CN107101220B - 一种降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统，包括燃气锅炉、燃料加热加湿器和烟气洗涤器，燃料加热加湿器与烟气洗涤器相连接；燃料加热加湿器与燃气锅炉相连接；烟气洗涤器与燃气锅炉相连接，燃气锅炉产生的烟气经热利用后通入烟气洗涤器的底部，燃料加热加湿器包括设置在其顶部的热水雾化装置以及布置在热水雾化装置下方的上加热器、下加热器，燃料气加热加湿过程分为三步：燃料气的喷雾，形成气水混合物；气水混合物与热水换热升温同时混合物中的水蒸发；加湿以后的气体与热水换热升温，燃料气加热加湿过程在同一装置中实现，从而便于控制加入燃料的水量，避免燃料气出口水滴的携带，并可避免湿燃料在后续管道以及在燃烧器中的凝结。

Description

一种降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统

技术领域

本发明涉及燃气锅炉技术领域，具体地说是一种降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统。

背景技术

燃气锅炉以天然气或者其他清洁燃料气为燃料产生蒸汽或者热水，广泛应用于工业蒸汽、居民供热等。随着我国环保要求越来越高，对燃气锅炉的NOx排放要求也越来越高。以北京为例，燃气锅炉NOx排放从2017年起，新建锅炉需低于30mg/Nm³。常规的锅炉燃烧器难以达到此标准，在采用预混燃烧，分级燃烧等低NOx燃烧技术的基础上，还必须采用如烟气再循环等技术辅助降低NOx排放。烟气再循环虽然能辅助降低NOx排放，但是其缺点也很明显：烟气循环风机增加电耗；大量的烟气循环影响燃烧稳定性；随着烟气循环量的增加，降NOx的效果会降低。需要寻找新的降低燃气锅炉NOx的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统，可以降低NOx排放，同时不降低锅炉的效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种降低燃气锅炉NOx排放系统，包括燃气锅炉、燃料加热加湿器和烟气洗涤器，所述燃气锅炉包括空气供给管路和燃料气供给管路，所述燃料加热加湿器设置在燃气锅炉的燃料气供给管路上，所述燃气锅炉燃烧产生的烟气经过热利用后，经排烟管路通入所述烟气洗涤器的底部，其特征在于，所述燃料加热加湿器包括靠近其顶部设置的热水雾化装置以及布置在所述热水雾化装置下部并延伸至所述燃料加热加湿器底部的加热器，其中，所述加热器的底部设置进水口，顶部设置排水口；所述燃料加热加湿器的顶部设置燃料气供给口，且所述燃料气供给口设置在所述热水雾化装置的上方；所述燃气锅炉的热水供应管路上设置分流器，所述热水供应管路中的热水经分流器分流后，部分供应至所述热水雾化装置的进水口；所述加热器顶部排出的低温水供应至所述烟气洗涤器的顶部，所述烟气洗涤器底部排出的热水供应至所述加热器底部的进水口；燃料气进入所述燃料加热加湿器后，在所述燃料加热加湿器顶部与通过所述热水雾化装置的喷雾口喷入的雾化加湿水直接接触，形成燃料气与水雾的混合物，燃料气与水雾的混合物继续下行，被所述加热器中的热水间接加热以提高混合物的温度，在燃料气被加热的过程中，燃料气中的水雾蒸发，燃料气的湿度和温度同时提高，从所述燃料加热加湿器底部离开后送入所述燃气锅炉。

优选地，所述燃气锅炉的空气供给管路上设有风机，空气在所述风机的驱动下通入所述燃气锅炉中。

优选地，所述燃气锅炉为热水锅炉或蒸汽锅炉，包括锅炉给水管路以及热水供应管路，所述热水供应管路上设置分流器Ⅰ，所述热水供应管路中的热水经分流器Ⅰ分流后，一部分供应至热用户，另一部分供应至所述燃料加热加湿器。

