CN101755169A - 用于通过氧燃料燃烧发电的发电装置和方法 - Google Patents

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Abstract

通过用基本上纯净的氧来燃烧碳质燃料进行发电的发电装置和方法，以及通过将碳质燃料的燃烧从用空气燃烧燃料改为用基本上纯净的氧燃烧燃料的方式来改进发电工艺的方法。所述方法包括将基本上纯净的氧供应到炉子中，以便用氧燃烧燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的排气，通过使用安置在排气通道下游部分中的多个排气冷却器从排气回收低品位热，其中回收的低品位热的第一部分用于预热给水，在多个排气压缩机中对第一部分排气加压从而产生液态二氧化碳，经由排气再循环通道将第二部分排气再循环到炉子，使用从蒸气轮机***提取的蒸气的第一部分预热给水，其中回收的低品位热的第一部分大于回收的低品位热总量的50％，或者大于在空气燃烧工艺中回收的低品位热的第一部分，从而允许将所提取蒸气的第一部分最小化，并且在至少一个辅助蒸气轮机中膨胀所提取蒸气的第二部分，以驱动发电装置的至少一个压缩机或至少一个泵。

Description

用于通过氧燃料燃烧发电的发电装置和方法
技术领域
本发明涉及用于高效氧燃料燃烧的方法和发电装置，并且涉及通过将碳质燃料的燃烧从用空气燃烧燃料改为用基本上纯净的氧燃烧燃料的方式来改进发电工艺的方法。更具体地，本发明涉及包括二氧化碳去除的氧燃料燃烧，其中因二氧化碳去除造成的产电成本或损失被减至最小。
背景技术
氧燃料燃烧是用于从发电锅炉(例如粉煤(PC)锅炉或循环流化床(CFB)锅炉)的燃烧气体中去除二氧化碳的建议方法之一。氧燃料燃烧是基于用基本上纯净的氧(通常为大约95％的纯度)来燃烧碳质燃料，从而将作为排气主要成分的二氧化碳和水从锅炉中排出。因此，二氧化碳可以被相对容易地捕获，而不必将其从以氮作为主要成分的气流中(当用空气燃烧燃料时)分离出。
氧燃料燃烧比传统的燃烧更加复杂，因为需要氧源，其通常为深冷空气分离单元，其中空气被冷却和压缩成使得氧能够与空气的其他成分(主要为氮气)分离。例如通过将二氧化碳冷却到相对低的温度并且将它压缩到高压(通常为大于110巴)，二氧化碳可从排气中分离。例如，通过减少工艺中产生的净功率，氧的产生和二氧化碳的压缩/纯化都会增加发电工艺的总生产成本。
动力锅炉的蒸气循环包括多个加热阶段，其中从冷凝器获得的低温给水被转换成高温蒸气，这些高温蒸气将被引导到高压蒸气涡轮机。对给水进行加热的过程包括预热、蒸发和过热阶段。通常，给水预热由利用蒸气的加热(蒸气取自蒸气涡轮机)和在排气通道的下游部分设置的一个或更多个燃料节约器中的最后预热组成。在美国专利第4,430,962号中示出了动力锅炉常规蒸气循环的一个示例。
蒸发式热交换表面通常被设置为炉子的水壁，而过热表面以及可能的再加热表面绝大部分情况是设置在排气通道的上游部分中。为了提高锅炉的热效率，在排气通道的下游部分中，在燃料节约器的下游通常设置有空气加热器，其中排气被冷却到最终温度，这通常是从150℃到120℃。在美国专利第4,205,630号中示出了具有空气加热器的动力锅炉的一个示例。
美国专利第6,202,574号提出了一种燃烧单元，用于利用基本上纯净的氧来点燃矿物燃料以产生以二氧化碳和水为其两种最大成分的排气。这种排气的一部分被再循环到燃烧单元，而排气的其余部分被压缩和分解以产生液相的二氧化碳。被再循环的排气和基本上纯净的氧蒸气由各自的气-气热交换器中的排气预热。
美国专利第6,935,251号提出了一种用氧化剂蒸气来燃烧燃料的方法，该氧化剂蒸气包括和燃料气体混合的富氧气体蒸气，其具有从20％到100％的氧含量，从而使得生成的燃料气体的质量流率小于通过用空气作为氧化剂蒸气来生成的燃料气体的质量流率，由此燃料气体污染控制***的大小可被最小化。
美国专利第5,344,627号和第6,883,327号都描述了一种传统的蒸气生成工艺，其中通过溶剂吸收方式将二氧化碳从排气中去除，且其中来自高压或中压蒸气涡轮机的出口蒸气的一部分在辅助涡轮机中膨胀，从而驱动二氧化碳压缩机和辅助机器。这些工艺可用于在某种程度上使成本降至最小或者使该工艺中产生的净功率的减少降至最小。
发明内容
本发明的一个目标是要提供一种用于氧燃料燃烧的方法和发电装置，其中因去除二氧化碳造成的产电成本或损失被减至最小。
本发明的另一目标是要提供一种通过将碳质燃料的燃烧从空气燃烧改为氧燃烧(包括去除二氧化碳)的方式来改进发电工艺的方法，其中总成本或损失被最小化。
