CN107559873A - 一种超低氮氧化物排放超高热效率燃气炉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低NOx排放超高热效率燃气炉系统，所述燃气炉系统包括燃烧装置，以及分别位于燃烧装置前后的升温加湿装置和降温减湿装置，所述升温加湿装置包括炉前喷淋塔(1)，所述降温减湿装置包括与燃气装置尾部相连的换热器(12)和与炉前喷淋塔(1)构成闭合水路循环的炉后喷淋塔(5)。本发明燃气炉系统操作方便，结构简单，可有效降低NOx排放并提高热效率，同时实现了热能和水资源的循环利用，节约了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气炉系统，特别涉及一种超低氮氧化物排放超高热效率燃气炉系统。
背景技术
近年来，我国经济高速发展，大气污染问题愈加严峻，特征污染物的区域性大气环境问题日益突出，而天然气是一种清洁能源，它的主要成分是甲烷，甲烷燃烧后生成二氧化碳和水，基本不存在颗粒和硫化物污染。但是，天然气若按传统方式燃烧，一方面，会大量生成的热力氮氧化物(NOx)随烟气排放到大气环境中；另一方面，烟气中大量热量未能有效回收，造成热量浪费及较低的热效率。
中国的NOx年排放量现已居世界首位。2015年北京市颁布了《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015)，要求2017年4月1日前在用燃气炉的NOx排放由现行的150mg/m3降到80mg/m3以下，且强制性规定，2017年4月1日起凡新建燃气炉的NOx排放应低于30mg/m3。目前在用燃气炉NOx排放水平普遍在100～200mg/m3，故现存的几乎全部燃气炉都面临着做低氮排放改造的局面。NOx减排的市场需求之大将是难以想象的。实现燃气炉低氮排放的技术途径主要有两条：燃烧后的烟气脱硝技术和燃烧中的低NOx生成控制技术。前者工艺过程复杂，成本相当高，后者技术含量高，成本较低。
据对深圳320台天然气燃气工业炉进行的测试，平均热效率仅约为85％。这离国家规定的最低水平尚有约5％的差距，与发达国家相比至少有10％以上距离。若上述测试炉的热效率全部达到国家最低限定值，全年就可节省天然气约900万m3，减少CO2排放约900万m3，减少NOx排放198万m3。
燃气炉提高热效率的传统途径是用烟气把助燃空气预热到尽可能高的温度进炉燃烧，此方法在提高热效率的同时存在以下缺陷：首先，这会导致空气预热器体积庞大，费用增高；其次，烟气预热空气只能够把烟气排放温度降到100℃上下，再低经济性不允许(即使使用了烟气-水换热器来回收烟气余热，一般也只可把烟气温度降到55-60℃)；最后，高温空气进炉燃烧将导致燃烧温度进一步提高，使热力NOx的生成量急速增加。
因此，基于以上问题，亟需一种燃气炉系统以同时实现超低NOx排放和超高热效率的燃气目的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，在燃料装置前后各设置一座喷淋塔，分别用于加热加湿助燃空气和对燃气炉排放的烟气实施降温减湿，实现了超低NOx排放和超高热效率，从而完成了本发明。
本发明的目的在于提供一种超低NOx排放超高热效率燃气炉系统，所述燃气炉系统包括燃烧装置，以及位于燃烧装置前后的升温加湿装置和降温减湿装置。
所述燃烧装置包括燃烧器10和燃气炉本体11，燃气与送入燃烧器10的助燃空气混合，并在燃气炉本体11内燃烧；所述燃气炉本体11中设有排汽阀和排水阀，分别用于控制燃气炉本体11内气体含量及排出燃烧后产生的沉积水；
