在高温高压下燃烧燃料的设备和方法及相关系统和装置

申请号 CN201080018377.X 申请日 2010-02-26 公开(公告)号 CN102414511A 公开(公告)日 2012-04-11
申请人 帕尔默实验室有限责任公司; 八河流资产有限责任公司; 发明人 M.帕尔默; R.阿拉姆; G.小布朗;
摘要 提供了一种燃烧设备,包括用于使 碳 质 燃料 与富 氧 和 工作 流体 相混合以形成燃料混合物的混合装置。 燃烧室 至少部分地由 蒸发 构件定义出。蒸发构件至少部分地由耐压构件包围。燃烧室具有相对的入口和出口部。燃烧室的入口部被配置成接收燃料混合物,以便在燃烧 温度 下燃烧所述燃料混合物。燃烧室进一步被配置成将所产生的燃烧产物引导向出口部。蒸发构件朝向燃烧室引导蒸发物质穿过蒸发构件,以对燃烧产物和蒸发构件之间的相互作用进行缓冲。还提供了相关的系统、设备和方法。
权利要求

1.一种燃烧设备,包括:
混合装置,配置成将燃料与富工作流体相混合,以形成燃料混合物;以及燃烧室,其至少部分地由蒸发构件定义出,该蒸发构件进一步至少部分地被耐压构件包围,该燃烧室具有入口部和相对的出口部,该燃烧室的入口部配置成接收燃料混合物,以便在所述燃烧室内在燃烧温度下燃烧所述燃料混合物,以形成燃烧产物,所述燃烧室进一步配置成将所述燃烧产物向所述出口部引导,所述蒸发构件被配置成朝向所述燃烧室引导蒸发物质穿过所述蒸发构件,以便缓冲所述燃烧产物和所述蒸发构件之间的相互作用。
2.如权利要求1所述的设备,其中所述混合装置进一步配置成将固体碳质燃料、液体碳质燃料和气体碳质燃料中的一种与所述富氧和所述工作流体相混合。
3.如权利要求1所述的设备,其中所述工作流体包括二氧化碳和中的一种。
4.如权利要求1所述的设备,其中所述富氧包含摩尔纯度约大于85%的氧。
5.如权利要求1所述的设备,其中所述碳质燃料为颗粒固体,并且所述混合装置进一步配置成将所述颗粒固体碳质燃料与流态化物质相混合。
6.如权利要求5所述的设备,其中所述颗粒固体碳质燃料的平均颗粒尺寸在约50微米到约200微米之间。
3
7.如权利要求5所述的设备,其中所述流态化物质包括水和密度在约450kg/m 到约
3
1100kg/m 之间的液体CO2中的一种,所述流态化物质与所述颗粒固体碳质燃料共同形成所述颗粒固体碳质燃料占重量的约25%到约55%之间的浆料。
8.如权利要求1所述的设备,其中所述燃烧室进一步配置成在其入口部在约40巴到约
500巴之间的压下接收所述燃料混合物。
9.如权利要求1所述的设备,其中所述蒸发物质配置成经由所述蒸发构件被引入所述燃烧室,以便在所述燃烧室的出口部附近将所述蒸发物质和所述燃烧产物的输出混合物调整到约500℃到约2000℃之间的温度。
10.如权利要求1所述的设备,其中所述燃烧温度被配置成使得在所述燃烧产物中所述碳质燃料的任何非易燃成分被液化
11.如权利要求10所述的设备,其中所述蒸发物质包括二氧化碳,其被引导穿过所述蒸发构件,使得所述蒸发物质在所述燃烧室内形成与所述蒸发构件直接相邻的缓冲层,所述缓冲层被配置成缓冲所述蒸发构件与所述液化非易燃成分和所述燃烧产物相关热量之间的相互作用。
12.如权利要求1所述的设备,其中所述燃烧温度在约1300℃到约3500℃之间。
13.如权利要求1所述的设备,进一步包括与所述耐压构件相关联,并被配置成控制其温度的热排除装置。
14.如权利要求13所述的设备,其中所述热排除装置包括具有在其中循环的液体的传热套件。
15.一种燃烧方法,包括:
使用混合装置将碳质燃料与富氧和工作流体混合,以形成燃料混合物;
在蒸发构件定义出的燃烧室的入口部接收所述燃料混合物,该蒸发构件进一步至少部分地被耐压构件包围;
在所述燃烧室内以燃烧温度燃烧所述燃料混合物,以形成燃烧产物;
将所述燃烧产物引导向所述燃烧室的出口部;以及
朝向所述燃烧室引导蒸发物质穿过所述蒸发构件,使得所述蒸发物质缓冲所述燃烧产物与所述蒸发构件之间的相互作用。
16.如权利要求15所述的方法,其中将碳质燃料与富氧以及工作流体混合,包括将固体碳质燃料、液体碳质燃料和气体碳质燃料中的一种与富氧以及所述工作流体混合。
17.如权利要求15所述的方法,其中将碳质燃料与富氧以及工作流体进行混合进一步包括将碳质燃料与富氧以及包括二氧化碳和水中的一种的工作流体进行混合。
18.如权利要求15所述的方法,其中将碳质燃料与富氧以及工作流体进行混合进一步包括将碳质燃料与摩尔纯度大于约85%的富氧以及所述工作流体进行混合。
19.如权利要求15所述的方法,其中所述碳质燃料为颗粒固体,并且所述方法进一步包括经由所述混合装置将所述颗粒固体碳质燃料与流态化物质进行混合。
20.如权利要求19所述的方法,其中将所述颗粒固体碳质燃料与流态化物质进行混合进一步包括将平均颗粒尺寸在约50微米到约200微米之间的所述颗粒固体碳质燃料与流态化物质进行混合。
21.如权利要求19所述的方法,其中将所述颗粒固体碳质燃料与流态化物质进行混合
3 3
进一步包括将所述颗粒固体碳质燃料与包括水和密度在约450kg/m 到约1100kg/m 之间的液体CO2中的一种的流态化物质进行混合,以形成所述颗粒固体碳质燃料占重量的约25%至约55%的浆料。
22.如权利要求15所述的方法,其中接收所述燃料混合物进一步包括在约40巴到约
500巴之间的压力下在所述燃烧室的入口部接收所述燃料混合物。
23.如权利要求15所述的方法,其中对所述蒸发物质进行引导进一步包括朝向所述燃烧室引导蒸发物质穿过所述蒸发构件,使得经由所述蒸发构件被引入所述燃烧室的蒸发物质在所述蒸发室的所述出口部附近将所述蒸发物质和所述燃烧产物的输出混合物调整到约500℃到约2000℃之间的温度。
24.如权利要求15所述的方法,其中以燃烧温度在所述燃烧室内对所述燃料混合物进行燃烧进一步包括以燃烧温度在所述燃烧室中对所述燃料混合物进行燃烧,所述燃烧温度被配置成使得所述碳质燃料中的任意非易燃成分在所述燃烧产物中被液化。
25.如权利要求24所述的方法,其中将蒸发物质引导穿过所述蒸发构件进一步包括将包括二氧化碳的蒸发物质引导穿过所述蒸发构件,使得所述蒸发物质在所述燃烧室内形成与所述蒸发构件直接相邻的缓冲层,该缓冲层被配置成对所述蒸发构件与所述液化非易燃成分和与所述燃烧产物相关联的热量之间的相互作用进行缓冲。
26.如权利要求15所述的方法,其中在所述燃烧室中以燃烧温度对所述燃料混合物进行燃烧进一步包括在所述燃烧室中以约1300℃到约3500℃之间的燃烧温度对所述燃料混合物进行燃烧。
27.如权利要求15所述的方法,进一步包括使用与所述耐压构件相关联的热排除装置来控制所述耐压构件的温度。
28.如权利要求27所述的方法,其中控制所述耐压构件的温度包括使用包括与所述耐压构件相关联并具有在其中循环的液体的传热套件的热排除装置对所述耐压构件的温度进行控制。
29.一种能量生成系统,包括:
燃烧设备,其包括:
混合装置,配置成将碳质燃料与富氧和工作流体相混合以形成燃料混合物;以及至少部分由蒸发构件定义出的燃烧室,所述蒸发构件进一步至少部分地被耐压构件包围,所述燃烧室具有入口部和相对的出口部,所述燃烧室的入口部被配置成接收所述燃烧混合物,以便在所述燃烧室内以燃烧温度燃烧所述燃烧混合物,以形成燃烧产物,所述燃烧室进一步配置成将所述燃烧产物向所述出口部引导,所述蒸发构件配置成朝向所述燃烧室引导蒸发物质穿过所述蒸发构件,以对所述燃烧产物和所述蒸发构件之间的相互作用进行缓冲;以及
变换设备,其被配置成接收所述燃烧产物,该变换设备响应于所述燃烧产物以将与其相关联的能量变换成动能
30.如权利要求29所述的系统,其中所述混合装置进一步被配置成将固体碳质燃料、液体碳质燃料和气体碳质燃料中的一种与富氧以及所述工作流体进行混合。
31.如权利要求29所述的系统,其中所述工作流体包括二氧化碳和水中的一种。
32.如权利要求29所述的系统,其中所述富氧包括摩尔纯度大于约85%的氧。
33.如权利要求29所述的系统,其中所述碳质燃料为平均颗粒尺寸在约50微米到200微米之间的颗粒固体,并且所述混合装置进一步被配置成将所述颗粒固体碳质燃料与包括
3 3
水和密度在450kg/m 和1100kg/m 之间的液体CO2中的一种的流态化物质进行混合,所述流态化物质与所述颗粒固体碳质燃料共同形成所述颗粒固体碳质燃料占重量的约25%到约55%的浆料。
