CN105333449B - 低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，包括：蒸汽锅炉、用于向蒸汽锅炉内喷射火焰燃烧放热的燃烧器、以及用于将蒸汽锅炉上的高温烟气出口连接至烟囱的烟气管道。其中，该系统进一步包括：第一换热器，第一换热器设于烟气管道中，第一换热器包括烟气流路和空气流路；气体输送管路，流经第一换热器的空气流路的空气与流经烟气流路的高温烟气换热后经由气体输送管路输送至燃烧器助燃；以及烟气回流支管，烟气回流支管的入口端于高温烟气出口与第一换热器之间与烟气管道连通，烟气回流支管的出口端与气体输送管路连通以将烟气管道中的部分烟气与预热空气一起回流至燃烧器助燃。

Description

低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统

技术领域

本发明涉及一种锅炉设备，特别涉及一种蒸汽锅炉燃烧系统。

背景技术

蒸汽锅炉是目前广泛应用的一种燃烧供能系统，其能耗大、污染严重。采用天然气作为原料的蒸汽锅炉已经部分取代了以煤块作为燃料的传统锅炉，然而其所带来的能源损耗和对环境的污染问题至今仍是业界的研究重点，现有的研究不仅关注制造研发新型的蒸汽锅炉，还关注对现有的蒸汽锅炉的节能改造。

如中国专利公开第203323157U号揭示的一种蒸汽锅炉烟气余热回收系统，该系统包括蒸汽锅炉，蒸汽锅炉的烟气出口设置有换热器，换热器包括箱体，箱体内设有隔板，隔板将箱体分为上下两个独立的烟气通道和冷却气体通道，箱体内设有贯穿烟气通道和冷却气体通道的导热管，烟气通道的进口与烟气出口连接，冷却气体通道的出口与蒸汽锅炉的炉膛连接。然而，该蒸汽锅炉烟气余热回收系统存在以下缺点或不足：(1)、换热器采用翅片式导热管构造，换热效率低；(2)、由于燃烧气体中含氧量高，导致烟气中的氮氧化合物和二氧化碳含量高，不符合低碳环保要求。

又如中国专利公开第204593429U号揭示的一种分体燃烧式燃气蒸汽锅炉节气系统，包括燃气蒸汽锅炉、热管换热器和烟囱，在热管换热器冷侧端的烟道入口连接有用于引入低温新风的风机，与该烟道入口相连通的热管换热器出口位置连接有分体燃烧器，分体燃烧器的出气口与燃气蒸汽锅炉的进气口相连，燃气蒸汽锅炉的出气口连接有节能器，该节能器的出气口与热管换热器的热侧端烟道入口相连，与该热侧端烟道入口相连通的热管换热器出口与烟囱相连。然而，该分体燃烧式燃气蒸汽锅炉节气系统存在以下缺点或不足：(1)、尽管采用了节能器和热管换热器二级利用烟气余热，但是未清楚揭示节能器的构造及其与系统其它元件的连接关系；(2)、由于燃烧气体中含氧量高，导致烟气中的氮氧化合物和二氧化碳含量高，不符合低碳环保要求。

因此，提供一种能源利用率高且能够有效减少环境污染的蒸汽锅炉低氧燃烧系统成为业内急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，其能够通过对天然气喷射方向的控制以及通过确保低氧燃烧而保证燃烧效果，从而有效降低有害燃烧产物的排放，并能够进行高效烟气余热回收利用且便于对现有的蒸汽锅炉进行改造。

根据本发明的方案，提供一种低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，包括：蒸汽锅炉、用于向蒸汽锅炉内喷射火焰燃烧放热的燃烧器、以及用于将蒸汽锅炉上的高温烟气出口连接至烟囱的烟气管道。其中，该低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统进一步包括：第一换热器，第一换热器设于烟气管道中，第一换热器包括烟气流路和空气流路；气体输送管路，流经第一换热器的空气流路的空气与流经烟气流路的高温烟气换热后经由气体输送管路输送至燃烧器助燃；以及烟气回流支管，烟气回流支管的入口端于高温烟气出口与第一换热器之间与烟气管道连通，烟气回流支管的出口端与气体输送管路连通以将烟气管道中的部分烟气与预热空气一起回流至燃烧器助燃。

