CN105258110A

CN105258110A - 一种燃用低热值燃气的锅炉系统及其运行方法

Info

Publication number: CN105258110A
Application number: CN201510809707.1A
Authority: CN
Inventors: 萧琦; 王建学; 孟杰; 王杏坤; 索金莉
Original assignee: Beijing Cumt Energy Saving Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Cumt Energy Saving Technology Co Ltd
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明属于燃烧技术领域和锅炉技术领域，涉及一种燃用低热值燃气的锅炉系统及其运行方法，以热值600Kcal/m³～1000Kcal/m³的低热值燃气作为燃料，其特征在于：设置绝热燃烧室，绝热燃烧室周围没有锅炉受热面，采用耐火浇注料减少绝热燃烧室的散热，为低热值燃料稳定、完全燃烧提供空间、温度和停留时间等条件；燃烧室壳体与耐火浇注料之间的环形缝隙为助燃空气通道，耐火浇注料散失的少量热量被助燃空气吸收，提高助燃空气温度，同时减少散热损失；根据低热值燃气燃烧产物温度设置换热面面积，辐射换热面较普通锅炉减少40％～60％，对流换热面较普通锅炉增加10％～30％。本发明有效解决了低热值工艺尾气的减排、利用问题，且具有热回收效率高和运行成本低等优点。

Description

一种燃用低热值燃气的锅炉系统及其运行方法

技术领域

本发明属于燃烧技术领域和锅炉技术领域，涉及一种燃用低热值燃气的锅炉系统及其运行方法，以热值600Kcal/m³～1000Kcal/m³的低热值燃气作为燃料，通过设置间壁换热器和绝热燃烧室保证低热值燃气稳定、完全燃烧，使锅炉产生热水或蒸汽。本技术适用于以高炉煤气、炼油厂尾气、油页岩炼油尾气、制备活性炭尾气等各种低热值气体作为燃料的锅炉。

背景技术

石化、冶金、制药等行业在生产中产生大量低热值工艺尾气，如高炉煤气、炼油厂尾气、油页岩炼油尾气、制备活性炭尾气等。这些工艺尾气低热值通常在600Kcal/m³～1000Kcal/m³，在自然条件下很难连续、稳定燃烧，因此利用中有一定风险。如果直接排放，不但浪费能源而且污染环境。目前的利用方法有掺混其它燃料提高热值或高热值气体伴烧等；这些方法在利用低热值燃气的同时要消耗大量优质燃料，限制了低热值燃气的利用范围，同时利用低热值燃气的成本提高、经济效益降低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种燃用低热值燃气的锅炉系统及其运行方法，以热值600Kcal/m³～1000Kcal/m³的低热值燃气作为燃料，实现低热值燃气稳定、完全燃烧，使锅炉产生热水或蒸汽。

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃用低热值燃气的锅炉系统，包括：低热值燃气控制阀、氧气浓度传感器、可燃气体浓度传感器、高热值燃气控制阀、低热值燃气燃烧器、紫外火焰检测器、燃烧室壳体、空气过滤网、旋流叶片、绝热燃烧室、耐火浇注料、锅炉本体、锅炉本体保温层、辐射换热面、对流换热面、引风机、引风机变频控制器、烟囱，其特征在于：

低热值燃气、高热值燃气分别通过低热值燃气控制阀、高热值燃气控制阀与低热值燃气燃烧器连接，低热值燃气控制阀与低热值燃气燃烧器之间的管道上还安装有氧气浓度传感器和可燃气体浓度传感器；当低热值燃气燃烧器启动时，需要先燃烧少量高热值燃气，对绝热燃烧室进行预热，低热值燃气燃烧稳定后，关闭高热值燃气控制阀；

