EA 018644B1 20130930 Номер и дата охранного документа EA200870121 20061227 Регистрационный номер и дата заявки US11/306,437 20051228 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок US2006/062624 20061227 Номер международной заявки (PCT) WO2007/079381 20070712 Номер публикации международной заявки (PCT) EAB1 Код вида документа EAb21309 Номер бюллетеня [RU] ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И СЖИГАНИЯ С ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА И КИСЛОРОДА Название документа [8] F23C 5/00, [8] F23M 3/02 Индексы МПК [US] Патрик Брайан Р., [US] Окс Том Л., [US] Саммерз Кэти А., [US] Оришин Данило Б., [US] Тернер Пол Сведения об авторах [US] ДЖУПИТЕР ОКСИДЖЕН КОРПОРЭЙШН (US) Сведения о патентообладателях [US] ДЖУПИТЕР ОКСИДЖЕН КОРПОРЭЙШН (US) Сведения о заявителях US 4542114 A US 20040046293 A1 US 6202574 B1 Цитируемые документы
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000018644b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

Изобретение относится к способу производства, например, безводного оксида металла из гидроксида металла, в котором гидроксид металла, по меньшей мере, частично обезвоживают и подогревают перед вводом в реактор с псевдоожиженным слоем, в котором гидроксид металла нагревают до температуры в интервале приблизительно от 650 до приблизительно 1250 °C за счет сжигания топлива, и в результате образуется оксид металла, при этом в реактор с псевдоожиженным слоем подают первичный воздух и/или вторичный воздух, который обогащен кислородом. Для обеспечения весьма низких выбросов пыли и незначительного разрушения зерен кислород или обогащенный кислородом газ вводят в реактор с псевдоожиженным слоем с низкой скоростью.


Формула

[0001] Интегрированная система удаления загрязнений и сжигания с подачей топлива и кислорода, содержащая

[0002] Интегрированная система сжигания по п.1, в которой теплообменник предназначен для использования воды в качестве охлаждающей жидкости.

[0003] Интегрированная система сжигания по п.1, включающая в себя по меньшей мере два компрессора.

[0004] Интегрированная система сжигания по п.1, дополнительно включающая в себя по меньшей мере один компрессор для приема очищенного потока топочного газа для его разделения на неконденсируемые газы и конденсируемые газы.

[0005] Интегрированная система сжигания по п.4, дополнительно включающая в себя конденсатор, позволяющий конденсировать конденсируемые газы, по существу, в жидкое состояние.

[0006] Интегрированная система сжигания по п.5, в которой конденсатор выполнен с возможностью конденсации газов, по существу, в жидкое состояние, чтобы обеспечить возможность извлечения конденсированных газов и их изоляции в баллоны.

[0007] Интегрированная система сжигания по п.6, в которой газы, конденсированные конденсатором, по существу, в жидкое состояние, в значительной степени представляют собой CO2.

[0008] Интегрированная система сжигания по п.1, которая предназначена для твердого топлива на основе углерода и дополнительно включает в себя средство рециркуляции очищенного потока топочного газа для переноса твердого топлива на основе углерода в печь.

[0009] Интегрированная система сжигания по п.1, которая включает в себя множество теплообменников и компрессоров, в которой по меньшей мере два теплообменника представляют собой теплообменники с непосредственным контактом для непосредственного контакта охлаждающей воды с потоком топочного газа и в которой по меньшей мере один компрессор расположен между теплообменниками для сжатия очищенного потока топочного газа между теплообменниками.

[0010] Система сжигания топлива с кислородом, содержащая

[0011] Система сжигания по п.10, включающая в себя по меньшей мере два теплообменника и по меньшей мере два компрессора.

[0012] Система сжигания по п.10, в которой упомянутые компрессоры предназначены для разделения очищенного потока топочного газа на неконденсируемые газы и конденсируемые газы.

[0013] Система сжигания по п.12, дополнительно включающая в себя конденсатор для конденсации конденсируемых газов, по существу, в жидкое состояние, чтобы обеспечить возможность извлечения конденсированных газов и их изоляции в баллоны.

[0014] Система сжигания по п.13, которая выполнена таким образом, что газы, конденсированные конденсатором, по существу, в жидкое состояние, в значительной степени представляют собой СО2.

[0015] Система сжигания по п.10, которая предназначена для твердого топлива на основе углерода, и при этом система дополнительно содержит средство для рециркуляции очищенного потока топочного газа, причём упомянутое средство для рециркуляции выполнено с возможностью переноса твердого топлива на основе углерода в печь.

[0016] Система сжигания по п.10, включающая в себя множество теплообменников и компрессоров, в которой по меньшей мере два теплообменника представляют собой теплообменники с непосредственным контактом для непосредственного контакта охлаждающей воды с потоком топочного газа и в которой по меньшей мере один компрессор расположен между теплообменниками для сжатия очищенного потока топочного газа между теплообменниками.

[0017] Способ сжигания с интегрированным удалением загрязнений с использованием системы по п.1, причём способ содержит этапы, на которых

[0018] Способ по п.17, в котором перед сжатием охлаждают очищенный поток топочного газа.

[0019] Способ по п.18, включающий в себя этап, на котором изолируют сжатый охлажденный очищенный поток топочного газа.

