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CN103429956B - 控制燃氧锅炉的热性能的设备和方法 - Google Patents

控制燃氧锅炉的热性能的设备和方法 Download PDF

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CN103429956B CN201180065134.6A CN201180065134A CN103429956B CN 103429956 B CN103429956 B CN 103429956B CN 201180065134 A CN201180065134 A CN 201180065134A CN 103429956 B CN103429956 B CN 103429956B
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Abstract

本文公开一种控制燃氧锅炉的运行的方法；该方法包括在锅炉中燃烧燃料；在锅炉中产生吸热方式；从锅炉中排出烟道气；使烟道气的一部分再循环到锅炉；使第一氧化剂流与再循环烟道气组合而形成组合流；使组合流分成若干个部分；以及在锅炉的不同的进入点处，将组合流的各个部分引入到锅炉。

Description

控制燃氧锅炉的热性能的设备和方法
相关申请的交叉引用
本公开要求2011年11月16日提交的美国非临时申请No.61/414,175的优先权，该申请的全部内容通过引用而结合在本文中。
关于联邦资助研究或支持的声明
根据美国能源部/国家能源技术实验室(NETL)的授权合同No.DE-NT0005290，美国政府对本发明享有一定权利。
技术领域
本公开大体涉及燃氧锅炉，并且更特别地，涉及通过控制对锅炉的氧和/或再循环烟道气的分配来控制燃氧锅炉的热性能的设备和方法。
背景技术
针对燃烧化石燃料的功率装置中的二氧化碳捕捉和封存来开发氧燃烧。氧燃烧(有时也被称为“氧燃料”和“燃氧”)的概念是要用氧和再循环烟道气的混合物取代燃烧空气，从而产生二氧化碳含量高的烟道气流，可较简单地处理该烟道气流，以实现封存。在图1中描绘的现有技术中显示粉煤(pc)功率装置的氧燃烧过程的简化示例性示意图。
图1描绘氧燃烧系统100，其包括空气分离单元102、锅炉104、污染控制系统106和气体处理单元108。空气分离单元102位于锅炉104的上游，锅炉104位于污染控制系统106和气体处理单元108的上游。污染控制系统106位于气体处理单元108的上游。显示了在污染控制系统之后进行气体再循环，但它可在锅炉和气体处理单元之间的任何位置进行。
锅炉104可为切向燃烧锅炉(也被称为T燃烧)或壁燃式锅炉。T燃烧不同于壁燃烧，因为T燃烧利用具有位于锅炉炉膛的转角处的燃料准入隔室的喷燃器组件，锅炉炉膛产生旋转火球，旋转火球填充大部分炉膛横截面。另一方面，壁燃烧(未显示)利用垂直于锅炉的(外壳的)侧部的喷燃器组件。
图2描绘切向燃烧锅炉104。切向燃烧锅炉具有长方形横截面，并且具有定位在转角处的喷燃器组件105。燃料和运送空气通过喷燃器组件105而引入到锅炉104中，并且沿切向引导到位于炉膛的中心处且具有大于零的直径的假想圆。这产生旋转火球，旋转火球填充大部分炉膛横截面。燃料和空气混合受到限制，直到流在炉膛容积中结合在一起，并且产生旋转为止。这常常被描述成“整个锅炉是喷燃器”。与壁燃烧相比，整体锅炉空气动力学和混合在T燃烧期间对燃烧过程和产生的锅炉性能更重要。在壁燃烧期间，在喷燃器中或喷燃器附近发生燃料和空气/氧混合，而且在锅炉中发生较少混合。
现在再一次参照图1，在一种运行氧燃烧系统100的方法中，氧首先在空气分离单元102中与氮分离。氮单独从空气分离单元中排出。空气分离单元102从大气中抽取氧。
然后氧从空气分离单元102中排出，以与再循环烟道气结合，它们的组合馈送到锅炉104。锅炉104使用烟道气流中存在的氧来燃烧燃料(例如，煤、油等)而产生热和烟道气。由于用氧而非空气燃烧燃料，所产生的烟道气具有高的二氧化碳含量。烟道气的其它组分是水蒸气和少量氧、氮和污染物，诸如，硫氧化物、氮氧化物和一氧化碳。移除水和其它成分会产生适于封存或其它用途的非常纯的二氧化碳流。
热用来产生蒸汽，蒸汽可用来驱动发电机(未显示)，以产生电，而烟道气则排到污染控制系统106，在那里，颗粒物质和其它污染物(例如，NOX、SOX等)被移除。纯化烟道气的一部分如图1中显示的那样再循环到锅炉104。其余的烟道气(基本包括二氧化碳)排到气体处理单元108，在气体处理单元108之后对其进行封存。
如果相对于氧的量有大量再循环的烟道气馈送到锅炉104以实现燃烧，则在锅炉中达到的燃烧温度不足有利于所有燃料的燃烧。另外，需要较大的装备来再循环这么大量的烟道气。另一方面，用纯氧燃烧燃料大体会产生对于实际锅炉材料而言太高的火焰温度，所以二氧化碳高的烟道气的一部分用来稀释氧，以及减低锅炉温度。