34.如权利要求29所述的系统,其中所述燃料室进一步配置成在其所述入口部在约40巴到约500巴之间的压力下接收所述燃料混合物。
35.如权利要求29所述的系统,其中所述蒸发物质被配置成经由所述蒸发构件被引入所述燃烧室,以便在所述燃烧室的出口部附近将所述蒸发物质和所述燃烧产物的输出混合物调整到约500℃到约2000℃之间的温度。
36.如权利要求29所述的系统,其中所述燃烧温度被配置成使得在所述碳质燃料中的任何非易燃烧成分在所述燃烧产物中被液化。
37.如权利要求29所述的系统,其中所述燃烧温度在约1300℃到约3500℃之间。
38.如权利要求29所述的系统,其中所述碳质燃料为固体,并且所述系统进一步包括被布置在所述燃烧设备与所述变换设备之间的分离设备,该分离设备被配置成在所述燃烧产物被引导到所述变换设备之前,从所接收的所述燃烧产物中基本上去除液化非易燃成分。
39.如权利要求38所述的系统,其中所述蒸发物质被配置成经由所述蒸发构件被引入所述燃烧室,以便将进入所述分离设备的所述蒸发物质和所述燃烧产物的混合物调整到所述非易燃成分的液化温度以上。
40.如权利要求39所述的系统,进一步包括被布置在所述分离设备之后的蒸发物质传送装置,其被配置成将所述蒸发物质运送到其中的液化非易燃成分已基本被去除的所述燃烧产物,以便将进入所述变换设备的所述蒸发物质和所述燃烧产物的混合物调整到500℃到2000℃之间的温度。
41.如权利要求38所述的系统,其中所述分离设备进一步包括多个串行布置的离心分离装置,每个离心分离装置具有多个以并行的方式可操作地布置的离心分离器元件。
42.如权利要求38所述的系统,其中通过所述分离设备从所述燃烧产物中去除的所述液化的非易燃成分被可去除地收集到与所述分离设备相关联的积垢器中。
43.如权利要求38所述的系统,其中所述分离设备被配置成为由所述耐压构件容纳和由耐压外壳定义中的一种。
44.如权利要求43所述的系统,其中所述分离设备进一步包括散热系统,该散热系统可操作地与所述耐压构件和所述耐压外壳中的一个相接合,以便从其中去除热量。
45.如权利要求44所述的系统,其中所述散热系统包括具有在其中循环的液体的传热套件。
46.如权利要求38所述的系统,其中所述分离设备的暴露于所述燃烧产物和与其相关联的所述液化非易燃成分中的一种的表面由被配置成具有耐高温、耐高腐蚀,和低热传导性中至少一种的材料构成。
47.如权利要求29所述的系统,其中所述蒸发物质包括二氧化碳,其被引导穿过所述蒸发构件,使得所述蒸发物质在所述燃烧室中形成与所述蒸发构件直接相邻的缓冲层,该缓冲层被配置成对所述蒸发构件与所述液化非易燃成分以及与所述燃烧产物相关联的热量之间的相互作用进行缓冲。
48.如权利要求29所述的系统,其中所述燃烧设备进一步包括与所述耐压构件相关联并被配置成控制其温度的热排除装置,该热排除装置包括具有在其中循环的液体的传热套件。
49.如权利要求29所述的系统,其中所述燃烧设备被配置成使得所述燃烧产物包括大于500ppm的O2和小于50ppm的CO。
50.如权利要求29所述的系统,其中所述燃烧设备被配置成使得所述燃烧产物包括组合浓度大于约1%的H2和CO,以及小于约10ppm的O2。
51.如权利要求29所述的系统,其中所述变换设备包括涡轮机装置,所述涡轮机装置响应于所述燃烧产物以便将与其相关联的能量变换成动能。
52.如权利要求29所述的系统,其中所述变换设备进一步包括被配置成将所述动能转换成电能的发电装置。
53.一种分离设备,适于使用被配置成燃烧固体碳质燃料以形成燃烧产物使得在所述固体碳质燃料中的任意非易燃成分在所述燃烧产物中被液化的燃烧设备实现,所述分离设备包括:
多个串行布置的离心分离设备,包括被配置成接收所述燃烧产物和与之相关联的液化非易燃成分的入口离心分离装置,和被配置成排出所述燃烧产物的出口离心分离装置,所述燃烧产物的所述液化非易燃成分被从其中基本去除,每个离心分离装置具有多个以并行的方式可操作地布置的离心分离元件,每个离心分离元件被配置成从所述燃烧产物中去除所述液化非易燃成分的至少一部分,并将所述液化非易燃成分中的至少一部分引导到积垢器;以及
耐压外壳,被配置成容纳所述离心分离装置和所述积垢器。
54.如权利要求53所述的分离设备,进一步包括散热系统,其与所述耐压外壳可操作地接合,以便从其中去除热量。
55.如权利要求54所述的分离设备,其中所述散热系统包括具有在其中循环的液体的传热套件。
56.如权利要求55所述的分离设备,进一步包括热量回收装置,其与所述传热套件可操作地接合,所述热量回收装置被配置成接收在所述传热套件中循环的液体并从该液体中回收热能
57.如权利要求53所述的分离设备,其中所述分离设备的暴露于所述燃烧产物和与其相关联的所述液化非易燃成分中的一种的表面由被配置成具有耐高温、耐高腐蚀,和低热传导性中的至少一种的材料构成。
58.如权利要求53所述的分离设备,其中所述分离设备被配置成从所述燃烧产物中基本上去除所述液化非易燃成分,并将所述非易燃成分维持成粘稠度低的液体的形式,至少直到从所述积垢器中将其去除。

说明书全文

在高温高压下燃烧燃料的设备和方法及相关系统和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及用于在高温高压下将质燃料和气一起燃烧,以产生燃烧产物的设备和方法,该燃烧产物或者用过量的氧气被氧化,或者其包含还原的组份并具有零氧含量。一种特定的应用是,通过使用工作流体使通过高效燃烧燃料生成的能量转化,用于生成诸如电的能量。尤其是,这样的设备和方法可使用二氧化碳或蒸汽作为工作流体。另一方面,这些设备和方法可用于生成包含氢气和/或一氧化碳的气体。

背景技术

[0002] 据估计,化石燃料还能继续提供全世界大部分的电需求一百年,同时无碳能源被开发出来并被采用。但是,已知的通过对化石燃料和/或适宜的生物体(biomass)进行燃烧产生能源的方法受到能源成本的上升以及产生的二氧化碳(CO2)和其它排放物的增加的困扰。全球变暖日益被视为潜在的灾害,这是由于发达国家和发展中国家碳排放的增加导致的。太阳能能看来不能在近期替代化石燃料,而核能具有与扩散和核废料处理相关的危险性。
[0003] 从化石燃料或适宜的生物燃料产生能量的常规布置现在日益为在高压下捕获CO2以便运送到隔离场的需求所累。但是,满足这种需求较困难,因为即使对于捕获CO2的最佳设计,现有技术也仅提供了很低的热效率。而且,实现捕获CO2的投资成本很高,并且可因此导致与将CO2排放到大气中的系统相比高很多的电力成本。据此,在本领域中对于能减少CO2排放和/或改进捕捉难度以及所产生的CO2的隔离的高效能量产生的设备和方法具有日益增长的需求。
[0004] 对碳质燃料的氧燃料燃烧包括从空气中分离出足够纯的氧(或以其他方式提供用于燃烧处理的这样足够纯的氧),并且使用这种氧作为燃烧介质,以产生燃烧产物,该燃烧产物基本上不含氮,而包括二氧化碳和蒸气。当前的技术中,空气和氧燃料燃烧器在有限的温度和压力下工作,以防止过高的温度损害燃烧器的壁和/或其它系统部件,例如涡轮叶片。限制工作温度和/或压力,在某些情况下,不合乎要求地延长了燃烧处理和/或需要相对大的燃烧体积。此外,燃烧处理、燃烧设计和/或下游排出的气体的处理规定还可能不期望地取决于为该处理所利用的燃料类型。而且,由于在当前的工艺中应用于常规锅炉系统的燃烧气体的体积较大,并且这些气体被排到大气中,当前从排气烟囱气体去除污染物质的方法和所推荐的氧燃料燃烧系统高度取决于反应炉(plant)的具体设计和在该反应炉内燃烧的燃料的确切类型。每种燃料都具有对比化合物(contrasting chemical composition)和大量污染物。因此,当前工艺不期望地需要每个反应炉的排出气体涤气(scrubber)系统或者氧燃料燃烧变形,均为客户特别设计以适应具有特定化合物的特定类型的燃料。
[0005] 例如,用于的当前技术通常应用了装备有垂直的管壁或成螺旋形配置的管壁的单个非常大的燃烧器,其中在高压下生成蒸汽,并将蒸汽在分离的过热器部分中过度加热。大尺寸的燃烧器可遭受明显的热损失,并且通常会受到损坏,还会由于煤灰、熔渣和诸如取决于所使用的特定的煤的燃烧气体中的SOX、HCL、NOX等腐蚀性成分,使燃烧炉、发热和对流换热表面和其它部件积灰、结渣。
