Модульный топливно-кислородный котельный агрегат

012129 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к котельному агрегату с подачей кислорода. Более конкретно,настоящее изобретение относится к модульному топливно-кислородному котельному агрегату, имеющему адаптируемую конструкцию. Предшествующий уровень техники Преимущества топливно-кислородных систем сжигания хорошо известны. Например, патентные документы US 6436337 и 6596220 (Gross) обеспечивают такие преимущества топливно-кислородных систем сжигания, как уменьшение загрязнения окружающей среды (уменьшение выработки оксида азотаNOx), высокий КПД, высокая температура пламени и меньшие общие физические размеры установки. Патенты Гросса, принадлежащие лицу, являющемуся заявителем по данной заявке, посредством ссылок включены в настоящее описание. Для извлечения энергии из топлива котлы обычно имеют такой принцип действия, при котором энергия вводится в жидкость (путем сжигания топлива) в основном для изменения состояния жидкости. Затем энергия извлекается из жидкости обычно в форме механического движения (или кинетической энергии). В большинстве котлов в качестве рабочей жидкости для извлечения энергии из топлива используется вода. Вода пропускается по трубам, образующим один или более экранов или пакетов внутри котла. Обычно трубчатые экраны в котлах предназначены для переноса энергии (в форме тепла) через стенки труб в воду в нескольких петлях и проходах экранов. Во время прохождения по трубам вода нагревается с повышением давления и доводится до высокого уровня энергии (и фазового перехода), проходя через этапы перегрева, промперегрева и/или сверхкритические этапы. Другие этапы, такие как экономайзер, также могут быть использованы для того, чтобы пропускать через них воду на участках топочных экранов, предшествующих участкам перегрева. Вода дополнительно нагревается конвективной передачей тепла от нагретых газов, омывающих пакеты труб (например, в экономайзере). Каждый из этапов или участков котельного агрегата сконструирован для работы, основанной на определенном механизме или явлении теплопередачи. Например, нижние топочные экраны предназначены для теплопередачи излучением, тогда как верхние пакеты, секции перегрева, промперегрева и экономайзеры предназначены для работы на принципе конвективной теплопередачи. Специалистам в данной области техники будет понятно, что механизмы теплопередачи при нагревании воды в котле не исключают друг друга. Хотя указанные структуры котельных агрегатов продолжают хорошо выполнять свое предназначение, не обязательно, что они полностью используют преимущества высоких температур пламени и низкого объема отходящих газов, свойственных топливно-кислородным системам сжигания. Соответственно, существует потребность в котельном агрегате, использующем топливно-кислородную систему сжигания, для уменьшения загрязнения окружающей среды. Желательно, чтобы такая конструкция котельного агрегата обеспечивала высокий КПД (т.е. высокое отношение тепла, переданного рабочей жидкости, к теплу, полученному от продуктов сгорания) и использовала высокую температуру пламени. Наиболее желательно, чтобы такая конструкция котельного агрегата обеспечивала более компактный общий размер установки. Сущность изобретения Модульная система котлов содержит ряд независимых, последовательно соединенных топливнокислородных котлов для производства пара из воды. Котлы выполняют функции передачи энергии, которые различаются между собой. Первый, или главный, котел имеет впускное отверстие для питающей воды, сообщающееся по потоку с множеством труб для переноса воды. Котлы выполнены с возможностью, по существу, предотвращения попадания в них воздуха. Трубы главного котла образуют по меньшей мере один водяной экран. Каждый котел включает в себя устройство подачи кислорода, имеющего чистоту свыше 21%, предпочтительно по меньшей мере около 85%, устройство подачи топлива на основе углерода и по меньшей мере одну топливнокислородную систему горелки. Система горелки подает в котел кислород и топливо в отношении, близком к стехиометрическому, для ограничения избытка либо кислорода, либо топлива на основе углерода относительно заданного допуска. Трубы каждого котла подвергаются прямому воздействию излучаемой энергии для передачи энергии пламени трубам водяного экрана. В соответствии с принятой терминологией термин водяной экран предполагает включение в него всех труб котла в зоне излучения, даже если в этих трубах может находиться пар. В одном из вариантов системы котлов второй котел является пароперегревателем, и пар,произведенный первым котлом, подается прямо в пароперегреватель. Пар, выходящий из пароперегревателя, поступает на главную паровую турбину. В другом варианте система может содержать котел промперегрева (на который подается отработанный пар из турбины высокого давления), который вновь нагревает пар в топливно-кислородном котле, аналогичном главному котлу, и подает его на турбину промперегретого пара. Передача энергии или нагрев различны для каждого из котлов. Другими словами,в главном котле вода нагревается с относительно низкого значения энергии (энтальпии) до насыщенного пара. В пароперегревателе (если он используется) пар дополнительно нагревается до перегретого состоя-1 012129 ния. Далее, в промперегревателе отработанный пар из турбины высокого давления вновь перегревается для подачи на турбину промперегретого пара. Система котлов может содержать конденсатор, установленный таким образом, что пар поступает из турбины высокого давления на одну или более турбин промперегретого пара, далее, по выбору, на одну или более турбин низкого давления и в конденсатор. В предпочтительном варианте система котлов включает в себя экономайзер. Экономайзер имеет газовый тракт, который улавливает продукты сгорания(отходящие газы или дымовые газы) из котлов, и тракт питательной воды, такой, что продукты сгорания предварительно нагревают питательную воду котла перед подачей питательной воды в главный котел. Выпускаемые впоследствии из экономайзера отходящие газы могут использоваться для