[0020] Интегрированная система удаления загрязнений и сжигания с подачей топлива и кислорода, содержащая

[0021] Интегрированная система сжигания по п.20, в которой теплообменник предназначен для использования воды в качестве охлаждающей жидкости.

[0022] Интегрированная система сжигания по п.21, которая дополнительно включает в себя средство для циркуляции охлаждающей жидкости для использования в процессе нагревания.

[0023] Интегрированная система сжигания по п.20, в которой средство управления сжиганием предназначено для обеспечения температуры пламени более 1650 °C.

[0024] Интегрированная система сжигания по п.20, которая выполнена таким образом, что по меньшей мере один компрессор используется на этапе сжатия газа для сжатия газов и используется более одной ступени сжатия.

[0025] Интегрированная система сжигания по п.20, которая выполнена таким образом, что теплообменник используется на этапе конденсации газа в жидкость для получения конденсированного потока и используется более одной ступени конденсации.

[0026] Интегрированная система сжигания по п.20, которая выполнена таким образом, что очищенный топочный газ сжимается по меньшей мере одним компрессором и охлаждается по меньшей мере одним конденсатором для получения жидкости.

[0027] Интегрированная система сжигания по п.20, которая выполнена таким образом, что очищенный топочный газ сжимается посредством одного или более компрессоров до состояния сверхкритической текучей среды.

[0028] Интегрированная система сжигания по п.27, в которой сверхкритическая текучая среда, создаваемая компрессорами, в значительной степени содержит CO2.

[0029] Интегрированная система сжигания по п.20, которая предназначена для сжигания твердого топлива на основе углерода.

[0030] Интегрированная система сжигания по п.29, которая предназначена для сжигания угля.

[0031] Интегрированная система сжигания по п.30, которая предназначена для сжигания твердого топлива, которое представляет собой, по меньшей мере, частично биомассу.

[0032] Интегрированная система сжигания по п.30, дополнительно включающая в себя средство для рециркуляции части потока топочного газа для переноса топлива на основе углерода в печь.

[0033] Интегрированная система сжигания по п.20, дополнительно включающая в себя средство для рециркуляции части потока топочного газа для улучшения конвекционного теплообмена.

[0034] Интегрированная система сжигания по п.20, включающая в себя множество теплообменников и компрессоров, в которой по меньшей мере один из теплообменников представляет собой теплообменник с непосредственным контактом для ввода в непосредственный контакт и смешивания охлаждающей воды с потоком топочного газа и в которой по меньшей мере один компрессор расположен между теплообменниками для сжатия очищенного потока топочного газа между теплообменниками.

[0035] Система сжигания кислорода и ископаемого топлива, содержащая

[0036] Система сжигания по п.35, содержащая по меньшей мере два теплообменника и две ступени сжатия.

[0037] Система сжигания по п.35, которая выполнена таким образом, что поток топочного газа разделен на два компонента, используя один или более компрессоров и охлаждение посредством одного или более конденсаторов, один компонент которого составляют, по существу, конденсируемые пары и другой, по существу, неконденсируемые газы.

[0038] Система сжигания по п.37, в которой конденсируемые пары конденсированы в жидкость посредством одного или более конденсаторов.

[0039] Система сжигания по п.38, в которой конденсируемые пары конденсируются посредством одного или более конденсаторов до состояния сверхкритической текучей среды.

[0040] Система сжигания по п.37, в которой конденсируемые пары, конденсированные одним или более конденсаторами, представляют собой, по существу, СО2.

[0041] Система сжигания по п.37, дополнительно включающая в себя средство обработки потока топочного газа химическим реактивом для удаления SO2 до разделения.

[0042] Система сжигания по п.37, дополнительно включающая в себя средство обработки конденсируемого газового потока химическим реактивом для удаления SO2 после разделения.


Полный текст патента

Уровень техники

Изобретение относится к интегрированной системе сжигания топлива с кислородом и контроля над загрязнениями. Более конкретно, настоящее изобретение относится к системе сжигания кислорода и топлива, имеющей интегрированный контроль над загрязнениями для эффективного уменьшения до уровня, близкого к нулю, выбросов из источников сжигания.

Системы сжигания кислорода и топлива известны в области техники. В таких системах используют достаточно чистый кислород для сжигания с топливом в соотношениях, близких к стехиометрическим, и высокие температуры воспламенения для высокоэффективного производства энергии. Системы кислород-топливо используются в котлах для производства пара для генерирования электроэнергии и в промышленных установках, например, при переработке отходов алюминия для переплавки алюминия. Также предполагается возможность сжигания кислорода и топлива для сжигания отходов, а также в других вариантах промышленного и экологического применения. Технология сжигания кислорода-топлива и использование этой технологии раскрыты в американских патентах № 6436337, 6596220, 6797228 и 6818176 автора Gross, все они включены в настоящее изобретение в качестве ссылочного материала.

Предпочтительно, поскольку при сжигании кислорода-топлива используют кислород, а не воздух в качестве источника кислорода, происходит соответствующее снижение количества вырабатываемого дымового газа. Кроме того, сгорание происходит таким образом, что содержание NO x в продуктах сгорания близко к нулю и образуется почти исключительно за счет азота, привнесенного топливом. Таким образом, поскольку кислород, а не воздух используется как источник кислорода, уменьшается массовый расход и отсутствует азот для формирования NO x .