添加到再循环烟道气的氧的量基于锅炉中燃烧的燃料的量。除了某个量的过量氧之外，燃料使用一定量的氧来确保燃烧完全。以锅炉中的单个浓度将氧化剂流添加到锅炉中具有某些缺点。这些缺点之一是锅炉中的热释放或通量轮廓(在下文中称为“热释放轮廓”)未优化来产生最高的整体炉膛吸热，同时对于会影响运行可靠性和维护成本的管金属温度、灰沉积和燃烧侧腐蚀保持可接受的状况。因此，想要设计出一种方法用于将氧化剂流引入到锅炉中，以便在锅炉中的不同位置处优化锅炉中的热释放轮廓，以便优化锅炉的热性能，以减少灰沉积和燃烧侧腐蚀，以及阻止炉膛中有成渣(slagging)和腐蚀。
发明内容
本文公开一种方法，包括在锅炉中燃烧燃料；在锅炉中产生吸热方式；从锅炉中排出烟道气；使烟道气的一部分再循环到锅炉；使第一氧化剂流与再循环烟道气组合而形成第一组合流；使第一组合流分成若干个部分；混合第一组合流的各个部分与第二氧化剂流而形成第二组合流的多个部分；以及在通往锅炉的不同的进入点处，将第二组合流的多个部分中的各个部分引入到锅炉。
本文还公开一种方法，包括在锅炉中燃烧燃料；在锅炉中产生吸热方式；从锅炉中排出烟道气；使烟道气的一部分再循环到锅炉；使烟道气分成多个不同的流，然后将它们引入到锅炉中；以及控制通入到锅炉中的多个流中的各个的流率，以便。
附图说明
图1表示现有技术，并且描绘其中烟道气再循环到锅炉的燃烧系统；
图2描绘切向燃烧锅炉；
图3是使包括第一氧化剂流(其基本包括氧)和第二流(其基本包括再循环烟道气)的组合流可被引入到锅炉中的各种点的图；
图4是将氧引入到通入到锅炉中的烟道气流中的示例性实施例的另一个图；
图5表示将组合流引入到切向燃烧锅炉中；
图6反映另一个示例性实施例，其中，组合流被引入到切向燃烧锅炉的风箱中；
图7是曲线图，其显示可如何通过改变再循环速率，以及通过改变对锅炉的氧分配，来改变热通量轮廓；
图8是曲线图，其描绘调节在相对于炉膛出口平面的不同的高度处获准进入锅炉的再循环烟道气的比例的作用；以及
图9是曲线图，其描绘调节获准进入氧化剂流的、在相对于炉膛出口平面的不同的高度处进入锅炉的氧添加物的分配。
具体实施方式
本文公开一种氧燃料燃烧系统，其中氧与再循环烟道气流组合，或者添加到再循环烟道气流而形成引入到锅炉中的氧化剂流。本文还公开一种方法，其用于在锅炉中的各种点处引入氧化剂流，以及控制氧化剂流的氧和再循环烟道气的比，以便限定和/或改变锅炉中的热释放轮廓，以改进锅炉的热性能，减少灰沉积和燃烧侧腐蚀，以及/或者阻止炉膛中成渣。
本文公开的方法包括改变氧的量、比例和/或分配、再循环烟道气的量、比例和/或分配，或者馈送到锅炉的各种输入的组合流(提供给锅炉和/或锅炉的各种区的输入流)中的氧和再循环烟道气两者的量、比例和/或分配。例如，根据期望的化学计量参数，对于提供给锅炉的燃料的期望量的燃烧足够的氧的体积可分割或者分配给锅炉的不同的区或位置，以在锅炉中提供期望的热释放轮廓。另外，再循环烟道气和/或氧的体积可针对锅炉的区内的不同的区域确定比例和/或分配，以在那个区中提供期望的热释放轮廓。此外，可控制对通往锅炉的输入流添加的氧和/或再循环烟道气的体积或比例的比例和/或分配，以提供期望的热释放轮廓。
在一个类似于图3中显示的那个的实施例中，系统和方法包括将再循环烟道气和第一氧化剂流的第一组合流供应给锅炉的不同的区段或区。第一组合流可按各自由相应的流体流控制装置控制的不同的体积供应给料斗区、风箱区和/或一个或多个过度燃烧(overfire)氧化剂隔室。在这个实施例中，氧与再循环烟道气的比在其被引入的锅炉的任何区中是恒定的，但是，通过对锅炉的不同的区和/或特定的区内的不同的位置提供第一组合流的不同部分来控制第一组合流的分配，以提供期望的热释放轮廓。
在另一个类似于图4中显示的那个的实施例中，系统和方法包括使第一组合流与第二氧化剂流组合而形成第二组合流，第二组合流可在料斗区、风箱区和/或一个或多个过度燃烧氧化剂隔室处按不同的体积量供应给锅炉，其中，第二氧化剂的体积流量由流体流控制装置控制。正好在把第二组合流引入到锅炉中之前进行这种使第一组合流富化的方法。在这个系统和方法中，通往料斗区、风箱区、料斗区和/或过度燃烧氧化剂隔室的氧的量相对于再循环烟道气的量而改变。此系统和方法可有利地用来改变锅炉中的热释放方式。
这种控制对锅炉的氧和/再循环烟道气的分配的系统和方法是有利的，因为它容许使锅炉中的气氛在局部进行氧富化，以及因此增加局部性热释放，并且修改锅炉的期望区域中的温度轮廓。
在又一个类似于图3和4中的那个的实施例中，作为改变氧的量的替代或补充，可改变组合流中的烟道气的量。在又一个实施例中，本公开详细说明了调节或改变在相对于炉膛出口平面的不同的高度处获准进入锅炉的再循环烟道气的比例或分配。这种控制烟道气的流率的方法是有利的，因为它允许在燃料属性或炉膛状况改变时保持恒定的蒸汽温度控制。这提供在负荷改变时进行蒸汽温度控制的手段。可通过针对不同的高度调节氧的量来实现另一种蒸汽温度控制方法。
本发明的优点在于，可独立地控制提供给燃氧锅炉中的流体流的氧和烟道气的量，以提供良好的灵活性来优化锅炉的运行，以及提供或修改锅炉的热释放轮廓。本领域技术人员将理解，增加通往锅炉的输入流体流的氧将使该输入流体流的位置处的热通量提高。