优选地，该系统进一步包括设于气体输送管路中的混合器，混合器将气体输送管路分隔为位于第一换热器与混合器之间的第一段管路以及位于混合器与燃烧器之间的第二段管路，混合器包括空气及烟气入口、燃气入口以及混合气出口，空气及烟气入口与气体输送管路的第一段管路连通，混合气出口与气体输送管路的第二段管路连通，燃气入口通过燃气管路连接至燃气源，使得来自燃气入口的燃气与来自气体输送管路的第一段管路的预热空气及回流烟气在混合器内混合成燃气混合气，燃气混合气经由混合气出口通过气体输送管路的第二段管路输送至燃烧器燃烧。

可选择地，气体输送管路可以直接将烟气与预热空气一起输送至燃烧器助燃，并采用单独的燃气通道向燃烧器输送燃气。根据该方案，则可不采用混合器。

其中，燃气可以为天然气、煤气、液化石油气等，优选采用天然气。

可选择地，燃烧器包括内燃烧筒，内燃烧筒内部形成中心火焰通道，气体输送管路的第二段管路与中心火焰通道连通以将来自混合器的燃气混合气输送至燃烧器内燃烧。具体地，内燃烧筒包括设于一端壁的第一燃气混合气入口、设于另一端壁的中心火焰出口、以及邻近中心火焰出口设于内燃烧筒内部的用于缩短中心火焰长度以防止脱火的阻火器，第一燃气混合气入口与气体输送管路的第二段管路连通。

其中，阻火器可以为现有技术中用于避免脱火的任意元件。脱火亦称“火焰脱离”。当新鲜可燃混合气的流速超过火焰传播速度时，使火焰前锋不能驻定而沿来流方向传播的现象。脱火会造成燃烧中断，因此必须避免。

可选择地，阻火器可以为多孔陶瓷板、蜂窝陶瓷板、多孔不锈钢板或耐热金属丝网等。

优选地，燃烧器进一步包括套置在内燃烧筒外周的外燃烧筒，外燃烧筒的内壁与内燃烧筒的外壁之间的空间形成外围火焰通道，低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统进一步包括用于将来自混合器的燃气混合气的一部分分流至外围火焰通道的分流管，以将来自混合器的燃气混合气分别输送至中心火焰通道和外围火焰通道内进行分通道燃烧。具体地，外燃烧筒包括位于一端的封闭端、位于另一端的外围火焰出口、邻近封闭端设于侧壁的第二燃气混合气入口，分流管连通气体输送管路的第二段管路与外燃烧筒的第二燃气混合气入口。

其中，阻火器的设置使得由中心火焰通道喷射的火焰比由外围火焰通道喷射的火焰短并且被外围火焰通道喷射的火焰包覆，使得火焰整体上燃烧稳定。

更优选地，外燃烧筒的第二燃气混合气入口沿着外燃烧筒的切向方向设置，使得火焰在外围火焰通道内旋转着向外围火焰出口前进，并且在燃烧器外部形成外围火焰旋转包覆中心火焰的燃烧状态，使得火焰稳定性更好，燃烧效率更高。

其中，分配至中心火焰通道和外围火焰通道内的燃气混合气的比例可以根据具体使用条件任意设定，优选地为1:0.5～2，比如1:1。

可选择地，内燃烧筒邻近中心火焰出口的一端呈渐缩状，外燃烧筒邻近外围火焰出口的一端也呈渐缩状，以避免火焰过度发散。例如，从阻火器的后方开始内燃烧筒和外燃烧筒的截面积逐渐缩小。