Хотя сжигание кислорода-топлива обеспечивает эффективное по расходу топлива и с уменьшенным выбросом загрязняющих веществ генерирование энергии, остается все еще довольно большое количество выбросов, образующихся во время процесса сжигания. Кроме того, в связи с тем, что объем газа меньше из-за использования кислорода вместо воздуха, концентрация других загрязняющих веществ более высока. Например, масса SO x и вещества в форме частиц не изменяются, однако концентрация увеличивается из-за уменьшенного общего объема.

Системы контроля над загрязнениями или удаления загрязнений известны в области техники. В этих системах могут, например, использоваться непосредственный контакт между дымовыми газами и оборудованием последовательной переработки, таким как осадители и газоочистители, для удаления вещества частиц, соединений, содержащих серу, и соединений, содержащих ртуть. В других системах используют последовательное сжатие для удаления загрязняющих веществ, чтобы удалять загрязняющие вещества и регенерировать энергию из потока дымового газа. Такая система раскрыта в американском патенте № 6898936 автора Ochs, который включен здесь в качестве ссылки.

Соответственно имеется потребность в системе сжигания, которая производила бы малый объем дымового газа с интегрированным удалением загрязнений. Предпочтительно в такой системе используются преимущества известных систем сжигания и контроля над загрязнениями для обеспечения производства энергии с эффективным расходом топлива при одновременном уменьшении образующихся загрязнений и с захватом остающихся произведенных загрязняющих веществ.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту изобретения предложена интегрированная система удаления загрязнений и сжигания с подачей топлива и кислорода, содержащая устройство сжигания, включающее печь, имеющую по меньшей мере одну горелку и выполненную с возможностью, по существу, предотвращения подвода воздуха, источник кислорода для подачи кислорода с заданной чистотой более чем 21%, источник топлива на основе углерода для подачи топлива на основе углерода, средство подачи кислорода и топлива на основе углерода в печь в управляемой пропорции друг к другу, средство управления сгоранием топлива на основе углерода, предназначенное для получения температуры пламени, превышающей 1650 °C, и потока топочного газа, содержащего CO 2 и полученные в результате сгорания газообразные соединения и, по существу, не содержащего соединения азота, привнесенные не топливом; и систему удаления загрязнений, включающую в себя по меньшей мере один теплообменник с непосредственным контактом, предназначенный для ввода топочного газа в непосредственный контакт с охлаждающей жидкостью для получения насыщенного загрязнениями потока жидкости и очищенного потока топочного газа, и множество последовательно соединенных компрессоров для приема и последовательного сжатия очищенного потока топочного газа для отделения CO 2 от других продуктов сгорания.

В интегрированной системе сжигания теплообменник предназначен для использования воды в качестве охлаждающей жидкости, система включает в себя по меньшей мере два компрессора, а также дополнительно включает в себя по меньшей мере один компрессор для приема очищенного потока топочного газа для его разделения на неконденсируемые газы и конденсируемые газы.

Кроме того, интегрированная система сжигания дополнительно включает в себя конденсатор, позволяющий конденсировать конденсируемые газы, по существу, в жидкое состояние, и конденсатор выполнен с возможностью конденсации газов, по существу, в жидкое состояние, чтобы обеспечить возможность извлечения конденсированных газов и их изоляции в баллоны, а газы, конденсированные конденсатором, по существу, в жидкое состояние, в значительной степени представляют собой CO 2 .

Интегрированная система сжигания по первому аспекту изобретения предназначена для твердого топлива на основе углерода и дополнительно включает в себя средство рециркуляции очищенного потока топочного газа для переноса твердого топлива на основе углерода в печь.

Причем интегрированная система сжигания включает в себя множество теплообменников и компрессоров, в которой по меньшей мере два теплообменника представляют собой теплообменники с непосредственным контактом для непосредственного контакта охлаждающей воды с потоком топочного газа и в которой по меньшей мере один компрессор расположен между теплообменниками для сжатия очищенного потока топочного газа между теплообменниками.

Согласно второму аспекту изобретения предусмотрена система сжигания топлива с кислородом, содержащая устройство сжигания, включающее печь с контролируемой средой и, по существу, с отсутствием просачивания из внешней среды, выполненную с возможностью, по существу, предотвращения подвода воздуха, источник окислителя для подачи кислорода, имеющего заданную чистоту, и источник топлива на основе углерода для подачи топлива на основе углерода, и включающую в себя средство подачи кислорода и топлива на основе углерода в печь в стехиометрической пропорции друг к другу, с ограничением излишка кислорода или топлива на основе углерода менее чем 5% от стехиометрической пропорции, и средство управления сжиганием топлива на основе углерода для получения потока топочного газа из печи, имеющего, по существу, нулевое содержание соединений азота привнесенных не топливом; и систему удаления загрязнений, включающую в себя по меньшей мере один теплообменник с непосредственным контактом для ввода потока топочного газа в непосредственный контакт с охлаждающей водой, для получения насыщенного загрязнениями потока жидкости и очищенного потока топочного газа, и множество последовательно соединенных компрессоров для получения и последовательного сжатия очищенного потока топочного газа и конденсатор для отделения CO 2 от других продуктов сгорания.

Кроме того, система сжигания включает в себя по меньшей мере два теплообменника и по меньшей мере два компрессора, упомянутые компрессоры предназначены для разделения очищенного потока топочного газа на неконденсируемые газы и конденсируемые газы.

