基于模块的氧燃料锅炉

摘要

一种用于由水产生蒸汽的锅炉系统，包括多个连续排列的氧燃料锅炉。每个锅炉具有与多根炉管流体连通的入口。每个锅炉的炉管都形成至少一个水冷壁。设置每个锅炉，以充分防止空气的引入。每个锅炉包括氧燃料燃烧系统，所述氧染料燃烧系统包括用于供给纯度高于21％的氧气的氧气供给源、用于供给碳基燃料的碳基燃料供给源、以及至少一个氧燃料燃烧炉系统，氧燃料燃烧炉系统用于以近似化学计量比、将氧气和碳基燃料送进其各自的锅炉中。设置所述氧燃料系统，以便将过量的氧气或碳基燃料限制到预定容限。针对辐射能的直接暴露来设置每个锅炉的锅炉炉管，以进行能量传递。每个锅炉都独立于每一个其它锅炉。

说明书

背景技术

本发明涉及供给氧的锅炉(oxygen fueled boiler)。更具体地，本发明 涉及具有灵活性设计的基于模块的氧燃料锅炉(oxy-fuel boiler)。

氧燃料燃烧系统的优势得到了公认。例如，Gross美国专利第6,436,337 号和第6,596,220号提供了氧燃料燃烧系统的某些优势：减少环境污染(减 少NOx的生成)、高效能、高火焰温度和更小型的整套物理设备设计。通 过引用方式将与本申请共同拥有的Gross专利包含到本文的内容中。

为了获取来自燃料的能量，锅炉通常提供某些方式，其中通常将能量 输入到流体中(通过燃料的燃烧)，以改变流体状态。然后通常以机械运动 的形式(或动能)从流体中获取能量。大部分的锅炉使用水作为工作流体， 以从燃料中获取能量。水通过炉管，所述炉管形成锅炉内的一个或多个 “壁”或者管束。

通常，设计锅炉的管壁来将能量(以热量的形式)经过管壁传递到壁内 某些回路和通道里的水中。当水经过炉管时，水在压力下加热，并经由过 热、再热和/或超临界状态达到高能级(和相变)。还可以使用诸如节热器单 元等其它阶段，水在过热通道之前的炉壁部分中通过所述节热器单元。通 过来自流经管束的加热气体的对流热传递对水进一步加热(如在节热器 中)。

分别设计锅炉的阶段或区域，以根据某种类型热传递机理或现象进行 操作。例如，设计下方的炉壁用于辐射热传递，而设计上方的管束、过热、 再热和节热器部分以通过对流热传递原理起作用。应为本领域技术人员理 解的是，当水在锅炉中加热时，热传递机理相互之间不排斥。

虽然这样的锅炉构型持续良好地用于其应用和目的，但是这样的锅炉 构型未必充分地利用氧燃料燃烧系统的火焰高温和低废气体积。因此，使 用氧燃料燃烧系统的锅炉需要减少环境污染。期望地，这样的锅炉设计实 现了高效能(相对于传递至工作流体的热量与由燃烧产物获取的热量之间 的高比例)，并利用了火焰的高温。最期望地，这样的锅炉构型可以提供更 小型的整套物理设备设计。

发明内容

基于模块的锅炉系统使用多个独立的、连续排列的氧燃料锅炉，用于 由水产生蒸汽。设置锅炉来实现彼此不同的能量传递功能。第一或主锅炉 具有与多根用于运送水的炉管流体连通(flow communication)的给水入口。 设置锅炉以充分防止空气的引入。

主锅炉的炉管形成至少一个水冷壁。每个锅炉包括用于供给纯度高于 21％并优选为至少约85％的氧气的氧气供给源、用于供给碳基燃料的碳基 燃料供给源、以及至少一个氧燃料燃烧炉系统。燃烧炉系统以近似化学计 量比、将氧气和燃料送进(feed)锅炉中，以便将过量的氧气或碳基燃料 限制到预定容限(tolerance)。针对辐射能的直接暴露来设置每个锅炉的炉 管，以便将能量由火焰传递至水冷壁管。遵从传统的命名法，所提及的水 冷壁意欲包括辐射区中所有的锅炉炉管，甚至是包括可以用于输送蒸汽的 炉管。