优选地，所述热水雾化装置的供水管路上设有水泵，所述燃气锅炉热水供应管路中的热水经分流器Ⅰ分流后，在所述水泵的驱动下供应至所述热水雾化装置的进水口。

优选地，所述燃料加热加湿器中的加热器至少为两个，一个为设置上方的上段加热器，另一个为设置在所述上段加热器下方的下段加热器；并且，所述烟气洗涤器中的喷雾装置至少为两个，一个为设置在所述烟气洗涤器顶部的低温水喷雾装置，另一个为设置在所述烟气洗涤器中部的中温水喷雾装置。

优选地，所述烟气洗涤器底部排出的热水经循环泵Ⅰ升压后供应至所述下段加热器底的进水口。

优选地，所述下段加热器顶部排出的中温水经过分流器II分成两路，一路在循环泵Ⅱ的驱动下供应至所述烟气洗涤器中部的中温水喷雾装置，另一路在循环泵III的驱动下供应至所述上段加热器底部的进水口，所述上段加热器顶部排出的低温水在循环泵IV的驱动下供应至所述烟气洗涤器顶部的低温水喷雾装置。

优选地，所述燃料加热加湿器的底部设置排水口，该排水口通过管路与所述热水雾化装置的进口连通，并且二者之间的连通管路上设置循环水泵，用以调节所述燃料加热加湿器内部的循环水量，并可保证所述上段加热器和下段加热器外表面的充分湿润，增加传热传质面积。

根据本发明的另一方面，还提供了一种降低燃气锅炉NOx排放的方法，利用本发明的降低燃气锅炉NOx排放系统，其特征在于，燃料气进入所述燃料加热加湿器后，在其顶部与通过所述热水雾化装置的喷雾口喷入的雾化加湿水直接接触，形成燃料气与水雾的混合物，燃料气与水雾的混合物继续下行，依次被所述上加热器、下加热器中的热水间接加热以提高混合物的温度，在燃料气被加热的过程中，燃料气中的水雾蒸发，燃料气的湿度和温度同时提高，在所述燃料加热加湿器底部成为过热燃料气后离开以后送入所述燃气锅炉。

本发明的技术原理是：通过提高燃料的湿度，即增加燃料中的水蒸气含量，实现降低NOx排放的目的。本发明提高燃料湿度的方法与原理是：先往燃料中喷入水，此时由于燃料温度较低，喷入的水主要以液态存在，只有少量的水可能蒸发到燃料中，燃料与水形成气液混合物；然后对燃料与水的气液混合物加热，混合物受热以后，液体水逐渐蒸发进入气相，使得燃料湿度温度提高，燃料中的水蒸气分压也逐步提高，直至燃料中的水完全蒸发，燃料与水的气液混合物完全转变为气相，再进一步加热，使得被加湿以后的燃料成为过热气体。燃料与水的混合物的蒸发过程是一个变温蒸发的过程，随着燃料湿度的提高，水蒸气分压提高，水的相变温度也逐步提高。该变温蒸发过程仅需较低温度的加热热源就可以实现。在发明中，提供燃料加湿所需的热量来自锅炉尾部排烟的余热回收。

更进一步，本发明燃料加热加湿过程采用燃料气与水雾混合物下行的方法，在下行的过程中与换热器逆流换热，混合物下行过程中，混合物中的液滴在换热器表面形成水膜，加大传质的面积。气液混合物下行也使得如果水雾没有完全蒸发，也能够很容易在加热加湿器的底部被有效的分离，同时从燃料加热加湿器底部将湿燃料送至锅炉，可以大大缩短输送的距离，降低燃料气冷凝的风险。更进一步，本发明中燃料加热加湿器中布置的换热器分为上下两段，上段换热器温度底、水流量小，下段换热器温度高、水流量大。其原理在于，燃料在加热加湿过程中，随着燃料温度湿度的提高，燃料单位温升所需的吸热量也越大，这就要求燃料在高温段吸热量大，低温段吸热量小，为了有效的减小燃料加热加湿器的不可逆损失，本发明采用两段式加热器。