低热值燃气燃烧器安装在燃烧室壳体头部，燃烧室壳体头部还安装有紫外火焰检测器，用以检测燃烧状况；助燃空气从燃烧室壳体上部进入，入口处设有空气过滤网，避免杂质进入燃烧室；燃烧室壳体内安装圆筒形耐火浇注料隔热层，耐火浇注料隔热层厚度B；燃烧室壳体与耐火浇注料之间的环形缝隙为助燃空气通道，环形缝隙宽度为D；环形缝隙靠近头部位置安装有旋流叶片；耐火浇注料中部即为绝热燃烧室，绝热燃烧室横截面积为A，长度为L；

燃烧室壳体与锅炉本体前部连接；低热值燃气燃烧产生的高温烟气进入锅炉本体，加热锅炉本体内容纳的水，锅炉产生蒸汽或热水；锅炉本体后部通过引风机与烟囱连接，引风机抽出低温烟气从烟囱排出；引风机电连接引风机变频控制器，引风机转速由引风机变频控制器调节，从而调节助燃空气流量；锅炉本体外壁设置锅炉本体保温层，减少散热损失；

锅炉本体内设置辐射换热面和对流换热面。

高热值燃气可以为天然气或液化石油气。

旋流叶片倾斜角度10°～35°，使助燃空气产生切向流速，从而在绝热燃烧室形成回流火焰稳定区，增强燃烧稳定性。

根据低热值燃气燃烧产物温度和成分，辐射换热面面积较普通燃油、燃气锅炉减少40％～60％，为4.6m²/MW～6.1m²/MW；对流换热面面积较普通燃油、燃气锅炉增加10％～30％，为23.7m²/MW～27.9m²/MW。

耐火浇注料隔热层厚度B的确定应遵循B＝C₁·λ·H^0.5，其中C₁为常数取值范围为0.095～0.112；燃烧室壳体与圆筒形耐火浇注料之间的环形缝隙宽度D的确定应遵循D＝C₂·α^0.5·P^0.5/H^0.5，其中C₂为常数取值范围为0.034～0.041；绝热燃烧室横截面积A的确定应遵循A＝C₃·α·P/H，其中C₃为常数取值范围为0.32～0.45；绝热燃烧室长度L的确定应遵循L＝C₄·H/α，其中C₄为常数取值范围为1.56～1.92；以上式中，λ为耐火浇注料的导热系数，单位W/(m·K)；α为理论空气系数(即单位体积低热值燃料完全燃烧所需要的最少空气体积)，单位m³/m³；P为锅炉额定出力，单位MW；H为低热值燃料的低位燃烧热值，单位MJ/m³。

一种燃用低热值燃气的锅炉系统的运行方法，其步骤为：

1)在启动锅炉之前，检查氧气浓度传感器和可燃气体浓度传感器的示数，确保氧气浓度低于2％，可燃气体浓度在适当范围内；

2)燃用低热值燃气的锅炉启动时，先点燃高热值燃气，对绝热燃烧室进行预热，当绝热燃烧室温度超过750℃以后，即可点燃低热值燃气，同时切断高热值燃气，锅炉启动阶段结束；

3)助燃空气由燃烧室壳体上部的空气过滤网进入燃烧室壳体与耐火浇注料之间的夹层，助燃空气得到预热，同时减少燃烧室壳体的散热损失，之后助燃空气通过旋流叶片产生切向速度，进入绝热燃烧室混合燃烧，绝热燃烧室外部为耐火浇注料，减少绝热燃烧室的散热，为低热值燃料稳定、完全燃烧提供空间、温度和停留时间等条件；