[0006] 这样的示例性的缺陷可能需要周期性地关闭整个反应炉,以维修或者更换受损的或者被腐蚀的部件和/或其它组件,并且可因此导致反应炉的可利用率较低,并且很难补偿反应炉在停机期间所损失的产出,这是不期望的。

发明内容

[0007] 通过本申请的各方面解决了以上的和其它的需求,依据一个特定的方面,本申请提供了包括被配置成将碳质燃料与富氧和工作流体进行混合以形成燃料混合物的混合装置的燃烧设备。燃烧室至少部分地由蒸发构件定义出,其中蒸发构件至少部分地由耐压构件包围。蒸发构件具有入口部和相对的出口部,其中燃烧室的入口部被配置成接收燃料混合物,用于使燃料混合物在燃烧室中以燃烧温度燃烧,以形成燃烧产物。该燃烧室进一步被配置成将燃烧产物引导向出口部。该蒸发构件被配置成朝向燃烧室引导蒸发物质从其中穿过,用于缓冲燃烧产物和蒸发构件之间的相互作用。此外,蒸发物质可被引导进入燃烧室以获得燃烧产物的期望的出口温度。
[0008] 另一方面,本申请提供了一种燃烧方法,初始包括使用混合装置使碳质燃料与富氧和工作流体混合,以形成燃料混合物。该燃料混合物被接收在由蒸发构件定义出的燃烧室的入口部中,其中蒸发构件至少部分地由耐压构件包围。燃料混合物在燃烧室内以燃烧温度燃烧形成燃烧产物,并且燃烧产物然后被引向燃烧室的出口部。蒸发物质被朝向燃烧室引导通过蒸发构件,使得蒸发物质对燃烧产物和蒸发构件之间的相互作用进行缓冲。蒸发物质可被引入燃烧室以获得燃烧产物的期望出口温度。
[0009] 在又另一方面,本申请提供了能量生成系统。这样的系统包括燃烧设备,其包括混合装置,该混合装置被配置成将碳质燃料与富氧和工作流体进行混合,以形成燃料混合物。燃烧室至少部分地由蒸发构件定义出,其中蒸发构件至少部分地被耐压构件包围。该燃烧室具有入口部和相对的出口部。燃烧室的入口部被配置成接收燃料混合物,使该燃料混合物在燃烧室中以燃烧温度燃烧而形成燃烧产物。该燃烧室进一步被配置成将燃烧产物引向出口部。蒸发构件被配置成朝向燃烧室引导蒸发物质从蒸发构件中经过,以便对燃烧产物和蒸发构件之间的相互作用进行缓冲。此外,蒸发物质可被引入燃烧室,以获得燃烧产物的期望出口温度。变换设备被配置成接收燃烧产物,其中该变换设备响应于燃烧产物,而将与其相关联的热能转换成动能
[0010] 在再另一方面,本申请提供了分离设备,其适用于使用燃烧设备实现,燃烧设备被配置成燃烧固体碳质燃料以形成燃烧产物,使得在固体碳质燃料中的任何非易燃成分在燃烧产物中液化。这样的分离设备包括多个串行布置的离心分离装置,其包括入口离心分离装置和出口离心分离装置,入口离心分离装置被配置成接收燃烧产物和与其相关的液化非易燃成分,而出口离心分离装置被配置成排出其中的液化非易燃成分已基本被去除的燃烧产物。每个离心分离装置具有多个以并行的方式可操作地布置的离心分离元件,其中每个离心分离元件被配置成从燃烧产物中去除被液化的非易燃成分的至少一部分,并将被液化的非易燃成分的至少一部分引导到积垢器(sump)。耐压外壳被配置成容纳离心分离装置和积垢器。
[0011] 另一方面,碳质燃料的氧燃料燃烧(和/或碳氢质燃料)还可涉及将足够纯的氧从空气中分离出来(或以其他方式提供这样充分纯的氧气),以及在燃烧处理中应用该氧气以产生燃烧产物,该燃烧产物基本不含氮,而包括二氧化碳和水蒸气。富含二氧化碳的燃烧产物(随后冷却并且水分冷凝)则可能可在后续的商业应用中利用,诸如用于提高油的还原或者提高天然气产量或者在合适的地质收集场中处理(后续压缩和提纯)。氧燃料动力生成系统的在高压下的操作还可允许从燃料中产生的二氧化碳处于高压下,导致通过减少或者消除对二氧化碳增压的需要而节省动力。而且,高压操作可允许被提纯的燃烧产物被直接用于动力循环,当与诸如CO2或者流束的适当的加热工作流体混合时。动力系统的在高压下的操作还可导致在动力循环中流体流通率体积的减少,导致装备更小且投资成本更低。具有温度控制装置的高压氧燃料燃烧器是另一个重要方面。诸如燃烧产生的气体或二氧化碳或液体水或流束(诸如来自循环流束)的适宜流体的通过蒸发冷却和燃烧室/空间的保护壁的循环,还可起到控制燃烧温度的作用。通过燃烧室壁的蒸发流体的流通还可起到消除由于热量,或灰分或液体熔渣冲击的影响在燃烧室壁上产生和/或对室壁的损坏。因此,提供了高效的高压、高温燃烧器,其可适用于燃烧不同气体、液体或者固体燃料或者燃料混合物以满足作为动力系统的部件的不同需求,该动力系统可以比现有技术高很多的效率且低很多的投资成本来操作。在某些情况下,可对燃烧器进行操作以产生除动力产物以外的包括氢和一氧化碳的燃烧产物,以便能够适应下游的要求。
[0012] 在再进一步的方面,本申请大体上提供了与高压、高温、高效、蒸发流体保护的氧燃料燃烧器相关联的方法和设备,用于在例如动力发生中应用,诸如与使用将CO2和/或H2O作为工作流体的动力循环相结合。在这样的应用中,燃烧器可在氧化的模式下操作,从而所产生的燃烧产物因此包含在大约500ppm和大约3%摩尔之间范围内的氧聚集物,以及在大约50ppm以下,优选地在10ppm摩尔以下的一氧化碳聚集物。另一方面,燃烧器可在还原模式下操作,从而所产生的燃烧产物因此具有接近零的氧聚集物,并且该燃烧产物包括CO和H2的聚集物。以还原模式操作可被配置成使H2和CO的产物最大化,并且可使O2燃烧最小化。操作的还原模式不仅对动力产生有益,而且对于H2或者H2+CO合成气体的产物是有益的。在特定的方面,操作压力可在大约40巴(bar)和大约500巴之间的范围内,且优选地至少为80巴,并且燃烧产物温度大体上可在约1300℃到约3500℃之间的范围内。
[0013] 在涉及动力产生的方面,工作流体的一部分与燃料和氧化剂(即,富氧)一起被引入燃烧器用于燃烧,使得产生为包括工作流体和燃烧产物的高压、高温流体束(燃烧产品)。工作流体可被引入通过燃烧室的蒸发保护壁和/或通过该燃烧室附件的附加注入点。在燃烧处理之后和通过蒸发与燃烧产物混合的工作流体可具有在适于直接引入诸如涡轮机的动力生成装置的范围内(即,足够低)的温度。在这样的情况下,被引入燃烧器的工作流体的总量,例如对燃烧产物的稀释,可被调整成提供用于离开适宜于动力涡轮机的操作入口温度和压力的燃烧器的总工作流体束的离开温度。有利地,在涡轮机中的膨胀过程中,流体束可被维持在相对高的压力下,使得纵贯涡轮机的压力比(即,涡轮机入口处的压力与出口处的压力的比率)小于约12。流体束还可进一步被处理以分离流体束的组份,其中这样的处理可包括使流体束经过热交换器。尤其是,膨胀的工作流体(其至少一部分可回收自流体束)可经过相同的热交换器以在工作流体被引入燃烧器之前加热高压工作流体。
在某些方面,本申请提供了高压氧燃料燃烧器,用于动力产生系统,其可用较低投资成本产生动力,并可在管线压力下产生足够纯的CO2,以便用于商用或收集。该CO2还可被回收进入动力产生系统。
[0014] 在其它方面,所揭示的燃烧系统和方法可被配置成使用广泛不同的燃料源。例如,依据本申请的高效燃烧器可使用气体(例如,天然气或者煤的衍生气体)、液体(例如,碳氢化合物、沥青)和/或固体(例如,煤、褐煤(lignite)、石油焦(pet-coke))燃料。正如在此另外描述的,甚至可使用诸如藻类、生物体,或者任何其它适宜的可燃烧有机材料的其它燃料。
[0015] 在其它方面,当与使用在管线压力下捕捉的CO2的动力系统合并时,本申请的燃烧的方法和系统可能是有用的,因为该合并系统可超过不提供对CO2进行捕捉的燃煤蒸汽循环动力站的当前最佳效率。这样的当前动力站可使用含沥青的煤在最佳状态下提供例如具有1.7英寸汞柱(mercury)冷凝压力的大约45%的效率(L.H.V)。本系统的各方面可超越例如这样的效率,同时以200巴的压力运送CO2。
[0016] 在再另一方面,本申请可使用类似的燃料提供与现有技术相比减少动力生成系统的物理尺寸和投资成本的能力。因此,本申请的方法和系统可贡献于或以其他方式有利于降低与动力产生系统相关的建造成本,并且一定系统的相对高效的燃烧可导致降低电力成本或能量产生,并减少矿石燃料的应用。
