用燃气轮机和换热器从来自熔炉的烟雾中回收能量 |
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| 申请号 | CN201380067165.4 | 申请日 | 2013-12-05 | 公开(公告)号 | CN104870383B | 公开(公告)日 | 2017-09-22 |
| 申请人 | 乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司; | 发明人 | B·达维迪安; Y·约马尼; J·勒狄拉克; J-P·特拉尼耶; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及熔融装置和方法，其中： 熔化 室(100)通过燃烧加热，燃烧烟雾(20)用于加热作为 传热 气体的空气(30)，经加热的空气(31)用于将燃烧 氧 气(40)和/或气态 燃料 (50)预热(130)，将由预热产生的温和空气(31)压缩，经压缩的温和空气(33)通过与燃烧烟雾(20)热交换而加热(150)，且机械和/或 电能 通过经加热的压缩空气(34)的膨胀而产生。 | ||||||
| 权利要求 | 1.在包含熔化室(100)的炉中熔融的方法，在所述方法中： |
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| 说明书全文 | 用燃气轮机和换热器从来自熔炉的烟雾中回收能量[0002] 在加气燃烧(aerocombustion)或者空气燃料燃烧熔炉的情况下，因此已知的实践是使用由陶瓷(再生器)或钢交换器(回收器)构成的交替逆流交换器在炉的上游将燃烧空气预热以不仅提高炉中的燃烧效率，而且提高装置的总体效率，因为脱除烟雾中所含的一些热能被回收并用作预热燃烧气体的能量。 [0003] 在具有能量回收器的玻璃炉中，将燃烧空气预热至700℃，而再生器容许在装置寿命开始时实现1200℃或者甚至1250℃的燃烧空气温度。 [0004] 熔炉的操作员，特别是玻璃工人日益采用氧燃烧(oxycombustion)技术，这是更加有效(因为它消除了氮气的热压载(thermal ballast))且较少污染的(减少NOx和CO2，因为它是与形成NOx的来源相同的氮)。 [0005] 然而，开发用于加气燃烧的用于从烟雾中回收能量的系统(再生器和回收器)不是很好地适于从由氧燃烧产生的烟雾中回收热能。 [0006] EP-A-1338848描述了用于从玻璃炉，特别是氧燃烧玻璃炉的烟雾中回收能量的系统。所述系统包含至少一个换热器以通过与从炉中除去的烟雾热交换而将富氧气体和/或气态燃料预热，位于至少一个换热器下游且能够通过与烟雾热交换而产生过热蒸汽的锅炉，和用于使过热蒸汽膨胀以产生机械能的蒸汽轮机。 [0008] 为了在锅炉中以工业上可接收的效率产生过热蒸汽，锅炉入口以及因此换热器出口处的烟雾需要在至少1000℃或者甚至1200℃至1500℃的温度下。 [0009] 尽管EP-A-1338848中确定的材料经得起该温度的良好能力，玻璃工人优选使用认为更耐久的较低温度能量回收系统。 [0010] 从氧燃烧玻璃炉的烟雾中回收能量方面特别可靠的该可选系统描述于EP-A-0872690中。 [0011] 根据EP-A-0872690，源自氧燃烧炉的烟雾用于炉上游氧气和/或燃料的间接预热。在第一换热器中，来自炉的烟雾例如通过两种流体之间的热交换而加热中间流体如空气。 来自第一交换器的经加热中间流体在第二换热器中用于加热燃烧氧气和/或燃料。 [0012] 然而，根据EP-A-0872690的从烟雾中回收能量的系统不容许以过热蒸汽的形式从烟雾中另外回收能量，如EP-A-1338848中的情况，因为实际上第一交换器出口处的烟雾在明显低于1000℃的温度下。 [0014] 本发明更特别地涉及在包含熔化室的炉中熔融的方法。