在锅炉系统的一个实施方式中，第二锅炉是过热锅炉，并且经由第一 锅炉产生的蒸汽直接送进过热锅炉中。蒸汽离开过热锅炉，并流至主蒸汽 涡轮机。可选地，该系统可以包括再热锅炉(所述再热锅炉从高压蒸汽涡轮 机的排气中获取进料)，所述再热锅炉在类似于主锅炉的氧燃料锅炉中对蒸 汽进行再热，并将再热的蒸汽送进再热蒸汽涡轮机中。每个锅炉的能量传 递或加热功能不同于每一个其它锅炉。换言之，在主锅炉中，将水由相对 低的能量(焓)值加热至饱和蒸汽。在过热锅炉中(如果使用的话)，将蒸汽进 一步加热至过热的状态。然后，在再热器中，将来自高压涡轮机的排出蒸 汽重新加热，以送进再热蒸汽涡轮机中。

锅炉系统可以包括冷凝器，设置该冷凝器，以便蒸汽从高压蒸汽涡轮 机排放至一个或多个再热蒸汽涡轮机，任选地到达一个或多个低压涡轮 机，并且继续到达冷凝器。优选的锅炉系统包括节热器。该节热器具有气 体侧和给水侧，气体侧容纳来自锅炉的燃烧产物(“废气”或“烟道气”)， 以使燃烧产物在将给水引至主锅炉之前对锅炉给水进行预热。从节热器排 出后，废气可以用于预热氧燃料燃烧系统的氧化剂，通常在进行任何期望 的下游废气加工处理之前，将废气排放到废气系统中。可以通过模块化锅 炉系统的平行分组，来获得增加的功率。

可以针对多种不同类型的燃料设置氧燃料燃烧炉，所述燃料的例子有 天然气、石油、煤及其它的固体燃料。当使用固体燃料时，可以使用一部 分废气(任选地与氧气混合)将固体燃料携带入锅炉中。该燃料进料气体可 以是来自节热器下游的废气。

根据以下详细的描述，结合所附的权利要求，本发明这些和其它的特 征和优势将会显而易见。

附图说明

在回顾以下详细的描述和附图之后，本发明的益处和优势对于相关领 域的普通技术人员将变得更显而易见，其中：

图1是一个单独的再热/亚临界锅炉系统的简要流程图，所述再热/亚 临界锅炉系统具有体现本发明原理的基于模块的氧燃料锅炉；

图2是非再热/亚临界锅炉系统的简要流程图，所述非再热/亚临界锅 炉系统具有体现本发明原理的基于模块的氧燃料锅炉；

图3是一个单独的再热/超临界锅炉系统的简要流程图，所述再热/超 临界锅炉系统具有体现本发明原理的基于模块的氧燃料锅炉；和

图4是饱和蒸汽锅炉系统的简要流程图，所述饱和蒸汽锅炉系统具有 体现本发明原理的基于模块的氧燃料锅炉。

具体实施方式

虽然本发明容许各种形式的实施方式，但是附图示出了当前优选的实 施方式并且将在下文进行描述，同时应理解有待将本发明内容认为是本发 明的示例，而不意欲将本发明限制于所展示的具体实施方式。

应进一步理解的是本说明书此部分的标题，即“具体实施方式”涉及 到美国专利局的要求，并且既不意味着也不推断为限制此处公开的主题。

氧燃料燃烧系统结合燃料源使用本质上的纯氧以有效、无不利环境影 响的方式通过火焰产生(即，燃烧)来形成热量。这样的燃烧系统实现了高 效能(相对于传递至工作流体的热量与由燃烧产物获取的热量的高比例)的 燃烧，并利用了火焰的高温。优选的燃烧系统使用相对高纯度的氧气(约 21％以上并且优选至少约85％的氧气)，从而使得经过锅炉的总气体体积相 应地减少。通过使用氧燃料，可以预期锅炉中的火焰温度高于约3000°F并 高达约5000°F。