[0017] 在一个特定的方面,本申请涉及动力生成的方法,其结合了对诸如CO2和/或H2O的工作流体的应用。在某些方面,本方法可包括将加热的压缩CO2和/或过热的蒸汽引入燃料燃烧器。优选地,该CO2和/或蒸汽可被引入以至少大约80巴的压力操作的燃烧器中。CO2和/或H2O可在两个或更多分离的位置处被引入燃烧器。CO2和/或H2O的一部分可与O2和固体、液体、气体或超临界燃料混合,使得可基于燃烧室的期望设计值确定燃烧室内的燃烧温度。剩余的经加热的CO2和/或过热蒸汽然后被引入燃烧室以通过与燃烧产物直接混合来冷却燃烧产物,以实现大约500℃的期望总输出流体束温度,这可能是动力产生系统所需要的。在这样的条件下,CO2和/或H2O可与由燃料燃烧产生的燃烧气体、与诸如纯度高于85%摩尔的氧的氧化剂混合,以产生包括CO2和/或H2O的期望温度的流体束。在特定的方面,输出流体束温度可在大约1000℃到大约1600℃之间的范围内。在其它方面,输出流体束可在涡轮机中膨胀以生成动力(即,经由与该涡轮机撞击的能量生成电)。
[0018] 在一定的方面,在工作流体被引入燃烧器之前将其加热到甚至更高的温度可能是有用的。例如,在CO2和/或H2O被引入燃烧器中之前可被加热到至少大约700℃的温度。在其它方面,在CO2和/或H2O被引入燃烧器中之前可被加热到大约700℃到大约1000℃之间的温度。在某些方面,这样的加热可使用热交换器装置进行。正如在此进一步揭示的,相同的热交换器可被用于冷却离开动力生成涡轮机的流体束。
[0019] 类似地,燃烧器可在较高的压力下有效地操作以产生能够在动力产生循环中实现非常高的效率的工作流体。例如,燃烧器和工作流体CO2和/或H2O的引入部分可压缩到至少200巴。在其它方面,压力可在大约200巴到大约500巴之间。
[0020] 在一定的方面,被引入燃烧器的工作流体的一部分可以是足够纯的CO2的循环流束,使得在工作流体中的任何水含量均来自燃料。当然,来自外部源的CO2可被用作工作流体。
[0021] 从燃烧器离开的流体束可包括CO2和/或H2O工作流体,以及一种或更多种其它组分,诸如由燃料或者燃烧处理衍生出的燃烧产物。离开的流体束可包含在大约300ppm和大约3%摩尔之间的范围内的诸如H2O、SO2、SO3、NO、NO2、Hg、HCL的组分加上过量的氧。在其它方面,输出流体束可至少包含不同比例的H2和CO,并且O2含量基本上为零。
[0022] 燃烧器可包括入口喷嘴装置,燃料加氧加一部分工作流体通过该入口喷嘴装置被引入燃烧器,并在此处燃烧被发起并在氧化或还原模式下,在设计容量典型地在大约50%到大约100%之间的期望的燃料流通量范围上,以稳定方式进行。在一定的方面,操作压力可在大约150巴以上,且在这个压力下,氧可与CO2和诸如天然气的燃料的混合物,或者诸如碳氢蒸馏物的液体一起作为单相混合物被引入,以获得需要的隔热阻燃(flame)温度。如果在此高压下的CO2为低于约100℃的温度,则CO2的密度高到足以支持充足份额的粉状煤以形成浆料,其中浆料可通过高压被抽吸形成管内所需的燃料压力和流,并达到混合点,在此处添加CO2和氧的超临界混合物以在燃烧器中获得所需的隔热阻燃温度。预混合的燃料、稀释CO2和氧应该可期望地处于合成温度下,该温度在系统的自动点火(auto-ignition)温度以下。CO2流束的温度可被调整成符合这个标准。入口喷嘴可包括在注入器板上的孔阵列,该孔阵列中的每一个孔将产生微小的流体喷口,这些微小的流体喷口导致迅速的热传递和燃烧,从而产生稳定的燃烧区。孔的大小可为直径在大约0.5mm到大约3mm之间的范围内。
[0023] 燃烧室的壁可与多孔材料层排列成一排,CO2和/或H2O稀释流束的第二部分被引导并流经多孔材料层。通过该多孔蒸腾层,并视情况通过附加装置的流体流被配置以获得所需的总输出流体束出口温度,该温度在大约500℃到大约2000℃之间。该流还可起到将蒸发构件冷却到形成该蒸发构件材料的最大可允许操作温度以下的温度。诸如CO2和/或H2O稀释流束的蒸发物质还可起到阻止可能腐蚀、淤塞或以其他方式损坏壁的燃料中的任意液体或固体灰分材料或其它致污物的侵害。在这样的情况下,可期望为蒸发构件使用具有合理(较低)的热传导性的材料,使得易于产生的辐射热可径向向外传导,通过多孔蒸发构件,并然后被从多孔层结构的表面到径向向内通过蒸发层的流体的对流热传递所截断。这样的配置可允许被引导穿过蒸发构件的稀释流束的后续部分被加热成在大约500℃到大约1000℃之间的范围内的温度,同时将多孔蒸发构件的温度维持在为其所使用的材料的设计范围之内。用于多孔蒸发构件的适宜材料可包括,例如,多孔陶瓷、难溶金属纤维垫,钻孔圆柱体部,和/或烧结(sintered)的金属层或烧结的金属粉末。蒸发构件的第二个功能是可确保稀释的蒸发流体径向向内,且纵向沿着燃烧器基本均匀地流动,以获得稀释流体的第二部分与燃烧产物之间良好的混合,同时引起沿着燃烧室的长度的均匀轴向流量。蒸发构件的第三个功能是达到稀释流体径向向内的速率以便提供缓冲,或以其他方式中途截流在燃烧产物中的灰分或其它致污物的固体和/或液体颗粒,以免冲击蒸发层表面,和引起阻塞或其它损害。这样的因素可能仅在例如燃烧诸如煤的具有残留惰性非易燃残留物的燃料时很重要。环绕蒸发构件的燃烧器压力容器内壁也可被绝热,以隔离在燃烧器内的高温的第二稀释流束。
[0024] 具有非易燃残留物的煤或其它燃料可作为水中的浆料或优选地作为液体CO2中的浆料被引入燃烧器。浆料的液体部分以接近环境的温度并在动力循环中的最低压力下离开动力系统。在这样的情况下,在浆料入口条件和气体出口条件之间每摩尔的(enthalpy)差异对于H2O可为大约10kcal/gm-mol,对于CO2大约为2.78kcal/gm-mol,假设CO2浆料流的效率明显更高。在使用CO2作为工作流体的较高压力动力循环中,需要较少的附加能量,以产生在大约-30℃到大约10℃之间的范围内的温度的液体CO2。
[0025] 产生非易燃残留物的诸如煤的通常为固体的燃料的燃烧温度优选地在大约1800℃到大约3000℃之间的范围内。在这样的条件下,灰分或其它致污物将是在浆料燃料进给中的从燃料颗粒衍生的液体熔渣小滴的形式。这些液体熔渣小滴必须被有效地去除,以便抵御动力涡轮机或其它下游处理的污染。去除可通过使用例旋流分离器、冲击分离器,或以环形配置布置的梯度耐火颗粒过滤器底板或它们的组合来完成。在特定的方面,可通过一系列旋流分离器来从高温工作流体束中去除小滴。为实现高效的去除,在系列中优选地具有至少两个旋流分离器,并且优选地具有3个旋流分离器。可通过许多因素增强去除效率。例如,可调整去除温度,以确保熔渣粘稠度低到足以从分离器去除自流排出液体小滴。有时可能必须在燃烧温度和最终的输出流体束温度之间的中间温度下执行熔渣去除。在这样的情况下,最终的输出流体束排出温度可通过使回收工作流体(蒸发物质)的一部分直接与离开熔渣去除系统的流体束混合来实现。期望旋流分离器的直径应该相对较低(即,直径在大约20cm和大约50cm之间的范围内),同时熔渣小滴的直径应该足够高以提供良好的分离效果。这样的条件可通过例如研磨煤燃料达到,以获得>50微米颗粒直径的高份额来实现。优选地,煤形成平均颗粒直径在大约50微米到大约100微米之间的颗粒,这可导致在输出工作流体流中存在的直径为10微米以下的熔渣颗粒的份额最小化。在某些情况下,在旋流分离器之后可跟随有直接部署在涡轮机上游的环形过滤器。
[0026] 在特定的方面,在系统中燃烧产物的滞留时间为,对于天然气在0.2秒到2秒的范围内,而对于含沥青的煤在0.4秒到4秒的范围内。
[0027] 离开燃烧器的流体束可展现出各种不同的特征,例如,流体束可包括氧化流体。这样,流体束可包括可迅速地被附加氧化剂(例如,氧气)氧化(例如,燃烧)的一种或更多种组分。在某些方面,流体束可以是包括选自于包括H2、CO、CH4、H2S和其组合物的组中的一种或更多种组分的还原流体。除次级稀释的比例将逐渐减小而转变成H2+CO的燃料份额增加外,在还原模式下系统的操作将大体上与氧化模式类似。还可能需要将燃烧产物的平均滞留时间逐渐增加,对于天然气来说,随着转变成的H2+CO增加到最大,平均滞留时间增加到大约2.5秒到大约4.5秒之间,而对于含沥青的煤来说增加到大约6秒到大约10秒之间。
[0028] 以上所述的和其它的方面因此解决了所指出的需求,并且提供了有益效果,正如在此详细说明的那样。附图说明
[0029] 已经概括地描述了申请后,现在可参考附图,这些附图并不需要依比例描绘,并且其中:
[0030] 图1是依据本申请的一定方面对蒸发冷却燃烧设备的示意性说明;
[0031] 图2是依据本申请的一定方面对燃烧设备中的蒸发构件壁的示范性横截面的示意性说明;
[0032] 图3A和图3B依据本申请的一定方面示意性地说明了用于燃烧设备的蒸发构件组装的热装配处理;
[0033] 图4依据本申请的一定方面示意性地说明了燃烧产生的致污物的消除设备;
[0034] 图5是依据本申请的一定方面,示出了灰分颗粒作为平均颗粒尺寸和蒸发流体流动率的函数的轨迹示意图;以及
[0035] 图6是依据本申请的一定方面的可用的动力发生系统的示意图。

具体实施方式

[0036] 此后将参考附图更完整地描述本申请,其中示出了其中的一些方面,但并非所有的方面。实际上,本申请可以许多不同的形式实现,而不应被解释成被限制于在此所阐述的各方面;而是,提供这些方面是为了使本申请满足可适用的法律要求。在全文中,相同的数字指示相同的元件。
[0037] 在图1中示范性地说明了依据本申请,能够使用固体燃料工作的燃烧设备的一个方面,该燃烧设备总体用数字220。在该示例中,燃烧设备220可被配置成燃烧诸如煤的特定固体,以形成燃烧产物,但是如在此所揭示的任意其它适宜的可燃有机材料也可用作燃料。燃烧室222可由蒸发构件230限定出,该蒸发构件230被配置成引导蒸发流体从此通过进入燃烧室222(即促进蒸发冷却和/或缓冲燃烧产物与蒸发构件230之间的相互作用)。本领域技术人员将体会到,蒸发构件230可基本为圆柱形,以便限定出基本成圆柱形的燃烧室222,该燃烧室222具有入口部222A和对面的出口部222B。该蒸发构件230可至少部分地被耐压构件338包围。燃烧室222的入口部222A可被配置成从总体由数字250指示的混合装置接收燃料混合物。依据特定的方面,所述燃料混合物在燃烧室222内以特定的燃烧温度燃烧,以形成燃烧产物,其中燃烧室222被进一步配置成将燃烧产物向出口部222B引导。热排除装置350(见例如图2)可与耐压构件338相关联,并被配置成控制其温度。在特定的情况下,热排除装置350可包括至少部分由在耐压构件338对面的壁336限定的传热套件(jacket),其中液体可在其间定义的水循环套件337中循环。在一方面,循环的液体可为水。
[0038] 混合装置250被配置成将具有富氧(enriched oxygen)242的碳质燃料254和工作流体236混合,以形成燃料混合物200。碳质燃料254可以固体碳质燃料、液体碳质燃料和/或气体碳质燃料的形式提供。富氧242可以是摩尔纯度大于约85%的氧。富氧242可通过例如本领域已知的任意的空气分离系统/技术供应,例如,可实施低温空气分离处理,或高温离子运转薄膜氧分离处理(从空气)。工作流体236可以是二氧化碳和/或水。在碳质燃料254为微粒固体,诸如粉状煤254A的情况下,混合装置250可被进一步布置成将微粒固体碳质燃料254A与流态物质255混合。依据一方面,微粒固体碳质燃料254A的平均颗粒尺寸可在约50微米与约200微米之间。依据再另一方面,流态物质255可包括水和3 3
/或密度在约450kg/m 与约100kg/w 之间的液态CO2。更具体地,流态物质255可与微粒固体碳质燃料254A共同形成微粒固体碳质燃料254A例如占重量的约25%至约55%之间的浆料250A。虽然在图2中氧242被示出为在被引入燃烧室222之前与燃料254和工作流体236混合,本领域技术人员将体会到,在某些情况下,氧242可被单独地引入燃烧室222,正如所需要的或者期望的。
[0039] 在某些方面,混合装置250可包括,例如,被布置成在蒸发构件230的端壁223周围的间隔开的喷嘴阵列(未示出),该喷嘴阵列与圆柱形燃烧室222的入口部222A相关联。以这种方式将燃料/燃料混合物注入燃烧室222可提供例如所注入燃料混合物入口流束的较大的表面面积,这继而可以促进通过辐射将热量快速传递给注入燃料混合物入口流束。
注入燃料混合物的温度可因此迅速升高到燃料(即,煤颗粒)的燃点温度,并且可因此导致压缩燃烧。燃料混合物的注入速度可以在例如约10m/sec与约40m/sec之间的范围内,但是这些值可取决于许多因素,诸如特定喷嘴的配置。这样的注入装置可采用许多不同的形式。例如,注入装置可包括直径在例如约0.5mm到约3mm之间的孔阵列,其中所注入的燃料将以在约10m/s到约40m/s之间的速度从此通过而被注入。
[0040] 正如在图2中更详细地示出的,燃烧室222由蒸发构件230定义,该蒸发构件可至少部分被耐压构件338包围。在某些情况下,耐压构件338可进一步至少部分地被传热套件336包围,其中传热套件336与耐压构件338共同在它们之间限定出一个或多个通道337,较低压力的水流束可通过该通道337循环。通过挥发(evaporation)机构,循环的水可因此被用于控制和/或保持所选择的耐压构件338的温度(例如,在约100℃到约250℃范围内)。在某些方面,保温层339可被设置在蒸发构件230与耐压构件338之间。
[0041] 在某些情况下,蒸发构件230可包括,例如,外蒸发构件331和内蒸发构件332,内蒸发构件332被设置在与耐压构件338相反的外蒸发构件331侧面,并且限定出了燃烧室222。外蒸发构件331可包括诸如和钢合金,包括不锈钢和镍合金的任意适宜的耐高温材料。在某些情况下,外蒸发构件331可被配置成定义出了第一蒸发流体供应通路333A,该第一蒸发流体供应通路333A从外蒸发构件331与绝缘层339相邻的表面延伸穿过外蒸发构件331到达外蒸发构件331与内蒸发构件332相邻的表面。在某些情况下,该第一蒸发流体供应通路333A可对应于由耐压构件338、传热套件336和/或绝缘层339定义的第二蒸发流体供应通路333B。该第一和第二蒸发流体供应通路333A、333B可因此被配置成协同引导蒸发流体210从此穿过到达内蒸发构件332。在某些情况下,正如例如在图1中所示出的,蒸发流体210可包括工作流体236,并可从与其相关联的相同的源获得。如果需要,该第一和第二蒸发流体供应通路333A、333B可以是保温的,以便以足够的供给量和以足够的压力输送蒸发流体210(即CO2),使得蒸发流体210被引导穿过内蒸发构件332,进入燃烧室
222。如在此揭示的这样的措施涉及蒸发构件230和相关的蒸发流体210,可允许燃烧设备
220在相对高的压力和相对高的温度下操作,如本文其他部分所揭示的。
[0042] 出于这种考虑,内蒸发构件332可包括例如多孔陶瓷材料、穿孔材料、层压材料、包括二维随机定向且第三维规则排列的纤维的多孔衬垫,或者任意其它的适宜材料或其组合,其展示出在此所揭示的需要的特征,即,多个流通通路或小孔,或其它适宜的开口335,用于接收和引导蒸发流体穿过内蒸发构件332。多孔陶瓷和适宜用于这种蒸发冷却系统的其它材料的非限制性示例包括氧化、氧化锆、相变增韧锆(transformation-toughened zirconium)、、钼、钨、渗铜的钨(copper-infiltrated tungsten)、钨敷涂钼、钨敷涂铜、各种高温镍合金,以及包裹或敷涂铼的材料。适宜的材料来源包括例如CoorsTek,Inc.,(Golden,CO)(锆);UltraMet Advanced Materials Solutions(Pacoima、CA)(难熔金属涂层);Orsam Sylvania(Danvers,MA)(钨/铜);以及MarkeTech International,Inc.(Port Townsend,WA)(钨)。适宜用于这种蒸发冷却系统的穿孔材料的示例包括以上所有材料和供应商(在此可通过例如对初始未穿孔的结构使用本制造领域内已知的方法进行穿孔,以获得穿孔的端部结构)。适宜的层压材料的示例包括以上所有材料和供应商(此处可通过例如以使用本制造领域内已知的方法获得期望的端部多孔性这样的方式对非多孔或部分多孔的结构进行层压获得层压端部结构)。