所述升温加湿装置包括炉前喷淋塔1，所述炉前喷淋塔1顶部设置喷淋器件2，通过喷淋水对进入炉前喷淋塔1底部的助燃空气进行逆向换热并加湿；加热加湿后助燃空气经炉前喷淋塔1上部的空气出口流出，进入燃烧系统；
所述降温减湿装置包括与燃气炉本体11尾部相连的换热器12和炉后喷淋塔5，所述炉后喷淋塔5顶部设置喷淋器件6，燃烧后产生的烟气通过换热器12后进入炉后喷淋塔5的下部，与从炉后喷淋塔5顶部喷淋下来的水进行逆流换热并减湿后从炉后喷淋塔5顶部排出。
通过本发明的一种超低NOx排放超高热效率燃气炉系统，可以达到以下技术效果：
1、本发明中燃气炉系统操作方便，且采用现有耐高湿度的燃烧装置和本发明提供的升温加湿装置和降温减湿装置即可实现降低NOx排放和提高热效率的目的，节约了生产线改造成本；
2、设置了炉前喷淋塔进行以往所不曾有过的高强度加湿，以此来抑制炉内燃烧温度，从而达到从生成NOx的源头减排的目的，简单有效，这与以往广泛采用且已成熟的“分级燃烧”、“烟气再循环”等技术截然不同；
3、在燃烧装置后设置换热器，并使用炉后喷淋塔与烟气逆向直接接触换热并除湿，实现了最终排烟温度达到接近环境温度，这导致燃烧系统的热效率(以燃料的低位发热量计算时)可以接近甚至超过100％；
4、在燃烧装置的前后各设置一座喷淋塔，两座喷淋塔的喷淋水通过两台循环泵在两喷淋塔之间构成闭合的流动循环，实现了热能和水资源的循环利用，节约了成本；
5、本发明中燃气炉系统为能够兼顾污染物排放控制和超高热效率两方面技术指标的先进燃气系统技术方案，是清洁燃烧及低污染排放的综合性集成技术。
附图说明
图1示出本发明一种超低NOx排放超高热效率燃气炉系统示意图。
附图标号说明：
1-炉前喷淋塔；
2-喷淋器件；
3-填料；
4-循环泵；
5-炉后喷淋塔；
6-喷淋器件；
7-填料；
8-抽插式干燥器；
9-鼓风机；
10-燃烧器；
11-燃气炉本体；
12-换热器。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明的目的是公开一种超低氮氧化物排放超高热效率燃气炉系统，所述燃气炉系统包括燃烧装置，以及分别位于燃烧装置前后的升温加湿装置和降温减湿装置。
本发明中，所述燃烧装置包括燃烧器10和燃气炉本体11，燃气与送入燃烧器10的助燃空气混合，并在燃气炉本体11内燃烧。所述燃气炉本体11中设排汽阀和排水阀，分别用于控制燃气炉本体11内汽体含量及排出燃烧后产生的凝结水。
本发明中，所述升温加湿装置包括炉前喷淋塔1，所述炉前喷淋塔1顶部设置喷淋器件2，通过喷淋水对进入炉前喷淋塔1底部的助燃空气进行逆向换热并加湿；加热加湿后的助燃空气经炉前喷淋塔1上部的空气出口流出，进入燃烧系统。
本发明中，炉前喷淋塔1中喷淋水的温度为30℃～70℃，优选为40℃～60℃；加热加湿后助燃空气的温度为30℃～70℃，优选为40℃～60℃；湿度为水蒸气饱和或过饱和状态。燃气燃料系统燃烧时生成NOx数量大小的关键性因素是燃烧温度。助燃空气未作处理时的燃烧温度可达1800℃～1900℃，经过炉前喷淋塔1加热加湿到饱和状态的助燃空气有助于把燃烧温度控制在只生成极少NOx的门槛值1400℃～1523℃以下。
本发明中，所述炉前喷淋塔1底部空气入口处设有鼓风机9，用以提供稳定流量的助燃空气，所述鼓风机9上连接有干燥器，优选为抽插式干燥器8，用于当环境空气湿度较高时降低进入炉前喷淋塔1中的助燃空气的湿度。