可选择地，燃气管路中设有定压阀用以向混合器输送指定压力的燃气使得燃烧器中火焰稳定。

可选择地，蒸汽锅炉包括锅炉本体、设于锅炉本体下部的燃烧室、设于燃烧室上方的用于盛水的锅筒、以及连接燃烧室与高温烟气出口用于使烟气与锅筒内的水进行热交换的烟火管，其中，燃烧器设于锅炉本体的一端壁用于向燃烧室内喷射火焰燃烧。

可选择地，蒸汽锅炉可以为市场上可以购买的任意型号的蒸汽锅炉，比如大型卧式蒸汽锅炉。

可选择地，第一换热器包括外壳、将外壳内部空间分隔为逆向平行的烟气流路和空气流路的中隔板、以及穿设在中隔板中的若干热管，其中，热管的蒸发端延伸于烟气流路中，热管的冷凝端延伸于空气流路中，烟气流路的两端分别形成高温烟气入口和中温烟气出口，空气流路的两端分别形成冷空气入口和热空气出口，第一换热器的高温烟气入口与蒸汽锅炉的高温烟气出口连通，第一换热器的热空气出口与气体输送管路连通。

其中，第一换热器的热管内的工质为适用于300摄氏度左右工况的萘等工质。

可选择地，进一步包括第二换热器以及螺杆发电机，第二换热器设于烟气管道中且在烟气流动方向上位于第一换热器下游，第二换热器包括外壳、将外壳内部空间分隔为逆向平行的烟气流路和流体流路的中隔板、以及穿设在中隔板中的若干热管，其中，热管的蒸发端延伸于烟气流路中，热管的冷凝端延伸于流体流路中，烟气流路的两端分别形成中温烟气入口和低温烟气出口，流体流路的两端分别形成冷水入口和热水出口，来自第二换热器的热水出口的热水通过管线输送至螺杆发电机发电，热水发电做功后变成冷水从螺杆发电机输送至第二换热器的冷水入口再次加热成热水从而形成发电回路。

其中，第二换热器的热管内的工质为适用于150摄氏度左右工况的水或氨等工质。

可选择地，第一换热器和/或第二换热器也可以为表面式换热器，比如管式换热器或板翅式换热器。

其中，气体输送管路的第一段管路内的预热空气及回流烟气混合气的氧含量(体积)设定为12％～18％，比如大约15％。

经过第一换热器后排出的烟气温度为大约为120摄氏度，经过第一换热器预热后的空气温度大约为130摄氏度，来自蒸汽锅炉的高温烟气入口的温度约为250摄氏度，从而，气体输送管路的第一段管路内的预热空气及回流烟气混合气的温度设定为170-200摄氏度，比如大约180摄氏度。

其中，进入气体输送管路的回流烟气设定为约占烟气管道内的烟气总量的10～30％(体积)。

本发明的有益效果是：(1)、从蒸汽锅炉排出的高温烟气一部分进入第一换热器对助燃空气进行预热，另一部分进入气体输送管路与预热后的空气相混合后再次进入燃烧循环，因此对高温烟气的能量进行了多次利用，能源利用效率大大提高；(2)、由于引入了低氧烟气，使得燃烧器进行低氧燃烧，因此最终排放到环境的烟气中的氮氧化合物以及二氧化碳显著减少，降低了对环境的污染程度；(3)、使用预热空气与高温烟气助燃有利于提高燃烧效率；(4)、燃烧器采用内燃烧筒与外燃烧筒的套置构造，并且采用阻火器，使得中心火焰比外围火焰短并且被外围火焰包覆，燃烧稳定，既避免了脱火，又提高了燃烧效率；(5)、本发明通过增加部分组件以及配套的简单管路连接(例如热管式换热器及风机等)后，即可实现对现有蒸汽锅炉的节能改造，因此推广利用前景广阔。