根据本发明的一个方面，提供了一种通过用基本上纯净的氧燃烧碳质燃料来发电的方法，该方法包括以下步骤：(a)将碳质燃料供应到炉子中，(b)将基本上纯净的氧从氧源供应到炉子中，以便用氧来燃烧燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的排气，(c)经由排气通道从炉子排出排气，(d)通过使用设置在排气通道下游部分中的多个排气冷却器从排气中回收低品位热的总量，其中所回收的低品位热的第一部分用于对给水进行预热，(e)通过在设置于炉子中和排气通道上游部分中的热交换表面中回收高品位热，将已预热的给水转换为蒸气，(f)在多个排气压缩机中对排气的第一部分进行加压从而产生液态二氧化碳，(g)经由排气再循环通道将排气的第二部分再循环到炉子，(h)在蒸气轮机***中膨胀蒸气，以便驱动发电机，(i)从蒸气轮机***提取蒸气的总量，并且使用所提取蒸气的第一部分预热给水，其中所回收的低品位热的第一部分大于所回收的低品位热总量的50％，允许所提取蒸气的第一部分最小化，并且所述方法包括以下进一步的步骤：(j)在至少一个辅助蒸气轮机中膨胀所提取蒸气的第二部分，用于驱动发电装置的至少一个压缩机或者至少一个泵。
根据本发明的另一方面，提供了一种通过用基本上纯净的氧燃烧碳质燃料发电的发电装置，所述发电装置包括：用于燃烧燃料的炉子；连接到炉子的氧通道，其用于将基本上纯净的氧从氧源供应到炉子以便用氧燃烧燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的排气；用于从炉子排出排气的连接到炉子的排气通道；用于将给水转换为蒸气的蒸气循环，其包括用于预热给水的燃料节约器***和设置在炉子中和排气通道上游部分中的热交换表面，热交换表面用于回收高品位热以将预热的给水转换为蒸气；设置在排气通道下游部分中的多个排气冷却器，其用于从排气回收低品位热总量，其中一部分排气冷却器形成燃料节约器***；用于将排气的第一部分加压从而产生液态二氧化碳的多个排气压缩机；用于将排气的第二部分再循环到炉子的排气再循环通道；用于膨胀蒸气以驱动发电机的蒸气涡轮机***，蒸气涡轮机***包括用于提取蒸气总量的装置；用于使用所提取蒸气的第一部分预热给水的装置，其中燃料节约器***被设计用于在正常工作条件下，从其中回收要由气体冷却器回收的低品位热总量的50％以上，允许将所提取蒸气的第一部分最小化，并且所述发电装置还包括：至少一个辅助蒸气涡轮机，用于膨胀所提取蒸气的第二部分以驱动发电装置的至少一个压缩机或者至少一个泵。
根据本发明的第三方面，提供了一种通过将碳质燃料的燃烧从用空气燃烧燃料改为用基本上纯净的氧燃烧燃料的方式来改进发电工艺的方法，其中原始工艺包括以下步骤：(a)以第一燃料供应速度将碳质燃料供应到炉子中，(b)将处于特定入口空气温度的空气供应到炉子中，以便用空气燃烧燃料从而产生在第一温度范围的排气，(c)经由排气通道将排气从炉子排出，(d)在设置在排气通道下游部分的排气冷却器中从排气回收第一总量的低品位热，其中第一总量的低品位热的第一部分用于预热给水，(e)通过在设置在排气通道上游部分中和炉子中的热交换表面中回收高品位热，将预热的给水转换为蒸气，(f)膨胀蒸气轮机***中的蒸气，用于驱动发电机，从蒸气轮机***中获取蒸气，其中所获取的蒸气的至少一部分用于对给水进行预热，关于改进的工艺，这一改进的工艺包括：(a′)以第二燃料供应速度供应碳质燃料到炉子中，(b′)以氧供应速度将基本上纯净的氧从氧源供应到炉子中，以便用氧燃烧燃料，以产生主要包括二氧化碳和水的处于第二温度的排气，(c′)经由排气通道从炉子排出排气，(d′)在设置在排气通道下游部分的经改进的排气冷却器组中从排气回收第二总量的低品位热，其中第二总量的低品位热的第一部分用于预热给水，(e′)通过在设置在排气通道上游部分中和炉子中的热交换表面中回收高品位热，将预热的给水转换为蒸气，(f)在多个排气压缩机中对排气的一部分加压，从而产生液态二氧化碳，(g′)经由排气再循环通道将排气的另一部分再循环到炉子中，(h′)使蒸气轮机***中的蒸气膨胀，以便驱动发电机，(i′)从蒸气轮机***提取蒸气的总量，并且使用所提取蒸气的第一部分来预热给水，其中低品位热的第二总量的第一部分大于低品位热的第一总量的第一部分，允许所提取蒸气的第一部分最小化，并且所述方法包括以下进一步的步骤：(j′)在至少一个辅助蒸气轮机中膨胀所提取蒸气的第二部分，用于驱动发电装置的至少一个压缩机或者至少一个泵。
在下文中，通过蒸发、过热或再加热表面在高温的燃烧过程中回收的热量被称为高品位热，而通过燃料节约器或一个或多个气-气热交换器从在低温排气中回收的热量被称为低品位热。