根据该方法，熔化室通过燃烧加热，因此在熔化室中产生热能和热烟雾。热烟雾从熔化室中除去，且用作传热气体的空气通过与从熔化室中除去的至少一些热烟雾热交换而加热，由此得到热空气。至少一种选自氧气和/或气态燃料的试剂通过与热空气热交换而预热，由此得到至少一种预热试剂和温和空气，且至少一种预热试剂用作燃烧试剂以加热熔化室。根据本发明，将在至少一种试剂预热以后得到的温和空气在空气压缩机中压缩以得到压缩温和空气。该压缩温和空气然后通过与通过熔化室中的燃烧产生的热烟雾热交换而加热以得到经加热压缩空气，机械和/或电能通过将该经加热压缩空气在膨胀涡轮中膨胀而产生。 [0015] 根据本发明，在一方面用于从来自熔化室的烟雾中回收热能的系统与另一方面膨胀涡轮回收的能量之间观察到显著的协同作用。实际上，观察到明显高于关于膨胀涡轮与通过使用热烟雾将试剂预热而回收热能的装置简单地并置而可能预测的能量效率的总效率。 [0017] 有利地，氧气作为燃烧试剂使用与热空气热交换而预热。气态燃料也可单独或者优选与氧气组合作为燃烧试剂预热。 [0018] 经预热氧气可以为用于在熔化室中燃烧的唯一氧化剂。经预热氧气也可与空气，通常预热空气组合用作氧化剂。 [0019] 因此，熔炉可以为氧燃烧炉(其中唯一的氧化剂为氧气)、富燃烧炉(enriched-combustion furnace)(使用富氧空气作为氧化剂)，或者甚至混杂氧化剂炉(使用用氧气燃烧的组合和用空气燃烧的组合，该空气可能是富氧的)。 [0020] 在本文中，术语“氧气”指具有至少75体积％，优选80体积％至100体积％，更优选90体积％至100体积％的O2含量的气体。 [0021] 类似地，经预热气态燃料可以为用于在熔化室中燃烧的唯一燃料，或者经预热气态燃料可与其它燃料组合使用。 [0022] 炉优选为氧燃烧炉。 [0024] 至少一种燃烧试剂通过与热空气热交换而预热通常在称为初级换热器的换热器中进行。 [0025] 用作传热气体的空气的加热类似地通常在称为二级换热器的第二换热器中进行。 [0026] 根据第一实施方案，经压缩温和空气也在二级换热器中通过与热烟雾热交换而加热。 [0027] 根据该实施方案的可选形式，经压缩温和空气通过在称为三级换热器的第三换热器中与热烟雾热交换而加热。二级交换器和三级交换器可串联或并联操作。在后一种情况下，热烟雾分成几个部分。第一部分然后引入二级交换器中以加热用作传热气体的空气。第二部分引入三级交换器中以在膨胀涡轮上游加热经压缩温和空气。 [0028] 由膨胀涡轮产生的机械和/或电能可至少部分地供入一个或多个空气压缩机中。一个或多个空气压缩机显著地选自：压缩温和空气的空气压缩机、向用于分离空气的气体的装置供料的空气压缩机，和另一空气压缩机，例如将压缩空气作为传热气体供入二级换热器中的空气压缩机。具体而言，熔化装置不仅装配有也称为送风机的空气压缩机以在二级交换器处压缩温和空气，而且它通常还包含在空前用作传热气体以前提供空气的空气压缩机。 [0029] 该装置还可包含用于分离空气的气体的装置和/或其它单元，该其它单元是空气压缩机提供的压缩空气的消耗者。该装置可显著地包含用于分离空气的气体并提供燃烧氧气的单元、经压缩空气冷却装置等。 [0030] 根据本发明方法的一个实施方案，膨胀涡轮提供向二级换热器供入压缩空气的空气压缩机的能量消耗的75-100％，优选100％。 [0031] 优选，膨胀涡轮提供向用于分离空气的气体的装置供料的空气压缩机的能量消耗的25-100％，优选50-100％，特别是100％。该用于分离空气的气体的装置优选产生在熔融方法中用作燃烧试剂的氧气。用于分离空气的气体的装置可显著地包含蒸馏塔以低温蒸馏空气的气体，但用于分离空气的气体的其它类型的装置也是可能的。 [0032] 当由用于分离空气的气体的装置产生燃烧氧气停机或者生产较少时，还有利的是提供液态氧储存器作为燃烧氧气的来源。