CN100386565C - 一种加氢贫燃预混燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加氢贫燃预混燃烧装置，包括加热炉膛、对流换热室、蒸汽发生器、天然气重整器、预混烧嘴，以及由小型电动机带动的座动机构。座动机构上设有插入加热炉膛内部的点火头。预混烧嘴设有三个气流入口，分别通过空气管道与设在加热炉膛外部的鼓风机连接，通过天然气管道与天然气源连接，通过重整气管道与天然气重整器的重整气出口连接。蒸汽发生器的入口通过水管与水源相连通，采用自来水或软化水进行补给，蒸汽发生器的出口通过水蒸气管道与天然气重整器的水蒸汽入口相连通。天然气重整器的天然气入口通过天然气管道与天然气源连接。本发明充分利用掺混氢气的优点，即宽可燃极限和高燃烧速度，实现低NOx排放、高燃烧效率的双重目的。

Description

一种加氢贫燃预混燃烧装置
技术领域
本发明涉及一种用于天然气采暖用的加氢预混燃烧采暖系统，属于采暖锅炉供热技术领域。
背景技术
随着我国经济的发展，一次能源的消费总量快速上升，污染日趋严重，酸雨覆盖的范围已经超过我国国土面积的三分之一；另一方面，随着能源结构的改变，油气燃料的消费呈现快速增长势头，导致酸雨中硝酸根离子的比重也逐年上升。2000年全国氮氧化物(NOx)的排放量达到1880万吨，已经超过了我国的环境允许容量。NOx被认为是燃烧利用的主要污染物之一。在低空中的少量存在就可对人体产生不利影响，进入高空后即成为破坏臭氧层的元凶。
我国的全国性NOx排放主要来自燃煤电厂和各种工业锅炉。城市的NOx排放主要来自交通车辆和冬季取暖设备。目前，对交通车辆污染物减排措施力度不断加大，从一定程度上缓解了城市环境恶化的趋势。而随着西气东输规模的扩大，发达地区的大城市纷纷限制燃煤供暖，改用相对清洁的天然气燃料，这对于提高空气质量和提升城市品位都具有重要的意义。
然而，天然气的传统燃烧利用却有其局限性。从表1可见，天然气替代煤和石油可使燃烧后污染物排放大幅降低，其中SOx和粉尘的下降最为显著。但是，NOx的下降程度却不太明显。可以说，燃烧天然气最严重的污染物为NOx。随着天然气逐渐成为我国大城市供暖的主要燃料，其燃烧导致的城市NOx污染日益引起人们关注。北京市已于2002年3月开始实施的《锅炉污染物综合排放标准》DB11/139-2002规定，燃气锅炉的NOx排放限值为200mg/m3。相比之下，发达国家对NOx的排放量限制要严格得多。以欧洲为例，燃气设施的排放标准为：大负荷设备(大于300兆瓦)的NOx排放水平低于100mg/m3，小负荷设备应低于150mg/m3。
天然气燃料中氮的含量可以忽略不计，因此在天然气燃烧生成的NOx中，氮和氧均主要来源于空气。大量试验表明：在天然气燃烧过程中，生成的一氧化氮(NO)约占氮氧化物生成总量的90％。因此，在考虑NOx在燃烧中的生成机理时，主要针对NO的生成机理。对于天然气燃烧，主要的NO生成途径包括T-NO(热力型)和P-NO(快速型)两种，后者的生成量比前者要低一个量级。燃烧温度超过1600℃时，热力NO的产生量快速增加，燃烧温度越高，生成量越大。
表1石油、煤炭和天然气的燃烧污染排放量比较(千克)
  排放物   1吨油  煤炭(1吨油当量)   天然气(1吨油当量)
  SO2(折合SOx)   20(未脱硫)   6(80％硫脱除)   /
  NO2(折合NOx)   6(工业用)   11(工业用)   4(工业用)
  CO   6-30   4.5-20   0.5-3
  未燃烃(CnHm)   0.5   0.3   0-0.45
  飞灰   /   1.4   /
控制NOx排放的措施分两大类。一类是尾部加装烟气脱硝装置，但其初投资高、运行费用昂贵；另一类是通过燃烧技术的改进(包括先进的低NOx燃烧器)降低NOx排放量，由于这种措施投资、运行费用低，是当前各工业国下大力气不断完善的技术手段。