Также система сжигания дополнительно включает в себя конденсатор для конденсации конденсируемых газов, по существу, в жидкое состояние, чтобы обеспечить возможность извлечения конденсированных газов и их изоляции в баллоны, и система выполнена таким образом, что газы, конденсированные конденсатором, по существу, в жидкое состояние, в значительной степени представляют собой CO 2 .

При этом система сжигания согласно второму аспекту изобретения предназначена для твердого топлива на основе углерода, и при этом система дополнительно содержит средство для рециркуляции очищенного потока топочного газа, причём упомянутое средство для рециркуляции выполнено с возможностью переноса твердого топлива на основе углерода в печь и включает в себя множество теплообменников и компрессоров, в которой по меньшей мере два теплообменника представляют собой теплообменники с непосредственным контактом для непосредственного контакта охлаждающей воды с потоком топочного газа и в которой по меньшей мере один компрессор расположен между теплообменниками для сжатия очищенного потока топочного газа между теплообменниками.

Согласно третьему аспекту изобретения предусмотрен способ сжигания с интегрированным удалением загрязнений с использованием системы по первому аспекту изобретения, причём способ содержит этапы, на которых, по существу, предотвращают подвод воздуха, ограничивают излишки кислорода или топлива на основе углерода до менее чем 5% от стехиометрической пропорции; сжигают кислород с заданной чистотой более чем 21%, и топливо на основе углерода; управляют сжиганием топлива на основе углерода для получения температуры пламени больше 1650 °C и потока топочного газа, содержащего CO 2 и полученные в результате сгорания газообразные соединения и, по существу, не содержащего соединения азота, привнесенные не топливом; направляют поток топочного газа в систему удаления загрязнений; вводят топочный газ в непосредственный контакт с охлаждающей жидкостью для получения потока насыщенной загрязнениями жидкости и потока очищенного топочного газа; сжимают поток очищенного топочного газа, конденсируют очищенный поток топочного газа для отделения CO 2 от других продуктов сгорания.

В указанном способе перед сжатием охлаждают очищенный поток топочного газа.

Кроме того, способ включает в себя этап, на котором изолируют сжатый охлажденный очищенный поток топочного газа.

Согласно четвертому аспекту изобретения предусмотрена интегрированная система удаления загрязнений и сжигания с подачей топлива и кислорода, содержащая устройство сжигания, включающее печь, имеющую по меньшей мере одну горелку и выполненную с возможностью, по существу, предотвращения подвода воздуха, источник кислорода для подачи кислорода с заданной чистотой более чем 21%, источник топлива на основе углерода для подачи топлива на основе углерода, средство подачи кислорода и топлива на основе углерода в печь в управляемой пропорции друг к другу, средство управления сжиганием топлива на основе углерода, предназначенное для получения желаемой температуры пламени и потока топочного газа, содержащего CO 2 и другие полученные в результате сгорания газообразные соединения и, по существу, не содержащего соединения азота, привнесенные не топливом; и систему удаления загрязнений, включающую в себя пару теплообменников с непосредственным контактом для ввода топочного газа в контакт с охлаждающей жидкостью для получения насыщенного загрязнениями потока жидкости, который включает в себя захваченные частицы, и очищенного потока топочного газа, и множество последовательно соединенных компрессоров для приема и последовательного сжатия очищенного потока топочного газа для отделения CO 2 от других продуктов сгорания, причем система удаления загрязнений включает в себя фильтр и слив для слива упомянутого насыщенного загрязнениями потока жидкости.

В интегрированной системе сжигания теплообменник предназначен для использования воды в качестве охлаждающей жидкости, и система дополнительно включает в себя средство для циркуляции охлаждающей жидкости для использования в процессе нагревания, в которой средство управления сжиганием предназначено для обеспечения температуры пламени более 1650 °C.

Кроме того, интегрированная система сжигания выполнена таким образом, что по меньшей мере один компрессор используется на этапе сжатия газа для сжатия газов, и используется более одной ступени сжатия, и система выполнена таким образом, что теплообменник используется на этапе конденсации газа в жидкость для получения конденсированного потока, и используется более одной ступени конденсации.

Интегрированная система сжигания согласно четвертому аспекту изобретения выполнена таким образом, что очищенный топочный газ сжимается по меньшей мере одним компрессором и охлаждается по меньшей мере одним конденсатором для получения жидкости и что очищенный топочный газ сжимается посредством одного или более компрессоров до состояния сверхкритической текучей среды, при этом сверхкритическая текучая среда, создаваемая компрессорами, в значительной степени содержит СО 2 .

Интегрированная система сжигания предназначена для сжигания твердого топлива на основе углерода, а также предназначена для сжигания угля, твердого топлива, которое представляет собой, по меньшей мере, частично биомассу.

Кроме того, интегрированная система сжигания дополнительно включает в себя средство для рециркуляции части потока топочного газа для переноса топлива на основе углерода в печь, а также для улучшения конвекционного теплообмена.

Кроме того, интегрированная система сжигания включает в себя множество теплообменников и компрессоров, в которой по меньшей мере один из теплообменников представляет собой теплообменник с непосредственным контактом для ввода в непосредственный контакт и смешивания охлаждающей воды с потоком топочного газа и в которой по меньшей мере один компрессор расположен между теплообменниками для сжатия очищенного потока топочного газа между теплообменниками.