该氧气储存器具有容许燃烧氧气在用于分离空气的气体的装置停机时供入熔化室的容量6-8小时的储存容积。还有利的是提供辅助电源如发电机以提供在膨胀涡轮停机时可使用的机械能和/或电能。 [0033] 本发明方法的参数取决于待熔化的材料，例如玻璃、金属、瓷釉等，熔化室的尺寸和类型，熔融材料的物料通过量等。 [0034] 显著，但不是唯一地，当该方法为熔化玻璃的方法时，以下操作参数单独或者组合地确定是有利的： [0035] ●从熔化室中除去的热烟雾的温度为1000℃至2000℃， [0036] ●初级交换器出口处的氧气(预热氧气)温度为约250℃至600℃，[0037] ●初级交换器出口处的气态燃料(预热燃料)温度为约250℃至550℃，[0038] ●来自二级交换器的热空气温度为600℃至800℃， [0039] ●视情况而定，来自二级或三级交换器的经加热经压缩的空气的温度为600℃至800℃， [0040] ●来自初级交换器的温和空气的温度为150℃至400℃。 [0041] 本发明还涉及适于执行本发明方法的实施方案中任一个的熔化装置。 [0042] 因此，本发明涉及熔化装置，所述装置包含限定通过燃烧加热的熔化室的炉。熔化室包含至少一个烟雾出口以排出由该燃烧产生的烟雾。 [0043] 该装置还包含初级换热器以在熔化室上游通过与作为传热气体的空气热交换而将燃烧氧气和/或气态燃料预热。所述初级交换器具有(a)(热)传热气体入口和(温和)传热气体出口，和(b)燃烧氧气入口(用于待预热的燃烧氧气)和燃烧氧气出口(用于预热燃烧氧气)和/或气态燃料入口(用于待预热的气态燃料)和气态燃料出口(用于预热气态燃料)。 [0044] 初级交换器有利地具有燃烧氧气的入口和出口，优选以及气态燃料的入口和出口。 [0045] 熔化装置还包含用于通过与来自熔化室的烟雾热交换而将在初级交换器中用作传热气体的空气加热的二级换热器。所述二级交换器具有(a)空气入口(用于待加热的传热流体)和压缩空气出口(用于经加热经压缩空气)，以及(b)(热)烟雾入口和(温和)烟雾出口。 [0046] 二级交换器的烟雾入口与熔化室的至少一个烟雾出口连接。初级交换器的燃烧氧气出口与熔化室的至少一个氧化剂喷射器连接。初级交换器的气态燃料出口与熔化室的至少一个燃料喷射器连接。 [0047] 通常，在本文中，术语“连接”以“流体连接”的意义上使用，例如使用管。 [0048] 初级换热器的(温和)空气出口与称为第一空气压缩机的空气压缩机的空气入口连接，第一空气压缩机具有经压缩空气出口，所述经压缩空气出口与用于加热经压缩空气的换热器连接，在所述换热器中，经压缩空气通过与由在熔化室中燃烧产生的烟雾热交换而加热。用于加热经压缩空气的换热器具有经加热经压缩空气出口，所述经加热经压缩空气出口与用于通过将经加热经压缩空气在膨胀涡轮中膨胀而产生机械和/或电能的膨胀涡轮的经压缩空气入口连接。 [0049] 根据装置的一个优选实施方案，膨胀涡轮向至少一个空气压缩机提供机械和/或电能。膨胀涡轮可显著地向选自如下的至少一个空气压缩机提供机械和/或电能：第一空气压缩机、向用于分离空气的气体的装置供料的空气压缩机，和另一空气压缩机，例如将经压缩空气供入消耗经压缩空气装置的至少一个其它装置中的空气压缩机，称为“第二压缩机”。第二压缩机因此可以为将作为传热气体的空气供入二级换热器中的空气压缩机。 [0050] 当膨胀涡轮向至少一个空气压缩机提供机械能时，这有利地借助将燃气轮机与所述空气压缩机连接的传动轴进行。 [0051] 当本发明装置包含用于分离空气的气体的装置时，该装置优选具有与熔化室的至少一个氧化剂喷射器连接的氧气出口以便分离装置将燃烧氧气供入所述至少一个氧燃烧器中。优选，为此，用于分离空气的气体的装置的氧气出口与初级交换器的燃烧氧气入口连接。用于分离空气的气体的装置的氧气出口则经由初级交换器与至少一个氧化剂喷射器连接，所述初级交换器的燃烧氧气出口与所述至少一个氧化剂喷射器连接。 [0053] 装置有利地还包含氧气储存器在用于分离空气的气体的装置停机或生产较少时作为燃烧氧气的来源。装置还可有利地包含机械能和/或电能的辅助来源，例如发电机，以在膨胀涡轮停机时提供机械能和/或电能。 [0054] 如先前所述，燃烧可以为加热熔化室的唯一手段，或者可与其它加热系统如电极组合。 [0055] (热)燃烧氧气可以为唯一的氧化剂或者可与其它氧化剂(例如特别是空气)组合。气态燃料可以为唯一的燃料或者可与其它燃料组合。 [0056] 与初级交换器的燃烧氧气出口连接的氧化剂喷射器可形成熔化室的燃烧器的一部分。该氧气喷射器也可形成熔化室的氧化剂喷枪(特别是氧气喷枪)的一部分。 [0057] 类似地，与初级交换器的气态燃料出口连接的气态燃料喷射器可形成熔化室的燃烧器的一部分或者可结合到所述室的燃料喷枪中。 [0058] 根据一个优选实施方案，熔炉为玻璃炉，特别是称为浮法炉(float furnace)(即具有浮水浴(floating bath)，也称为金属浴的炉)的类型的玻璃炉，但本发明在其它熔炉中也是有利的，包括用于熔化金属如非铁金属的炉。 [0059] 尽管以上对本发明的描述是其中空气用作传热气体的一个实施方案，在本发明的可选形式中，另一气体如氮气可用作传热气体。 [0060] 传热气体可在开放回路中或者在密闭回路中循环。在后一种情况下，在膨胀涡轮中膨胀以后得到的气体再用作方法/装置中的传热气体。该实施方案形式是在传热气体为不同于空气的气体时特别推荐的。 [0061] 在下文中参考图1和2进一步详细地描述本发明及其优点。 [0062] 图1和2为对使用空气作为传热气体的本发明装置和方法的两个实例的示意性描述。 [0063] 熔炉包含由大量氧燃烧器(未描述)加热的氧燃烧熔化室100。所述燃烧器由管道105供入燃料如天然气，并由管道104供入燃烧氧气。 [0064] 燃烧氧气由用于分离空气的气体的装置160产生，所述装置将经压缩空气161分离成具有至少90体积％的O2含量的氧气流40和主要由N2组成的料流(未描述)。 [0066] 所述热烟雾20或所述烟雾的至少一部分21输送至称为“二级换热器”140的第一换热器中。热烟雾(20、21)经由烟雾入口143进入二级交换器140中并经由烟雾出口144离开。在二级交换器140内部，烟雾通过热交换而加热空气30。 [0067] 空气30经由空气入口141引入二级交换器140中。经加热空气31在600℃至800℃的温度下经由空气出口142离开二级交换器140。 [0068] 来自二级交换器140的经加热空气31经由传热气体入口131输送并引入称为“初级交换器”130的第二换热器中。 [0069] 图中仅描述了一个初级交换器130。然而，所述初级交换器130可分解成一系列数个初级子交换器，即一系列传热气体/燃烧氧气交换器和/或一系列传热气体/气态燃料交换器。 [0070] 来自分离装置160的氧气流40经由氧气入口133引入初级交换器130中并作为经预热氧气41经由氧气出口134离开初级交换器。天然气流50经由燃料入口135引入初级交换器130中并作为经预热天然气51经由燃料出口136离开初级交换器130。 [0071] 在初级交换器130内部，氧气流40通过与经加热空气31热交换而预热至350℃至650℃，例如550℃的温度，且天然气流50也通过与经加热空气31热交换而预热至250℃至 550℃，例如450℃的温度。 [0072] 因此预热的氧气41作为燃烧氧气通过管道104输送至熔化室100中，且因此预热的天然气51作为燃料通过管道105输送至熔化室100中。 [0073] 在它用于将氧气和气态燃料预热以后，温和传热气体(空气)32经由空气出口132从初级交换器130中除去。 [0074] 温和空气32输送至空气压缩机110中，在其中将温和空气压缩至10-20atm，例如约15atm的压力，以在压缩机110的出口112处得到经压缩温和空气33。 [0075] 经压缩温和空气33然后输送至换热器中以通过与来自熔化室100的热烟雾20热交换而加热。 [0076] 在图1所述实施方案中，经压缩温和空气33因此经由经压缩空气入口153引入二级交换器140中，且通过与热烟雾20热交换而得到的经加热压缩空气34通过经加热压缩空气出口154而从二级交换器140中除去。 [0077] 在图2所述实施方案中，经压缩温和空气33通过经压缩空气入口153引入称为“三级交换器”150的第三换热器中。热烟雾20分成两个部分21和22。将热烟雾的部分21引入二级交换器140中以加热用作传热气体的空气30。热烟雾的部分22经由热烟雾入口151引入三级交换器150中以将通过在压缩机110中将来自初级交换器的温和空气压缩而得到的经压缩温和空气33加热。温和烟雾经由烟雾出口152从三级交换器150中除去，且经加热经压缩空气经由压缩空气出口154除去。 [0078] 基于加热用作传热气体的空气30和加热经压缩空气分别所需的热能调整送入二级交换器140中的热烟雾部分21和送入三级交换器150中的热烟雾部分22使得可使存在于离开熔化室100的热烟雾20中的热能的回收和利用最佳化。 [0079] 然后将经加热压缩空气34输送至膨胀涡轮120的经压缩空气入口121。经加热经压缩空气34在该膨胀涡轮120中的膨胀产生机械能和电能。在膨胀以后，空气经由出口122从膨胀涡轮中除去。 [0080] 在所述方案中，通过经加热经压缩空气的这一膨胀而得到的能量： [0081] ●一方面，通过传动轴123以机械能的形式传送至空气压缩机34中，和[0082] ●另一方面，借助连接件124以电能的形式传送至分离装置160中。实施例 [0083] 本发明及其优点阐述于以下对比例中。 [0084] 本发明实施例对应于图1中的图。 [0085] 参比例对应于相同的图，不同的是将来自初级换热器130的温和空气32直接送入烟道中。 [0086] 炉为通过单独的氧燃烧加热且具有7000Nm3/h的耗氧量和约620吨/天玻璃的生产率的玻璃熔炉。 [0087] 用于分离空气的气体的装置的耗电量估算为3MWe。 [0088] 在初级交换器130中，将氧气预热至550℃并将天然气预热至450℃。 [0089] 在二级交换器140中，将空气加热至650℃。 [0090] 在本发明实施例中，燃烧气体在1300℃的温度下离开燃烧室41。 [0091] 电平衡通过考虑用于向分离装置160供料的空气压缩、向二级交换器中供入传热气体和在压缩机110中将温和空气32压缩的能量消耗量而限定。 [0092] 可预期两个方案： [0093] -其中电价为40€/MWh的方案， [0094] -其中电价为140€/MWh的方案 [0095] 表1提供关于方案1，得自这些材料和能量平衡的经济数据。 [0096] 容许的投资比基于4年的折旧而计算，其中设备可使用8600小时/年。 [0097] 参比 本发明 电平衡(kWe) -2991.0 -2347.9 OPEX(EUR/h) 209.37 164.35 额外投资(EUR/kWh) 2408 [0098] 表1：投资成本计算(方案1) [0099] 对于其中天然气花费40€/MWh且电力花费140€/MWh的方案2，经济数据描述于表2中： [0100] 参比 本发明 电平衡(kWe) -2991 OPEX(EUR/h) 418.74 328.71 额外投资(EUR/kWh) 4816 [0101] 表2：投资成本计算(方案2) [0102] 对于参比案例，观察到-2991kWe的电平衡。根据本发明，电平衡降至-2347.9kWe，其显示超过20％的降低。这显示本发明提供真实的经济益处，在高能量成本区域中特别如此。 |
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