此外，本锅炉系统的一个操作参数是氧燃料燃烧系统的使用，其中将 相对的纯氧而不是空气用作为氧化剂。如此处所用，氧化剂用来指携带用 于燃烧的氧气的气体。例如，当纯氧(100％)供给至该系统时，氧气包含100％ 的氧化剂，而将空气用作为氧化剂时，氧气包含约21％的氧化剂。因此， 与常规的锅炉相比所需的氧化剂体积显著地减少(因为基本只使用氧气而 不是使用空气)，上述情况使得输入(和由此形成的吞吐量)到锅炉的气体体 积下降，并且使得通过锅炉的气体流速低于常规的锅炉。由低流速和体积 提供的主要优势在于：物理设备系统的整个规模可以小于常规的锅炉系 统，并且预期这样的锅炉系统的资本耗费也因此相应地降低。

本锅炉系统的一个功能性方面或功能性目标在于从燃烧过程获取最 大量的能量(以来自燃烧产物/废气的热传递的形式)。上述情况结合低流速 在可比的废气堆温度实现了更低的能量损耗。

本发明的另一个方面或功能性目标在于尽可能最大程度地利用更高 的火焰温度。同样地，如将在下文所描述的，通过辐射热传递而不是对流 热传递，来获得由燃烧产物至锅炉炉管并由此到达工作流体(水或蒸汽)的 相当大比例的热传递。

图1示出锅炉系统10的一个实施方式的示意图。所展示的系统10为 再热/亚临界单元。该系统包括三个分开且不同的锅炉，即用于由水产生蒸 汽的第1号锅炉(主锅炉12)、用于产生过热蒸汽的第2号锅炉(过热锅炉 14)和第3号锅炉(再热锅炉16)。通过氧化剂和燃料供给系统18、20将氧 气与燃料分别送进锅炉中。

如图解所示，并且如将在下文所描述的，锅炉12、14、16分别包括 各自独立的氧燃料燃烧系统22、24、26。在这样的氧燃料燃烧系统中，每 个锅炉12-16的水冷壁(参见图1中锅炉12的炉管T)分别充分地暴露于火 焰，绝大部分的热传递通过辐射热传递机理而不是对流传递机理获得。换 言之，绝大部分的热传递是由于炉管直接暴露于火焰产生的，而不是由于 炉管上方加热的废气运动产生的。将这种优选的辐射热传递机理与使用大 量、长且复杂的废气流道(通过对流的通道、对流的过热通道、节热器部分 等等)以使通过对流机理进行热传递最大化的常规锅炉形成清楚的对比。

本锅炉系统10还包括节热器28，节热器28将能量由锅炉燃气(优选 在所有锅炉中)传递至主锅炉给水(在给水管道30)中，以在给水引入主锅 炉12之前预热给水。在本系统中，通过从如氧气发生器32中的空气分离 形成氧气。本领域的技术人员应理解其中可以提供送进锅炉12-16的氧气 的各种方法均在本发明的范围内，例如，可以从诸如储罐、分离水等等途 径供给氧气。燃料供给源20可以是任何不同类型的燃料和不同类型的供 给源。例如，燃料可以是气体燃料(比如天然气)、流体燃料(比如燃油、柴 油或其他基于有机或无机的流体燃料)或者固体燃料(比如煤、农业或畜牧 业的副产物)。所有这样的氧气产物和供给设备18以及所有这样的燃料和 燃料供给设备20均在本发明的范围和精神内。