天然气的传统燃烧方式为扩散燃烧。如果不对NOx进行控制，NOx排放量很容易达到几百mg/m3的水平，在高温条件下甚至可达到数千mg/m3。对于扩散燃烧，先进的低NOx燃烧技术包括分级燃烧技术和烟气再循环燃烧技术等。分级燃烧技术通过分段组织燃气或空气，使燃气燃烧时形成不同的燃烧区段，形成有助于抑制NOx生成的条件。该技术可以降低60％的NOx生成量，较好的产品可以达到30-50mg/m3的水平。烟气再循环燃烧技术是抽取一部分低温烟气直接送入燃烧区域或者与一次风、二次风混合后进行燃烧，既降低了燃烧温度，又降低了氧气浓度，NOx排放可降低20-50％。
另一种燃烧方式为预混合燃烧，这是近年来发展起来的进一步降低NOx排放的新方向。采用贫燃料、预混合的燃烧方式，可以大幅度降低燃烧室温度，从而降低NOx排放。但是由于自由的预混火焰对压力波动非常敏感，容易发生燃烧振荡。操作工况越接近贫燃极限，NOx排放固然得到降低，振荡的可能性却显著增加。另一方面，操作工况越接近贫燃极限，火焰传播速度越慢，导致燃烧效率下降，表现为一氧化碳(CO)排放增加。
发明内容
为解决城市中天然气燃烧采暖锅炉的NOx排放污染问题，同时实现稳定、高效的燃烧工况，本发明提出了一种加氢贫燃预混燃烧装置，包括加热炉膛，对流换热室，安装在所述对流换热室上游侧壁的蒸汽发生器，安装在所述对流换热室下游的天然气重整器，安装在所述加热炉膛底部的用于将空气、天然气和重整气进行预混的预混烧嘴，以及布置在所述加热炉膛下面的由小型电动机带动的座动机构，所述座动机构上设有插入所述加热炉膛内部的点火头：
所述预混烧嘴设有三个气流入口，分别通过空气管道与设在加热炉膛外部的鼓风机连接，通过天然气管道与天然气源连接，通过重整气管道与所述天然气重整器的重整气出口连接；
所述蒸汽发生器的入口通过水管与水源相连通，采用自来水或软化水进行补给，所述蒸汽发生器的出口通过水蒸气管道与所述天然气重整器的水蒸汽入口相连通；
所述天然气重整器的天然气入口通过天然气管道与天然气源连接。
作为本发明的一种改进，所述加热炉膛的上部为辐射换热区，其内布置有高温换热器。
作为本发明的另一种改进，所述对流换热室内还安装有低温换热器。
本发明的优点在于：在本发明中设置了天然气重整器，对部分天然气燃料进行重整，制取少量氢气进行燃料掺混；采用了弱旋流预混烧嘴，对空气、重整气和天然气进行预混，并产生旋流火焰，实现稳定燃烧。采用本发明可实现低NOx排放、高燃烧效率(低CO排放)的双重目的。对于热负荷300kW以下的天然气贫燃预混燃烧装置，NOx排放可以达到25mg/m3以下，CO排放不超过20mg/m3。
附图说明
图1为本发明的第一个实施例的示意图。
图2为本发明的第二个实施例的示意图。
图3为本发明的第三个实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
本发明的第一个实施例如图1所示，所述加氢贫燃预混燃烧装置包括加热炉膛1和对流换热室2，安装在对流换热室2上游侧壁的蒸汽发生器3，安装在对流换热室2下游的天然气重整器4，安装在加热炉膛1底部的用于将空气、天然气和重整气进行预混的预混烧嘴5，以及布置在加热炉膛1下面的由小型电动机带动的座动机构7，座动机构7上设有插入加热炉膛1内部的点火头8。所述点火头8采用高压放电形式进行点火。
预混烧嘴5设有三个气流入口，分别通过空气管道与设在加热炉膛外部的鼓风机6连接，通过天然气管道与天然气源连接，通过重整气管道与天然气重整器4的重整气出口连接。所述预混烧嘴5为旋流烧嘴，采取天然气或空气切向进气产生旋流。或者在预混烧嘴5的出口上游布置旋流器，实现旋流。
蒸汽发生器3的入口通过水管与水源相连通，采用自来水或软化水进行补给，蒸汽发生器3的出口通过水蒸气管道与天然气重整器4的水蒸汽入口相连通。