图3是诸如T燃烧锅炉的锅炉200的图，锅炉200具有控制系统290，控制系统290控制通往锅炉的各种位置或区的组合流320的比例或分配。组合流320包括第一氧化剂流310(其包括0-100重量%的氧，其中，在一个实施例中，流310基本是氧)和第二流350(其基本包括再循环烟道气)。第一氧化剂流310和第二流350的体积流量由相应的流体流控制装置311控制，诸如，挡板、风机、风门、阀和喷射器。可在开环或闭环控制系统中控制这些流控制装置，将在下文中更详细地描述开环或闭环控制系统。在这个实施例中，包括均匀的氧浓度的组合流320在不同的位置或区中以可控地不同的体积引入到锅炉200中。锅炉200包括：位于主喷燃器区208下方的料斗区210，可从料斗区210中移除灰；主喷燃器区208(在下文中为风箱208)，在主喷燃器区208中，氧化剂和氧化剂-燃料混合物(备选地，气体-燃料混合物)引入到锅炉200中；燃尽区216，在燃尽区216中，在主喷燃器区中未燃烧的任何氧或燃料被燃烧；过热器区212，在过热器区212中，可使蒸汽过热；以及节热器区214，在节热器区214中，水可在进入过热器区212之前被预热。燃尽区216可利用下部过度燃烧氧化剂隔室206和上部过度燃烧氧化剂隔室204。锅炉200还包括水平锅炉出口平面304和竖直锅炉出口平面302。锅炉200还包括水壁202，在水壁202中，水转变成蒸汽。
如上面提到的那样，第一氧化剂流310和第二流350组合而形成组合流320，组合流320然后馈送到锅炉。组合流320可包括大约15体积%的氧至大约40体积%的氧，其余是再循环烟道气。如可在图3中看到的那样，组合流320可馈送到锅炉200，进入到料斗区210、风箱208、下部过度燃烧氧化剂隔室206和/或上部过度燃烧氧化剂隔室204中。换句话说，组合流320可分开且分配成若干个流(320A、320B、320C和/或320D)，以及馈送到锅炉的不同的部件中，以改变锅炉中的热释放轮廓，以及改进其热性能，其中流320A、320B、320C、320D中的一个或多个的体积流率由相应的流体流控制装置312控制。例如可对风箱提供较高百分比的组合流320，以增加这个区中的热释放轮廓，或者反之亦然。这种使第二流350富含氧和使组合流320分成不同的流320A、320B、320C、320D的方法容许改变进入到锅炉的不同部件中的烟道气和氧的量，以改进其热性能，或者提供期望的热释放轮廓。
为了标识，在料斗区210处馈送到锅炉200中的组合流320被标为320A，并且它可构成组合流320的总重量的高达大约25重量%。在一个实施例中，组合流320A流可构成组合流320的总重量的大约0重量%至大约10重量%。在另一个实施例中，在风箱区208处馈送到锅炉200中的组合流320被标为320B，并且它可构成组合流320的总重量的大约50重量%至大约100重量%。在一个实施例中，组合流320B流可构成组合流320的总重量的大约50重量%至大约80重量%。在又一个实施例中，在下部过度燃烧氧化剂隔室206处馈送到锅炉200中的组合流320被标为320C，并且它可构成组合流320的总重量的大约50重量%。在一个实施例中，组合流320C流可构成组合流320的总重量的大约10重量%至大约30重量%。
在又一个实施例中，在上部过度燃烧氧化剂隔室206处馈送到锅炉200中的组合流320被标为320D，并且它可构成组合流320的总重量的高达大约50重量%。在一个实施例中，组合流320D流可构成组合流320的总重量的大约10重量%至大约30重量%。
图4描绘锅炉200(诸如T燃烧锅炉)的另一个实施例，其具有控制系统291，控制系统291控制通往锅炉的各种位置或区的组合流360的比例或分配和各个流360A、360B、360C、360D的氧的比，从而使用组合流360和第二氧化剂流370来使供应到锅炉200的各个相应的输入流的富含或耗尽烟道气或氧，以限定或改变锅炉中的热释放轮廓，以及改进其热性能，或者提供期望的热释放轮廓。在这个实施例中，具有不同的氧浓度的流馈送到料斗区、风箱区、上部过度燃烧氧化剂区和下部过度燃烧氧化剂区。本领域技术人员将理解，可在锅炉的位置或区的任何构造或组合中控制各个区的控制氧浓度或比。再循环烟道气350首先可与氧化剂流310预混合而形成第一组合流360。第一组合流360然后以不同的量或体积排向锅炉的不同的位置或区。但是，用来自相应的第二氧化剂流370的氧使各个组合流360富化，以对各个相应的输入流360A、360B、360C、360D提供期望浓度的氧，以及对各个输入流提供期望的总体积流量。因此，不同的流中的氧的比可彼此相同或不同。