[0043] 图3A和图3B说明了在燃烧设备220的一方面,定义燃烧室222的结构可通过在蒸发构件230和包围结构(诸如耐压构件338或者布置在蒸发构件230和耐压构件338之间的绝缘层339)之间的“热”干涉配合(interference fit)形成。例如,当相对较“冷”时,可使蒸发构件230维度在相对于周围的耐压构件338的辐射和/或轴向方向上较小。同样地,当被插入耐压构件338中时,在其之间可能出现放射状和/或轴向空隙(见,例如图3A)。当然,这样的尺度差异可便于将蒸发构件230插入耐压构件338中。但是,当被加热以例如期望达到操作温度时,蒸发构件230可被配置成放射状和/或轴向扩展,以减少或者消除可注意到的空隙(见例如图3B)。这样,干涉轴和/或放射状配合可在蒸发构件230和耐压构件338之间形成。在涉及具有外蒸发构件331和内蒸发构件332的蒸发构件230的示例中,这样的干涉配合可将内蒸发构件332置于压缩状态下。这样,适宜的耐高温的易碎材料,诸如多孔陶瓷,可被用于形成内蒸发构件332。
[0044] 对于这样配置的内蒸发构件332,蒸发物质210可包括,例如,二氧化碳(即,来自和工作流体236相同的源),其被引导穿过内蒸发构件332使得该蒸发物质210形成缓冲层231(即,“蒸汽壁”),在燃烧室222中该缓冲层与内蒸发构件332直接相邻,其中缓冲层231可被配置成缓冲在内蒸发构件332和液化的非易燃成分以及与燃烧产物相关联的热量之间的相互作用。也就是说,在某些情况下,蒸发流体210可例如至少在燃烧室222内的压力下,被运送穿过内蒸发构件332,其中蒸发流体210(即,CO2流束)进入燃烧室222的流速足以用于使蒸发流体210与燃烧产物混合并使燃烧产物冷却,以在满足后续下游处理的入口要求的适当温度(即,涡轮机可能需要例如约1225℃的入口温度)下形成输出流体混合物,但是其中,输出流体混合物保持足够高的温度,以将燃料中的熔渣滴或其它致污物维持成流态或液态。燃料的非易燃成分的液体状态可促进,例如,这样的致污物以液体形式,优选地以自由流通、低粘稠度的形式,从燃烧产物中分离出来,这很有可能减少了对用于实施这种分离的任意的可去除系统的阻塞或其他方式的损坏。实践中,这样的要求可取决于各种因素,诸如所采用的固体含碳燃料(即,煤)的类型以及在燃烧处理中形成的熔渣的具体特征。也就是说,在燃料室222内的燃烧温度优选地使得在该含碳燃料中的任何非易燃成分在燃烧产物中被液化。
[0045] 在特定的方面,多孔的内蒸发构件332因此被配置成引导蒸发流体以径向向内的方式进入燃烧室222,以便在定义出燃烧室222的内蒸发构件332的表面周围形成流体障壁(barrier wall)或者缓冲层231(例如见图2)。内蒸发构件332的表面也被燃烧产物加热。这样,多孔内蒸发构件332可被配置成具有适宜的热传导性,使得经过内蒸发构件332的蒸发流体210被加热,同时多孔内蒸发构件332被同步冷却,导致定义出燃烧室222的内蒸发构件332的表面温度为在最高燃烧温度范围内例如约1000℃。因此通过蒸发流体210形成的流体障壁或缓冲层231与内蒸发构件332共同对内蒸发构件332与高温燃烧产物以及熔渣或其它致污物颗粒之间的相互作用进行缓冲,并且这样,缓冲了内蒸发构件332的触碰、污损或其它损坏。进一步地,蒸发流体210经由内蒸发构件332被引入燃烧室222,以这样一种方式以便在约500℃到约2000℃之间的温度下在燃烧室222的出口部222B附近调节所述蒸发流体210和燃烧产物的输出混合物。
[0046] 依据某些方面,正如在此所揭示的适宜在燃烧设备220中应用的蒸发流体210可包括任何适当的流体,其应被提供成能够以充足的量和压力流过内蒸发构件332,以形成流体障壁/缓冲层231,并能够稀释燃烧产物以产生工作流体/燃烧产物输出流体束的适宜的最终出口温度。在某些方面,CO2可以是适宜的蒸发流体210,因为由此形成的流体障壁/缓冲层可显示出良好的绝热性质和可期望的可见光和UV光线吸收的性质。如果被应用,CO2被用作超临界流体。适宜的蒸发流体的其它示例包括例如H2O或从下游处理回收到的经冷却的燃烧产物气体。一些燃料可在燃烧设备启动过程中被用作蒸发流体,以在注入操作过程中使用的燃料源之前,在燃烧室222中获得,例如,适当的操作温度和压力。一些燃料还可被用作蒸发流体以在燃料源之间的转换过程中(诸如,当从煤转换到作为燃料源的生物体时)调整或维持所述燃烧设备220的操作温度和压力。在某些方面,可使用两种或更多种蒸发流体。蒸发流体210可针对的温度和压力条件被优化,在燃烧室222处蒸发流体210形成了流体障壁/缓冲层231。
[0047] 本申请的各方面因此提供了用于通过应用高效燃料燃烧设备220和相关联的工作流体236,产生动力(诸如电动力)的设备和方法。工作流体236与适当的燃料254和氧化剂242,以及也可用于有效燃烧的任意的相关材料一起被引入燃烧设备220。在特定的方面,实现被配置成以相对高的温度(例如,在约1300℃到约3500℃之间的范围内)操作的燃烧设备220,工作流体236可促进对离开燃烧设备220的流体束的温度的调整,使得流体束可被用于从中提取能量,以便达到产生动力的目的。
[0048] 在一定的方面,蒸发冷却燃烧设备220可使用循环工作流体236,在动力发生系统中实现,循环工作流体236包括例如占主要部分的CO2和/或H2O。在一个特定的方面,进入燃烧设备220的工作流体236优选地基本上仅包括CO2。在燃烧设备220中,在氧化条件下操作,CO2工作流体236可混同燃料254、氧化剂242,和燃料燃烧处理的任意产物中的一种或更多种组分。因此,正如图1所示,被引导向出口部222B并离开燃烧设备220的工作流体236(在此也可被称为输出流体束)可包括占主要部分的CO2(在工作流体的主要部分为CO2的情况下),以及较小量的其它材料,诸如H2O、O2、N2、氩、SO2、SO3、NO、NO2、HCL、Hg和可能是燃烧处理的产物的微量的其它成分(例如,颗粒或致污物,诸如灰分或者液化的灰分)。见图1中的成分150。在还原条件下燃烧设备220的操作可导致输出流体束具有不同的可能的成分列表,包括CO2、H2O、H2、CO、NH3、H2S、COS、HCL、N2,和氩,正如在图1中成分175所示出的。正如在此进一步详细讨论的,与燃烧设备220相关联的燃烧处理可受到控制,使得排除流体束的属性可以是还原的或者氧化的,其中每种情况可提供特定的优点。
[0049] 在特定的方面,燃烧设备220可被配置成高效、蒸发冷却的燃烧设备,其能够在相对高的操作温度下(例如,在约1300℃到约3500℃之间的范围内)提供对燃料254相对完全的燃烧。在某些情况下,这样的燃烧设备220可应用一种或者更多种的冷却流体,和/或一种或更多种蒸发流体210。与蒸发设备220相关联,也可应用额外的部件。例如,可提供空气分离单元,用于分离N2和O2,并且可提供燃料注入装置,用于从空气分离单元接收O2,并将这些O2与CO2和/或H2O,以及包括气体、液体、超临界流体,或者在高密度CO2流体中浆料化的固体颗粒燃料的燃料流束相结合。
[0050] 在另一方面,蒸发冷却燃烧设备220可包括燃料注入器,用于将加压的燃料流束注入燃烧设备220的燃烧室222,其中该燃料流束可包括经处理的含碳燃料254、流体化的介质255(其可包括工作流体236,正如在此所讨论的),以及氧242。(富)氧242和CO2工作流体236可被组合成匀相的邻界混合物。存在的氧含量可足以燃烧燃料并产生具有期望成分的燃烧产物。燃烧设备220还可包括被配置成高压、高温燃烧容积的燃烧室222,用于接收燃料流束,以及穿过定义出燃烧室222的多孔蒸发构件230的壁进入该燃烧体积的蒸发流体210。蒸发流体210的进给率可被用于将燃烧设备出口部/涡轮机入口部温度控制到期望的值和/或将蒸发构件230冷却到可与形成蒸发构件230的材料相适宜的温度。被引导穿过蒸发构件230的蒸发流体210在定义出燃烧室222的蒸发构件230的表面上提供了流体/缓冲层,其中流体/缓冲层可防止由一定的燃料燃烧导致的灰分颗粒或者液体熔渣与蒸发构件230的暴露出来的壁相互作用。