天然气重整器4的天然气入口通过天然气管道与天然气源连接。天然气重整器4采用镍基催化剂进行催化重整制氢，其工作温度在700-900℃之间，化学反应式为：H2O+CH4＝CO+3H2，以及H2O+CO＝CO2+H2。
本发明第一个实施例所述的加氢贫燃预混燃烧装置的工作过程如下：
1)启动座动机构7，将点火头8置于预混烧嘴5的正上方，进行连续打火；
2)启动开启鼓风机6为预混烧嘴5提供空气，随即打开天然气供应，调节天然气和空气各自的流量，实现稳定的预混火焰，将点火头8后退，置于非工作状态；
3)为蒸汽发生器3提供补给水，启动蒸汽发生器3，水被加热产生蒸汽后，从下游进入天然气重整器4；
4)将部分天然气引入天然气重整器4，启动天然气重整器4，天然气与水蒸气发生重整反应，形成富含氢气的重整气，重整气从下游进入预混烧嘴5；
5)将重整气引入预混烧嘴5，在预混烧嘴5内，重整气、天然气和空气得到充分预混后，在加热炉膛1内得到燃烧。
图2显示了本发明的第二个实施例，它在上述第一个实施例的基础上，在所述加热炉膛上部的辐射换热区内布置有高温换热器9。所述高温换热器9可以是板式换热器或者管壳式换热器。在本发明第二个实施例的工作过程中，可将待加热工质引入高温换热器9，工质在换热器内得到加热，作为热载体流出换热器的同时实现热量输出。
图3显示了本发明的第三个实施例，它在上述第一个实施例的基础上，根据空间裕度，在对流换热室2内安装低温换热器10。所述低温换热器10可以为板式换热器或者管壳式换热器。在本发明第三个实施例的工作过程中，可将待加热工质引入低温换热器10，工质在换热器内得到加热，作为热载体流出换热器的同时实现热量输出。
本发明的创新点在于：第一，在对流换热室侧壁布置了天然气重整器，对部分天然气燃料进行重整，制取少量氢气进行燃料掺混，采用预混合、贫燃料的燃烧方式释放热量，充分利用氢的高反应活性、宽可燃极限和高燃烧速度的优势，达到稳定和高效燃烧的目的；第二，采用弱旋流预混烧嘴，实现特定的火焰形式进行燃烧放热，进一步增强了火焰的稳定性，实现安全的控制和运行。
虽然本发明的多个实施例被描述了，但是本领域的熟练技术人员可以做适当的改进，而不脱离本发明的精神和保护范围。例如在第二个实施例的基础上，还可以在对流换热室2内安装低温换热器。

Claims (7)

1.一种加氢贫燃预混燃烧装置，包括加热炉膛和对流换热室，其特征在于，所述加氢贫燃预混燃烧装置还包括：安装在所述对流换热室上游侧壁的蒸汽发生器，安装在所述对流换热室下游的天然气重整器，安装在所述加热炉膛底部的用于将空气、天然气和重整气进行预混的预混烧嘴，以及布置在所述加热炉膛下面的由小型电动机带动的座动机构，所述座动机构上设有插入所述加热炉膛内部的点火头；
所述预混烧嘴设有三个气流入口，分别通过空气管道与设在加热炉膛外部的鼓风机连接，通过天然气管道与天然气源连接，通过重整气管道与所述天然气重整器的重整气出口连接；
所述蒸汽发生器的入口通过水管与水源相连通，采用自来水或软化水进行补给，所述蒸汽发生器的出口通过水蒸气管道与所述天然气重整器的水蒸汽入口相连通；
所述天然气重整器的天然气入口通过天然气管道与天然气源连接。
2.根据权利要求1所述的加氢贫燃预混燃烧装置，其特征在于：所述加热炉膛的上部为辐射换热区，其内布置有高温换热器。
3.根据权利要求2所述的加氢贫燃预混燃烧装置，其特征在于：所述高温换热器为板式换热器或者管壳式换热器。
4.根据权利要求1或2所述的加氢贫燃预混燃烧装置，其特征在于：所述对流换热室内还安装有低温换热器。
5.根据权利要求4所述的加氢贫燃预混燃烧装置，其特征在于：所述低温换热器为板式换热器或者管壳式换热器。
6.根据权利要求1所述的加氢贫燃预混燃烧装置，其特征在于：所述预混烧嘴为旋流烧嘴，采取天然气或空气切向进气产生旋流。
7.根据权利要求1所述的加氢贫燃预混燃烧装置，其特征在于：所述预混烧嘴的出口上游布置有旋流器，实现旋流。
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