предварительного нагрева окислителя топливно-кислородной системы сжигания, обычно привязанного к системе отходящих газов до любого процесса очистки нисходящего потока отходящего газа, который может потребоваться. Увеличение мощности может быть достигнуто параллельной группировкой модульных систем котлов. Топливно-кислородные горелки могут иметь конструкцию, предназначенную для различных типов топлива, таких как природный газ, нефть, уголь и другие твердые виды топлива. При использовании твердого топлива часть отходящих газов (по выбору смешанных с кислородом) может использоваться для подачи твердого топлива в котлы. Газами, подающими топливо, могут быть отходящие газы из нисходящего потока экономайзера. Эти и другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания и формулы изобретения. Перечень фигур, чертежей Преимущества настоящего изобретения станут более понятны специалистам в данной области техники после ознакомления с последующим детальным описанием и прилагающимися чертежами, где: на фиг. 1 представлена блок-схема системы с единственным котлом промперегрева/докритической температуры, имеющей модульные топливно-кислородные котлы, воплощающие принципы настоящего изобретения; на фиг. 2 представлена блок-схема системы котлов без промперегрева/докритической температуры,имеющей модульные топливно-кислородные котлы, воплощающие принципы настоящего изобретения; на фиг. 3 представлена блок-схема системы с единственным котлом промперегрева/сверхкритической температуры, имеющей модульные топливно-кислородные котлы, воплощающие принципы настоящего изобретения; на фиг. 4 представлена блок-схема системы с котлом насыщенного пара, имеющей модульный топливно-кислородный котел, воплощающий принципы настоящего изобретения. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Хотя настоящее изобретение доступно для реализации в различных формах, на чертежах показана и ниже обсуждается предпочтительная в настоящее время реализация. При этом следует понимать, что данное описание нужно считать примером настоящего изобретения и оно не предназначено для того,чтобы ограничивать изобретение конкретным иллюстрируемым вариантом. Кроме того, следует понимать, что название этого раздела описания, а именно Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, объясняется требованием Патентного Ведомства США и не должно рассматриваться как ограничивающее изложенное здесь содержание. Топливно-кислородная система сжигания использует, по существу, чистый кислород в комбинации с источником топлива для производства тепла путем производства пламени (т.е. сжигания) эффективным и не вредящим окружающей среде способом. Такая система сжигания обеспечивает высокий КПД сгорания (т.е. высокое отношение тепла, переданного рабочему телу, к теплу, полученному от продуктов сгорания) и использует высокие температуры пламени. В предпочтительной системе сжигания используется кислород относительно высокой чистоты (выше 21% и предпочтительно не менее чем 85% чистого кислорода), и объем газа, проходящий как таковой через котел, соответственно ниже. При использовании сочетания кислорода и топлива температура пламени в котле ожидается выше чем примерно 3000F(1649 С) и до примерно 5000F (2760 С). Более того, одним из эксплуатационных параметров данной системы котлов является использование топливно-кислородной системы сжигания, в которой в качестве окислителя используется не воздух,а относительно чистый кислород. Окислитель, как он здесь используется, означает газ, несущий кислород для сгорания. Например, когда в систему подается чистый (100%) кислород, то кислород составляет 100% окислителя, в то время как при использовании в качестве окислителя воздуха кислород составляет около 21% окислителя. Таким образом, объем необходимого окислителя значительно ниже (поскольку используется, по существу, только кислород, а не воздух), чем в обычных котлах, в результате этого объем подаваемого (а значит, пропускаемого через котел) газа ниже и скорость потока газа через котел ниже, чем в обычных котлах. Одним из значительных преимуществ, предоставляемых более низкими скоростью и объемом газа, является то, что общий физический размер установки может быть меньше, чем в обычных системах котлов, и, соответственно, капитальные затраты как таковые на такую систему котлов ожидаются меньшими.-2 012129 Одним из функциональных аспектов или функциональных целей данной системы котлов является извлечение в процессе сжигания максимального количества энергии (в форме теплоотдачи продуктов сгорания/отходящих газов). Это, в сочетании с более низкой скоростью потока, приводит к меньшим потерям энергии при сравнимых температурах конечных выбросов. Другим аспектом или функциональной целью данного изобретения является максимально возможное использование более высоких температур пламени. Как будет описано ниже, значительно большая часть теплопередачи от продуктов сгорания на трубы котла, а следовательно, и на рабочую жидкость(воду или пар) происходит, по существу, в виде теплового излучения, а не конвективной теплопередачи. Схематичное изображение одного варианта системы 10 котлов показано на фиг. 1. Показанная система 10 является установкой промперегрева/докритической температуры. Система включает три отдельных и различных котла, а именно котел 1 (главный котел 12) для производства пара из воды, котел 2 (котел пароперегрева 14) для производства перегретого пара и котел 3 (котел промперегрева 16). Кислород и топливо подаются в каждый из котлов через системы 18, 20 подачи окислителя и топлива. Как схематично изображено и как будет объяснено ниже, каждый из котлов 12, 14, 16 имеет свою собственную независимую топливно-кислородную систему сжигания 22, 24, 26. В такой топливнокислородной системе сжигания водяные экраны (трубы Т, см. котел 12 на фиг. 1) каждого из котлов 1216 открыты для пламени в достаточной степени для того, чтобы главная часть теплопередачи производилась с помощью механизма теплопередающего излучения, а не теплопередающей конвекции. Иными словами, наибольшая часть теплопередачи происходит благодаря непосредственной открытости труб для пламени, а не благодаря прохождению через трубы нагретых отходящих газов. Этот предпочтительный механизм теплопередающего излучения представляет собой резкий контраст обычным котлам, где используются большие, длинные и сложные газоходы (конвективные проходные каналы, конвективные проходные каналы пароперегрева, секции экономайзера и т.