[0051] 高效燃烧设备的方面还可被配置成使用各种燃料源进行操作,这些燃料源包括例如各种等级和类型的煤、木头、油、燃油、天然气、基于煤的燃气、焦油或者焦油砂(tar sands)、沥青、生物燃油、生物体、藻类(algae),以及劣化的易燃固体垃圾废料。尤其可使用煤粉或颗粒固体。虽然在此揭示了示范性的燃煤燃烧设备220,但是本领域技术人员将体会到在燃烧设备220中使用的燃料并不限于具体的煤的等级。此外,由于在此揭示的通过含氧燃料的燃烧设备维持了高压和高温,可实现燃料类型的广泛多样性,包括煤、沥青(包括从焦油砂衍生出的沥青)、焦油、柏油(asphalt)、旧轮胎、燃油、柴油、汽油、喷气燃料(JP-5、JP-4)、天然气、由碳氢化材料汽化或高温分解衍生的气体、乙醇、固体和液体生物燃料、生物体、藻类,以及经处理的固体垃圾和废料。所有这样的燃料被适当地处理以允许用于以充足的速率和以高于燃烧室222内压力的压力下注入燃烧室222。这样的燃料可以在环境温度或提高的温度下(例如,在约38℃到约425℃之间)呈液态、浆料状、凝胶状,或具有适当的流动性和粘性的糊状形式。任意固体燃料被渣滓化或切碎,或以其他方式处理将颗粒尺寸减小成适宜的那样。如果需要,可添加流体化或浆料介质以获得适宜的形式并满足高压抽吸的流通需求。当然,依据燃料的形式(即,液体或气体)可能不需要流体化介质。同样地,在某些方面,循环的工作流体可被用作流体化介质。
[0052] 在某些方面,燃烧室222被配置成维持在约1300℃到约3500℃之间的燃烧温度。燃烧室222可进一步被配置成使得燃料流束(以及工作流体236)在比燃烧产生的压力更高的压力下可被喷注或以其他方式被引导进入燃料室222。此处煤颗粒为碳质燃料,煤颗粒可被浆料化成临界CO2流体,由混合的液体CO2或者水与渣滓化固体燃油形成可抽吸的浆
3 3
料。在这种情况下,液体CO2可具有在大约450kg/m 到大约100kg/m 范围内的密度,并且固体燃料的质量百分比可以在约25%到约55%的范围内。视情况,O2的量可与煤/CO2浆料混合,足以燃烧煤以产生期望的燃烧产物组分。视情况,O2可被单独地注入燃烧室222。
燃烧设备220可包括耐压构件338,其至少部分地包围定义出燃烧室230的蒸发构件230,其中保温构件339可被布置在耐压构件338和蒸发构件230之间。在某些情况下,热排除装置350,诸如定义出水循环套件337的套件水冷却系统,可与耐压构件338接合(即,在耐压构件338外部形成燃烧设备220的“壳”)。关联燃烧设备220的蒸发构件230实现的蒸发流体210可以是,例如,与较少量的H2O和/或诸如N2或氩的惰性气体混合的CO2。蒸发构件230可包括,例如,多孔材料、陶瓷、复合机体、层状歧管(layered manifold),任意其它适宜的结构,或者其组合物。在某些方面在燃烧室222内的燃烧可产生高压、高温输出流体束,其可足以被引导到诸如涡轮机的动力产生设备,用于相关膨胀。
[0053] 关于在图1中说明的设备方面,燃烧设备220可被配置成在大约355巴(bar)的压力下接收氧242。而且,颗粒状固体燃料(例如粉状煤)254,以及流态化流体(例如,液体CO2)255也可在约355巴的压强下被接收。类似地,工作流体(例如,加热的、高压、能够回收的、CO2流体)236可在约355巴的压力以及约835℃的温度下被提供。依据本申请的方面,然而,燃料混合物(燃料、流态化的流体、氧,和工作流体)可在约40巴到约500巴之间的压力下在燃烧室222的入口部222A处被接收。正如在此揭示的,通过燃烧设备220的方面实施的相对高的压力可起到将其产生的能量在最小化的体积中集中成相对高的密度的作用,这基本上导致了相对高的能量密度。相对高的能量密度允许对该能量的下游处理以比在较低压力下更高效的方式执行,并且因此提供了技术上的可用因素。本申请的方面可因此提供了比现有动力反应炉更大的数量级的能量密度(即,10-100 fold)。较高的能量密度提高了处理效率,但是也减少了实现从热能到电能的能量变换的装备需要的成本,通过减少装备的尺寸和质量,因此减少装备的成本。
[0054] 当被实现时,CO2流态化流体255(其在CO2三相点压力和CO2临界压力之间的任意压力下为液态)与粉状煤燃料254相混合以形成质量百分比为约55%的CO2和约45%或者其它质量比例的粉状煤混合物,使得所得到的浆料可通过适宜的泵(作为流体浆料)在已知为约355巴的压力下被抽吸到燃烧室222。在某些方面,CO2和粉状的煤可在进行抽吸之前以约13巴的压力被混合。O2流束242与循环CO2工作流体束236混合,且组合物然后与粉状煤/CO2浆料混合以形成一种流体混合物。可将O2与煤的比例选择成足以使煤与额外1%的过量O2完全燃烧。另一方面,可对O2量进行选择以便允许煤的一部分充分地完全氧化,同时另一部分仅部分氧化,导致流体混合物减少,并且其包括一些H2+CO+CH4。以这样的方式,可实现燃烧产物的两个阶段的膨胀,正如所需要的或者所期望的,使用一些O2注入并在第一和第二阶段之间再加热。在进一步的方面,经由燃料混合在燃烧室222中存在的CO2的量被选择成足以实现燃烧温度(隔热或以其他方式)约在2400℃,但是燃烧温度也可在大约1300℃到大约3500℃之间的范围内。在一方面以在燃料混合物的自动点火温度以下的最终温度提供O2+煤浆+加热的回收CO2的燃料混合物。为了获得所指定的条件,通过例如在煤辊压机中将固体煤磨碎,固体碳质燃料(例如,煤)优选地以在大约50微米到大约
200微米之间的平均颗粒尺寸被提供。这样的磨碎处理可在配置成提供颗粒在约50微米以下的最小化质量比例的辊磨机中执行。以这种方式,其中在燃烧处理中被液化成液体熔渣小滴的任意非易燃的成分,其直径可以大于约10微米。在某些方面,包括CO2+O2+粉状煤浆料的燃料混合物可在大约400℃的温度下以大约355巴的压力被引导进入燃烧室222,其中在燃烧室222内燃烧时纯压力可为大约354巴。该燃烧室222内的温度可在从大约1300℃到大约3500℃之间的范围内,并且在一些优选的方面,仅实现了一个燃烧阶段。
[0055] 在燃烧设备220的一个示例中,正如在此所揭示的,500MW纯电力系统可被配置成使用CH4燃料以大约58%的效率(较低的加热值基准)在以下条件下工作:
[0056] 燃烧压力:350atm;
[0057] 燃料输入:862MW;
[0058] 燃料流:17.2kg/秒;
[0059] 氧气流:69.5kg/秒;
[0060] CH4和O2可与155kg/秒的CO2工作流体混合并燃烧以在2400℃的绝热温度下产生包括CO2、H2O和一些过量的O2输出流体束。燃烧室可具有大约1m的内直径和大约5m的长度。395kg/秒的CO2流以大约600℃的温度被引导向大约2.5cm厚的蒸发构件,并且被引导穿过该蒸发构件。这些CO2由通过蒸发构件传导的热量以对流的方式被加热,该热量源于燃烧室内的燃烧发热到达蒸发构件。
[0061] 定义出燃烧室的内表面周围,蒸发构件表面温度可为大约1000℃,而636.7公斤/秒的输出流体束可处于大约1350℃的温度下。在某些情况下,燃烧和稀释燃烧产物的平均滞留时间为大约1.25秒。而且,通过蒸发构件进入燃烧室的蒸发流体平均径向向内速率为大致0.15m/s。
[0062] 对煤燃料燃烧设备的示例进行修改,导致在燃烧室中用于燃烧和对燃烧产物进行稀释的平均滞留时间的配置为大约2.0秒,并且燃烧室长度约8m,具有大约1m的内直径。使用CO2作为稀释(蒸发)流体的系统的净效率因此大约54%(较低加热值基准)。在这样的情况下,蒸发流体径向向内速率可为大约0.07m/s。在这样的条件下,图5示出了以大约50m/s的速度从距蒸发构件1mm的距离处径向向外投射向蒸发构件的直径为50微米的液体熔渣颗粒的假想轨迹。正如所示出的,在通过流经蒸发构件的蒸发流体被承载返回输出流体束之前,颗粒将达到距蒸发构件最小0.19mm。在某些情况下,蒸发流体流经蒸发构件,有效缓冲了蒸发构件和由燃烧处理产生的液体熔渣颗粒之间的相互作用。