如图4中显示的那样，通过使用相应的流体流控制装置311来控制流350和氧化剂流310的流体流量，控制系统291控制氧的浓度和组合流360的体积流量。控制系统291另外通过控制相应的流体流控制装置312而控制组合流360的流量，以及通过控制相应的流体流控制装置313而控制相应的流体流控制装置313的流量，来控制各个相应的输入流360A、360B、360C、360D的氧的浓度和体积流率。流体流控制装置312可设置在添加第二氧化剂流370的点的上游或下游。但是，当流体流控制装置312设置在添加第二氧化剂流370的点的上游时，控制系统291提供较大的灵活性和浓度范围，以局部地控制通往锅炉的输入流360A、360B、360C、360D的氧的浓度和总体体积两者。总的来说，如图4中显示的那样，控制系统291的流体流控制装置311、312、313可控制各个输入流360A、360B、360C、360D的氧浓度、通往各个输入流以及从而通往锅炉的区的氧的分配，以及各个输入流的期望体积气体流量。
再一次参照图4，总共添加的氧的第一氧化剂流310与包括再循环烟道气的第二流350混合而形成第一组合流360。在示例性实施例中，第一氧化剂流310包括总共添加的氧的大约50%至大约95%，特别是大约80%至大约90%。在第二氧化剂流370中提供对于锅炉200中的期望量的燃烧来说必要的其余百分比的氧。注意，再循环烟道气和运送气体可包括小百分比的氧，这在控制输入流360A、360B、360C、360D时可能需要考虑。
如可在图4中看到的那样，包括第一组合流360和第二氧化剂流370的、构成高达20%的总添加量的第二组合流360A馈送到料斗区210。在示例性实施例中，第二组合流360A可包括总共添加的氧的大约0%至大约18%，以及特别是大约2%至大约15%。
在另一个实施例中，包括总共添加的氧的高达100%的量的氧的第二氧化剂流370与第一组合流360组合，并且馈送到风箱208。在示例性实施例中，包括总共添加的氧的大约50%至大约80%的量的氧的第二氧化剂流与第一组合流360组合，并且馈送到风箱208。
在又一个实施例中，包括高达50重量%的量的氧的第二氧化剂流370与第一组合流360组合，并且馈送到下部过度燃烧氧化剂隔室206。在示例性实施例中，包括总共添加的氧的大约10%至大约30%的量的氧的第二氧化剂流与第一组合流360组合，并且馈送到下部过度燃烧氧化剂隔室206和/或上部过度燃烧氧化剂隔室204。
第二氧化剂流370大体与第一组合流360混合，以尽可能靠近锅炉200而形成组合流360A、360B、360C或360D。可通过混合较靠近锅炉的氧，例如在图4中描绘的位置处添加额外的氧以提高风箱208的一个区域中的氧含量，来对氧分配实现较精细水平的控制。第一组合流360的这种富化模式可用于切向燃烧锅炉以及壁燃式锅炉中。
虽然图3和4的控制系统290、291控制通往锅炉200的特定的区的氧的分配和浓度，但本发明构想到，具有多个单独的输入流的各个区也可由控制系统控制。图5描绘将组合流320B(来自图3)或360B(来自图4)引入到锅炉200的风箱208中的一个示例性设备和方法。图5详细示出切向燃烧锅炉的风箱208的输入隔室或输入流，以及控制风箱208所提供的相应的输入流的氧浓度和体积流量的设备和方法。在风箱208的不同的隔室中引入不同的氧浓度。
图5描绘切向燃烧锅炉200的风箱208中的多个组件，例如一级喷嘴402、404、406和二级喷嘴409。图5包含锅炉200的风箱208的分解视图，以示出一级喷嘴402、404、406和二级喷嘴409的构造。在一个实施例中，风箱208可包括大约2个至大约10个组件。燃料和运送气体以及再循环烟道气和氧的混合物(例如组合流360B或320B)可引入到相应的喷嘴中。在示例性实施例中，将组合流360B(其在局部进行氧富化)引入到喷嘴402、404、406和/或407中是合乎需要的。馈送到相应的组件的组合流360B中的氧与再循环烟道气的比可类似于图3和4中显示和描述的构造而改变。特别地，图3和4的控制系统290、291可具有相同构造的流体流控制装置，以控制各个喷嘴402、404、406、407的各个相应的输入流360F、360G、360H、360I、360J、360K、360L的浓度、比例和/或分配。换句话说，可用与锅炉200的各个区相同或相似的方式控制风箱208的位置或喷嘴(即风箱区)，其中输入流360B将在功能上与图3和4中的组合流360相同。虽然已经针对风箱208而显示了这个功能性，但本领域技术人员将理解，本发明对锅炉200的其它区构想了这种级别的控制。
例如，第一组件402可接收氧与再循环烟道气的第一比，而第二组件404可接收氧与再循环烟道气的第二比。在一个实施例中，第一比可与第二比相同。在另一个实施例中，组合流360B与馈送到第一组件402的煤的质量比可与馈送到第二组件404的质量比相同或不同。通过改变氧与再循环烟道气的比，可改变风箱的不同部分处的热释放轮廓。另外，也可针对二级喷嘴407单独地控制氧的质量比。
图6反映另一个实施例，其中，组合流360B(或320B)可通过一级喷嘴402、404和/或406而引入到切向燃烧锅炉的风箱208中，其中可控制相应的喷嘴内的浓度和分配。图6中描绘的组件402用作代表性的一级喷嘴。一级喷嘴402包括内部端口402B和外部环带402A，燃料流(例如煤)和运送气体通过内部端口402而馈送到锅炉200中，组合流360M通过外部环带402A而馈送到锅炉中。类似于上文针对图3和4所描述的那个，控制系统291、292可类似地控制一级喷嘴402的各个流体流360M、360P的分配和氧浓度，其中，喷嘴402的各个端口402A、402B是与图3和4中描述的锅炉200的区类似的区。
