CN108458337A - 一种近零污染物排放的气体燃烧设备、方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种近零污染物排放的气体燃烧设备、方法及其应用，所述设备包括：气体燃料输送管道、催化剂预热单元与催化燃烧反应器；所述催化燃烧反应器包括催化燃烧单元、介质加热单元和气体燃料预热单元；所述催化剂预热单元用于预热所述催化燃烧单元中的催化剂床层；所述气体燃料预热单元的入口与所述气体燃料输送管道的出口相连，所述气体燃料预热单元的出口与所述催化燃烧单元的入口相连；所述介质加热单元的入口与介质输送管道的出口相连，所述介质加热单元的出口与工艺管线相连。本发明的燃烧温度低，不产生氮氧化物，燃烧设备的体积小，热效率高。

Description

一种近零污染物排放的气体燃烧设备、方法及其应用
技术领域
本发明属于燃烧设备技术领域，具体涉及一种近零污染物排放的气体燃烧设备、方法及其应用。
背景技术
现有的燃气锅炉、各种加热炉等燃烧天然气或其它气体燃料的燃烧设备，会由于燃烧火焰存在温度高区域(大于1500℃)，而不可避免地生成氮氧化物NOx。氮氧化物的温室气体效应为二氧化碳的270倍，也是生成PM2.5的重要前驱体。减排氮氧化物对治理雾霾有重要意义，故各地方政府也不断降低NOx限值，控制NOx的排放水平。如北京将燃气锅炉的NOx排放限值定为30mg/m3.
燃烧器结构和燃烧方法决定了锅炉、加热炉等燃烧设备排放氮氧化物的水平。近些年来，国内外开发各种低氮燃烧技术，如分级燃烧、烟气循环、预混燃烧等，但普遍存在如下问题：
1.低氮燃烧器及管线布置等系统较复杂，相应地增加了成本。
2.由燃烧方式决定了火焰温度需高于熄火极限，不可能无限制降低，任何低氮燃烧技术都会产生NOx。
3.难以较好地均衡解决降低NOx、CO与提高热效率问题。
4.操作弹性差。在低于额定负荷下操作，NOx排放会增加较多。
由于存在上述问题，采用现有低氮燃烧技术难以较经济、稳定地实现更严格的氮氧化物排放标准，即难以进一步降低氮氧化物的排放。
CN205473624U公开了一种预混型天然气催化装置结构较复杂，上下两室的结构与排气管相比大很多，表明该专利在需要较大发热量时，设备体积会很大，催化剂用量过大，效能较低。由于该专利对催化燃烧设计较差，燃烧效率低，还需要加热装置辅助提高燃烧效率，故不是较好的催化燃烧技术。
CN202350509U公开了一种近零污染物排放的天然气无焰催化燃烧炉窑，比CN205473624U公开的结构简单一些，但该技术加热方法不科学，无法用烟气加热整个工件，而需要一个机构实现旋转工件，不仅加热时间长，浪费燃料，其受热也不均匀，严重影响产品质量(如烧制陶瓷制品)。
上述两个专利都是小规模实验室的技术，在实际工程应用中会遇到很多问题，另外，这两个催化燃烧技术都烟气热量利用不充分，烟气排放的温度较高，使设备的热效率较差。
针对上述问题，本发明提出的天然气等气体燃料的催化燃烧设备，不仅结构简单，而且通过合理的结构布置，使催化燃烧释放出的高温烟气以高效的对流传热形式把热量传递给需要加热的介质。本发明的催化燃烧装置结构紧凑、介质受热均匀、加热温度控制准确，另外，采用了介质加热单元，把热量回收用于加热介质，降低了排烟温度，大大提高了燃烧装置的热效率。不仅能实现氮氧化物的近零排放，也能使燃料充分燃烧，使燃烧过程中基本不产生一氧化碳，从而实现气体燃料的燃烧设备热效率高、污染物近零排放。本发明适用于各种大型气体燃烧设备应用场合。
发明内容
为了解决现有低氮燃烧技术中存在的问题，本发明提出了一种近零污染物排放的气体燃烧设备、方法及其应用。
为达到上述目的，一方面，本发明提出的近零污染物排放的气体燃烧设备包括：
气体燃料输送管道、催化剂预热单元与催化燃烧反应器；所述催化燃烧反应器包括催化燃烧单元、介质加热单元和气体燃料预热单元；
所述催化剂预热单元用于预热所述催化燃烧单元中的催化剂床层；
所述气体燃料预热单元的入口与所述气体燃料输送管道的出口相连，所述气体燃料预热单元的出口与所述催化燃烧单元的入口相连；
所述介质加热单元的入口与介质输送管道的出口相连，所述介质加热单元的出口与工艺管线相连；
以气体燃料的流向计，所述催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层；
所述催化燃烧单元产生的高温气体依次经过所述介质加热单元和所述气体燃料预热单元后排放到大气中。
优选地，所述催化燃烧反应器为大型催化燃烧反应器，所述催化剂预热单元包括第一引风机与电加热器，所述电加热器的入口与所述第一引风机的出口相连，所述电加热器的出口与所述催化燃烧单元的入口相连。
优选地，所述催化燃烧反应器为小型催化燃烧反应器，所述催化剂预热单元为内置于所述催化燃烧反应器中的电热丝或电加热棒。
优选地，所述设备还包括第二引风机与空气输送管道，所述空气输送管道的出口与所述第二引风机入口相连，所述第二引风机的出口与所述气体燃料输送管道相连。
优选地，所述第二引风机的出口与所述气体燃料输送管道之间设置有空气过滤器。