п.) для того, чтобы максимизировать теплопередачу через механизмы конвекции. Данная система 10 котлов дополнительно содержит экономайзер 28, передающий энергию от дымовых газов котла (предпочтительно всех котлов) питательной воде главного котла (на участке трубопровода 30 питательной воды) для предварительного нагрева питательной воды до подачи ее в главный котел 12. В данной системе кислород производится, например, путем выделения из воздуха в генераторе 32 кислорода. Специалистам в данной области техники понятны различные способы, которыми может быть обеспечен кислород для питания котлов 12-16, например подача кислорода из таких источников,как хранилище, разложение воды и т.п., причем все это входит в рамки настоящего изобретения. Топливоподача 20 может подавать любое из различных типов топлива и являться любым из различных типов подачи. Например, топливо может быть газообразным (например, природный газ), жидким, таким как нефть, дизельное топливо или другое жидкое топливо на органической или неорганической основе, или твердым топливом, таким как уголь или побочные продукты сельского хозяйства или животноводства. Все подобные конструкции 18 производства и подачи кислорода, а также варианты топлива и установок 20 топливоподачи входят в рамки настоящего изобретения и соответствуют его духу. Возвращаясь к фиг. 1, система 10 котлов показана как источник энергии для электрогенератора 34. Для этой цели система содержит турбогенераторную установку 36, имеющую электрогенератор 34, турбину высокого давления или главную паровую турбину 38, паровую турбину 40 промежуточного давления, паровую турбину 41 низкого давления и конденсатор 42. Система 10 имеет такую конструкцию, что питательная вода поступает в главный котел по трубопроводу 30 питательной воды и нагревается по мере того, как проходит по водяным трубам Т котла 12. В типичной конструкции котла вода поступает в котел 12 на относительно низкой высоте котла и поднимается по трубам во время нагревания. Это способствует тому, что трубы находятся в заполненном водой состоянии, а теплоноситель в трубах находится под давлением. Нагретый теплоноситель разделяется, и насыщенный пар покидает главный котел 12 по паропроводу 44 и поступает в пароперегреватель 14. Здесь пар дополнительно нагревается до перегретого состояния, проходя опять через трубы экранов. Перегретый пар покидает пароперегреватель 14 по главному паропроводу 46 и поступает на турбину 38 высокого давления (главную паровую). Пар более низкого давления покидает главную турбину 38 высокого давления и возвращается в промперегреватель 16 по паропроводу 48 промперегрева. Пар покидает промперегреватель 16 по трубопроводу 50 промперегретого пара и поступает на турбину промежуточного давления. После выхода из турбины 40 промежуточного давления пар по перепускному трубопроводу 43 поступает на турбину 41 низкого давления. Пар покидает турбину 41 низкого давления по выводящему из турбины трубопроводу 52 и полностью конденсируется в конденсаторе 42 (обычно при низком давлении - ниже атмосферного - так, чтобы из пара было извлечено максимальное количество энергии турбиной 40), после чего возвращается (перекачивается) в главный котел 12 через экономайзер 28, который (как изложено выше) предварительно нагревает воду до подачи ее в котел 12. Что касается топливного тракта, то, как сказано выше, топливо и окислитель подаются в каждый из котлов 12, 14 и 16 независимо. Дымовые газы покидают соответствующие котлы по газоходам, соответственно, 13, 15 и 17 и поступают в экономайзер 28, в котором газы предварительно нагревают питатель-3 012129 ную воду главного котла. Дымовые газы выходят из экономайзера 28 и могут быть использованы для предварительного нагрева окислителя в подогревателе 60 окислителя. Отходящие газы, после выхода из экономайзера 28, направляются в подогреватель 60 окислителя (по газоходу 61) и затем возвращаются(по газоходу 63) для подачи на любое оборудование переработки выбросов, в целом обозначенное номером 54, такое как газоочистители, осадители и т.п. Дополнительно, если это требуется, часть дымовых газов может быть рециркулируема, как правило, после подогрева окислителя (по рециркуляционным газоходам 56) в котлы 12-16. Рециркуляционные газоходы 56 также могут использоваться как средство доставки (в обход топливных трубопроводов 58) для подачи топлива в котлы 12-16, например для подачи в котлы распыленного угля. Специалистам в данной области техники понятно, что, поскольку скорость и общий объем газа, поступающего в котел (по существу, чистого кислорода), меньше, чем в обычных котлах, скорость и объем отходящих или дымовых газов также пропорционально ниже, чем в обычных котлах. Таким образом,оборудование 54 переработки выбросов может иметь меньший размер и быть дешевле, чем обычное оборудование энергетической установки равного размера (мощности). Схематичное изображение второго варианта системы 110 котлов показано на фиг. 2. Изображенная система 110 котлов является установкой без промперегрева/докритической температуры, и, как таковая,система содержит два отдельных и различных котла, а именно котел 1 (главный котел 112) для производства пара из воды и котел 2 (перегреватель 114) для производства перегретого пара. Котел промперегрева отсутствует. Эта система 110 в остальном сходна с вариантом системы 10 на фиг. 1 и содержит системы 118, 120 подачи окислителя и топлива (в независимые топливно-кислородные системы сжигания 122, 124) для того, чтобы независимо питать каждый из котлов 112, 114. Система 110 котлов содержит экономайзер 128, использующий дымовой газ для подогрева питательной воды перед ее подачей в главный котел 112. Отходящие газы после экономайзера 128 могут