同现有技术相比，本发明的降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统，其技术特点主要在于：

1)通过燃料的加湿，降低燃料的热值，来降低燃气锅炉的NOx排放。燃料加湿降NOx的效果要远好于空气的加湿或者烟气再循环。

2)创新燃料加热加湿器，采用喷雾+间接换热+过热的方法，其优点在于：便于控制加入燃料的水量，避免燃料气出口水滴的携带；降燃料气的加湿和燃料气的过程一体化，必要的过热可以避免湿燃料在后续管道以及在燃烧器中的凝结。

3)燃料加热加湿器中的间接换热器采用两段式换热，两段换热器的热水流量不同，高温段水流量大，低温段水流量低，以与燃料加热加湿过程的吸热曲线相匹配，降低燃料加热加湿过程的不可逆损失。

4)燃料加湿加湿器采用气体从顶部进入、底部排出，热水从底部进入、顶部排出的逆流换热方式，燃料在顶部经过喷雾以后，汽水混合物中的部分雾滴在向下流动过程中部分在换热器表面形成水膜，加速气侧的传热传质；气液混合物向下流动，使得气液分离更容易，即使燃料气出口还有少量的雾滴没有完全蒸发，也很容易自然在底部与燃料气分离。

5)燃料加热加湿实现了变温蒸发，其热源采用烟气尾部低温余热回收，在降低燃气锅炉NOx排放的同时，实现了低温热回收利用，不仅可以降低污染物排放，还能在一定程度上提高系统整体的热效率。

附图说明

图1为本发明的降低燃气锅炉NOx排放系统的示意图。

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，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

本发明的降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统，请参照图1。本发明的降低燃气锅炉NOx排放系统，包括燃气锅炉1、燃料加热加湿器2、烟气洗涤器3，燃气锅炉1包括空气供给管路和燃料气供给管路，空气经设置在空气供给管路上的风机4通入燃气锅炉1中，燃料气经设置在燃料气供给管路上的燃料加热加湿器2后通入燃气锅炉1中，空气和燃料气在燃气锅炉1中混合燃烧，燃气锅炉1产生的烟气在燃气锅炉1中经过热利用后，经排烟管路通入烟气洗涤器3的底部。烟气在烟气洗涤塔3中与从烟气洗涤器3顶部喷下的低温水及从烟气洗涤器3中部喷下的中温水直接逆流接触，烟气在上行过程中降温，温度降低以后从烟气洗涤器3顶部排出，之后送入烟囱。供应至烟气洗涤器3顶部的低温水，从烟气洗涤器3顶部喷入以后，被烟气加热升温，与供应至烟气洗涤塔3中部的中温水混合以后继续下行，被烟气进一步加热升温，从烟气洗涤器3底部排出。烟气洗涤器3底部排出的热水经循环泵Ⅰ7升压后送往燃料加热加湿器2的底部，热水经过下段加热器11以后，从燃料加热加湿器2中部排出，该中温回水经过分流器II 14分成两路，一路经循环泵III 9加压以后送回燃料加热加湿器2，另一路经循环泵Ⅱ6升压以后送回烟气洗涤器3中部。返回燃料加热加湿器2的中温水经过上段换热器12以后，从顶部排出，经循环泵IV 5升压以后送回烟气洗涤塔3顶部，构成回路。

燃气锅炉1为热水锅炉或蒸汽锅炉，包括锅炉给水管路以及热水供应管路，热水供应管路上设置分流器13，热水供应管路中的热水经分流器13分流后，一部分供应至热用户，另一部分在水泵8的驱动下供应至燃料加热加湿器2。