在常规的动力锅炉中，大部分的给水预热，典型地是多于70％的预热通常通过使用从蒸气涡轮机提取的蒸气来完成的，并且相应地，由燃料节约器通过排气的低品位热预热的份额低得多。由于相对少地使用燃料节约器，大多数的排气低品位热通常从在一个或多个再生或蓄热入口气体加热器中的排气回收。相应地，在燃料节约器中回收的低品位热部分，即所谓的低品位热的第一部分，通常小于所回收的低品位热总量的50％。
根据本发明，回收的低品位热的第一部分比常规锅炉中回收的低品位热的总量高，优选大于50％，甚至更优选地大于80％。这些高的热量回收率通过在排气通道下游部分中设置附加的燃料节约器表面有利地获得。因此，最后的燃料节约器表面有利地在一位置处设置在排气通道中，在此位置处，排气温度优选低于200℃，甚至更优选地低于100℃。根据本发明的一个有利的实施例，至少一个燃料节约器表面用作两个排气压缩机之间的内级冷却器。
使用扩展的燃料节约器表面增加燃料节约器完成的给水加热份额，并且相应地，对通过所提取蒸气的给水加热的需求减少。有利地，少于50％的给水加热由所提取蒸气提供。相应地，所提取蒸气的相对大的其他部分，优选大于50％，即所谓的所提取蒸气的第二部分可以用于其他目的。根据本发明，所提取蒸气的第二部分在至少一个辅助蒸气涡轮机中膨胀，用于驱动发电装置的至少一个压缩机或者至少一个泵。
根据较早提出的氧燃料锅炉设计，锅炉产生的净功率由于产生基本上纯净的氧以及分离压缩为液态的二氧化碳所需的辅助动力而相当多地减少。根据本发明的有利实施例，至少一部分排气压缩机直接由辅助蒸气涡轮机之一的机械能量驱动。因此，对用于压缩二氧化碳的辅助动力的需求被最小化。在氧源包括具有用于加压空气的压缩机的低温空气分离单元(ASU)的情况下，这些压缩机中的一个或多个也可以由辅助蒸气涡轮机直接驱动，从而进一步减少对辅助动力的需求。
在燃料节约器表面中回收相对大部分的低品位热的直接结果是相对少部分的低品位热可以在设置在排气通道下游部分中的气-气热交换器中回收。根据本发明的优选实施例，发电装置不包含任何气-气热交换器来将热量从排气传送到已再循环的排气或到基本上纯净的氧蒸气。可替代地，发电装置可包含将热量从排气传送到已再循环的排气或到已再循环的排气和基本上纯净的氧蒸气的混合体的气-气热交换器，但是气-气热交换器的效率明显少于常规动力锅炉的典型空气加热器的效率。
根据本发明，入口气体可包括供应到炉子的已再循环的排气和相对纯氧的分离蒸气，相对纯氧一般具有95％或更高的纯度。然而，根据本发明的优选实施例，入口气体蒸气是已再循环的排气和基本上纯净的氧的组合蒸气。因为发电装置不包括任何将热量从排气传送到炉子的入口气体的气-气热交换器，或者因为这种热交换器的效率低，所以入口气体的温度仍然相对低。根据本发明，当被供应到炉子时，入口气体的温度优选低于200℃，甚至更优选地低于100℃。这明显低于常规动力锅炉中的温度，在常规动力锅炉中，入口气体的温度通常是250℃到400℃，一般是大约300℃。
相对纯氧的供应速率基于燃料供应速率确定，从而提供燃料的充分完全燃烧。通常，氧供应速率通过监视排气中剩余氧的含量控制，剩余氧的含量应该保持在合适的水平，一般大约3％。
由于入口气体的高流速，入口气体的热含量在炉子的热平衡中具有相当大的影响。根据入口气体的相对低温，相对大量的燃料要被供应到炉子中，从而在炉子中获得希望的温度。特别是当本发明用于将空气燃烧锅炉翻新改造为氧燃烧锅炉时，燃料供应速率优选增加至少10％，甚至更优选地增加至少15％。因此，通过使用根据本发明的氧燃料燃烧过程，和通过使用常规的空气燃烧相比，更多的燃料可在炉子中燃烧。
翻新改造的锅炉的炉子温度可有利地保持在大约和原始空气燃烧锅炉中的温度相同，以便保持原始蒸气产生率并且避免，例如腐蚀或炉壁的材料强度问题。当炉子中的热传输主要是辐射的时，由于已再循环排气的高辐射率，炉子温度甚至稍微低于原始工艺中的温度，并且热传输仍然保持在原始水平。因此，通过使用本发明，空气燃烧的CFB或PC锅炉可以相对容易地改动用于氧燃料燃烧。
根据本发明的优选实施例，已翻新改造锅炉的入口气体供应速率被调整从而保持炉子中的原始气体速度。由于和原始入口气体的温度相比，入口气体的温度降低，因此燃料供应速率必须从原始燃料供应速率提高，从而保持原始炉子温度。
但是，由于当和以氮气作为其主要成分的原始工艺的排气的热容量相比时，以二氧化碳作为其主要成分的翻新改造工艺的排气的热容量较高，因此排气携带的热量增加。因此，增加量的低品位热可用于燃料节约器中的给水加热。这再次导致进一步节省提取的蒸气，提取的蒸气可有利地在辅助蒸气涡轮机中膨胀，以驱动发电装置的压缩机和/或泵。