использоваться для подогрева окислителя в подогревателе 160 окислителя. В данном случае система 110 котлов также имеет турбогенераторную установку 136, имеющую электрогенератор 134, турбину высокого давления 138 (или главную паровую турбину), турбину 140 промежуточного давления, турбину 141 низкого давления и конденсатор 142. Питательная вода поступает в главный котел по трубопроводу 130 питательной воды и нагревается,проходя по водяным трубам. Нагретый теплоноситель разделяется, и насыщенный пар покидает главный котел 112 по паропроводу 144 и поступает в пароперегреватель 114, где пар нагревается до перегретого состояния. Перегретый пар покидает пароперегреватель 114 по главному паропроводу 146 и поступает на турбину 138 высокого давления. В отличие от предыдущего варианта в этой системе 110 пар, покидающий турбину 138 высокого давления, проходит по перепускному трубопроводу 143 и поступает на турбину 140 промежуточного давления (промперегреватель отсутствует). После выхода с турбины 140 промежуточного давления пар по перепускному трубопроводу 148 поступает на турбину 141 низкого давления. Пар низкого давления затем покидает турбину 141 низкого давления по ведущему из турбины на конденсатор трубопроводу 152, после чего возвращается (перекачивается) в главный котел 112 через экономайзер 128. Что касается топливного тракта, то, как и в предыдущем варианте, топливо и окислитель подаются в каждый из котлов 112, 114 независимо. Дымовые газы покидают соответствующие котлы по газоходам,соответственно, 113 и 115 и поступают в экономайзер 128 для предварительного подогрева питательной воды главного котла. Дымовые газы выходят из экономайзера 128 и могут быть использованы для предварительного подогрева окислителя в подогревателе 160 окислителя. Отходящие газы после выхода из экономайзера 128 направляются в подогреватель 160 окислителя (по газоходу 161) и затем возвращаются(по газоходу 163) для подачи на любое оборудование переработки выбросов (обозначенное как 154) после выхода из экономайзера 128. Дымовой газ может быть рециркулируем по пути 156 и/или использоваться как средство подачи топлива (например, распыленного угля) в котлы 112, 114. Другой вариант системы 210 котлов представлен на фиг. 3, показывающей установку с единственным котлом промперегрева/сверхкритической температуры. Данная система содержит два отдельных и различных котла, а именно котел 1 (главный котел 212 сверхкритической температуры) для производства пара сверхкритической температуры из воды и котел 2 (промперегреватель 216). Кислород и топливо (в независимых топливно-кислородные системах сжигания 222, 226) подаются в каждый из котлов 212, 216 по системам подачи 218, 220 окислителя и топлива. Система 210 котлов содержит экономайзер 228, использующий дымовой газ для подогрева питательной воды перед ее подачей в главный котел 212. В данном случае система 210 котлов также имеет турбогенераторную установку 236, имеющую электрогенератор 234, турбину 238 сверхкритической температуры, турбину 240 промежуточного давления, турбину 241 низкого давления и конденсатор 242. Питательная вода поступает в главный котел 212 по трубопроводу 230 питательной воды и нагревается, проходя по водяным трубам. Нагретый теплоноситель покидает котел 212 сверхкритической температуры по паропроводу 246 сверхкритической температуры и поступает на турбину 238 сверхкритической температуры. Теплоноситель (пар) покидает турбину 238 сверхкритической температуры и поступает в промперегреватель 216 по трубопроводу 248 промперегрева, затем поступает на турбину 240 про-4 012129 межуточного давления по трубопроводу промперегрева 250. Пар выходит из турбины 240 промежуточного давления по перепуску 243 и поступает на турбину 241 низкого давления. Пар низкого давления покидает турбину 241 низкого давления и конденсируется в конденсаторе 242. Конденсат затем возвращается (перекачивается) в котел 212 сверхкритической температуры через экономайзер 228. Что касается топливного тракта, то, как и в предыдущих вариантах, топливо и окислитель подаются в каждый из котлов 212, 216 независимо. Дымовые газы покидают соответствующие котлы по газоходам,соответственно, 213 и 217 и поступают в экономайзер 228 для предварительного подогрева питательной воды главного котла. Дымовые газы выходят из экономайзера 228 и могут быть использованы для предварительного нагрева окислителя в подогревателе 260 окислителя. Отходящие газы после выхода из экономайзера 228 направляются в подогреватель 260 окислителя (по газоходу 261) и затем возвращаются(по газоходу 263) для подачи на любое необходимое оборудование 254 переработки выбросов, по необходимости, после выхода из экономайзера 228. Дымовой газ может быть рециркулируем (256) и/или использоваться как средство подачи топлива (например, распыленного угля) в котлы. Еще один вариант системы 310 котлов представлен на фиг. 4, показывающей установку с котлом насыщенного пара. Данная система содержит котел 312 насыщенного пара для производства насыщенного пара и топливно-кислородную систему сжигания 322. Система 310 котлов может содержать экономайзер 328, использующий дымовой газ для подогрева питательной воды перед ее подачей в главный котел 312. Данная система 310 котлов предназначена для того, чтобы поставлять насыщенный пар на желаемое (здесь не уточняемое) теплоиспользование 360. Для этого система 310 показана имеющей требование по пару (теплоиспользование, требующее пар) и конденсатор 342, необходимость в котором будет зависеть от требования по пару 360. Питательная вода поступает в главный котел 312 по трубопроводу 330 питательной воды и нагревается, проходя по водяным трубам. Нагретый теплоноситель разделяется, например, в паровом барабане 313 на насыщенный пар и воду. Насыщенный пар покидает котел 312 из барабана 313 по паропроводу 346 и поступает на теплоиспользование 360. Теплоноситель (пар) затем может конденсироваться в конденсаторе 342 (по выбору), затем возвращается (перекачивается в виде питательной воды) в котел 312 через экономайзер 328. Что касается топливного тракта, то, как и в