燃料加热加湿器2包括靠近其顶部设置的热水雾化装置15以及布置在热水雾化装置15下部并延伸至燃料加热加湿器2底部的上段加热器12和下段加热器11。热水雾化装置15的进水管路与水泵8的热水供给管路连通。上段加热器12的底部设置进水管路，且该进水管路与循环泵III 9的出水管路连通，上段加热器12的顶部设置排水管路，且该排水管路与循环泵IV 5的进水管路连通。下段加热器11的底部设置进水管路，且该进水管路与循环泵I7的出水管路连通，下段加热器11的顶部设置排水管路，且该排水管路与分流器II 14的进水管路连通。燃料加热加湿器2的顶部设置燃料气供给口，燃料气供给口设置在热水雾化装置15的上方。

在燃料加热加湿器2的底部设置排水口，该排水口与水泵10的进口水管路连通，水泵10的出口水关于与热水雾化装置15的进口连通。通过水泵10可以调整燃料加热加湿器2的内部循环水量，以保证上段加热器12和下段加热器11的表面充分湿润，增加传热传质面积。

燃料气进入燃料加热加湿器2后，在燃料加热加湿器2顶部与通过热水雾化装置15的喷雾口喷入的雾化加湿水直接接触，形成燃料气与水雾的混合物，燃料气与水雾的混合物继续下行，依次被加热器12、加热器11中的热水间接加热以提高混合物的温度，在燃料气被加热的过程中，燃料气中的水雾蒸发，燃料气湿度温度同时提高，从燃料加热加湿器2底部离开以后送入燃气锅炉。加热加湿器2的这种加湿方式易于控制燃料气中的水雾携带，喷入燃料中的水量根据燃料所需加湿的程度来控制，此外也便于在同一装置中实现燃料气的过热，经过加湿以后的燃料气是一个过热燃料气，可以有效避免湿燃料气在后续管道中的凝结，而且燃料气从加热加湿器2底部排出的方式，使得燃料气从加热加湿器2与燃气锅炉1之间的管道大大缩短，降低了燃料冷凝的风险。

进入燃料加热加湿器2的加湿水来自燃气锅炉所产的热水，如图1所示，燃气锅炉所产的热水经过分流器13分流出一小股，经水泵8加压以后送往燃料加热加湿器2。燃气锅炉1的烟气送入烟气洗涤器3底部，在烟气洗涤器3中，与从烟气洗涤器3顶部喷下的低温水及中部喷下的中温水直接逆流接触，烟气在上行过程中降温，温度降低以后从烟气洗涤器3顶部排出，送入烟囱。供应至烟气洗涤器3顶部的低温水，从烟气洗涤器3顶部喷入以后，被烟气加热升温，与从供应至烟气洗涤塔3中部的中温水混合以后继续下行，被烟气进一步加热升温，从烟气洗涤器3底部排出。烟气洗涤器3底部排出的热水经循环泵Ⅰ7升压以后送往燃料加热加湿器底部；燃料加热加湿器中部和顶部的中温/低温回水经循环泵升压以后送回烟气洗涤器2的中部和顶部，构成回路。

在本实施例中，燃料加热加湿器2的热水来自于烟气洗涤器，需要说明的是，燃料加热加湿器所需的热水来自于锅炉排烟的热回收产生热水，排烟热回收产生热水的方式既可以采用本实施例所述的烟气洗涤器，也可以通过间壁式换热器实现。进一步需要说明的是，燃料加热加湿器2的热水也可以来自于其他的低温热源，比如太阳能产生的热水等。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种降低燃气锅炉NOx排放的方法与系统有了清楚的认识。

Claims (5)

1.一种降低燃气锅炉NOx排放系统，包括燃气锅炉、燃料加热加湿器和烟气洗涤器，所述燃气锅炉包括空气供给管路和燃料气供给管路，所述燃料加热加湿器设置在燃气锅炉的燃料气供给管路上，所述燃气锅炉燃烧产生的烟气经过热利用后，经排烟管路通入所述烟气洗涤器的底部，其特征在于，