4)低热值燃气燃烧产生的高温烟气进入锅炉本体，流经辐射换热面、对流换热面回收烟气热量，之后经过引风机、烟囱排入大气。

通过引风机变频控制器控制引风机转速，以控制助燃空气和低热值燃气的配比在适当的范围内。

本发明的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其创新点在于：1、设置绝热燃烧室，绝热燃烧室周围没有锅炉受热面，采用耐火浇注料进一步减少绝热燃烧室的散热，为低热值燃料稳定、完全燃烧提供空间、温度和停留时间等条件，从而实现低热值燃气作为唯一燃料的连续、稳定燃烧；2、燃烧室壳体与圆筒形耐火浇注料之间的缝隙为助燃空气通道，耐火浇注料散失的少量热量被助燃空气吸收，提高助燃空气温度，同时减少散热损失；3、根据低热值燃气燃烧产物温度和成分设置换热面面积，辐射换热面面积较普通燃油、燃气锅炉减少40％～60％，为4.6m²/MW～6.1m²/MW；对流换热面面积较普通燃油、燃气锅炉增加10％～30％，为23.7m²/MW～27.9m²/MW。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、燃用低热值燃气的锅炉系统以自然条件下无法稳定燃烧的低热值工艺尾气作为燃料，回收、利用大量能源，同时为解决低热值工艺尾气处理、减排问题提供一种技术方案；2、采用绝热燃烧室外设置空气通道及旋流器结构，燃烧室壁面散热全部被助燃空气吸收，提高燃烧稳定性的同时提高热效率；3、根据低热值工艺尾气燃烧烟气参数调整锅炉换热面，锅炉热效率提高、成本降低；4、锅炉系统负压运行，避免可燃和有害工艺尾气泄漏，保证运行安全。

附图说明

图1是本发明实施例的系统原理图。

图2是本发明实施例的燃烧室结构图。

其中，低热值燃气控制阀(1)、氧气浓度传感器(2)、可燃气体浓度传感器(3)、高热值燃气控制阀(4)、低热值燃气燃烧器(5)、紫外火焰检测器(6)、燃烧室壳体(7)、空气过滤网(8)、旋流叶片(9)、耐火浇注料(10)、绝热燃烧室(11)、锅炉本体(12)、锅炉本体保温层(13)、辐射换热面(14)、对流换热面(15)、引风机(16)、引风机变频控制器(17)、烟囱(18)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1、图2为本发明的一种实施方式。燃用低热值燃气的锅炉系统，包括：低热值燃气控制阀1、氧气浓度传感器2、可燃气体浓度传感器3、高热值燃气控制阀4、低热值燃气燃烧器5、紫外火焰检测器6、燃烧室壳体7、空气过滤网8、旋流叶片9、耐火浇注料10、绝热燃烧室11、锅炉本体12、锅炉本体保温层13、辐射换热面14、对流换热面15、引风机16、引风机变频控制器17及烟囱18。

低热值燃气通过低热值燃气控制阀1与低热值燃气燃烧器5的低热值燃气进口连接，低热值燃气控制阀1与低热值燃气燃烧器5之间的管道上还安装有氧气浓度传感器2和可燃气体浓度传感器3；高热值燃气通过高热值燃气控制阀4与低热值燃气燃烧器5的高热值燃气进口连接。低热值燃气控制阀1用于快速切断和调节低热值燃气流量；氧气浓度传感器2用于检测低热值燃气内的氧气浓度，当氧气浓度高于2％时应切断低热值燃气控制阀1；可燃气体浓度传感器3用于检测低热值燃气内的可燃气体浓度。高热值燃气控制阀4用于快速切断和调节高热值燃气流量；当低热值燃气燃烧器5启动时，需要先燃烧少量高热值燃气，对绝热燃烧室进行预热；高热值燃气可使用天然气、液化石油气等；低热值燃气燃烧稳定后，关闭高热值燃气控制阀4。