предыдущих вариантах, топливо и окислитель подаются в котел 312 с помощью топливно-кислородной системы сжигания 322. Дымовые газы покидают котел 312 по газоходу 313 и поступают в экономайзер 328 для предварительного подогрева питательной воды главного котла 312. Дымовые газы выходят из экономайзера 328 и могут быть использованы для предварительного нагрева окислителя в подогревателе 370 окислителя. Отходящие газы после выхода из экономайзера 328 направляются в подогреватель 370 окислителя (по газоходу 371) и затем возвращаются(по газоходу 373) для подачи на любое необходимое оборудование 354 переработки выбросов, по необходимости, после выхода из экономайзера 328. Дымовой газ может быть рециркулируем (356) и/или использоваться как средство подачи топлива (например, распыленного угля) в котел 312. Кислород подается с помощью устройства 318 подачи окислителя, а топливо - с помощью устройства 320 подачи топлива. В каждом из вариантов системы котлов 10, 110, 210, 310 котел (котлы), по существу, являются автономными установками и сконструированы для работы с целью максимизации теплопередачи, происходящей в форме механизма излучающей теплопередачи. Как таковые, котлы относительно небольшие для обеспечения эффективного воздействия на водяные экраны/трубы Т или, по крайней мере, меньше сравнимого обычного котла, использующего конвективную теплопередачу. Специалистам в данной области техники понятно, что, хотя каждый из котлов в каждой системе (например, главный котел 12, пароперегреватель 14 и промперегреватель 16 системы 10 с единственным котлом промперегрева) показан и описан как агрегат с единственным котлом, ожидается, что каждый из этих котельных агрегатов может быть выполнен как множество последовательно соединенных узлов. Например, главный котел 12 может быть реализован как два или три серийных более маленьких котла. Кроме того, хотя каждый из котлов показан имеющим одну топливно-кислородную горелку, ожидается, что каждый котел может при необходимости иметь многочисленные горелки. Понятно, что использование одного или нескольких котлов для каждого из этапов нагрева, а также одной или нескольких горелок для каждого котла дополнительно увеличивает возможности управления теплоподачей в отдельные котлы для более эффективного управления процессом в целом и параметрами пара. Как предусмотрено в вышеупомянутых патентах Гросса, энергия подается в котлы топливнокислородными системами сжигания. При использовании такого варианта главным способом теплопередачи в топке является излучение при некотором количестве конвективной теплопередачи. Поскольку такие горелки (и топливно-кислородные системы вообще) дают высокие температуры пламени, топливно-кислородные системы сжигания обеспечивают эту эффективную излучающую теплопередачу. Геометрия котла (например, прямое воздействие пламени на трубы котла) дополнительно увеличивает степень теплопередачи путем максимизации площади металлической поверхности, на которой происходит теплопередача от пламени к металлу.-5 012129 Данные котлы преимущественно максимизируют использование излучающей теплопередачи в комбинации с использованием топливно-кислородного сжигания, что может позволить котлу быть физически меньше обычного котла примерно равного размера (полезной мощности). Иными словами, поскольку в качестве окислителя используется, по существу, чистый кислород (а не воздух), для горения доступна вся совокупность окислителя, а объем подаваемого в котел газа составляет около 21% объема газа,который был бы необходим, если бы в качестве окислителя для подачи необходимого для сжигания кислорода использовался бы воздух. Таким образом, котел может быть значительно меньше, так как используется, по существу, чистый кислород, а не воздух. В дополнение, смесь топливо/кислород (опять-таки, вместо смеси топливо/воздух) приводит в результате к более высоким температурам пламени в котлах. С использованием топливно-кислородной системы можно получать температуры пламени в котле около 5000F (2760 С). Это выше примерно на величину от 1500F (815,6 С) до 2000F (1093 С), чем в обычных котлах. Также отмечено, что использование топливно-кислородной системы, в сочетании с этими более высокими температурами пламени, в результате приводит к процессу с очень высоким КПД. В имеющихся системах котлов, использующих в качестве топлива природный газ, отношение кислорода к природному газу составляет около 2,36:1. Это отношение варьируется в зависимости от чистоты подаваемого кислорода и от рода топлива. Например, при идеальных условиях 100% чистого кислорода отношение теоретически вычисляется как 2,056:1. Однако поскольку подаваемый кислород может иметь процент не кислородных составляющих (как правило, до 15%), а природный газ может не всегда быть 100% чистым, то такая вариация вполне ожидаема. Специалистам в данной области техники понятно, что пропорция может слегка варьироваться, но основа для вычисления пропорции, т.е. примерно стехиометрическое отношение топлива и кислорода, остается верной. Данное отношение кислорода к топливу обеспечивает ряд преимуществ. Например, достижение примерного стехиометрического отношения обеспечивает полное сгорание топлива, в результате чего значительно уменьшается объем оксида азота NOx и других вредных выбросов продуктов сгорания газа. Важно отметить, что тщательное регулирование отношения кислорода к топливу обеспечивает полное сгорание топлива. Это представляет собой резкое отличие от обычных энергетических установок(например, электрогенерирующих станций, питаемых ископаемым топливом), которые страдают от LOI(потерь при сгорании, loss on ignition). По существу, наличие потерь при сгорании LOI эквивалентно неполному сгоранию топлива. С другой стороны, данные системы котлов 10, 110, 210, 310 используют, по существу, чистый кислород в строго регулируемой пропорции к топливу, приближающейся к стехиометрической (с котлами, являющимися закрытыми, т.