所述烟气洗涤器包括设置在所述烟气洗涤器顶部的低温水喷雾装置和设置在所述烟气洗涤器中部的中温水喷雾装置；

所述燃料加热加湿器，包括位于其顶部的燃料气供给口、位于其底部的排水口、靠近其顶部设置并位于所述燃料气供给口下方的热水雾化装置、布置在所述热水雾化装置下部并延伸至所述燃料加热加湿器底部的上段加热器和下段加热器，其中，

所述上段加热器和所述下段加热器的底部均设置进水管路、顶部均设置排水管路，所述烟气洗涤器底部排出的热水经循环泵Ⅰ升压后供应至所述下段加热器底部的进水管路，

所述下段加热器顶部排出的中温水经过分流器II分成两路，一路在循环泵Ⅱ的驱动下供应至所述烟气洗涤器中部的中温水喷雾装置，另一路在循环泵III的驱动下供应至所述上段加热器底部的进水管路，

所述上段加热器顶部排出的低温水在循环泵IV的驱动下供应至所述烟气洗涤器顶部的低温水喷雾装置，

所述燃料加热加湿器底部的排水口通过管路与所述热水雾化装置的进口连通，并且二者之间的连通管路上设置水泵，用以调节所述燃料加热加湿器内部的循环水量，以保证所述上段加热器和下段加热器外表面的充分湿润，增加传热传质面积；

所述燃气锅炉的热水供应管路上设置分流器Ⅰ，所述热水供应管路中的热水经分流器Ⅰ分流后，部分供应至所述热水雾化装置的进水口；

燃料气进入所述燃料加热加湿器后，在所述燃料加热加湿器顶部与通过所述热水雾化装置的喷雾口喷入的雾化加湿水直接接触，形成燃料气与水雾的混合物，燃料气与水雾的混合物继续下行，依次被所述上段加热器、下段加热器中的热水间接加热以提高混合物的温度，在燃料气被加热的过程中，燃料气中的水雾蒸发，燃料气的湿度和温度同时提高，直至燃料中的水完全蒸发，燃料与水的气液混合物完全转变为气相，从所述燃料加热加湿器底部离开后送入所述燃气锅炉。

2.根据权利要求1所述的降低燃气锅炉NOx排放系统，其特征在于，所述燃气锅炉的空气供给管路上设有风机，空气在所述风机的驱动下通入所述燃气锅炉中。

3.根据权利要求1所述的降低燃气锅炉NOx排放系统，其特征在于，所述燃气锅炉为热水锅炉或蒸汽锅炉，包括锅炉给水管路以及热水供应管路，所述热水供应管路上设置分流器Ⅰ，所述热水供应管路中的热水经所述分流器Ⅰ分流后，一部分供应至热用户，另一部分供应至所述燃料加热加湿器。

4.根据权利要求1所述的降低燃气锅炉NOx排放系统，其特征在于，所述热水雾化装置的供水管路上设有水泵，所述燃气锅炉热水供应管路中的热水经分流器Ⅰ分流后，在所述水泵的驱动下供应至所述热水雾化装置的进水口。

5.一种降低燃气锅炉NOx排放的方法，利用上述权利要求1至4任一项所述的降低燃气锅炉NOx排放系统，其特征在于，燃料气进入所述燃料加热加湿器后，在其顶部与通过所述热水雾化装置的喷雾口喷入的雾化加湿水直接接触，形成燃料气与水雾的混合物，燃料气与水雾的混合物继续下行，依次被所述上段加热器、下段加热器中的热水间接加热以提高混合物的温度，在燃料气被加热的过程中，燃料气中的水雾蒸发，燃料气的湿度和温度同时提高，直至燃料气中的水完全蒸发，燃料气与水的气液混合物完全转变为气相，在所述燃料加热加湿器底部成为过热燃料气后离开以后送入所述燃气锅炉。