[0063] 正如本领域技术人员所能体会到的,所揭示的燃烧设备的各方面可使用适当的方法实现成适宜的动力产生系统。例如,这样的动力产生系统可包括一个或更多个注入器,用于提供燃料(并视情况提供流态化介质)、氧化剂,和CO2工作流体;正如在此所揭示的,蒸发冷却燃烧设备具有至少一个用于燃烧燃料混合物的燃烧阶段,并提供了输出流体束。变换设备(见,例如,图6中的元件500)可被配置成接收输出流体束(燃烧产物和工作流体),并响应于输出流体束将与其相关的能量转换成动能,其中转换设备可以是例如具有入口和出口的动力产生涡轮机,并且其中由于输出流体束膨胀而产生动力。更特定地,涡轮机可被配置成在入口与出口之间将输出流体束维持成期望的压力比。还可提供发电装置(见,例如,在图6中的元件550)以将涡轮机的动能变换成电能。也就是说,输出流体束可由高压膨胀到低压,以产生轴动力,然后该轴动力能够转变成电力。可提供热交换器,用于冷却来自涡轮机出口的输出流体束,和用于加热进入燃烧设备的CO2工作流体。还可被提供一个或更多个装置,用于将离开热交换器的输出流体束分离成纯CO2,以及一种或更多种其他组分,用于回收或丢弃。这样的系统还可包括一个或更多个装置,这些装置用于压缩经提纯的CO2,并用于将从输出流体束分离的CO2的至少一部分运送进入加压管道,同时剩余部分作为通过热交换器加热的工作流体被回收。但是,本领域技术人员将体会到,虽然本申请涉及对输出流体束的直接应用,但是在某些情况下,也可间接地应用相对高温的输出流体束。也就是说,输出流体束可被引导到热交换器,其中与输出流体束关联的热能被用于加热第二工作流体束,且然后将经加热的第二流体工作束引导到变换装置(例如,涡轮机)以生成动力。而且,本领域技术人员将体会到许多其它这样的装置也可落入本申请的范围内。
[0064] 在本申请的特定的方面,碳质燃料的组份使得在其内可包括不可燃成分(即,致污物),并保持存在于燃烧处理后的燃烧产物/输出流体束中。在碳质燃料为例如煤的固体的情况下可以这样做。在那些方面,如果输出流体束被直接引导到转换设备,对输出流体束的直接应用可导致这样的非易燃的成分堵塞,或其它的对随后的变换设备(涡轮机)的损坏。本领域技术人员还将能够体会到,当应用诸如液体或气体(即,天然气)的其它形式的含碳燃料时,这样的非易燃成分可能不需要存在。因此,在实现固体碳质燃料源和在输出流体束与转换设备之间的直接相互作用的各方面,动力系统(燃烧设备和变换设备)可进一步包括被布置在燃烧设备和变换设备之间的分离设备。在某些情况下,分离设备可被配置成在燃烧产物/输出流体束被引导到变换设备之前,从燃烧产物/由此接收的输出流体束中基本上去除液化的非易燃成分。此外,在实现分离设备的各方面,所揭示的蒸发物质可被引入分离设备的上游或者下游。更特定地,蒸发物质可被首先引入燃烧室,经由蒸发构件和分离设备上游,以便将蒸发物质以及进入分离设备的燃烧产物的混合物调节到非易燃成分的液化温度以上。在分离设备之后,蒸发物质运送装置(见例如,图6中的元件475)可被配置成将蒸发物质运送到离开分离设备的燃烧产物中,并将液化的非易燃成分从燃烧产物中基本上清除,以便将蒸发物质和进入变换设备的燃烧产物的混合物调节在大约500℃到大约2000℃之间的温度。
[0065] 正如前面所述,燃烧设备的各方面可包括能够实现燃烧温度的能力,该燃烧温度导致在固体碳质燃料中的非易燃成分在燃烧处理过程中被液化。在这样的情况下,可使用用于去除液化的非易燃成分的装置,例如,在图4中示出的诸如气旋分离器的分离设备340。通常,通过本申请实现的这样的气旋分离器的各方面可包括多个串行布置的离心分离装置100,包括被配置成接收燃烧产物/输出流体束和与其相关联的液化非易燃成分的入口离心分离装置100A,和被配置成排出燃烧产物/输出流体束的出口离心分离装置100B,该输出流体束的液化的非易燃的成分被基本从中去除。每个离心分离装置100包括多个离心分离元件或旋流器(cyclone)1,其并行地可操作地布置在中心收集管2附近,其中每个离心分离元件/旋流器2被配置成从燃烧产物/输出流体束中去除液化的非易燃成分的至少一部分,并将所去除的液化非易燃成分的部分引导到积垢器20。这样的分离设备340可被配置成以被提高的压力进行操作,并且诸如可进一步包括被配置成容纳离心分离装置和积垢器的耐压外壳125。依据这样的方面,耐压外壳125可以是还包围燃烧设备220的耐压构件338的延伸部,或者耐压外壳125可以是能够接合与燃烧装置220相关联的耐压构件
338的分离构件。在任一种情况下,由于分离设备340经由输出流体束经历的被提高的温度,耐压外壳125还可包括散热系统,诸如具有在其中循环的液体(未示出)的传热套件,可操作地与其接合用于从其上去除热量。在某些方面,热量回收装置(未示出)可操作地与传热套件接合,其中热量回收装置可被配置成接收在传热套件中循环的液体并从该液体中回收热能。
[0066] 更特定地,在图4中示出的(熔渣去除)分离设备340被配置成关于出口部222B与燃烧设备220串行部署,用于从其中接收输出流体束/燃烧产物。来自燃烧设备220的蒸发冷却输出流体束,其中具有液体熔渣(非易燃成分)小滴,被引导以经由锥形减压器10进入入口离心分离装置100A的中心收集装置2A。一方面,分离装置340可包括三个离心分离装置100A、100B、100C(但是本领域技术人员将体会到这样的分离设备可包括一个、两个、三个或更多个离心分离装置,正如所需要或期望的)。在这样的情况下,以串行的方式可操作地布置的三个离心分离装置110A、100B、100C,提供了3阶段旋流分离单元。每个离心分离装置包括,例如,布置在相应的中心收集管2的周边附近的多个离心分离器元件(旋流器1)。入口离心分离装置100A的中心收集装置2A和中心收集管2,以及中间的离心分离装置100C各自在其出口端部被密封起来。在那些情况下,输出流体束被引导进入与相应的离心分离装置100的离心分离器元件(旋流器1)中的每一个相对应的支路通道11。这些支路通道11被配置成接合各自的旋流器1的入口端部,以因此形成切向入口(这导致了例如进入旋流器1的输出流体束与旋流器1的壁相互作用形成螺旋流)。于是来自旋流器1的出口通道3形成进入相应的离心分离装置100的中心收集管2入口部的路线。在出口离心分离装置100B,输出流体束(非易燃的成分已基本从其中分离)从出口离心分离装置
100B的中心收集管引导并经由收集管12和出口喷嘴5,使得“干净的”输出流体束可于是被引导到诸如与变换设备相关联的后续处理中。示范性的三阶段旋流分离装置因此允许输出流体束中的熔渣质量被去除到例如5ppm以下。
[0067] 在分离设备340的每个阶段,分离的液体熔渣从每一个旋流器1被引导通过向积垢器20延伸的出口管4。分离的液体熔渣然后被引导进入由积垢器20延伸出的出口喷嘴或管道14,以及耐压外壳125,以便去除和/或回收其中的组分。在完成去除熔渣的过程中,液体熔渣可被指引通过水冷却部分6或以其他方式通过具有高压、冷水连接的部分,其中与水的相互作用导致液体熔渣固化和/或成为粒状。固化熔渣和水的混合物然后可在容器(收集装置)7中被分离成熔渣/水流体混合物,其可通过适宜的9被去除,同时任何残留气体可经由分离线路8去除。
[0068] 由于分离设备340与相对高温的输出流体束(即,在足以将非易燃成分保持为具有相对低的粘稠度的液体形式的温度下)一起实现,在某些情况下,分离设备340的暴露于燃烧产品/输出流体束和与其相关联的液化非易燃成分中的一种的表面由被配置成具备耐高温、耐高腐蚀,和低热传导性中至少一种的材料构成。这样的材料的示例可包括氧化锆和氧化铝,但是这样的示例并不意图被限制在任何的方式下。这样做,在一定的方面,分离设备340被配置成基本上将液化非易燃成分从燃烧产物/排出流体束中去除,并将非易燃成分维持在低粘稠度液体形式,至少直到将其从积垢器20中去除。
[0069] 正如在此所揭示的,因为这样做,在固体碳质燃料的情况下,熔渣分离可在单个单元(分离设备340)中完成,在某些情况下,该单元可以很容易地从系统中取出,以便于维护和检查。但是,这样的方面可提供进一步的优点,正如在图6中所示出的,从而该系统可易于被配置成实现“挠性燃料”,获得关于颗粒燃料源的有效操作。例如,当燃烧设备220将固体碳质燃料用作燃料源时,单个单元分离设备340可被安装在该系统中,在燃烧设备220与变换设备(涡轮机)500之间。可期望的是将其改变为液体或气体碳质燃料源,分离单元340可从该系统中被移除(即,正如前面所讨论的,并非必须)使得来自燃烧设备220的输出流体束可直接被引导到变换设备500。该系统可因此易于变回应用分离器单元340,使燃料可用性在以后可包括固体碳质燃料源。
[0070] 本领域技术人员可想到在此阐述的本申请的许多的变形和其它方面,对于这些,本申请在前面的说明书和附图中存在启示。因此,应该理解,本申请并不被限制在所揭示的具体的方面中,而变形和其他方面也意图被包括在随附的权利要求书的范围中。虽然在此采用了具体的术语,但是它们仅被用作一般性和描述性的意义,而并不是为了限制的目的。
QQ群二维码
意见反馈