现在转到图1，示出作为发电机34的供给源的锅炉系统10。始终， 该系统包括含发电机34的涡轮机/发电机组36、高压或主蒸汽涡轮机38、 中压蒸汽涡轮机40、低压蒸汽涡轮机41和冷凝器42。

设置系统10以使给水通过给水管道30进入主锅炉，并且当给水流经 锅炉12的水管T时进行加热。在典型的锅炉设备中，水在锅炉相对低的 位置进入锅炉12，并且当加热时通过炉管升高。上述情况用于将炉管保持 在溢流状态，并且在压力下将流体保持在炉管中。

分离加热的流体，且饱和蒸汽通过管道44离开主锅炉12，并进入过 热锅炉14。在过热锅炉14，将蒸汽进一步加热至过热的状态后，再次流 经壁管。过热的蒸汽通过主蒸汽管道46离开过热锅炉14，并进入高压(主 蒸汽)涡轮机38。低压蒸汽从主高压蒸汽涡轮机38排出，并通过再热蒸汽 管道48返回至再热锅炉16。蒸汽通过再热的蒸汽流送管道50离开再热锅 炉16，并进入中压涡轮机。由中压涡轮机40排出的蒸汽流经交叉管道43， 并进入低压涡轮机41。

蒸汽通过涡轮机排出管道52从低压涡轮机41排出，并在冷凝器42 中充分冷凝(通常在低压(低于大气压)下进行以便通过涡轮机40由蒸汽获 取最大量的能量)，且随后通过节热器28返回(泵回)主锅炉12，节热器28(如 上所提出)在将水引至锅炉12之前对水进行预热。

至于燃料回路，如上所述，燃料和氧化剂分别独立地送进锅炉12、14 和16中。燃气均分别通过管道13、15和17离开各自的锅炉，并进入节 热器28，在节热器28中气体预热主锅炉的给水。燃气离开节热器28，并 可用于预热氧化剂预热器60中的氧化剂。废气离开节热器28后被送至氧 化剂预热器60(通过管道61)，且随后返回(通过管道63)任何必需的下游处 理设备(通常以54表示)的入口，该下游处理设备如洗涤器、沉淀器或类似 设备。此外，在期望的情况中，可以将一部分的燃气二次循环(通过燃气二 次循环管道56)至锅炉12-16，一般继之以氧化剂预热。还可以将二次循环 管道56用作为携带燃料进入锅炉12-16，例如携带煤末进入锅炉的载体(通 过转移至燃料携带管道58)。

如应为本领域技术人员所理解的，因为进入锅炉的气体流速和总气体 体积(基本上为纯氧)小于常规的锅炉，所以排出废气或燃气的流速和体积 也相应地低于常规的锅炉。同样地，下游的处理设备54可以比相同规模(功 率输出)动力设施的常规设备更小型且更廉价。

图2示出锅炉系统110的第二个实施方式的示意图。所展示的锅炉系 统110为非再热/亚临界单元，并且同样地，该系统包括两个分开和不同的 锅炉，即用于由水产生蒸汽的第1号锅炉(主锅炉112)和用于产生过热的蒸 汽的第2号锅炉(过热锅炉114)。没有再热锅炉。该系统110的其他方面类 似于图1系统10的实施方式，并且包括氧化剂和燃料供给系统118、120(在 独立的氧燃料燃烧系统122、124中)以分别独立地送进锅炉112、114中。 锅炉系统110包括节热器128，节热器128在给水引入主锅炉112之前， 使用燃气预热该给水。可以使用在节热器128后的废气来预热氧化剂预热 器160中的氧化剂。