Согласно пятому аспекту изобретения предусмотрена система сжигания кислорода и ископаемого топлива, содержащая устройство сжигания, включающее печь с контролируемой средой и, по существу, с отсутствием просачивания из внешней среды, выполненную с возможностью, по существу, предотвращения подвода воздуха, источник окислителя для подачи кислорода, имеющего заданную чистоту; источник топлива на основе углерода для подачи топлива на основе углерода; средство подачи кислорода и топлива на основе углерода в печь в стехиометрической пропорции друг к другу, с ограничением излишков кислорода или топлива на основе углерода до менее чем 5% от стехиометрической пропорции; средство рециркуляции продуктов сгорания для обеспечения подачи топлива на основе углерода и улучшения свойств теплообмена, и средство управления сжиганием топлива на основе углерода для получения потока топочного газа из печи, имеющего малое содержание соединений азота из окислителя; и систему удаления загрязнений, включающую в себя пару теплообменников с непосредственным контактом для введения в тепловой контакт потока продукта сгорания с охлаждающей водой для получения насыщенного загрязнениями потока жидкости, который включает в себя захваченные частицы, и потока топочного газа, очищенного от части загрязнений и жидкости в продуктах сгорания, и множество последовательно соединенных компрессоров для приема и последовательного сжатия очищенного потока топочного газа для отделения CO 2 от других продуктов сгорания, причем система удаления загрязнений включает в себя фильтр и слив для слива упомянутого насыщенного загрязнениями потока жидкости.

При этом система сжигания содержит по меньшей мере два теплообменника и две ступени сжатия и выполнена таким образом, что поток топочного газа разделен на два компонента, используя один или более компрессоров и охлаждение посредством одного или более конденсаторов, один компонент которого составляют, по существу, конденсируемые пары, и другой, по существу, неконденсируемые газы, а конденсируемые пары конденсированы в жидкость посредством одного или более конденсаторов.

Кроме того, конденсируемые пары конденсируются посредством одного или более конденсаторов до состояния сверхкритической текучей среды, при этом конденсируемые пары, конденсированные одним или более конденсаторами, представляют собой, по существу, CO 2 .

А система сжигания дополнительно включает в себя средство обработки потока топочного газа химическим реактивом для удаления SO 2 до разделения, а также для удаления SO 2 после разделения.

Краткое описание чертежей

Польза и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными для специалистов в данной области техники после рассмотрения следующего подробного описания изобретения и прилагаемого чертежа, где показана схема технологического процесса интегрированной системы сжигания кислорода-топлива и удаления загрязнений, которая была собрана для тестирования принципов настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

В то время как настоящее изобретение зависит от варианта его выполнения в различных формах, на чертежах показан и далее будет описан предпочтительный в настоящее время вариант воплощения с пониманием того, что существующее раскрытие надо считать примером изобретения и не предполагается ограничение изобретения конкретным представленным вариантом выполнения.

Кроме того, следует понимать, что название этого раздела данного описания, а именно "Подробное описание изобретения", соответствует требованию патентного ведомства Соединенных Штатов и не подразумевает и не должно быть интерпретировано как ограничение раскрытого здесь предмета.

Как описано в упомянутых выше патентах автора Gross, в системе сжигания кислорода-топлива используется достаточно чистый кислород в комбинации с источником топлива для эффективного, экологически благоприятного генерирования теплоты путем получения пламени (т.е. сгорания). Можно использовать кислород, который подают в качестве окислительного агента в концентрациях приблизительно от 85% до приблизительно 99+%, однако предпочтительно иметь как можно более высокую концентрацию кислорода (т.е. чистоту источника кислорода).

В такой системе кислород высокой чистоты подают вместе с источником топлива в стехиометрическом соотношении в горелку в печи. Кислород и топливо воспламеняют для высвобождения энергии, запасенной в топливе. Для целей существующего раскрытия ссылку на печь следует широко интерпретировать, и она включает в себя любой промышленный или коммерческий генератор тепла, в котором сжигают ископаемое (на основе углерода) топливо. Например, котлы, в стены которых встроены трубы с водой, используемые для генерирования электроэнергии, так же как печи непосредственного нагрева, применяемые в промышленности, можно использовать с подачей кислорода и топлива в систему сжигания. В предпочтительной системе используется концентрация или чистота кислорода на как можно более высоком и реально достижимом уровне, чтобы уменьшить выделение газов, создающих парниковый эффект.

Предполагается, что можно использовать, по существу, любой источник топлива. Например, кислород можно подавать вместе с природным газом для сжигания в печи. Другие предположительные источники топлива включают в себя масла, включая очищенные и отработавшие масла, древесину, уголь, каменноугольную пыль, отходы (отходы в виде мусора), животные отходы и продукты и т.п. Специалисты в данной области техники могут предложить множество источников топлива, которые могут использоваться с настоящей системой кислород-топливо.

По сравнению с обычными способами сжигания, в которых в качестве окислительного агента используют воздух для подачи кислорода для горения, а не достаточно чистый кислород, общий поток, протекающий через систему кислород-топливо, значительно уменьшен. Компонент кислорода воздуха (приблизительно 21%) используется при сжигании, в то время как остающиеся компоненты (по существу, азот) нагревают и выпускают из печи. Кроме того, в существующем процессе используют кислород в стехиометрической пропорции к топливу. Таким образом, подают только достаточное количество кислорода в пропорции к топливу, что гарантирует полное сгорание топлива. При этом "избыточный" кислород не подают в систему сгорания.