另外，第二组合流360M在组件402的环形通道402A中引入到风箱208中，而燃料和运送气体(其用来运送燃料)通过内部端口402而引入到炉膛中，包括组合流360P。此布置容许改变或控制包围中心燃料流的流360M中的氧浓度，这使得能够进行改变，以控制热通量，以及从而控制锅炉200内的热释放轮廓，改进喷燃器喷嘴的火焰稳定性，以及减少锅炉中的NOx。将组合流引入到包围燃料喷射流的环带中可使点火更迅速，以及提高锅炉中的燃料喷射点附近的燃烧，因为存在高浓度的氧。
在一个实施例中，参照图4，组合流360和第二氧化剂流370可在上部过度燃烧氧化剂隔室204或下部过度燃烧氧化剂隔室206处引入到锅炉200中。因而，可在上部过度燃烧氧化剂隔室204中相对于下部过度燃烧氧化剂隔室206、风箱208和/或料斗区210进行氧富化。在另一个实施例中，可在下部过度燃烧氧化剂隔室206中相对于上部过度燃烧氧化剂隔室204、风箱208和/或料斗区210进行氧富化。参照图4，其中组合流360和二级氧化剂流370引入到相应的上部或下部过度燃烧氧化剂隔室204或206中的一个实施例。上部过度燃烧氧化剂隔室204最接近水平锅炉出口平面304，而下部过度燃烧隔室206是离水平锅炉出口平面304最远的隔室。
当组合流360引入到下部过度燃烧氧化剂隔室206中时，第二氧化剂流370引入到上部过度燃烧氧化剂隔室204中，反之亦然。通过将组合流360引入到下部过度燃烧氧化剂隔室206中，下部过度燃烧氧化剂隔室206中的氧化剂流相对于上部过度燃烧氧化剂隔室204、风箱208和入口集管区210而进行氧富化。
在过度燃烧氧化剂隔室中使用充足的氧，使得燃烧过程可从下部锅炉继续，同时允许下部锅炉以比燃烧过程所需的化学计量比更低的氧燃料比运行。使通往过度燃烧氧化剂隔室的烟道气流富化的目的在于控制形成的氮氧化物(NOx)的量，以便控制下部炉膛中的温度。
参照图4，可示出与改变上部和下部过度燃烧氧化剂隔室204和206中的氧浓度有关的另一个实施例。相对于第二氧化剂流350的整体，由于补充烟道气再循环流380引入到上部过度燃烧氧化剂隔室204，上部过度燃烧氧化剂隔室204的氧浓度可被耗尽。此外，相对于二级氧化剂流370的整体，可通过将组合流360引入到下部过度燃烧氧化剂隔室206和/或风箱208中，来实现对上部过度燃烧氧化剂隔室204的耗尽。在一个实施例中，第二氧化剂流370可引入到风箱208中，而补充烟道气再循环流380则馈送到上部过度燃烧氧化剂隔室204。
上部过度燃烧氧化剂隔室相对于总体氧浓度(即，15重量%至40重量%)而耗尽氧将允许在锅炉的下部部分(其中，工作流体温度较低)中有较高的燃烧温度以及使热传递速率较高，同时降低在锅炉中较高的燃烧温度和产生的热传递速率。
由于提高上部过度燃烧氧化剂的温度所需的能量的原因，燃烧气体的温度将降低(大部分燃烧将已经完成)。在燃烧气体的温度降低时，产生的在锅炉的最接近出口平面的部分中通往锅炉壁的通量将减小。产生的热传递轮廓的改变将有益于水壁材料，特别是有益于超临界蒸汽发生器。主要好处是减少锅炉中接近锅炉出口平面处(其中，工作流体温度最高)的热传递。
使用额外的氧具有多个优点。对位于最低喷燃器组件下面的氧化剂流添加氧会更改锅炉中的吸热轮廓。更改和控制吸热轮廓的能力可提高对位于下部锅炉中的热传递表面的利用。这允许在总体上在锅炉的辐射区段中有更多的吸热。这还可降低大体在风箱上方出现的峰值温度和热传递速率，并且从而降低材料要求和灰成渣问题的可能性。
更改锅炉中的热释放轮廓可降低在恒定的热输入和烟道气再循环速率下的峰值锅炉材料温度。优点是可在没有可导致成渣问题和/或水壁管过热的峰值热能量的情况下降低烟道气再循环速率。更改锅炉中的热释放轮廓的另一个有益结果是允许较高效地利用热传递表面。改型锅炉的好处是增加热输入，并且从而提高工作流体功率，而对于新锅炉来说，可使锅炉大小减小。
另一个有益结果是改进排放特性，包括一氧化碳排放、需要的过量氧、未燃烧的碳和矿物质属性。通过控制锅炉出口温度，另一个结果是对锅炉的对流区段中的灰结垢属性的有益影响。又一个有利结果是对锅炉的下部区段中的灰成渣属性有有益影响。另一个好处是在通往锅炉的第一组合流360中使用的管道系统不必承受提高的氧浓度。好处是管道系统可由较广范围的材料构建而成，从而降低成本。在与第二氧化剂流370混合之后，仅包含第二组合流360A等的较短的管道系统需要承受较高的氧浓度。关于改型应用的另一个好处是利用现有的装置管道系统。