在这里也为锅炉系统110设置含发电机134的涡轮机/发电机组136、 高压(或主蒸汽)涡轮机138、中压涡轮机140、低压涡轮机141和冷凝器142。

给水通过给水管道130进入主锅炉，并且当给水流经水管时加热。分 离加热的流体，并且饱和蒸汽通过管道144离开主锅炉112，并进入过热 锅炉114，在过热锅炉114中将蒸汽加热至过热的状态。过热的蒸汽通过 主蒸汽管道146离开过热锅炉114，并进入高压涡轮机138。与先前的实施 方式不同，在此系统110中，离开高压涡轮机138的蒸汽横穿交叉管道143， 并进入中压涡轮机140(比如，不存在再热器)。蒸汽离开中压涡轮机140， 且横穿交叉148，并进入低压涡轮机141。然后低压蒸汽通过低压涡轮机， 由低压涡轮机141排至冷凝管道152，并随后通过节热器128返回(泵回) 主锅炉112。

至于燃料回路，和先前的实施方式一样，燃料和氧化剂分别独立地送 进锅炉112、114中。燃气均分别通过管道113和115离开各自的锅炉，并 进入节热器128以预热主锅炉的给水。燃气离开节热器128，并可用于预 热氧化剂预热器160中的氧化剂。废气离开节热器128后被送至氧化剂预 热器160(通过管道161)，且随后在离开节热器128之后返回(通过管道163) 任何必需的下游处理设备(通常以154表示)的入口。可以将燃气进行二次 循环156，和/或用作为携带燃料(比如煤末)进入锅炉112、114的载体。

图3展示锅炉系统210的另一个实施方式，该图示出一个单独的再热 /超临界锅炉设备。该系统包括两个分开和不同的锅炉，即用于由水产生超 临界蒸汽的第1号锅炉(超临界主锅炉212)和第2号锅炉(再热锅炉216)。 通过氧化剂和燃料供给系统218、220将氧气和燃料(在独立的氧燃料燃烧 系统222、226中)分别送进锅炉212、216中。锅炉系统210包括节热器 228，节热器228在给水引入主锅炉212之前，使用燃气预热该给水。

在这里也为锅炉系统210设置含发电机234的涡轮机/发电机组236、 超临界涡轮机238、中压涡轮机240、低压涡轮机241和冷凝器242。

给水通过给水管道230进入主锅炉212，并且当给水流经水管时加热。 加热的流体通过超临界蒸汽管道246离开超临界锅炉212，并进入超临界 涡轮机238。流体(蒸汽)由超临界涡轮机238排出，并通过再热管道248 进入再热锅炉216，且随后通过再热蒸汽管道250流至中压涡轮机240。 蒸汽通过交叉243由中压涡轮机240排入低压涡轮机241。低压蒸汽离开 低压涡轮机241，并在冷凝器242中冷凝。随后冷凝液通过节热器228返 回(泵回)超临界锅炉212。

至于燃料回路，和先前的实施方式一样，燃料和氧化剂分别独立地送 进锅炉212、216中。燃气均分别通过管道213和217离开各自的锅炉， 并进入节热器228以预热主锅炉的给水。燃气离开节热器228，并可用于 预热氧化剂预热器260中的氧化剂。废气离开节热器228后被送至氧化剂 预热器260(通过管道261)，且随后根据需要在离开节热器228之后返回(通 过管道263)任何必需的下游处理设备254的入口。可以将燃气进行二次循 环256，和/或用作为携带燃料(比如煤末)进入锅炉的载体。

图4展示锅炉系统310的又一实施方式，该图示出饱和蒸汽锅炉设备。 该系统包括用于产生饱和蒸汽的饱和蒸汽锅炉312和氧燃料燃烧系统322。 锅炉系统310可以包括节热器328，节热器328在给水引入主锅炉312之 前，使用燃气预热该给水。

设置锅炉系统310以将饱和的蒸汽供给至期望的(当前未指明)下游处 理器360。始终，该系统310显示有“蒸汽需用量”(需要蒸汽的下游处理 器)和冷凝器342，对蒸汽的需求将取决于需要蒸汽的设备360。