低热值燃气燃烧器5安装在燃烧室壳体7头部；燃烧室壳体7头部还安装有紫外火焰检测器6，用以检测燃烧状况；助燃空气从燃烧室壳体7上部进入，入口处设有空气过滤网8，避免杂质进入燃烧室。燃烧室壳体7内安装圆筒形耐火浇注料10隔热层；耐火浇注料10隔热层厚度B。燃烧室壳体7与圆筒形耐火浇注料10之间的环形缝隙为助燃空气通道，环形缝隙宽度为D；环形缝隙靠近头部位置安装有旋流叶片9，旋流叶片9沿气体流动方向倾斜设置，旋流叶片9倾斜角度10°～35°。耐火浇注料10中部即为绝热燃烧室11，绝热燃烧室11横截面积为A，长度为L。耐火浇注料10的作用是减少绝热燃烧室11的散热，为低热值燃料稳定、完全燃烧提供空间、温度和停留时间等条件；耐火浇注料10同时还作为间壁换热器的换热面，使流过耐火浇注料10外部的助燃空气得到预热，提高燃烧稳定性。旋流叶片9用于使助燃空气产生切向流速，从而在绝热燃烧室11形成回流火焰稳定区，增强燃烧稳定性。

耐火浇注料10隔热层厚度B的确定应遵循B＝C₁·λ·H^0.5，其中C₁为常数取值范围为0.095～0.112；燃烧室壳体7与圆筒形耐火浇注料10之间的环形缝隙宽度D的确定应遵循D＝C₂·α^0.5·P^0.5/H^0.5，其中C₂为常数取值范围为0.034～0.041。绝热燃烧室11横截面积A的确定应遵循A＝C₃·α·P/H，其中C₃为常数取值范围为0.32～0.45；绝热燃烧室11长度L的确定应遵循L＝C₄·H/α，其中C₄为常数取值范围为1.56～1.92。以上式中，λ为耐火浇注料的导热系数，单位W/(m·K)；α为理论空气系数(即单位体积低热值燃料完全燃烧所需要的最少空气体积)，单位m³/m³；P为锅炉额定出力，单位MW；H为低热值燃料的低位燃烧热值，单位MJ/m³。

燃烧室壳体7与锅炉本体12前部连接；锅炉本体12底部设有冷水进口，顶部设有热水出口；低热值燃气燃烧产生的高温烟气进入锅炉本体12，加热锅炉本体12内容纳的水，锅炉产生蒸汽或热水；锅炉本体12后部通过引风机16与烟囱18连接，引风机抽出低温烟气从烟囱18排出；引风机16转速由引风机变频控制器17调节，从而调节助燃空气流量；锅炉本体12外壁设置锅炉本体保温材料层13，减少散热损失。

燃用低热值燃气的锅炉本体12内设置辐射换热面14和对流换热面15；根据低热值燃气燃烧产物温度和成分，辐射换热面面积较普通燃油、燃气锅炉减少40％～60％，为4.6m²/MW～6.1m²/MW；对流换热面面积较普通燃油、燃气锅炉增加10％～30％，为23.7m²/MW～27.9m²/MW。

一种燃用低热值燃气的锅炉系统的运行方法，其步骤为：

1)在启动锅炉之前，应检查氧气浓度传感器2和可燃气体浓度传感器3的示数，确保氧气浓度低于2％，可燃气体浓度在适当范围内，当氧气浓度高于2％时应切断低热值燃气控制阀1。

2)燃用低热值燃气的锅炉启动时，先点燃高热值燃气，对绝热燃烧室10进行预热。当绝热燃烧室10温度超过750℃以后，即可点燃低热值燃气，同时切断高热值燃气，锅炉启动阶段结束。

3)助燃空气由燃烧室壳体7上部的空气过滤网8进入燃烧室壳体7与耐火浇注料10之间的夹层，助燃空气得到预热，同时减少燃烧室壳体7的散热损失；之后通过旋流叶片9产生切向速度，进入绝热燃烧室11混合燃烧，绝热燃烧室11外部为耐火浇注料10，可以减少绝热燃烧室的散热，为低热值燃料稳定、完全燃烧提供空间、温度和停留时间等条件。

4)低热值燃气燃烧产生的高温烟气进入锅炉本体12，流经辐射换热面14、对流换热面15回收烟气热量，之后经过引风机16、烟囱18排入大气，因低热值燃气燃烧产生的烟气温度较普通燃油、燃气锅炉降低，辐射换热面14面积较普通燃油、燃气锅炉减少40％～60％，对流换热面15面积较普通燃油、燃气锅炉增加10％～30％。