Много преимуществ и пользы получают, используя систему сгорания кислород-топливо. Кроме повышенной эффективности (или наоборот, уменьшенного расхода топлива для производства эквивалентной величины энергии), из-за уменьшенной подачи газа получают значительное уменьшение объема дымового газа. Основываясь на разности между использованием воздуха, который содержит 21% кислорода, и чистым кислородом, объемная скорость потока составляет одну пятую (1/5) при использовании системы сжигания кислород-топливо, по сравнению с обычной системой сжигания с подачей воздуха. Кроме того, поскольку энергия не поглощается не участвующими в процессе сжигания материалами (например, избыточным кислородом или азотом), больше энергии доступно для основного процесса.

Предпочтительно уменьшенный объем газов (и таким образом объем дымового газа) также увеличивает время пребывания газов в печи или в котле, что обеспечивает дополнительную возможность теплообмена.

Благодаря сильному уменьшению полного объема дымового газа теперь в крупномасштабных промышленных установках и в установках для генерирования энергии можно использовать очень эффективную последовательную переработку, которая иначе не была бы доступна или была бы непрактичной.

Соответственно, в настоящем изобретении используют сжигание кислорода-топлива вместе с удалением множества загрязняющих веществ с помощью интегрированной конденсации H 2 O и CO 2 с уносом частиц и растворением и конденсацией других загрязняющих веществ, включающих в себя SO 2 . Такая система и способ удаления загрязнений раскрыты в вышеупомянутом патенте авторов Ochs и др.

Объединение удаления загрязняющих веществ в одном процессе создает потенциал снижения стоимости и уменьшения потребляемой мощности для работы такой системы. Неконденсирующиеся продукты сгорания, включающие в себя кислород и аргон, могут присутствовать в продуктах сгорания. Хотя система сжигания кислород-топливо эксплуатируется в условиях стехиометрического соотношения или очень близких к нему (предпочтительно в пределах 5% от стехиометрического соотношения), кислород может присутствовать в дымовом газе. Аргон может получаться в процессе разделения воздуха (остается в произведенном кислороде). Некоторые относительно малые величины азота также могут присутствовать и привносятся топливом или попадают в результате подсоса воздуха в основном технологическом оборудовании.

Конденсируемые пары, такие как H 2 O, CO 2 , SO x и, хотя и в минимальных количествах, NO x , получаются в процессе сгорания и их подвергают конденсации. Что касается продуктов сгорания, в данном изобретении предполагается, что в них присутствуют эти конденсируемые пары и неконденсирующиеся газы, так же как частицы и другие загрязняющие вещества.

Блок управления загрязнениями системы также может выполнять восстановление энергии из продуктов сгорания энергоустановки, работающей на ископаемом топливе, имеющей камеру сгорания ископаемого топлива (например, котел, печь, газовую турбину или т.п.), компрессор, турбину, теплообменник и источник кислорода (который может быть выполнен как модуль разделения воздуха). Для специалистов в данной области техники будет понятно, и они смогут оценить, что ссылка, например, на компрессор включает в себя больше чем один компрессор.

Продукты сгорания энергоустановки, работающей на ископаемом топливе, могут включать в себя неконденсирующиеся газы, такие как кислород и аргон; конденсируемые пары, такие как водяной пар, и кислотные газы, такие как SO x и (снова, хотя и в минимальных количествах, NO x ); и CO 2 , и загрязняющие вещества, такие как частицы и ртуть. Процесс удаления и изоляции загрязнений включает в себя изменение температуры и/или давления продуктов сгорания путем охлаждения и/или сжатия продуктов сгорания до комбинации температуры/давления ниже точки росы для некоторых или всех конденсируемых паров.

Этот процесс выполняют для конденсации жидкости, в которой растворены и/или захвачены некоторые кислотные газы, и/или для непосредственной конденсации кислотных газов (таких как CO 2 и SO 2 ) из продуктов сгорания. Кроме того, его выполняют, чтобы растворить некоторые загрязняющие вещества, восстанавливая, таким образом, продукты сгорания. Растворение в контексте данного раскрытия означает захват и/или растворение.

Этот процесс повторяют, выполняя один или больше этапов охлаждения и/или сжатия с конденсацией и разделением конденсируемых паров и кислотных газов. При этом также достигается восстановление теплоты в форме любого из скрытого тепла и/или контактного тепла. Конденсация уменьшает энергию, требуемую для продолжения сжатия, уменьшает массу и температуру, пока в частично обработанном дымовом газе не останется малое количество CO 2 , SO 2 и H 2 O. После этого остающиеся дымовые газы выпускают.

Ископаемое топливо может быть любым из описанных выше. В некоторых образцах загрязняющие вещества включают в себя вещество в виде мелких частиц и/или тяжелые металлы, такие как ртуть, другие металлы, такие как ванадий.

Настоящее изобретение также относится к способу применения технологий экономии энергии во время рециркуляции в замкнутой системе дымового газа и удаления загрязнений таким образом, что можно существенно улучшить эффективность системы генерирования энергии. Например, в случае системы, работающей на докритическом пылевидном угле (ПУ, PC) без восстановления энергии, рабочая характеристика может понизиться от 38,3% тепловой эффективности (для современной системы без удаления CO 2 ) и вплоть до 20,0% (для системы с удалением CO 2 и без восстановления энергии). Система в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретение может работать при 29,6% (с удалением СО 2 ), когда восстановление энергии включено в конструкцию, при этом ожидается, что будет достигнута лучшая эффективность. Данное сжигание кислорода-топлива с интегрированным контролем загрязнений можно применять в новой конструкции, при переходе на новый вид снабжения энергией и в модернизированных установках.