给水通过给水管道330进入主锅炉312，并且当给水流经水管时加热。 加热的流体在例如蒸汽鼓313中分离为饱和蒸汽和水。饱和的蒸汽通过蒸 汽管道346由鼓313离开锅炉312，并流至需要蒸汽的设备360。然后流 体(蒸汽)可以(任选的)在冷凝器342中冷凝，随后冷凝液通过节热器328返 回(作为给水泵回)锅炉312。

至于燃料回路，和先前的实施方式一样，燃料和氧化剂通过氧燃料燃 烧系统322送进锅炉312中。燃气通过管道313离开锅炉312，并进入节 热器328以预热主锅炉312的给水。燃气离开节热器328，并可用于预热 氧化剂预热器370中的氧化剂。废气离开节热器328后被送至氧化剂预热 器370(通过管道371)，且随后根据需要在离开节热器328之后返回(通过 管道373)任何必需的下游处理设备354的入口。可以将燃气进行二次循环 356，和/或用作为携带燃料(比如煤末)进入锅炉312的载体。通过氧化剂供 给源318供给氧气，以及通过燃料供给源320供给燃料。

分别在锅炉系统10、110、210、310的实施方式中，锅炉必须为独立 的单元，构建该独立的锅炉设备来操作，以使经由辐射热传递机理产生的 热传递达到最大限度。同样地，该锅炉相对较小(以确保水冷壁/炉管T有 效暴露)，或者至少小于依赖于对流热传递的可比的常规锅炉。本领域的技 术人员应理解虽然将每个系统的每个锅炉(例如：一个再热锅炉系统10的 主锅炉12、过热锅炉14和再热锅炉16)作为一个锅炉设备示出和描述，但 是也可以预期将这些锅炉分别设置为连续的多个单元。此外，例如，可以 将主锅炉12设置为两个或三个连续的小型锅炉。另外，虽然每个锅炉显 示为具有一个氧燃料燃烧炉，但是根据需要预期每个锅炉可以具有多个燃 烧炉。应理解的是：用于每个加热阶段的一个锅炉或多个锅炉的使用，以 及用于每个锅炉的一个燃烧炉或多个燃烧炉的使用，将进一步提高控制热 量输入单个锅炉的能力，从而更有效地控制整个过程和蒸汽状态。

如同上述属于Gross专利中所假设的，通过氧燃料燃烧系统将能量输 入锅炉中。使用这样的配置，热传递至炉的原理模式为辐射，同时伴有一 些对流热传递。因为这些燃烧炉(和一般的氧燃料系统)产生了高温的火焰， 所以氧燃料燃烧系统提供了这种有效的辐射热传递。锅炉的几何形状(比 如：锅炉炉管直接暴露于火焰)进一步通过使金属表面积达到最大，来提高 热流量，在该金属表面上方形成了由火焰至金属的热传递。

有利地，本锅炉结合氧燃料燃烧的使用最大程度地利用了辐射热传 递，上述情况可以允许锅炉形体小于约为相等规模(功率输出)的常规锅炉。 换言之，因为将本质上的纯氧(而不是空气)用作为氧化剂，所以全部的氧 化剂均可用于燃烧，并且当将空气用作为氧化剂来提供燃烧需要的氧气 时，输入锅炉的气体体积约为所需的气体体积的21％。由于使用了本质上 的纯氧而不是空气，因此该锅炉可以相当地小。

此外，燃料/氧气混合物(再次说明，不是燃料/空气混合物)使得锅炉中 的火焰温度更高。在锅炉中利用氧燃料可以获得约为5000°F的火焰温度。 这比常规的锅炉约为1500°F-2000°F的火焰温度更高。还观察到结合这些 较高的火焰温度使用氧燃料导致更高效的过程。

在当前使用天然气作为燃料的锅炉系统中，氧气/天然气的比例约为 2.36∶1。该比例将根据所供给的氧气纯度和燃料的性质发生改变。例如， 在100％纯氧的理想状态下，该比例经理论计算为2.056∶1。但是，由于所 供给的氧气可能具有一定百分比的非氧气成分(通常高达约15％)并且天然 气不可能总是100％的纯，所以这样的变化是可以预期的。同样地，本领 域的技术人员应重视和理解该比例可以稍微改变，但是用于计算该比例的 算法必须保持精确，其中该比例接近于燃料和氧气的化学计量比。