本发明的控制系统290、291可为开环系统，其中以预定的设置来调节或设定流体流控制装置，或者由操作者设定流体流控制装置，或者流体流控制装置可为闭环系统。作为闭环系统，可响应于锅炉和/或锅炉岛的运行和/或状况参数来调节或设定流体流控制装置。例如，流体流控制装置可响应于锅炉或锅炉岛或锅炉或锅炉岛的其它热区的热参数(诸如蒸汽温度、锅炉温度)来控制流体流。类似地，流体流控制装置可响应于运行参数(诸如系统负荷)或锅炉或锅炉岛的负荷变化来控制流体流。本发明构想到处理器或DCS可响应于感测到的输入信号(诸如运行或系统状况参数)，来对相应的流体流控制装置提供相应的控制信号。
图7示出对热释放方式的改变的示例，可通过改变烟道气再循环速率和氧添加位置来实现该改变。在图7中显示了三根曲线，它们表示在15MW试行装置中测试的三个测试状况。基本情况显示在若干个不同的高度处测得的通往炉膛的壁的热通量。热通量在主喷燃器区(例如图4中的208)中较高，并且在较高的高度处减小。注意，测得的热通量方式直接对应于炉膛中的热释放方式。较低再循环的曲线显示关于较少量的烟道气再循环的情况。在这种情况下，温度在各个高度处较高，并且因此，热通量在各个高度处较高。
较低再循环和局部O2的第三曲线显示具有与第二曲线中相同的减少的烟道气再循环以及改变在各个高度处添加的氧以调节热通量轮廓的形状的情况。在这种情况下，主喷燃器区中的最大或峰值热通量又减小回基本情况的值。这个示例的优点是在以减少的烟道气再循环运行的同时避免可超过设计极限以及使锅炉材料过热的峰值热通量的能力。改变整体烟道气再循环和在各个高度处添加的烟道气和氧的量的其它组合可对热通量轮廓的形状实现其它变化。
本发明构想到前文描述的喷嘴倾斜的特征可与本发明结合起来使用，以在例如较低负荷下对锅炉提供较大范围的控制。对锅炉中的热释放方式提供控制的本发明可用于多种应用，并且改进锅炉设计、运行和控制。这些中的一些包括
·减少再循环回到氧燃烧锅炉的烟道气的总量，从而使现有的装置的氧燃料改型和新的氧燃料装置两者有较低的资金装备成本和较低的运行成本
·升级用于氧燃料改型的现有的锅炉的蒸汽发生容量
·降低用于氧燃料应用以改进在燃氧锅炉运行期间对蒸汽发生和蒸汽温度的控制的新锅炉的大小和成本
·主动控制(开环和闭环控制两者)产生的蒸汽的量(流量)和来自氧燃料锅炉的蒸汽的温度。这包括在负荷改变、锅炉热传递阻力改变以及燃料变化期间控制蒸汽流量和温度。另外，它可与其它传统方法结合起来使用，诸如使切向燃料喷嘴倾斜和/或改变喷射的气体再循环流的总量，以扩大控制范围。
存在使用减少的烟道气再循环流的若干个可行应用。例如，对于新的氧燃料单元，可针对相同热传递任务而使锅炉水壁表面更小，因为整体炉膛热通量提高。在锅炉的下游，管道系统、气体再循环系统和污染控制装备在大小上全部都可更小，资金成本较低。由于较低的气体再循环，再循环风机的寄生功率也降低。在上部锅炉和后通道中的表面的量也可设计成适应减小的烟道气流率。
例如，对于现有的亚临界蒸汽锅炉的改型应用，可对上部锅炉区面添加较多表面，以用减少的烟道气流实现期望的过热和再加热热任务。在锅炉的下游，管道系统、气体再循环系统和污染控制装备全部都可更小，资金成本更低。由于较低的气体再循环，再循环风机的寄生功率也降低。另外，对于现有的超临界蒸汽锅炉的改型应用，可不一定需要额外的表面就可用减少的烟道气流实现期望的过热和再加热热任务，并且获得产生的好处。
也可通过优化氧和再循环烟道气的分配来提升锅炉容量。通过运用相同理念和方法来设置锅炉热通量轮廓的形状和控制锅炉热通量轮廓，蒸汽发生容量可在通过系统的同一气体再循环和气体流水平下增加。在一个实施例中，对于改型应用，可燃烧较多燃料，以及产生较多蒸汽。由于对上部锅炉区段添加额外的表面以实现期望的过热和再加热热任务，这个增加的蒸汽发生可用来比其中在蒸汽涡轮也升级的情况下未使用补充氧的相当的锅炉产生更多的电功率。
在另一个实施例中，对于改型应用，可燃烧较多燃料，以及产生较多蒸汽。作为增加净电产量的备选方案，额外蒸汽可用于氧燃料装置的其它部分中。例如，空气分离单元和气体处理单元各自利用可被使用这个蒸汽的蒸汽驱动器提供功率的压缩机。这将减少装置装备消耗的寄生电功率，以及提高净电功率。
可通过调节单独的氧化剂流(图4，流370A、370B、370C、370D)来实现对离开锅炉的蒸汽的温度的主动控制。例如，通过使用传统的燃料喷嘴倾斜控制系统，在锅炉水壁有积垢时，较少热被吸收，从而使进入下游区段的气体温度较高，这可引起若干个运行问题。通过使喷嘴向下倾斜，热的气体暴露于更多的下部锅炉水壁表面，当壁被清洁时，喷嘴向上倾斜，以再次保持恰当的吸热。可通过调节氧化剂流的流率，以改变进入到锅炉中的氧的分配，来获得类似的控制。通过增加锅炉下部(诸如在图5中，喷燃器区下部风箱隔室)中的氧化剂流的流量，同时减少上部部分中的氧化剂流会使热传递增加，以及使气体离开温度降低。相反，如果期望在下部锅炉中有较少吸热，例如如果蒸汽出口温度太低，则减少下部锅炉中的氧化剂流，以及增加上部部分(诸如在图5中，过度燃烧隔室LSOFA和USOFA)中的氧化剂流，从而使下游区段的气体温度较高和蒸汽温度提高。在粉碎燃料燃烧期间，对离开锅炉的气体温度的控制是重要的，如果气体温度超过设计状况，下游管区段可发生过热和/或严重的积垢。如果气体温度低于设计状况，则蒸汽温度不可达到期望温度。