В примерной системе, в которой используется данный способ сжигания кислорода-топлива и способ IPR (ИРЗ, интегрированное регулирование загрязнений), прогнозируется получение следующих дымовых газов, представленных в таблице. Дымовые газы выходят из зоны сжигания или из области печи, после чего их пропускают через циклон/пылеуловительную камеру или электрофильтр для удаления крупных частиц. Газы сгорания затем пропускают через теплообменник с непосредственным контактом (DCHX, ТОНК). В этом модуле дымовые газы вводят в контакт с более холодной жидкостью. Этот этап охлаждения обеспечивает конденсацию паров. Этап также обеспечивает растворение захваченных растворимых загрязняющих веществ и мелких частиц.

Газы, выходящие из первой колонны, являются теперь более чистыми и, по существу, не содержат загрязнения. Эти газы сжимают, и они могут быть поданы на следующий этап ТОНК и сжатия. Конечный этап сжатия и теплообмена используется, чтобы отделить кислород, аргон и азот (минимальное количество) от СО 2 . Также используется ловушка ртути для удаления газообразной ртути перед выпуском газа в атмосферу.

В приведенной ниже таблице представлены ожидаемые результаты при сравнении описываемой системы сжигания кислорода-топлива с ИРЗ с обычным способом сжигания с подачей воздуха. Как показывают результаты, объем дымового газа на начальном этапе меньше в системе сжигания кислорода-топлива, благодаря устранению азота из входного потока. В описываемой системе ИРЗ используется, чтобы дополнительно уменьшить объем и выброс газа на следующих этапах сжатия и охлаждения. В ходе обработки дымовых газов, используя комбинированные процессы, получают конечный продукт в виде захваченного CO 2 для изоляции.

Сравнение свойств и состава продуктов сгорания кислорода-топлива после обработки ИРЗ с показателями обычного угольного котла

Как можно видеть по данным таблицы, объем продуктов сгорания значительно понизился в результате последовательной обработки на этапах сжатия и охлаждения. В результате обеспечивается захват CO 2 с последующей его изоляцией, что является конечной целью. Полученный таким образом CO 2 можно запасать или использовать, например, в коммерческих или промышленных вариантах применения.

Испытательная система 10 была построена для определения фактических результатов при сжигании кислорода-топлива с изоляцией СО 2 и удалением загрязнений. Схема испытательной системы показана на чертеже. Система 10 включает в себя камеру 12 сгорания с подачей кислорода и топлива, имеющую подачу 14 угля (с использованием СО 2 в качестве транспортирующего газа 16) и подачу 18 кислорода. Уголь подавали со скоростью 27 фунтов в час (pph, ф/ч), с использованием СО 2 в качестве носителя, подаваемого со скоростью 40 pph, и кислород подавали со скоростью 52 pph. Поскольку система 10 представляла собой испытательную систему, а не коммерческую или промышленную систему (например, коммерческий котел для генерирования электроэнергии), камеру 12 сгорания охлаждали охлаждающей водой для отбора энергии/тепла.

Отработавшие газы 20 камеры сгорания проступали в циклон/пылеуловительную камеру 22, в которой удаляли золу (позиция 24) со скоростью приблизительно 1 pph. После удаления 24 оставалось приблизительно 118 pph продуктов сгорания в потоке 26 дымового газа при выходной температуре, которая была меньше чем приблизительно 300 °F.

Остающиеся дымовые газы 26 затем подавали в теплообменник 28 с непосредственным контактом (первый теплообменник). Воду (обозначенную в позиции 30) распыляли прямо в горячий поток дымового газа 26. Охлаждающая вода конденсировала часть горячего водяного пара и, кроме того, удаляла растворимые загрязнения и захватывала вещество частиц (см. выпуск в позиции 32). Приблизительно 13 pph водяного пара конденсировалось в первом теплообменнике 28, остающиеся дымовые газы 34 имели скорость приблизительно 105 pph.

После выхода из первого теплообменника 28 остающиеся газы 34 вводили в первый компрессор 36 низкого давления (давление на входе приблизительно составляло атмосферное давление) и выводили из компрессора 36 под давлением приблизительно 175 фунтов за квадратный дюйм (psig, манометрическое давление в фунтах на квадратный дюйм (ф/кв.дюйм)). В результате выполнения этапа сжатия температура газов 38 увеличивалась. Остающиеся дымовые газы затем вводили во второй теплообменник 40 с непосредственным контактом, где их вводили в непосредственный контакт с потоком охлаждающей воды, как в позиции 42. Из выходного потока 44 дополнительно высвобождалось 4 pph воды и, таким образом, выходной/дымовой газ 44 имел объемную скорость потока приблизительно 101 pph.

После второго теплообменника 40 газы 44 снова сжимали приблизительно до 250 psig во втором компрессоре 46. Хотя после второго этапа сжатия повышалась температура, во время испытаний определили, что в третьем этапе теплообмена не было необходимости. Следует, однако, понимать, что при работе в большом масштабе такой дополнительный этап теплообмена/охлаждения может быть необходимым.