本发明中，降温减湿装置包括与燃气炉本体11尾部相连的换热器12和炉后喷淋塔5，所述炉后喷淋塔5顶部设置喷淋器件6，燃烧后产生的烟气通过换热器12后进入炉后喷淋塔5的下部，与从炉后喷淋塔5顶部喷淋下来的水进行逆流换热并减湿后从炉后喷淋塔5顶部排出；优选地，排出后的烟气通入吸收池，优选吸收池中含有碱性吸收物，用以吸收烟气中残余酸性污染物。所述炉后喷淋塔5中喷淋水的温度为30℃～50℃。
所述换热器12中换热管为光管或管外壁结合翅片结构的翅片管，优选为螺旋翅片管，此结构可使换热管外表面得以扩展，提高换热面积。
所述换热器12底部设有排水管路，将烟气冷却后产生的凝结水排出，优选排入炉后喷淋塔5底部。
本发明中，所述炉前喷淋塔1中设有填料3，填料3固定位置可在炉前喷淋塔1内上部、中部或下部或任意位置组合；所述炉后喷淋塔5中设有填料7，填料7固定位置可在炉后喷淋塔5内上部、中部、下部或任意位置组合，用于增加水与烟气的接触面积。所述填料3包括规整型填料和散装填料，为耐腐蚀材质，优选为不锈钢、陶瓷和塑料中一种或多种。所述填料7包括规整型填料和散装填料，耐腐蚀材质，优选为不锈钢、陶瓷和塑料中一种或多种。
炉前喷淋塔1和炉后喷淋塔5均通过填料以直接接触方式分别与空气和烟气进行逆流热质交换，传热传质效果极佳。表现为此种热质交换可以实现终端几乎“零温差”和相对湿度达到饱和，即在炉前喷淋塔1中，加热后的助燃空气达到与喷淋水很接近或几乎相同的温度，湿度达到相应温度下的饱和状态；同样在炉后喷淋塔5中，烟气也被冷却到与喷淋水十分接近的温度，且排气湿度也为相应较低温度下的饱和状态。
炉后喷淋塔5一方面使烟气通过与低温水直接接触换热，将烟气温度降低至接近环境温度，以确保整个燃烧系统的热效率达到极高的水平；另一方面，炉后喷淋塔5的喷淋水还对烟气起到充分洗涤的作用。由于NOx和CO2在水中具有一定的溶解度，可将塔底积累的酸性水集中处理并重复使用，而各种污染物不再向大气环境中排放。
本发明中，所述炉前喷淋塔1底部和炉后喷淋塔5底部设有储水罐，并在储水罐确定高度处设置溢流阀，优选地，所述储水罐内表面防腐处理，使储水罐的抗腐能力得到增强。
炉前喷淋塔1和炉后喷淋塔5中持续性水输出及水的回收处理易造成生产成本的增加，为降低水电的使用成本，同时便于余热的利用，可将炉前喷淋塔1和炉后喷淋塔5的水路系统进行连通。
在一种优选的实施方式中，炉前喷淋塔1底部的储水罐通过管路与炉后喷淋塔5顶部的喷淋器件6相连形成冷水管路，炉后喷淋塔5底部的储水罐通过管路与炉前喷淋塔1顶部的喷淋器件2相连形成热水管路，两管路中分别设置循环泵4，使炉前喷淋塔1和炉后喷淋塔5的水路构成闭合循环系统，加之燃气燃烧产生的水，故除了排污以外，炉前喷淋塔1和炉后喷淋塔5水循环系统基本不消耗水资源。
本发明采用燃气炉系统结合水-湿蒸汽的循环系统，在原有燃烧器或低氮燃烧器降低氮排放的基础上，实现了更高水平的低氮排放指标；同时利用水与烟气通过填料进行直接接触的热质传递，并结合燃气炉尾部的余热回收换热器，实现了超高的热效率。本发明中燃气炉系统的设计方案，改变了以往把降氮与提效分割开来，单独解决的传统做法，实现了同时降低氮排放和大幅度提高热效率这两个最根本的目标。
在一种优选的实施方式中，一种超低NOx排放超高热效率燃气炉系统如图1所示，炉前喷淋塔1内安装有喷淋器件2和填料3，喷淋器件2通过连接有循环泵4的管路连接至炉后喷淋塔5底部的储水罐。炉后喷淋塔5内同样安装有喷淋器件6和填料7，喷淋器件6通过连接有循环泵4的管路连接至炉前喷淋塔1底部的储水罐。连接有抽插式干燥器8的鼓风机9设置在炉前喷淋塔1外侧底部，将助燃空气带入炉前喷淋塔1进行热水喷淋。经过热交换后的饱和湿空气从炉前喷淋塔1的上端经空气管道与燃烧器10相连，燃气与送入的助燃空气混合并在燃气炉本体11的燃烧室内燃烧，加热炉管，使管内介质达到设计温度。