由引风机变频控制器17控制引风机16转速，以控制助燃空气和低热值燃气的配比在适当的范围内。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims

1.一种燃用低热值燃气的锅炉系统，包括：低热值燃气控制阀、氧气浓度传感器、可燃气体浓度传感器、高热值燃气控制阀、低热值燃气燃烧器、紫外火焰检测器、燃烧室壳体、空气过滤网、旋流叶片、绝热燃烧室、耐火浇注料、锅炉本体、锅炉本体保温层、辐射换热面、对流换热面、引风机、引风机变频控制器、烟囱，其特征在于：

低热值燃气、高热值燃气分别通过所述低热值燃气控制阀、所述高热值燃气控制阀与所述低热值燃气燃烧器连接，所述低热值燃气控制阀与所述低热值燃气燃烧器之间的管道上还安装有所述氧气浓度传感器和所述可燃气体浓度传感器；

所述低热值燃气燃烧器安装在所述燃烧室壳体头部，所述燃烧室壳体头部还安装有所述紫外火焰检测器；助燃空气从所述燃烧室壳体上部进入，入口处设有所述空气过滤网；所述燃烧室壳体内安装圆筒形所述耐火浇注料隔热层，所述耐火浇注料隔热层厚度为B；所述燃烧室壳体与所述耐火浇注料之间的环形缝隙为助燃空气通道，环形缝隙宽度为D；环形缝隙靠近头部位置安装有所述旋流叶片；所述耐火浇注料中部即为所述绝热燃烧室，所述绝热燃烧室横截面积为A，长度为L；

所述燃烧室壳体与所述锅炉本体前部连接；低热值燃气燃烧产生的高温烟气进入所述锅炉本体，加热所述锅炉本体内容纳的水，产生蒸汽或热水；所述锅炉本体后部通过所述引风机与所述烟囱连接，所述引风机抽出低温烟气从所述烟囱排出；所述引风机电连接所述引风机变频控制器；所述锅炉本体外壁设置所述锅炉本体保温层；

所述锅炉本体内设置所述辐射换热面和所述对流换热面。

2.如权利要求1所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，高热值燃气为天然气或液化石油气。

3.如权利要求1所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，所述旋流叶片倾斜角度10°～35°，使助燃空气产生切向流速，从而在所述绝热燃烧室形成回流火焰稳定区，增强燃烧稳定性。

4.如权利要求1所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，根据低热值燃气燃烧产物温度和成分，所述辐射换热面面积较普通燃油、燃气锅炉减少40％～60％，为4.6m²/MW～6.1m²/MW；所述对流换热面面积较普通燃油、燃气锅炉增加10％～30％，为23.7m²/MW～27.9m²/MW。

5.如权利要求1所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，所述耐火浇注料隔热层厚度B的确定应遵循B＝C₁·λ·H^0.5，其中C₁为常数取值范围为0.095～0.112，λ为耐火浇注料的导热系数，H为低热值燃料的低位燃烧热值。

6.如权利要求5所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，所述燃烧室壳体与所述耐火浇注料之间的环形缝隙宽度D的确定应遵循D＝C₂·α^0.5·P^0.5/H^0.5，其中C₂为常数取值范围为0.034～0.041，α为理论空气系数，P为锅炉额定出力。

7.如权利要求6所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，所述绝热燃烧室横截面积A的确定应遵循A＝C₃·α·P/H，其中C₃为常数取值范围为0.32～0.45。

8.如权利要求7所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统，其特征在于，所述绝热燃烧室长度L的确定应遵循L＝C₄·H/α，其中C₄为常数取值范围为1.56～1.92。

9.如权利要求1‐8任一项所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统的运行方法，它包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的一种燃用低热值燃气的锅炉系统的运行方法，其特征在于，通过引风机变频控制器控制引风机转速，以控制助燃空气和低热值燃气的配比在适当的范围内。