Третий этап сжатия в третьем компрессоре 48 затем выполняли для оставшихся дымовых газов 50, чтобы увеличить давление выходного газового потока 52 приблизительно до 680 psig. Снова определяли, что, хотя температура газов увеличилась, активное или прямое охлаждение не было необходимым, поскольку потери в окружающую среду через систему трубопроводов, по которой пропускали газы, были достаточны, чтобы уменьшить температуру газов.

Последнее сжатие газов в последнем компрессоре 52 выполняли, чтобы повысить давление газов приблизительно до 2000 psig. После последнего этапа сжатия остающиеся газы 56 подавали в теплообменник 58, последний теплообменник, в котором температуру потока 56 понижали ниже точки росы газов, и в результате начиналась конденсация газов. Конденсат (как в позиции 60), который был преимущественно преобразован в жидкий СО 2 (со скоростью 80 pph), извлекали и изолировали. В данном случае CO 2 заливали в баллоны и сохраняли.

Неконденсирующиеся газы (как в позиции 62), которые включали в себя малое количество CO 2 , пропускали через фильтр 64 ртути и затем выпускали в аккумулятор 66. Аккумулятор 66 обеспечивал гибкость при управлении объемной скоростью потока системы. Выходные газы 68 из аккумулятора 66 выпускали в атмосферу. Объемная скорость потока из аккумулятора 66, нормализованная к динамическому равновесию всей системы, составляла приблизительно 21 pph.

Для специалистов в данной области техники будет понятно, что упомянутая представленная выше примерная система 10 предназначалась для испытаний и проверки и что количество и положение этапов сжатия и охлаждения можно изменять, и, вероятно, будет изменено при внедрении в конкретной желательной конструкции и/или для получения требуемого результата. Кроме того, различные точки 70 химической инжекции, фильтры 72, обводы 74 и т.п. также могут быть включены в систему 10 и, соответственно, все такие изменения находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения.

Проектируемая экономия топлива и повышенная эффективность рассматриваемой системы сжигания кислорода-топлива с ИРЗ таковы, что стоимость такого комбинированного процесса, как ожидается, будет конкурентоспособна с современными технологиями сжигания. Кроме того, перспектива новых законодательных требований заставляет проектировщиков энергоустановок пересматривать обычные подходы, используемые для удаления загрязняющих веществ, что послужит улучшению экономических показателей данного подхода.

Также следует отметить, что использование систем сжигания с подачей кислорода и топлива с ИРЗ во многих промышленных вариантах применения и для производства энергии позволяет обеспечить уменьшенный расход топлива при эквивалентной выходной мощности или тепловыделении. Уменьшенный расход топлива, наряду с эффективным использованием топлива (т.е. эффективное сжигание) и при использовании интегрированного ИРЗ, предусматривает значительное снижение общих эксплуатационных расходов, и уменьшенные и изолированные выбросы других выходных/дымовых газов.

Из-за множества различных видов промышленного топлива, которое можно использовать, такого как уголь, природный газ, различные масла (печное топливо и отработавшее масло), древесина и другие переработанные отходы, наряду с различными, используемыми в настоящее время и предложенными, способами получения кислорода, для специалиста в данной области техники будет понятен огромный потенциал для коммерческого и промышленного применения описанной системы сжигания. Выбор топлива может быть сделан на основе доступности, экономических показателей и экологических проблем. Таким образом, ни один вид топлива не определен конкретно; скорее множество, и фактически любые виды топлива на основе углерода совместимы с существующей системой. Соответственно, этапы удаления частицы интегрированной системы ИРЗ могут измениться.

Что касается поставки кислорода для подачи кислорода и топлива к горелкам (в систему сжигания), существует множество приемлемых технологий производства кислорода с высокой степенью чистоты, таких как криогенные, мембранные системы, поглотительные модули, гидролиз и т.п. Все такие варианты использования топлива и источники кислорода находятся в пределах объема настоящего изобретения.

В общем, использование сжигания топлива с подачей кислорода по сравнению с существующими или традиционными воздушно-топливными системами предлагает значительные преимущества во многих областях. Прежде всего, обеспечивается возможность работать на точных стехиометрических уровнях без помехи азота на огибающей сгорания. Это позволяет повысить эффективность использования топлива, значительно уменьшая уровень NO x при использовании для сжигания топлива. Значительно меньше топлива требуется, чтобы достичь того же уровня выходной энергии, что, в свою очередь, уменьшает общие эксплуатационные расходы. При использовании меньшего количества топлива, чтобы получить ту же выходную энергию, происходит естественное снижение выбросов. Экономия топлива и меньшее количество выбросов представляют собой только два из преимуществ, обеспечиваемых данной системой. Вместе с системой интегрированного удаления загрязнений (ИРЗ) настоящая система кислород-топливо с ИРЗ предусматривает гораздо более высокие уровни эффективности и контроля над загрязнениями, чем известные системы.

Ожидается, что на основании систем сжигания топлива с кислородом с интегрированным ИРЗ будут разработаны камеры сгорания (например, котлы), позволяющие получить полное преимущество и пользу от этих систем. Также ожидается, что модернизированные установки или измененное существующее оборудование также обеспечат многие из этих преимуществ как для оператора (например, электростанции), так и для защиты окружающей среды.