燃气室中的烟气首先流经换热器12，所述换热器12为翅片管式烟道余热回收换热器，在此过程中烟气内所含的部分水蒸汽发生凝结，烟气的部分显热和水蒸气的潜热得以初步回收。初步降温后的烟气通过烟气管道进入炉后喷淋塔5，与低温喷淋水接触换热并减湿，在此过程中同时具有对烟气进行洗涤的作用，进一步降低了向大气排放NOx和其他各种有害气体的数量。降温减湿后的烟气，最终以接近于环境温度的水平，通过炉后喷淋塔5的上方出口排放到大气中。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种燃气炉系统，其特征在于，所述燃气炉系统包括燃烧装置，以及分别位于燃烧装置前后的升温加湿装置和降温减湿装置。
2.根据权利要求1所述的燃气炉系统，其特征在于，所述燃烧装置包括燃烧器(10)和燃气炉本体(11)，燃气与送入燃烧器(10)的助燃空气混合，并在燃气炉本体(11)内燃烧；和/或
所述燃气炉本体(11)中设有排汽阀和排水阀。
3.根据权利要求1或2所述的燃气炉系统，其特征在于，所述升温加湿装置包括炉前喷淋塔(1)，所述炉前喷淋塔(1)顶部设置喷淋器件(2)，通过喷淋水对进入炉前喷淋塔(1)底部的助燃空气进行逆向换热并加湿。
4.根据权利要求3所述的燃气炉系统，其特征在于，炉前喷淋塔(1)中喷淋水的温度为30℃～70℃，优选为40℃～60℃；和/或
加热加湿后助燃空气的温度为30℃～70℃，优选为40℃～60℃；湿度为水蒸气饱和或过饱和状态。
5.根据权利要求3或4所述的燃气炉系统，其特征在于，
所述炉前喷淋塔(1)底部空气入口处设有鼓风机(9)；和/或
所述鼓风机(9)上连接有干燥器，优选为抽插式干燥器(8)。
6.根据权利要求1至5之一所述的燃气炉系统，其特征在于，所述降温减湿装置包括与燃气炉本体(11)尾部相连的换热器(12)和炉后喷淋塔(5)；和/或
所述炉后喷淋塔(5)顶部设置喷淋器件(6)，燃烧后产生的烟气通过换热器(12)后进入炉后喷淋塔(5)的底部，与从炉后喷淋塔(5)顶部喷淋下来的水进行逆流换热并减湿后从炉后喷淋塔(5)顶部排出，优选地，排出后的烟气进入吸收池，更优选所述吸收池中含有碱性吸收物；和/或
所述炉后喷淋塔(5)中喷淋水的温度为30℃～50℃。
7.根据权利要求6所述的燃气炉系统，其特征在于，所述换热器(12)中换热管为光管或管外壁结合翅片结构的翅片管，优选为螺旋翅片管；和/或
换热器(12)底部设有排水管路，将烟气冷却后产生的凝结水排出，优选排入炉后喷淋塔(5)底部。
8.根据权利要求6或7所述的燃气炉系统，其特征在于，所述炉前喷淋塔(1)中设有填料(3)，填料(3)固定位置可在炉前喷淋塔(1)内上部、中部或下部或任意位置组合；和/或
所述炉后喷淋塔(5)中设有填料(7)，填料(7)固定位置可在炉后喷淋塔(5)内上部、中部、下部或任意位置组合。
9.根据权利要求6至8之一所述的燃气炉系统，其特征在于，所述炉前喷淋塔(1)底部和炉后喷淋塔(5)底部设有储水罐，并在储水罐确定高度处设置溢流阀；和/或
所述储水罐内表面防腐处理。
10.根据权利要求6至9之一所述的燃气炉系统，其特征在于，所述炉前喷淋塔(1)底部的储水罐通过管路与炉后喷淋塔(5)顶部的喷淋器件(6)相连形成冷水管路，所述炉后喷淋塔(5)底部的储水罐通过管路与炉前喷淋塔(1)顶部的喷淋器件(2)相连形成热水管路，两管路中分别设置循环泵(4)，使炉前喷淋塔(1)和炉后喷淋塔(5)的水路构成闭合循环系统。
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