[发明专利]用于锅炉过热温度控制的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及设计成或改进成用氧气和燃料而不用常规的助燃空气来运转的蒸汽锅炉，并且本发明需要过热和/或再热蒸汽的温度控制，该温度控制使用控制锅炉内常规燃烧区域之上的蒸汽的过热和/或再热温度的先进方法。本发明尤其涉及具有至少一个辅助燃烧室的锅炉，在对流区域利用氧气和燃料而不用常规的助燃空气，以便加强过热和/或再热区域以及对流区域的热量和能量，这可能是在蒸汽锅炉的出口处保持适当的蒸汽温度所需要的。

背景技术

除了其他的应用外，公用事业公司、工业和市政当局用于产生蒸汽和电力的发电厂和蒸汽厂，通常包括从小型到巨型的用于产生蒸汽的锅炉系统，蒸汽可以供给不同的过程和其它应用以及涡轮机，这些不同的过程和其它应用以及涡轮机又开动发电机或其他设备。通常具有19世纪的基本设计的锅炉包括无数个管子，水穿过这些管子循环。锅炉通常还包括一个燃烧室或多个燃烧室，燃烧室供给有多种碳基燃料，包括矿物燃料，这些燃料在空气中点燃和燃烧。燃烧室和水管相互接近，并且由一个燃烧室或多个燃烧室产生的热量来加热管子内的水。热水上升至锅炉的燃烧室部分之上，并且燃烧室所加热的气体同样上升至锅炉的燃烧室部分之上，这样，热水在无数个管子内上升的时候继续变得更热。通常，管子处于压力之下，这样，大气压力下在100℃沸腾的水并不沸腾而只是继续变得更热。

这些锅炉通常几英尺高到几层楼高，并且这些锅炉在他们的顶部附近包括这样的区域，在这样的区域内允许热水脱离水管的限制而迅速变成蒸汽。水的突然排出和水到蒸汽的转化提供了大量的涡轮机回转力。这样的锅炉被设计成产生和/或超过锅炉指定任务所必需的热量和能量需要。

对这些锅炉系统的改进包括：包含过热和再热区域，这提供了一种装置，通过使蒸汽穿过设置在高速废气流中的过热和再热管子，而使蒸汽的温度进一步升高。这些设备利用燃烧的余能，使蒸汽的温度升高至蒸汽的饱和点之上。已经发现，除了蒸汽增加了能量的好处之外，过热蒸汽更干一些，而且与具有较高含湿量的蒸汽相比，较干蒸汽对涡轮机叶片的有害作用更小。已经发现每体积干蒸汽具有比饱和蒸汽更多的能量。

通常，锅炉都设计成产生比所需要的能量更多的能量，并且通过将蒸汽冷却至期望的温度，来削弱这些能量。在已有技术的系统中，使用大约含18％氧气的空气，必须增强空气的流动，以便提供使燃料完全燃烧的氧气的化学计量比(stoichiometric proportion)。使用处于高流动压力下的空气，使热气体从锅炉的燃烧室区域快速地向上流动并贯穿水管的高度。同样，可以得到需要的热量和能量，以继续加热水和过热器中的蒸汽，并将能量传递至水和过热器中的蒸汽，一直向上到锅炉的顶部。然而，连同这个好处，已经发现，燃料在富含氮气的空气中燃烧导致氮氧化物(NOx)的产生，这是一种导致温室效应有害的气体。在已有技术的锅炉中，空气在锅炉中的燃烧，且为了提供氧气的化学计量比以进行完全燃烧，必需提高进入锅炉的空气流量，伴随地导致了非常大的流量，且产生了大量的NOx。

专利号为6,436,737、名称为“氧气燃料燃烧系统及其用法”(Oxy-FuelCombustion System and Uses Therefor)的美国专利，解释了一种降低温室效应气体的方法，这篇专利由本发明的受让人拥有，并且将这篇专利的全部内容包含在本文中，如同在此阐述了其全文一样。在专利’737中，公开了一种系统，在这种系统中，供给燃烧室的是充分纯的氧气，这样就不会产生过量的NOx了。这种系统即可以用于新锅炉，也可以用于已有锅炉的改进中。

然而，由于在未加压的低流速下使用纯氧可以产生消耗燃料所需的化学计量比，而不需要对于空气使用快速/强制流动，热量和能量是伴随地而不是强制地(通过压力，或以另外的方式，将空气抽吸进锅炉)上升至锅炉高度的。结果，对某些锅炉来说，如本领域技术人员公知的，在这种供氧系统中，处于锅炉的较高位置的管子没有浸在加热气体中，这些管子中的水在产生适当数量的热量和能量之前开始冷却。此外，在这种锅炉中，通过过热部件的热气体流不会达到产生所期望的过热蒸汽所需的程度。这导致这种锅炉不能提供已有技术的产生温室效应气体的火炉的有效替代物。

期望能产生更多的优质蒸汽，而避免产生NOx。

发明内容