当炉子中的气体速度保持在原始水平时，入口气体的氧含量有利地接近于空气，通常是从18％到28％。例如，当燃料供应速率提高17％时，排气的再循环率被有利地调节，使得入口气体的氧含量为大约24％。相应地，入口气体和燃料的质量流比高于在用空气燃烧燃料时使用的空气和燃料的质量流比至少10％，甚至更优选地高至少20％。
根据本发明的替代实施例，燃料供应速率被调节到期望的水平，该供应速率在改造的锅炉中优选是比原始空气燃烧锅炉中的供应速率高至少10％，甚至更优选高至少15％，并且供应入口气体到炉子中的速率被确定，从而在炉子中获得预定的温度。
根据本发明的氧燃烧发电工艺的优点是它可以通过改造常规的空气燃烧锅炉相对容易地使用。有利地，改造主要包括实施氧源，诸如低温空气分离单元，和二氧化碳截存设备，以及提高燃料节约器***的效率和排气再循环速率。作为这些改变的结果，一部分提取的蒸气可以用于产生机械能来直接驱动发电装置的压缩机或泵，导致减少发电装置中产生的净功率损失减少。
已改进的发电工艺有利地包括另一步骤：降低炉子的入口气体的温度和提高来自原始工艺的燃料燃烧速率，从而保持原始炉子温度。因此，炉子和主蒸气生产可保持几乎不变。但是，由于提高的排气热容量，甚至更多的热量可通过燃料节约器表面回收，并且甚至更多的提取的蒸气可以在辅助蒸气发生器中膨胀，用于生成机械能来增加生成的净功率。
通过参考对本发明当前优选的说明性实施例的详细描述并结合附图，可更加全面地理解上面的简要描述以及本发明进一步的目标、特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的氧燃料燃烧发电装置的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明优选实施例的发电装置10的示意图。发电装置10包括锅炉12，锅炉12可以是例如粉煤(PC)锅炉或者循环流化床(CFB)锅炉。锅炉的炉子14包括常规的燃料供应装置16、用于将含氧入口气体18引入到炉子中的装置和排气通道20，排气通道20用于将通过用入口气体的氧燃烧燃料产生的排气排出。锅炉12的某些元件的细节和类型，比如燃料供应装置16和入口气体供应装置18，必然取决于锅炉的类型。但是这种细节，例如燃烧器、磨煤机、分开供应主从入口气体的装置对于本发明是不重要的，因此它们没有在图1中示出。
含氧入口气体优选是从空气分离单元ASU24中的空气蒸气22产生的基本上纯净的氧和一部分排气的混合体，该部分排气经由排气再循环通道26再循环。排气再循环通道26有利地包括用于控制排气再循环速率的装置，比如风扇28。入口气体的再循环速率被有利地调节使得入口气体的平均氧含量接近空气的氧含量，优选为从18％到28％。在本发明的某些应用中，也可能将已再循环排气的蒸气和基本上纯净的氧分开引入到炉子14中，例如，到炉子的不同部分中。
炉子的壁14优选形成为管壁构造，该管壁构造形成蒸发的热传输表面30，用于将已预热的给水转换成蒸气。排气通道20的上游部分包括过热的热传输表面34，用于从排气回收所谓的高品位热来将蒸气过热。为了简化的目的，图1只示出一个过热表面，但是在实践中，排气通道的上游部分32通常包括多个过热和再加热表面，用于回收高品位热。排气通常通过过热和再加热表面冷却到大约450℃。
在最后的过热器34的下游的排气通道20的下游部分36中流动的排气仍然相当大量的热量，这些热量是所谓的低品位热。一般，尽可能大部分的低品位热应该被回收，以便使锅炉的热效率最大化。因此，排气通道20的下游部分包括若干热传输表面，其最上游设置最后的燃料节约器表面38，其中在给水被供应到蒸发表面30之前，给水被加热到其最后的温度。
燃料节约器38的下游，在某些应用中设置气-气热交换器40，其可以是蓄热类型或者回热类型，用于将热量从排气传输到锅炉12的入口气体。可能需要这种热交换器用于，例如加热粉煤(PC)锅炉的主要气体。但是，本发明的特性特征是气-气热交换器的效率小于常规动力锅炉中的效率。根据本发明的优选实施例，在排气和入口气体之间不存在热交换器。特别是在已再循环排气和基本上纯净的氧的蒸气被分开供应到炉子中的情况下，用于供应基本上纯净的氧的通道有利地不包括任何气-气热交换器。
少量加热或者甚至不加热入口气体的后果是入口气体以小于200℃的平均温度，甚至更优选地以小于100℃的平均温度被供应到炉子。由于入口气体的低温，供应燃料和氧的速率可以有利地分别增加，从而产生增加量的热量，以在炉子14中保持合适的温度。
图1示出在排气通道20的下游部分36中的中间燃料节约器42，两个排气压缩机44、46和设置在用于内级冷却的压缩机之间的燃料节约器48。本发明的特性特征是燃料节约器(38)表面的热传输效率高于常规动力锅炉的蒸气循环中的效率。相应地，某些燃料节约器位于排气通道20的低温部分中，更优选地位于排气被冷却到低于200℃的位置，甚至更优选地位于排气被冷却到低于100℃的位置。