е. имеющими конструкцию, по существу, не допускающую попадание воздуха) с целью минимизировать и, по возможности, полностью устранить эти потери. В дополнение к этому, при использовании данных горелок (топливно-кислородной системы) единственным теоретически возможным источником оксида азота NOx является азот, содержащийся в топливе, а не тот, который в противном случае может появиться при сжигании с использованием воздуха. Таким образом, если оксид азота NOx не полностью устраняется, то уровень его снижается до незначительного по сравнению с обычными системами сжигания. Более того, поскольку излучающая теплопередача является желательным механизмом теплопередачи, уменьшается необходимость в конвективных газоходах внутри котла. Это также дает возможность более компактной и менее сложной конструкции котла. Данные конструкционные соображения позволяют котлам быть разработанными как автономные модульные установки. Иными словами, согласно фиг. 1, автономный главный котел 12 может быть скомбинирован с автономным пароперегревателем 14,который может быть скомбинирован с автономным промперегревателем 16. Аналогично, согласно фиг. 3 автономный главный котел 212 сверхкритической температуры может быть скомбинирован с автономным промперегревателем 216 как ядро системы 210 котлов. Такая автономная конфигурация дает преимущества в управлении по сравнению с обычными системами, где температура перегретого пара контролируется с помощью пароохлаждения (отвода тепла перегрева). Такой процесс пароохлаждения охлаждает перегретый пар путем добавления воды или пара (в виде пара или впрыска), что снижает КПД системы, но что может быть устранено путем использования отдельных котлов для парообразования и пароперегрева. Есть также преимущества во время работы с пониженной мощностью (с мощностью ниже проектной). При условиях работы с пониженной мощностью теплоподача в область парообразования может контролироваться независимо от теплоподачи в область перегрева или промперегрева, что повышает эффективность работы. Изучение теплового и материального баланса в различных конфигурациях котельных агрегатов показывает, что ожидаемые КПД предлагаемых котельных агрегатов весьма высоки и значительно выше,чем в известных системах котлов. Например, в первой установке промперегрева/докритической температуры, в главном котле, изменение энтальпии от впуска воды до выпуска пара составляет 1,95 Е 9 BTU/ч(британских тепловых единиц) при энтальпии сгорания топлива около 2,08 Е 9 BTU/ч. В котле пароперегрева изменение энтальпии от впуска пара до выпуска пара составляет 7,30 Е 8 BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 8,32 Е 8 BTU/ч, а в котле промперегрева изменение энтальпии от впуска воды до выпуска пара составляет 5,52 Е 8 BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 6,22 Е 8 BTU/ч. В результате(включая прибавку за счет экономайзера), 87,8 и 88,7%. Сходным образом, во второй установке без промперегрева/докритической температуры, в главном котле изменение энтальпии от впуска воды до выпуска пара составляет 1,99 Е 9 BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 1,97 Е 9 BTU/ч. В котле пароперегрева изменение энтальпии от впуска пара до выпуска пара составляет 1,22 Е 9 BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 1,60 Е 9 BTU/ч. В результате КПД главного котла и котла пароперегрева составляют, соответственно, 101,0 (включая прибавку за счет экономайзера) и 76,2%. Важно отметить, что экономайзер включен в расчеты по главному котлу (куда поступают отходящие газы как от котла, так и от пароперегревателя), и, таким образом, учитывается энергия отходящих газов из котла пароперегрева, в результате чего КПД выглядит как превышающий 100% (что в реальности не так). В третьем варианте с котлом промперегрева/сверхкритической температуры в главном котле сверхкритической температуры изменение энтальпии от впуска воды до выпуска пара составляет около 2,37 Е 9BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 2,72 Е 9 BTU/ч. В котле промперегрева изменение энтальпии от впуска пара до выпуска пара составляет около 6,23 Е 8 BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 7,24 Е 8 BTU/ч. В результате КПД главного котла сверхкритической температуры и котла промперегрева составляют, соответственно, 87,2 (включая прибавку за счет экономайзера) и 86,0%. В последней котельной системе или системе с котлом насыщенного пара изменение энтальпии от впуска воды до выпуска пара составляет около 3,42 Е 9 BTU/ч при энтальпии сгорания топлива около 3,73E9 BTU/ч. Потеря от продувки составляет около 0,13 Е 8 BTU/ч. В результате КПД главного котла составляет 91,7%. Табл. 1 показывает составные части материального и энергетического баланса для установки промперегрева/докритической температуры в разбивке по котлам. Табл. 2 показывает составные части материального и энергетического баланса для установки без промперегрева/докритической температуры в разбивке по котлам. Табл. 3 показывает составные части материального и энергетического баланса для установки промперегрева/сверхкритической температуры в разбивке по котлам. Табл. 4 показывает составные части материального и энергетического баланса для установки насыщенного пара. Следует отметить, что значения составных частей материального и энергетического баланса в табл. 3 для установки промперегрева/сверхкритической температуры показывают первую и вторую котельные секции, которые были суммированы для определения КПД и для соответствия схематическому изображению на фиг. 3. В каждом из суммарных подсчетов значений составных частей материального и энергетического баланса в табл. 1-3 значения удельной и общей энтальпии - от впуска воды до соответствующего этапа сгорания до экономайзера. Таблица 1 Составные части материального и энергетического баланса для системы котлов промперегрева/докритической температуры-7 012129 Таблица 2 Составные части материального и энергетического баланса для системы котлов без промперегрева/докритической температуры Таблица 3 Составные части материального и энергетического баланса для системы котлов промперегрева/сверхкритической температуры Таблица 4 Составные части материального и энергетического баланса для котельной системы насыщенного пара Как было указано