图9表示调节获准进入氧化剂流的、在相对于炉膛出口平面的不同的高度(图4，HFOP)处引入到锅炉中的氧添加物的分配的概念。线A、B、C、D和E表示不同热传递阻力水平，如由不同的锅炉壁成渣状况表示的那样。如果在阻力水平改变时未作出运行调节，则蒸汽温度将改变，如由线1表示的那样。线2表示本发明的概念，在阻力水平从A变成E时，获准进入氧化剂流的、在相对于炉膛出口平面的不同的高度处进入锅炉的氧添加物的分配遵从线2，以保持恒定的蒸汽温度。在燃料属性或炉膛状况改变时，这也将允许有恒定的蒸汽温度控制。
也可通过调节引入到锅炉中的氧的分配来在负荷(燃料输入)改变时控制蒸汽温度。调节引入到锅炉中的氧的分配也可与其它控制方法结合起来使用，以扩大蒸汽温度控制的范围。
改变回到燃烧室的再循环烟道气的量会改变通往对流通道的气体的温度和能量，这会改变气体的冷却速率和对流区段热通量轮廓。在粉碎燃料燃烧期间，控制离开锅炉的气体温度是重要的。如果这个位置处的温度超过灰软化或灰熔化温度，则可发生严重的积垢，而且将进行过多的煤烟喷吹，从而降低装置的效率和可用性。此外，随着对流通道中的热传递轮廓改变，它可使管在一些位置过热。将允许独立地控制通往对流通道的温度和能量流率的燃烧系统将因此受益。改变烟道气再循环流率来获得蒸汽温度控制的传统手段不允许独立地控制通往对流通道的温度和能量流率。
通过在锅炉蒸汽中应用这一点，可通过调节随着氧化剂流在相对于HFOP的不同的高度处进入到锅炉中的再循环烟道气的比例来控制状况。在恒定的烟道气再循环速率下，随着再循环气体的分配改变，锅炉中的吸热方式改变。这个控制方法包括调节在风箱和过度燃烧隔室中使用的氧化剂的量之间的烟道气再循环的分配。随着再循环气体添加的分配在风箱和过度燃烧隔室之间改变，锅炉中的吸热轮廓将改变，从而允许对离开锅炉的蒸汽状况进行运行控制。
图8是曲线图，其描绘调节获准在相对于炉膛出口平面的不同的高度处进入到锅炉的再循环烟道气的比例的作用，以及改变炉膛中的热传递阻力的影响。如果在阻力水平改变时未作出运行调节，例如随着沉积在炉膛壁上的灰增加，蒸汽温度将改变，如由线1表示的那样。线2表示本发明的概念，随着阻力水平从A变成G，风箱再循环与过度燃烧再循环的比遵从线2，以保持恒定的蒸汽温度。这个控制烟道气的流率的方法是有利的，因为它允许在燃料属性或炉膛状况改变时保持恒定的蒸汽温度控制。
这个方法还可提供通过调节引入到锅炉中的气体再循环的分配来在负荷(燃料输入)改变时控制蒸汽温度的手段。在负荷改变时，期望改变吸热方式的分配来满足期望的蒸汽状况。调节引入到锅炉中的气体再循环的分配也可与其它控制方法结合起来使用，以扩大蒸汽温度控制的范围。
虽然本发明已经提供了沿切向燃烧锅炉的实施例，但本领域技术人员将理解，本发明可用于任何燃氧锅炉，包括氧壁燃式锅炉。
将理解的是，当元件被称为“在另一个元件上”时，它可直接在另一个元件上，或者在它们之间可存在居间元件。相反，当元件被称为“直接在另一个元件上”时，则不存在居间元件。如本文所用，用语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和全部组合。
将理解的是，虽然用语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可用来描述各种元件、构件、区域、层和/或区段，但这些元件、构件、区域、层和/或区段不应受这些用语的限制。这些用语仅用来区分一个元件、构件、区域、层或区段与另一个元件、构件、区域、层或区段。因而，下面论述的“第一元件”、“构件”、“区域”、“层”或“区段”可被称为第二元件、构件、区域、层或区段，而不偏离本文的教导。
本文使用的用语仅是为了描述特定的实施例，而不意于为限制性的。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”意于也包括复数形式，除非上下文另有明确地指示。将进一步理解的是，当在此说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、区域、整数、步骤、运行、元件和/或构件的存在，而不排除存在或添加一个或多个其它特征、区域、整数、步骤、运行、元件、构件和/或它们的组合。
此外，诸如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”的相对用语在本文可用来描述图中示出的一个元件与另一个元件的关系。将理解的是，相对用语意于包含除了图中描绘的定向之外的装置的不同的定向。例如，如果一幅图中的装置倒过来，被描述成在其它元件的“下部”侧的元件则将定向在其它元件的“上部”侧上。因此，示例性用语“下部”可包含“下部”和“上部”两者的定向，这取决于图的具体定向。类似地，如果一幅图中的装置倒过来，被描述成在其它元件的“下面”或“下方”的元件则将定向成在其它元件的“上方”。因此，示例性用语“下面”或“下方”可包含上方和下方两者的定向。