附图说明

图1示出了本发明低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统的示意图。

图2示出了本发明低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统的第一换热器的示意图。

图3示出了本发明低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统的燃烧器的示意图。

图4示出了本发明低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统的另一实施方式的示意图。

具体实施方式

请参照图1，根据本发明的一种实施方式，本发明的低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统包括：蒸汽锅炉100、燃烧器120、烟气管道160、第一换热器300以及混合器500。

蒸汽锅炉100包括设于顶部的高温烟气出口101，烟气管道160与高温烟气出口101连通以将蒸汽锅炉100内产生的高温烟气排出至烟囱(图未示)。燃烧器120设于蒸汽锅炉100的一端壁111上，用于向蒸汽锅炉100的燃烧室内喷射火焰燃烧放热。

第一换热器300设于烟气管道160中以利用烟气余热对空气加热，预热后的空气输送至燃烧器120助燃。请参照图2，第一换热器300包括外壳350、将外壳350内部空间分隔为逆向平行的烟气流路360和空气流路370的中隔板380、以及穿设在中隔板中的若干热管390。热管390的蒸发端391延伸于烟气流路360中，热管390的冷凝端392延伸于空气流路370中，烟气流路360的两端分别形成高温烟气入口310和中温烟气出口320，空气流路370的两端分别形成冷空气入口330和热空气出口340。第一换热器300的高温烟气入口310通过烟气管道160与蒸汽锅炉100的高温烟气出口101连通。其中，第一换热器300的热管内的工质为适用于300摄氏度左右工况的萘。

混合器500包括空气及烟气入口510、燃气入口520以及混合气出口530。空气及烟气入口510通过气体输送管路的第一段管路710与第一换热器300的热空气出口340连通。燃气入口520通过燃气管路610连接至燃气源(图未示)，燃气管路610中设有定压阀650，用以向混合器500输送指定压力的燃气，使得燃烧器120中火焰更加稳定。混合器500的混合气出口530通过气体输送管路的第二段管路750连接至燃烧器120。在该非限制性实施方式中，燃气为天然气。

烟气回流支管720的入口端721于蒸汽锅炉100的高温烟气出口101与第一换热器300的高温烟气入口310之间与烟气管道160的侧壁连通，烟气回流支管720的出口端722与气体输送管路的第一段管路710的侧壁连通，以将大约占烟气管道160中总体积20％的约230摄氏度的低氧烟气与来自第一换热器300的热空气出口340的约130摄氏度的预热空气混合，空烟混合气的含氧量约为15％(体积)，温度约为180摄氏度。空烟混合气在风机400的作用下通过第一段管路710进入混合器300，进而回流至燃烧器120助燃。

请参照图3，燃烧器120包括内燃烧筒121以及套置在内燃烧筒121外周的外燃烧筒122，内燃烧筒121内部形成中心火焰通道1218，外燃烧筒122的内壁与内燃烧筒121的外壁之间的空间形成外围火焰通道1228。

内燃烧筒121包括设于一端壁1211的第一燃气混合气入口1215、设于另一端的中心火焰出口1216、以及邻近中心火焰出口1216设于内燃烧筒内部的阻火器1219。第一燃气混合气入口1215与气体输送管路的第二段管路750连通。在该非限制性实施方式中，阻火器1219为多孔陶瓷板。此外，内燃烧筒121邻近中心火焰出口1216的一端呈渐缩状。

外燃烧筒122包括位于一端的封闭端1221、位于另一端的外围火焰出口1226、邻近封闭端1221设于侧壁的第二燃气混合气入口1225。分流管760连通气体输送管路的第二段管路750与外燃烧筒122的第二燃气混合气入口1225，以将来自混合器300的燃气混合气的约50％(体积)分流至外围火焰通道1228内燃烧。此外，外燃烧筒122邻近外围火焰出口1226的一端也呈渐缩状。