выше, каждая из систем котлов отличается от обычных процессов в двух принципиальных областях. Во-первых, в обычных процессах сжигания используется воздух (как окислитель для подачи кислорода), а не чистый кислород. Кислородная составляющая воздуха (около 21%) используется для сгорания, в то время как другие составляющие (по существу, азот) раскаляются в топке и выбрасываются из нее. Во-вторых, в процессе согласно изобретению используется кислород и топливо в отношении, приближающемся к стехиометрическому (с допуском около 5%). Иными словами, только достаточное количество окислителя подается к топливу в такой пропорции, чтобы обеспечить полное сжигание топлива в пределах заранее установленного допуска. И это выполняется в многочисленных котловых компонентах или модулях в виде скоординированной системы, причем каждый модуль нагревает на соответствующем необходимом этапе (например, главный котел, область перегрева, область промперегрева).-8 012129 Использование данной системы сжигания несет множество преимуществ и выгод. Отмечено, как описывается ниже, что расход топлива для производства эквивалентного количества энергии или тепла снижается. Важно, что в результате это приводит к огромному снижению загрязняющих выбросов. Повторим, что в некоторых применениях выброс оксида азота NOx может быть сведен, по существу, к нулю. В дополнение к этому отмечено, что, поскольку количество пропускаемых через систему газов значительно ниже, чем в обычных котлах, объем выброса отходящих газов также пропорционально ниже. Фактически, если ввод окислителя (т.е. кислорода в данной системе вместо воздуха в обычной) составляет около 21% от объема в обычных системах, то и выброс составляет около 21% от объема в обычных системах (в случае с твердым топливом эта величина может составлять, например, 40%, поскольку необходимо определенное количество транспортирующего газа для подачи твердого топлива в котел). Также ожидается, что составляющей газовых выбросов будет вода (в виде пара), которая может быть сконденсирована или высвобождена в другой форме, а также CO2. Ожидается также, что CO2 будет улавливаться в концентрированной форме для использования в других промышленных и/или коммерческих применениях и/или для консервирования. Также установлено, что использование смеси топливо/кислород (вместо смеси топливо/воздух) в результате дает более высокие температуры пламени, как это показано выше. При использовании топливно-кислородной системы может быть достигнута температура пламени около 5000F (2760 С). Это выше примерно на 1500-2000F (815,6-1093 С), чем в других, известных котлах. Также отмечено, что использование топливно-кислородной системы, в сочетании с этими более высокими температурами пламени, дает в результате очень высокий КПД процесса. В настоящем описании единственное число существительного должно пониматься как включающее значение и единственности, и множественности. И наоборот, любое упоминание множественных компонентов должно, где это уместно, включать значение единственности. Из вышеизложенного понятно, что могут быть осуществлены многочисленные модификации и вариации без отступления от сущности и выхода за рамки настоящего изобретения. Следует понимать, что не подразумевалось и не должно возникать никаких ограничений по отношению к конкретным проиллюстрированным вариантам. Данный документ с приложенной к нему формулой изобретения имеет своей целью включить в себя все те модификации, которые попадают в рамки формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Модульная система топливно-кислородных котлов для производства пара из воды, содержащая первый котел, имеющий впускное отверстие для питательной воды, сообщающееся по потоку с множеством труб для протекания воды, образующих по меньшей мере один водяной экран, причем первый котел выполнен с возможностью, по существу, предотвращения попадания в него воздуха; устройство подачи кислорода в первый котел для подачи кислорода, имеющего чистоту более 21%; устройство подачи топлива на основе углерода в первый котел; по меньшей мере одну топливно-кислородную систему горелки первого котла, подающую в первый котел кислород и топливо на основе углерода в отношении, близком к стехиометрическому, для ограничения избытка либо кислорода, либо топлива на основе углерода относительно заданного допуска, причем трубы первого котла подвергаются прямому воздействию излучаемой энергии для передачи энергии воде для производства пара; второй котел, имеющий множество труб, последовательно подключенный к первому котлу и выполняющий функцию переноса энергии, отличную от функции первого котла, причем трубы второго котла образуют по меньшей мере один водяной экран, а второй котел выполнен с возможностью, по существу, предотвращения попадания в него воздуха; устройство подачи кислорода во второй котел для подачи кислорода, имеющего чистоту более 21%; устройство подачи топлива на основе углерода во второй котел; по меньшей мере одну топливно-кислородную систему горелки второго котла, подающую во второй котел кислород и топливо на основе углерода в отношении, близком к стехиометрическому, для ограничения избытка либо кислорода, либо топлива на основе углерода относительно заданного допуска,причем трубы второго котла подвергаются прямому воздействию излучаемой энергии для передачи энергии для производства пара, при этом первый и второй котлы выполнены независимыми друг от друга и последовательно подключены один к другому. 2. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что устройство подачи кислорода в первый котел подает кислород с чистотой около 85%. 3. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что устройство подачи кислорода во второй котел подает кислород с чистотой около 85%. 4. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что первый котел является главным котлом, а второй котел является пароперегревателем, причем пар, произведенный первым котлом, подается прямо в пароперегреватель. 5. Модульная система по п.4, отличающаяся тем, что содержит паровую турбину, на которую пода-9 012129 ется пар, выходящий из пароперегревателя. 