氧气和燃料的这种比例提供了大量的优势，例如，接近化学计量的比 例实现了燃料的完全燃烧，因此使排放的NOx和其他有害的废气的体积基 本上更少。

值得指出的是精确控制氧气与燃料的比例确保了燃料的完全燃烧。这 和与LOI(loss on ignition，烧失量)作斗争的常规设备(例如：化石燃料动力 发电厂)完全不同。实质上，LOI等同于燃料的不完全燃烧。另一方面，当 前的锅炉系统10、110、210、310使用了紧密控制在接近燃料化学计量比 的本质上的纯氧(使锅炉“密封”，换言之，设置密封的锅炉，以充分防止 空气的引入)，旨在使这些损耗达到最低限度，并且尽可能地消除。此外， 当使用这些燃烧炉时(在氧燃料系统中)，唯一获得的理论NOx来自燃料中 的氮(fuel-borne nitrogen)，而不是以其他方式由使用空气的燃烧产生。因此， 将NOx(如果没有完全排放的话)减少至与常规的燃烧系统相比可以忽略的 数量。

此外，因为辐射热传递是期望的热传递机理，所以在锅炉内很少依赖 于对流(气体)通道。这也允许更小型的、更简单的锅炉设计。这些设计构 思允许锅炉有待作为独立的、模块单元进行设置。换言之，参考图1，独 立的主锅炉12可以与独立的过热锅炉14组合，所述独立的过热锅炉14 可以与独立的再热锅炉16组合。同样地，参考图3，单独的超临界主锅炉 212可以与单独的再热锅炉216组合作为锅炉系统210的核心。这种单独 的构型具有优于常规系统的控制优势，其中通过降温(atemperation)(过热后 冷却)控制温度。过热后冷却的过程通过加入水或蒸汽(如蒸汽或水雾)来冷 却过热的蒸汽，并降低系统的效能，且可以经由使用分开的沸腾和过热锅 炉进行消除。在调低操作期间也具有优势(以低于设计功率的功率操作)。 在调低的状态下，沸腾区域的热量输入可以独立于过热区域或再热区域的 热量输入而进行控制，并且获得更有效的操作。

根据不同锅炉构型的热量和质量平衡的研究显示预计的锅炉效能相 当高，并且明显地高于已知的锅炉系统。例如，在主锅炉的第一再热/亚临 界单元中，进水口至蒸汽出口的焓变约为1.95E9BTU/hr，同时燃料输入的 焓约为2.08E9BTU/hr。在过热锅炉中，蒸汽入口至蒸汽出口的焓变约为 7.30E8BTU/hr，同时燃料输入焓约为8.32E8BTU/hr，并且在再热锅炉中， 进水口至蒸汽出口的焓变约为5.52E8BTU/hr，同时燃料输入的焓约为 6.22E8BTU/hr。上述情况使得主锅炉、过热锅炉和再热锅炉的效能分别为 93.8％(包括节热器增益)、87.8％和88.7％。

同样地，在第二非再热亚临界单元中，在主锅炉中，进水口至蒸汽出 口的焓变约为1.99E9BTU/hr，同时燃料输入焓约为1.97E9BTU/hr。在过 热锅炉中，蒸汽入口至蒸汽出口的焓变约为1.22E9BTU/hr，同时燃料输入 的焓约为1.60E9BTU/hr。上述情况使得主锅炉和过热锅炉的效能分别为 101.0％(包括节热器增益)和76.2％。值得指出的是节热器包括在主锅炉的 计算中(主锅炉采用锅炉和过热锅炉的排气)，并且同样地，可以相信废气 的能量来自过热锅炉，该过热锅炉使效能看起来大于100％(但并不是)。