阻火器1219的设置使得由中心火焰通道1218喷射的火焰比由外围火焰通道1228喷射的火焰短并且被外围火焰通道喷射的火焰包覆，使得火焰整体上燃烧稳定。在该非限制性实施方式中，外燃烧筒122的第二燃气混合气入口1225沿着外燃烧筒的切向方向设置，使得火焰在外围火焰通道1228内旋转着向外围火焰出口1226前进，在燃烧器120的末端形成外围火焰旋转包覆中心火焰的燃烧状态，使得火焰稳定性更好，燃烧效率更高。

作为一种非限制性示例，蒸汽锅炉100包括锅炉本体110、设于锅炉本体下部的燃烧室(图未示)、设于燃烧室上方的用于盛水的锅筒(图未示)、以及连接燃烧室与高温烟气出口用于使烟气与锅筒内的水进行热交换的烟火管(图未示)，其中，燃烧器120设于锅炉本体的一端壁111用于向燃烧室内喷射火焰燃烧。

运行过程中，来自蒸汽锅炉100的高温烟气出口101的约250摄氏度的高温烟气中约80％通过烟气管道160进入第一换热器300对来自风机(未图示)的室温空气进行加热。烟气总量的约20％通过烟气回流支管720进入气体输送管路的第一段管路710内与来自第一换热器300的约130摄氏度的预热空气混合，进而进入混合器500内与天然气混合。燃气混合气通过气体输送管路的第二段管路750以及分流管760分别进入燃烧器120的中心火焰通道1218和外围火焰通道1228进行分通道燃烧。其中，经过第一换热器300后排出的中温烟气温度大约为120摄氏度。气体输送管路的第一段管路710内的预热空气及回流烟气混合气的温度大约为180摄氏度。气体输送管路的第一段管路710内的预热空气及回流烟气混合气的氧含量(体积)大约为15％。

作为一种可替代实施方式，请参照图4，其它方面与上述实施方式相同，不同之处在于，进一步包括第二换热器800以及螺杆发电机900，第二换热器800设于烟气管道160中且在烟气流动方向上位于第一换热器300下游。第二换热器800包括外壳、将外壳内部空间分隔为逆向平行的烟气流路和流体流路的中隔板、以及穿设在中隔板中的若干热管，其中，热管的蒸发端延伸于烟气流路中，热管的冷凝端延伸于流体流路中，烟气流路的两端分别形成中温烟气入口810和低温烟气出口820，流体流路的两端分别形成冷水入口830和热水出口840，来自第二换热器800的热水出口840的热水通过管线输送至螺杆发电机900发电，热水发电做功后变成冷水从螺杆发电机900输送至第二换热器800的冷水入口830再次加热成热水从而形成发电回路。其中，第二换热器800的构造与第一换热器300的构造相似，不同之处在于热管内的工质为适用于150摄氏度左右工况的氨。

根据该可替代实施方式，来自第一换热器300的约120摄氏度的中温烟气进一步在第二换热器800内将冷水加热成约100摄氏度的热水通过水泵输送至螺杆发电机900发电，热水发电后变成约60摄氏度的冷水再次进入第二换热器800内加热。烟气在第二换热器800内换热后变成约80摄氏度的低温烟气排出至烟囱。

尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。例如，燃烧器的数量可以根据具体负荷需求适当地增加，或者燃烧器可以采用普通的燃烧器，比如仅有内燃烧筒的燃烧器。此外，本发明中的温度、压力或含量等参数可以根据具体使用条件在本发明所公开的范围内适当选取。

Claims (6)

1.一种低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，包括：蒸汽锅炉、用于向所述蒸汽锅炉内喷射火焰燃烧放热的燃烧器、以及用于将所述蒸汽锅炉上的高温烟气出口连接至烟囱的烟气管道，其特征在于，所述低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统进一步包括：

第一换热器，所述第一换热器设于所述烟气管道中，所述第一换热器包括烟气流路和空气流路；

气体输送管路，流经所述第一换热器的所述空气流路的空气与流经所述烟气流路的高温烟气换热后经由所述气体输送管路输送至所述燃烧器助燃；

烟气回流支管，所述烟气回流支管的入口端于所述高温烟气出口与所述第一换热器之间与所述烟气管道连通，所述烟气回流支管的出口端与所述气体输送管路连通以将所述烟气管道中的部分烟气与预热空气一起回流至所述燃烧器助燃；以及