6. Модульная система по п.5, отличающаяся тем, что содержит котел промперегрева, имеющий множество труб, причем котел промперегрева соединен последовательно с главным котлом и пароперегревателем и выполняет функцию переноса энергии, отличную от функций главного котла и пароперегревателя, причем трубы котла промперегрева образуют по меньшей мере один водяной экран, а котел промперегрева выполнен с возможностью, по существу, предотвращения попадания в него воздуха, при этом система котла промперегрева содержит устройство подачи кислорода с чистотой более 21%, устройство подачи топлива на основе углерода и по меньшей мере одну топливно-кислородную горелку котла промперегрева, которая подает в котел промперегрева кислород и топливо на основе углерода в отношении, близком к стехиометрическому, для ограничения избытка либо кислорода, либо топлива на основе углерода относительно заданного допуска, причем трубы котла промперегрева подвергаются прямому воздействию излучаемой энергии для передачи энергии для перегрева пара, при этом котел промперегрева выполнен независимым от главного котла и пароперегревателя, с возможностью питания от выпуска паровой турбины и с возможностью производства пара. 7. Модульная система по п.6, отличающаяся тем, что устройство подачи кислорода в котел промперегрева подает кислород с чистотой около 85%. 8. Модульная система по п.6, отличающаяся тем, что содержит турбину промежуточного давления,на которую подается пар, произведенный котлом промперегрева. 9. Модульная система по п.8, отличающаяся тем, что содержит турбину низкого давления, причем пар, выходящий из турбины промежуточного давления, подается на турбину низкого давления, а пар,выходящий из турбины низкого давления, подается в конденсатор. 10. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что содержит экономайзер, включающий газовый тракт и тракт питательной воды, причем отходящие газы из первого и второго котлов поступают в газовый тракт экономайзера, а питательная вода поступает через экономайзер во впускное отверстие для питательной воды. 11. Модульная система по п.10, отличающаяся тем, что первый и второй котлы являются котлами,работающими на твердом топливе, причем часть отходящих газов используется для подачи твердого топлива по меньшей мере в один из котлов. 12. Модульная система по п.11, отличающаяся тем, что часть отходящих газов используется для подачи твердого топлива в первый и второй котлы. 13. Модульная система по п.11, отличающаяся тем, что часть отходящих газов, которая используется для подачи твердого топлива по меньшей мере в один из котлов, отбирается из выходного газохода отходящих газов из экономайзера. 14. Модульная система по п.10, отличающаяся тем, что отходящие газы, выходящие из газового тракта экономайзера, предварительно подогревают подаваемый кислород для устройств подачи кислорода в первый и второй котлы. 15. Модульная система по п.1, отличающаяся тем, что первый котел является главным котлом, второй котел является котлом промперегрева, причем система содержит главную паровую турбину и турбину промежуточного давления, при этом пар из главного котла подается на главную паровую турбину, пар из главной турбины подается в котел промперегрева, а пар из котла промперегрева подается на турбину промежуточного давления. 16. Модульная система по п.15, отличающаяся тем, что содержит турбину низкого давления, на которую подается пар из турбины промежуточного давления. 17. Модульная система по п.16, отличающаяся тем, что содержит конденсатор, в который подается пар, выходящий из турбины низкого давления. 18. Модульная система по п.15, отличающаяся тем, что содержит экономайзер, включающий газовый тракт и тракт питательной воды, причем отходящие газы из главного котла и котла промперегрева выходят через экономайзер, а питательная вода из конденсатора поступает через экономайзер во впускное отверстие для питательной воды. 19. Модульная система по п.18, отличающаяся тем, что главный котел и котел промперегрева являются котлами, работающими на твердом топливе, причем часть отходящих газов используется для подачи твердого топлива по меньшей мере в один из котлов. 20. Модульная система по п.19, отличающаяся тем, что часть отходящих газов используется для подачи твердого топлива в главный котел и котел промперегрева. 21. Модульная система по п.20, отличающаяся тем, что часть отходящих газов, которая используется для подачи твердого топлива по меньшей мере в один из котлов, отбирается из выходного газохода отходящих газов из экономайзера. 22. Модульная система по п.18, отличающаяся тем, что отходящие газы, выходящие из газового тракта экономайзера, предварительно подогревают кислород для устройств подачи кислорода в главный котел и котел промперегрева.- 10012129 23. Система котлов для производства пара из воды, содержащая ряд последовательно установленных котлов, причем каждый котел имеет впускное отверстие, сообщающееся по потоку с множеством труб для протекания воды, образующих по меньшей мере один водяной экран, при этом каждый котел выполнен с возможностью, по существу, предотвращения попадания в него воздуха и содержит устройство подачи кислорода с чистотой более 21%, устройство подачи топлива на основе углерода и по меньшей мере одну топливно-кислородную систему горелки для подачи кислорода и топлива на основе углерода в соответствующий котел в отношении, близком к стехиометрическому, для ограничения избытка либо кислорода, либо топлива на основе углерода относительно заданного допуска, причем трубы каждого из котлов подвергаются прямому воздействию излучаемой энергии для передачи энергии, а каждый котел выполнен независимым от других котлов. 24. Система по п.23, отличающаяся тем, что каждое из устройств подачи кислорода в котлы подает кислород с чистотой около 85%. 25. Система по п.23, отличающаяся тем, что содержит несколько рядов последовательно установленных котлов, причем каждый из рядов параллелен другому. 26. Система по п.25, отличающаяся тем, что каждый ряд аналогичен каждому из остальных рядов.