由于气-气热交换器的低效率和设置在排气通道的下游部分36中的燃料节约器的高效率，，根据本发明，低品位热分离到这些不同类型的单元是明显不同于常规动力锅炉的。优选地，大于50％，甚至更优选大于80％的所回收低品位热在燃料节约器中回收。相应地，优选少于50％甚至更优选少于20％的所回收低品位热在气-气热交换器中回收。
排气通道20通常包括不同的单元用于从排气中清除颗粒和气态污染物，但是因为它们对于本发明是不重要的，所以这些单元没有在图1中示出。根据氧燃料燃烧的主要目标，即从排气中回收二氧化碳，排气通道的端部装备有一般在大约110巴的压力产生液态二氧化碳的装置，以便它可以被运输以进一步使用或者存储在合适的地方。图1示出两个排气冷却器42、48，如上面说明的，它们被有利地用作燃料节约器，以及两个压缩机，用于冷却和加压排气。二氧化碳液化***在实践中通常包括多于两个冷却和压缩级，通常至少4级，以便提高***的效率。在图1中，气体冷却器42示为冷凝冷却器，由此水从排气中去除。二氧化碳截存***也通常包括用于使排气中的所有水完全干燥的装置和用于从二氧化碳分离氧和可能的其他杂质的装置，但是这些装置没有在图1中示出。这种用于干燥的装置和用于分离的装置在现有技术中是分别已知的。
再循环排气的水含量有利地在排气再循环到炉子之前降低。因此，排气再循环线路26优选从冷凝冷却器42下游的排气通道20分叉。由此，再循环气体的水含量减少，也导致炉子中以及从炉子排出的排气中的水含量减少。因为排气的氧含量必须保持在合适的水平，保持在大约体积百分比3％，以便保证燃料的充分完全燃烧，所以减少水含量降低了排气中的O2/CO2比。因此，通过将已干燥的排气再循环到炉子中，从二氧化碳和氧中分离氧的任务以及空气分离单元24的任务被最小化。
过热的蒸气从过热器表面34传导，从而在蒸气涡轮机50中被膨胀，以通过发电机52发电。通常，动力锅炉的蒸气涡轮机***包括高压、中压和低压蒸气涡轮机，以及高压和中压涡轮机之间的蒸气再加热。为了简化的目的，并且因为蒸气涡轮机***的细节对于本发明是不重要的，所以图1只示出一个蒸气涡轮机。
锅炉12的蒸气循环以常规方式包括，蒸气涡轮机50下游的冷凝器54。冷凝的蒸气，即下一蒸气循环的给水从冷凝器54传导，用于在第一燃料节约器48、中间燃料节约器42和最后的燃料节约器38中预热，以再次转换为蒸发表面30中的蒸气。
蒸气涡轮机50也包括用于从涡轮机提取中间压力蒸气的线路56。所提取蒸气的第一部分传导到蒸气加热器58，用于进一步预热给水。蒸气循环通常在实践中包括多条蒸气提取线路和多个蒸气给水加热器，但是它们没有在图1中示出。但是，根据本发明，由于燃料节约器的高效率，对通过所提取蒸气预热给水的需求被最小化。因此，蒸气加热器58的数量小于常规锅炉中的数量，或者蒸气加热器的使用通过例如阀门60被最小化。有利地，少于50％的给水预热由蒸气加热器54完成，并且大于50％的给水预热由燃料节约器完成。
因为对使用所提取蒸气预热给水的需求被最小化，所以所提取蒸气的一部分可有利地用于其他目的。根据本发明，所提取蒸气的第二部分在辅助蒸气涡轮机62中膨胀。蒸气涡轮机62将所提取蒸气的能量转换为机械能，机械能可有利地用于直接驱动发电装置的压缩机或者泵。根据本发明的有利实施例，辅助蒸气涡轮机62被用于直接驱动排气压缩机44、46。可替代地，辅助蒸气涡轮机62可以用于直接驱动空气分离单元40中压缩机。
作为本发明对氧燃料发电装置的效率的影响的一个例子，分析将460MWe空气燃烧的CFB锅炉到氧燃料燃烧锅炉的改造。通过使用本发明的特征，即通过扩展燃料节约器表面，将燃料供应速率提高17％以及将干冷排气再循环使得入口气体的氧含量为24％，导致气流稍微增加(从1466m3/s到1505m3/s)，并且导致床温从855℃提高到900℃，发电装置的净功率减少是11％，这明显小于21.4％的净功率减少，21.4％的净功率减少是通过相应的常规氧燃料燃烧过程获得的。根据计算，通过使用本发明，二氧化碳去除率从75.5kg/s提高到106.4kg/s，并且每一回收二氧化碳的能量损失从333kWh/t CO2减少到126kWh/t CO2。同时，CO2去除成本从27.7$/t CO2减少到19.9$/t CO2，并且能量的总成本从7.3cents/kWh减少到6.5cents/kWh，这十分接近5.0cents/kWh，即没有二氧化碳去除的相应空气燃烧发电的能量总成本。