设于所述气体输送管路中的混合器，所述混合器将所述气体输送管路分隔为位于所述第一换热器与所述混合器之间的第一段管路以及位于所述混合器与所述燃烧器之间的第二段管路，所述混合器包括空气及烟气入口、燃气入口以及混合气出口，所述空气及烟气入口与所述气体输送管路的所述第一段管路连通，所述混合气出口与所述气体输送管路的所述第二段管路连通，所述燃气入口通过燃气管路连接至燃气源，使得来自所述燃气入口的燃气与来自所述气体输送管路的所述第一段管路的预热空气及回流烟气在所述混合器内混合成燃气混合气，燃气混合气经由所述混合气出口通过所述气体输送管路的所述第二段管路输送至所述燃烧器燃烧；

其中，所述燃烧器包括内燃烧筒和套置在所述内燃烧筒外周的外燃烧筒，所述内燃烧筒内部形成中心火焰通道，所述气体输送管路的所述第二段管路与所述中心火焰通道连通以将来自所述混合器的燃气混合气输送至所述燃烧器内燃烧；

所述内燃烧筒包括设于一端壁的第一燃气混合气入口、设于另一端壁的中心火焰出口、以及邻近所述中心火焰出口设于所述内燃烧筒内部的用于缩短中心火焰长度以防止脱火的阻火器，所述第一燃气混合气入口与所述气体输送管路的所述第二段管路连通；

所述外燃烧筒的内壁与所述内燃烧筒的外壁之间的空间形成外围火焰通道，所述低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统进一步包括用于将来自所述混合器的燃气混合气的一部分分流至所述外围火焰通道的分流管，以将来自所述混合器的燃气混合气分别输送至所述中心火焰通道和所述外围火焰通道内进行分通道燃烧。

2.如权利要求1所述的低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，其特征在于，所述外燃烧筒包括位于一端的封闭端、位于另一端的外围火焰出口、邻近所述封闭端设于侧壁的第二燃气混合气入口，所述分流管连通所述气体输送管路的所述第二段管路与所述外燃烧筒的所述第二燃气混合气入口。

3.如权利要求2所述的低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，其特征在于，所述内燃烧筒邻近所述中心火焰出口的一端呈渐缩状，所述外燃烧筒邻近所述外围火焰出口的一端呈渐缩状。

4.如权利要求1～3中任一项所述的低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，其特征在于，所述燃气管路中设有定压阀用以向所述混合器输送指定压力的燃气使得所述燃烧器中火焰稳定。

5.如权利要求1～3中任一项所述的低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，其特征在于，所述蒸汽锅炉包括锅炉本体、设于所述锅炉本体下部的燃烧室、设于所述燃烧室上方的用于盛水的锅筒、以及连接所述燃烧室与所述高温烟气出口用于使烟气与所述锅筒内的水进行热交换的烟火管，其中，所述燃烧器设于所述锅炉本体的一端壁用于向所述燃烧室内喷射火焰燃烧。

6.如权利要求1～3中任一项所述的低碳型烟气回流式蒸汽锅炉低氧燃烧系统，其特征在于，所述第一换热器包括外壳、将所述外壳内部空间分隔为逆向平行的所述烟气流路和所述空气流路的中隔板、以及穿设在所述中隔板中的若干热管，其中，热管的蒸发端延伸于所述烟气流路中，热管的冷凝端延伸于所述空气流路中，所述烟气流路的两端分别形成高温烟气入口和中温烟气出口，所述空气流路的两端分别形成冷空气入口和热空气出口，所述第一换热器的所述高温烟气入口与所述蒸汽锅炉的所述高温烟气出口连通，所述第一换热器的所述热空气出口与所述气体输送管路连通。