在第三再热超临界锅炉中，在超临界主锅炉中，进水口至蒸汽出口的 焓变约为2.37E9BTU/hr，同时燃料输入焓约为2.72E9BTU/hr。在再热锅 炉中，蒸汽入口至蒸汽出口的焓变约为6.23E8BTU/hr，同时燃料输入的焓 约为7.24E8BTU/hr。这些情况使得超临界主锅炉和再热锅炉的效能分别为 87.2％(包括节热器增益)和86.0％。

在最后或者饱和蒸汽锅炉系统中，进水口至蒸汽出口的焓变约为 3.42E9BTU/hr，同时燃料输入焓约为3.73E9BTU/hr。存在约0.13E8BTU/hr 的排气损耗。这种损耗使得主锅炉的效能为91.7％。

下表1示出了按锅炉分类的用于再热/亚临界单元的部分质量和能量 平衡成分，表2示出了按锅炉分类的用于非再热/亚临界单元的部分质量和 能量平衡成分，表3示出了按锅炉分类的用于再热-超临界单元的部分质量 和能量平衡成分，以及表4示出了用于饱和蒸汽锅炉设备的部分质量和能 量成分。应指出的是表3中再热-超临界锅炉设备的部分质量和能量平衡值 示出第一和第二锅炉的部分，将所述质量和能量平衡值加在一起以确定效 能并确认图3的示意图。在每一个表1-3的部分质量和能量平衡值的概括 中，具体和总的焓值为进水口到节热器之前各个第一燃烧部分的数值。

表1  再热/亚临界锅炉系统的部分质量和能量平衡

表2  非再热/亚临界锅炉系统的部分质量和能量平衡

表3  再热/超临界锅炉系统的部分质量和能量平衡

表4  饱和蒸汽锅炉系统的部分质量和能量平衡

如上所示，每个锅炉系统在两个主要方面不同于常规的过程。首先， 常规的燃烧过程将空气(作为供给氧气的氧化剂)而不是本质上的纯氧用于 燃烧。燃烧时使用了空气的氧气成分(约21％)，而剩余的成分(基本上为氮 气)在炉中加热并由炉排出。其次，本过程以彼此接近化学计量比的比例， 来使用氧气和燃料(在约±5％的允许容限内)。换言之，仅加进与燃料成比 例的足够的氧化剂，以确保燃料在预定容限内完全燃烧。此外，本过程在 多个锅炉组成部分或作为坐标系设置的模块中进行，每个模块以各自期望 的状态加热(如：主锅炉、过热区域、再热区域)。

使用本燃烧系统获得了许多优势和益处。如下文将要描述的，已经观 察到产生等量功率或热量的燃料燃烧减少了。值得注意地，这种减少可以 实现所导致的污染量急剧降低。此外，在某些应用中，NOx的排放基本上 可以减至零。

此外，已经观察到因为气体的吞吐量显著地低于常规的锅炉，所以排 出的废气体积也相应地减少。事实上，因为氧化剂的输入(本系统中的氧气 与常规系统中的空气相比)约为常规系统的21％，所以排出的气体也约为常 规系统的21％(由于将固体燃料运至锅炉需要大量的推动气体，因此常规的 系统可能有例如40％用于固体燃料)。并且，预期废气的主要成分将是可以 冷凝或以其他方式释放的水(如水蒸汽)和CO₂。还预期以浓缩的形式获取 CO₂用于其他的工业和/或商业应用和/或用于固碳。

也已经发现使用燃料/氧气混合物(再次说明，不是燃料/空气混合物) 获得了如上所讨论的更高的火焰温度。利用氧燃料可以获得约为5000°F的 火焰温度。这比其他已知的锅炉约为1500°F-2000°F的火焰温度更高。还 观察到结合这些较高的火焰温度使用氧燃料导致极高效的过程。

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