虽然本文已经出于示例性目的结合目前认为最优选的实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不受限于所公开的实施例，而是意图覆盖其特征的各种组合或修改以及在所附权利要求限定的本发明范围内包括的若干其他应用。

Claims (56)

1.一种在发电装置中通过用基本上纯净的氧来燃烧碳质燃料进行发电的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将碳质燃料供应到炉子中，
b)将基本上纯净的氧从氧源供应到所述炉子中，以便用氧来燃烧燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的排气，
c)经由排气通道从所述炉子中排出所述排气，
d)通过使用设置在所述排气通道的下游部分中的多个排气冷却器从所述排气中回收低品位热的总量，其中所回收的低品位热的第一部分用于对给水进行预热，
e)通过在设置于所述炉子中和所述排气通道的上游部分中的热交换表面中回收高品位热，将已预热的给水转换为蒸气，
f)在多个排气压缩机中对所述排气的第一部分加压，从而产生液态的二氧化碳，
g)经由排气再循环通道将所述排气的第二部分再循环到所述炉子，
h)在蒸气轮机***中膨胀所述蒸气，以便驱动发电机，
i)从所述蒸气轮机***中提取蒸气总量，并且用所提取蒸气的第一部分预热给水，
其中回收的低品位热的第一部分大于回收的低品位热总量的50％，从而允许所提取蒸气的第一部分最小化，并且所述方法包括以下进一步的步骤：
j)在至少一个辅助蒸气轮机中膨胀所提取蒸气的第二部分，以便驱动所述发电装置的至少一个压缩机或至少一个泵。
2.根据权利要求1所述的方法，其中回收的低品位热的第一部分大于回收的低品位热总量的80％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所提取蒸气的第一部分提供的用于预热所述给水的热量小于用于预热所述给水的总热量的50％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所提取蒸气的第二部分是所提取蒸气总量的至少50％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在被供应到所述炉子中时所述排气的第二部分的温度低于200℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在被供应到所述炉子中时所述排气的第二部分的温度低于100℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将所述排气的第二部分供应到所述炉子的速度被确定成使得在所述炉子中获得预定温度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述氧和所述排气的第二部分供应到所述炉子之前，所述基本上纯净的氧和所述排气的第二部分混合，从而形成入口气体。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述入口气体和所述燃料的质量流比高于在用空气燃烧所述燃料时使用的空气和燃料的质量流比至少10％。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述入口气体和所述燃料的质量流比高于在用空气燃烧所述燃料时使用的空气和燃料的质量流比至少20％。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述入口气体的平均氧含量按体积计算为大约18％到约28％。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个排气压缩机的至少一个在步骤j)中由所述辅助蒸气涡轮机中的一个驱动。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧源包括具有空气压缩机的空气分离单元，该空气压缩机在步骤j)中由所述辅助蒸气涡轮机中的一个驱动。
14.根据权利要求1所述的方法，其中用于预热所述给水的至少一个所述排气冷却器位于所述排气压缩机之间。
15.根据权利要求1所述的方法，其中用于预热所述给水的至少一个所述排气冷却器被定位成，使得排气在其中被冷却到低于200℃的温度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中用于预热所述给水的至少一个所述排气冷却器被定位成，使得排气在其中被冷却到低于100℃的温度。
17.根据权利要求1所述的方法，包括另外的用于干燥所述排气的第二部分的步骤。
