺寸设置成可基本上排除氧化剂渗漏到烟气扇区78的最低的要求，因为随 着如图3所示的热交换器部件72和转子60都通过预热器32的扇区84时，几 乎没有热量留下。二次氧化剂扇区82插入一次氧化剂扇区84和86之间，并且 尺寸设置成可传递所要求的二次氧化剂温度。

参见图5，其中简要地示出逆时针方向旋转的三扇区再生式氧化剂预热器 32。一次氧化剂扇区86与烟气扇区78的9点钟侧邻接，并且尺寸设置成可传 递所要求的一次氧化剂温度。一次氧化剂扇区84与烟气扇区78的3点钟侧邻 接，并且尺寸设置成可基本上排除氧化剂渗漏到烟气扇区78的最低要求，因为 如图3所示，随着热交换器部件72和转子60都通过预热器32的扇区84时， 几乎没有热量留下。二次氧化剂扇区82插入一次氧化剂扇区84和86之间，并 且尺寸满足传递所要求的二次氧化剂温度。

参见图6，其中简要地示出一种可以顺时针方向也可以是逆时针方向旋转的 三扇区再生式氧化剂预热器32。一次氧化剂扇区84/86与烟气扇区78的3点钟 侧和9点钟侧邻接，尺寸基本相同，并且当放在一起时，它们的尺寸被设置成 可传递所要求的一次空气温度。二次氧化剂扇区82插入一次氧化剂扇区84/86 之间，并且尺寸设置成可传递所要求的二次氧化剂温度。

参见图7，其中示意地显示了现有技术或者传统的氧化剂预热器的氧化剂和 烟气压力分布的图示。进入预热器POi的氧化剂压力是正的并且比离开预热器 Pgo的负压力的烟气高许多。离开预热器POo的氧化剂压力是正的，并且仍然 是比进入离开预热器Pgi的负压力的烟气高许多。通过预热器的正压氧化剂和 负压烟气之间的大压差导致氧化剂渗漏到预热器的气体侧。

参见图8，其中示意性地示出本发明的氧化剂和烟道压力分布的图示。进入 预热器POi的氧化剂压力比离开预热器Pgo的负压力烟气的压力稍微负的更少 一点。离开预热器POo的氧化剂压力比进入预热器Pgi的负压力烟气的压力稍 微负的更多一些。进入预热器POi的氧化剂稍微较少的负压力导致氧化剂轻微 的渗漏到预热器的气体侧。进入预热器Pgi的烟气稍微较少地负压力导致烟气轻 微的渗漏到预热器的氧化剂侧。

尽管本发明上述部分已经描述的是关于特定的方法、材料和具体实施例， 但可以理解的是，在不脱离如本发明的构思和范围的情况下，可以以不同的方 式变型，并且因此本发明不局限于这些被公开的特例，而作为替代的是可以延 伸到以下权利要求范围内的全部等同项目上。