除非另有规定，本文使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员所普遍理解的相同的含义。将进一步理解的是，诸如在词典中普遍限定的那些的用语应被解释为具有与它们在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，而不会以理想化或过于正式的意义来解释，除非本文明确地做了这样的规定。
参照横截面图(其为理想化实施例的示意图)来在本文描述示例性实施例。因而，由于例如制造技术和/或公差而引起的相对于示意图的形状的变化是可预期的。因而，本文描述的实施例不应理解为受限于本文示出的特定区域形状，而是包括由于例如制造而引起的形状偏差。例如，被示为或描述成平坦的区域典型地可具有粗糙和/或非直线的特征。此外，所示出的锐角可为圆的。因而，图中示出的区域在性质上是示意性的，而且它们的形状不意于示出区域的确切形状，并且不意于限制所附权利要求的范围。
虽然已经参照优选实施例和各种备选实施例来描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出改变，而且等效物可代替本发明的元件，而不偏离本发明的范围。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多改良，以使具体情况或内容适于本发明的教导。因此，意于的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，本发明而是将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (13)

1.一种控制燃氧锅炉的运行的方法；所述方法包括：
在锅炉中燃烧燃料；
从所述锅炉中排出烟道气；
使所述烟道气的一部分再循环到所述锅炉；
使第一氧化剂流与再循环烟道气组合而形成组合流；其特征在于：
使所述组合流分成多个分流；以及
在所述锅炉的不同的高度处引入各个分流；
控制所述多个分流中的各个分流的体积流率，以便改变所述锅炉的热释放轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锅炉是切向燃烧锅炉。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在位于风箱下方的料斗区处，在所述风箱处，以及/或者在位于所述风箱上方的过度燃烧隔室中，相应的分流被引入到所述锅炉中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分流流中的至少一个分流在所述风箱的下部部分中被引入到所述锅炉中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述风箱中被引入到所述锅炉中的所述组合流的所述至少一个分流为所述组合流的大约50重量%至大约100重量%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个分流在所述过度燃烧隔室的下部部分中被引入到所述锅炉中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个分流在所述过度燃烧隔室的上部部分中被引入到所述锅炉中。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将第二氧化剂流添加给提供到所述锅炉的各个分流，以便形成相应的富含氧的分流；以及
选择性地控制添加给各个相应的分流的氧的量，以便改变所述锅炉的热释放轮廓。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在紧邻进入所述锅炉中的进入点的位置处，进行所述第二氧化剂流给各个相应的分流的添加。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相应的分流同时或按顺序被引入到所述锅炉中。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述富含氧的分流通过设置在内部端口周围的环形空间而引入到所述锅炉中，其中，所述内部端口将燃料和运送空气引入到所述锅炉中。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述料斗区处引入到所述过度燃烧隔室中的所述富含氧的分流包括为所述富含氧的分流的总重量的高达50重量%的氧。
13.一种系统，包括：
空气分离单元；
锅炉；
污染控制系统；以及
气体处理单元；所述空气分离单元在所述锅炉、所述污染控制系统和所述气体处理单元的上游；所述锅炉在所述污染控制系统和所述气体处理单元的上游；以及其中，烟道气通过所述空气分离单元而从所述气体处理单元再循环到所述锅炉；
其中，所述锅炉运行来接收包括氧和再循环烟道气的组合流，以与未构造成接收所述组合流的锅炉相比，实现对所述锅炉的热释放轮廓的改变。
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