18.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法执行时并不通过气-气热交换器将热量从所述排气传到所述入口气体。
19.一种通过用基本上纯净的氧来燃烧碳质燃料进行发电的发电装置，所述发电装置包括：
用于燃烧所述燃料的炉子；
连接到所述炉子的氧通道，用于将所述基本上纯净的氧从氧源供应到所述炉子以便用所述氧燃烧所述燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的排气；
连接到所述炉子的排气通道，用于从所述炉子中排出所述排气；
用于将给水转换为蒸气的蒸气循环，其包括用于预热所述给水的燃料节约器***和设置在所述炉子中和所述排气通道的上游部分中的热交换表面，所述热交换表面用于回收高品位热以将预热的给水转换为蒸气；
设置在所述排气通道的下游部分中的多个排气冷却器，用于从所述排气回收低品位热的总量，其中所述排气冷却器中的一部分形成所述燃料节约器***；
多个排气压缩机，用于对所述排气的第一部分加压以产生液态二氧化碳；
排气再循环通道，用于将所述排气的第二部分供应到所述炉子；
蒸气涡轮机***，用于使所述蒸气膨胀以驱动发电机，所述蒸气涡轮机***包括用于提取蒸气总量的装置；
用所提取蒸气的第一部分来预热给水的装置，
其中，所述燃料节约器***被设计成使得在正常工作条件下，从其中回收将由气体冷却器回收的低品位热总量的50％以上，从而允许将所提取蒸气的第一部分最小化，并且所述发电装置还包括：
至少一个辅助蒸气涡轮机，用于膨胀所提取蒸气的第二部分以驱动所述发电装置的至少一个压缩机或至少一个泵。
20.根据权利要求19所述的发电装置，其中，所述燃料节约器***被设计用于在正常工作条件下，从其中回收要由所述气体冷却器回收的低品位热总量的80％以上。
21.根据权利要求19所述的发电装置，其中用于提取蒸气的装置被设计成使得所提取蒸气的第二部分在正常工作条件下是所提取的蒸气总量的至少50％。
22.根据权利要求19所述的发电装置，其中用于提取蒸气的装置被设计成使得所提取蒸气的第一部分提供用于所述给水的预热的所述总热量的至少50％。
23.根据权利要求19所述的发电装置，其中氧通道连接到所述排气再循环通道，从而将由基本上纯净的氧和所述排气的第二部分组成的入口气体供应到所述炉子。
24.根据权利要求23所述的发电装置，其中所述排气再循环通道被设计成使得在正常工作条件下，所述入口气体被供应到所述炉子时，其温度低于200℃。
25.根据权利要求19所述的发电装置，其中所述多个排气压缩机中的至少一个由所述辅助蒸气涡轮机中的一个驱动。
26.根据权利要求19所述的发电装置，其中所述氧源包括具有空气压缩机的空气分离单元，该空气压缩机由所述辅助蒸气涡轮机中的一个驱动。
27.根据权利要求19所述的发电装置，其中所述燃料节约器***的至少一个所述排气冷却器位于所述排气压缩机之间。
28.根据权利要求19所述的发电装置，其中所述燃料节约器***的至少一个所述排气冷却器被定位成，使得所述排气的温度在正常工作条件下在其中被冷却到低于200℃的温度。
29.根据权利要求28所述的发电装置，其中所述燃料节约器***的至少一个所述排气冷却器被定位成，使得所述排气的温度在正常工作条件下在其中被冷却到低于100℃的温度。
30.根据权利要求23所述的发电装置，其中所述发电装置没有用于将热量从所述排气传到所述入口气体的气-气热交换器。
31.根据权利要求19所述的发电装置，其中所述发电装置包括循环流化床锅炉。
32.根据权利要求19所述的发电装置，其中所述发电装置包括粉煤燃烧锅炉。
33.一种通过将碳质燃料的燃烧从用空气燃烧燃料改为用基本上纯净的氧燃烧燃料的方式来改进发电工艺的方法，其中原始工艺包括以下步骤：
a)以第一燃料供应速度供应碳质燃料到炉子中；
b)将处于特定入口空气温度的空气供应到所述炉子中，以便用空气燃烧所述燃料，从而产生处于第一温度范围的排气；
c)经由排气通道将所述排气从所述炉子中排出；
d)在设置于所述排气通道的下游部分的排气冷却器中从所述排气回收第一总量的低品位热，其中第一总量的低品位热的第一部分用于预热给水；
e)通过在设置于所述排气通道的上游部分中和所述炉子中的热交换表面中回收高品位热，将预热的给水转换为蒸气；和
f)在蒸气轮机***中膨胀所述蒸气，以便驱动发电机，并且从所述蒸气轮机***提取蒸气，其中所提取蒸气的至少一部分用于预热给水，
至改进的工艺，该改进的工艺包括以下步骤：
a′)以第二燃料供应速度供应碳质燃料到所述炉子中；
b′)以氧供应速度将基本上纯净的氧从氧源供应到所述炉子中，以便用氧燃烧所述燃料，从而产生主要包括二氧化碳和水的处于第二温度的排气；
c′)经由所述排气通道从所述炉子排出所述排气；
d′)在设置于所述排气通道的所述下游部分的经改进的排气冷却器组中从所述排气回收第二总量的低品位热，其中第二总量的低品位热的第一部分用于预热给水
e′)通过在设置于所述排气通道的所述上游部分中和所述炉子中的所述热交换表面中回收高品位热，将预热的给水转换为蒸气；
f′)在多个排气压缩机中对一部分所述排气加压从而产生液态二氧化碳；
g′)经由排气再循环通道供应另一部分所述排气到所述炉子；
h′)在蒸气轮机***中膨胀所述蒸气，以便驱动发电机；
i′)从所述蒸气轮机***提取蒸气的总量，并且用所提取蒸气的第一部分来预热给水，
其中第二总量的低品位热的第一部分大于第一总量的低品位热的第一部分，从而允许所提取蒸气的第一部分最小化，并且所述方法包括以下进一步的步骤：
j′)在至少一个辅助蒸气轮机中膨胀所提取蒸气的第二部分，以便驱动所述发电装置的至少一个压缩机或至少一个泵。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二燃料供应速度比所述第一燃料供应速度高至少10％。
35.根据权利要求34所述的方法，其中所述第二燃料供应速度比所述第一燃料供应速度高至少15％。
36.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二总量的低品位热的第一部分是所述第二总量的低品位热的50％以上。
37.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二总量的低品位热的第一部分是所述第二总量的低品位热的80％以上。
38.根据权利要求33所述的方法，其中所提取蒸气的第一部分比在所述原始工艺的步骤f)中用于预热给水的提取的蒸气部分少至少30％。
39.根据权利要求33所述的方法，其中所提取蒸气的第二部分是所提取的蒸气总量的至少50％。
40.根据权利要求33所述的方法，其中所提取蒸气的第一部分提供少于50％的用于预热所述给水的总热量。
41.根据权利要求33所述的方法，其中在被供应到所述炉子中时所述排气的第二部分的温度低于所述特定入口空气温度。
42.根据权利要求41所述的方法，其中在被供应到所述炉子中时所述排气的第二部分的温度低于200℃。
43.根据权利要求42所述的方法，其中在被供应到所述炉子中时所述排气的第二部分的温度低于100℃。
44.根据权利要求33所述的方法，其中将所述排气的第二部分供应到所述炉子的速度被确定成使得能够在所述炉子中获得预定温度。
45.根据权利要求44所述的方法，其中将所述排气的第二部分供应到所述炉子的速度被确定成，使得所述第二温度范围和所述第一温度范围大致相同。
46.根据权利要求33所述的方法，其中在所述改进的工艺中，在所述氧和所述排气的第二部分供应到所述炉子之前，所述基本上纯净的氧和所述排气的第二部分混合，从而形成入口气体。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述入口气体和所述燃料的质量流比高于在所述原始工艺中使用的空气和燃料的质量流比至少10％。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述入口气体和所述燃料的质量流高于在所述原始工艺中使用的空气和燃料的质量流比至少20％。
49.根据权利要求46所述的方法，其中所述入口气体的平均氧含量按体积计算为大约18％到约28％。
50.根据权利要求33所述的方法，其中所述多个排气压缩机的至少一个在步骤j′)中由所述辅助蒸气涡轮机中的一个驱动。
51.根据权利要求33所述的方法，其中所述氧源包括具有空气压缩机的空气分离单元，该空气压缩机在步骤j′)中由所述辅助蒸气涡轮机中的一个驱动。
52.根据权利要求33所述的方法，其中用于预热所述给水的至少一个所述排气冷却器位于所述排气压缩机之间。
53.根据权利要求33所述的方法，其中用于预热所述给水的至少一个所述排气冷却器被定位成，使得排气在其中被冷却到低于200℃的温度。
54.根据权利要求53所述的方法，其中用于预热所述给水的至少一个所述排气冷却器被定位成，使得排气在其中被冷却到低于100℃的温度。
55.根据权利要求33所述的方法，包括另外的用于干燥所述排气的第二部分的步骤。
56.根据权利要求46所述的方法，其中所述方法执行时并不通过气-气热交换器将热量从所述排气传到所述入口气体。
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