优选地，所述催化剂预热单元包括开工过滤器，所述气体燃料输送管道包括气体燃料过滤器和阻火器。
优选地，所述催化剂床层中的催化剂为贵金属催化剂或者金属氧化物催化剂。
优选地，所述介质加热单元和所述气体燃料预热单元为板式换热器或列管换热器。
另一方面，本发明提出的近零污染物排放的气体燃烧方法包括：
将催化燃烧反应器的催化剂床层预热到指定温度；
将气体燃料输送到所述催化燃烧反应器中进行催化燃烧，并把燃烧产生的热量传递给需要加热的介质，剩余的热量传递给需要预热的气体燃料；
排放降温后的烟气。
优选地，所述气体燃料为可以点燃的高热值燃料或不能点燃的低热值燃料，所述高热值燃料为天然气或炼厂气，所述低热值燃料为低浓度瓦斯或一定浓度的有机废气，所述介质为各种工艺过程中需要加热的介质。
优选地，所述方法还包括：将气体燃料输送到所述催化燃烧反应器之前，将高热值燃料稀释到预定浓度范围，或者将低热值燃料浓缩至预定浓度范围。
又一方面，本发明还提出了所述气体燃烧设备在锅炉或加热炉中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1.燃烧温度低，理论上不产生氮氧化物。催化燃烧可在400-1000℃下进行，较容易将NOx排放浓度控制在10mg/m3以下。
2.减少燃烧设备的体积。催化燃烧是无焰燃烧，催化燃烧在催化剂床层上完成，不需要燃烧器，也不需要燃烧室，或加热炉的辐射段。
2.燃料的适应性强。近零排放的催化燃烧设备不仅可以使用高热值燃料，也可以使用低热值燃料.
3.节能环保的燃烧方式。能在降低NOx、CO排放水平的同时，保持较好的热效率。
4.操作弹性大。可在10％-100％负荷下操作，稳定降低NOx排放。
附图说明
图1为本发明实施例中的设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的气体燃烧设备包括：气体燃料输送管道、催化剂预热单元与催化氧化反应器；所述催化剂预热单元包括第一引风机与电加热器，所述催化氧化反应器包括催化燃烧单元、气体燃料预热单元与介质加热单元；
所述电加热器的入口与所述第一引风机的出口相连；
所述催化燃烧单元的入口与所述电加热器的出口相连；
所述气体燃料预热单元的入口与气体燃料输送管道的出口相连；
所述催化燃烧单元的入口与所述气体燃料预热单元的出口相连；
以预热气体或气体燃料的流向计，所述催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层。
所述催化燃烧单元产生的高温气体依次经过所述介质加热单元和所述气体燃料预热单元后排放到大气中。
当介质为水时，以高温气体的降温方向计，所述介质加热单元可以包括依次设置的蒸汽发生段与锅炉给水预热段。当需要过热蒸汽时，以高温气体的降温方向计，所述介质加热单元包括依次设置的蒸汽过热段、蒸汽发生段与锅炉给水预热段。
各管道的压力可以根据实际需要调整，例如蒸汽过热段可以为高压蒸汽过热段，锅炉给水可以为高压锅炉给水。
所述设备还包括第二引风机与空气输送管道，所述空气输送管道的出口与所述第二引风机入口相连，所述第二引风机出口与所述气体燃料输送管道的入口相连。
本发明还提供了利用所述燃烧设备燃烧气体燃料的方法，包括以下步骤：
首先，利用催化剂预热单元将催化剂床层预热，关闭催化剂预热单元，进入正常操作阶段；
在正常操作阶段，利用气体燃料预热单元将气体燃料预热，将预热后的气体燃料依次经过封头、气体分布器分配至催化剂床层，使预热后的气体燃料在催化剂的作用下反应，得到高温烟气；
所述高温烟气经过介质加热单元对介质进行加热，再经过气体燃料预热单元回收热量后，排放低温烟气。
所述方法还包括：所述气体燃料预热前，将所述气体燃料与空气混合。
所述催化剂床层的预热温度可以为350～450℃。根据催化剂种类不同，需要适当调整。
如图1所示，本发明的近零污染物排放的气体燃烧设备包括引风机、催化燃烧反应器、催化剂预热单元及配套的管线、阀门等组成。
第二引风机1将按需要向气体燃料中掺混空气，控制进入催化燃烧反应器2的气体燃料浓度，避免反应器出现催化剂床层飞温。
催化燃烧反应器2包括催化燃烧单元、介质加热单元和气体燃料预热单元，用于实现气体燃料的催化燃烧，并把燃烧的热量以红外辐射和高温烟气对流形式传递给需要加热的介质。利用烟气携带的热量预热气体燃料，实现余热回收，以提高催化燃烧设备的热效率。
催化燃烧反应器2的结构自底部向上分别为封头、气体分布器、催化剂床层、介质加热单元、气体燃料预热单元、用于排出烟气的烟囱。
催化燃烧反应器2截面的形状可以是方形、矩形、圆形等。
气体分布器的数量、结构等形式可以根据催化燃烧反应器的截面形状、尺寸等参数进行详细设计，只要能使气体燃料在反应器整个截面上均匀分布即可。
如果介质的压力较低(如低于1.6MPa)，介质加热单元可以采用板式换热器形式，结构紧凑，传热效率高，有成本优势。虽然也可以选择列管式换热器，但尺寸大、效率低。如果介质的压力较高，介质加热单元需要采用列管换热器形式。
气体燃料预热单元优选采用板式换热器形式，结构紧凑，传热效率高，有成本优势。虽然也可以选择列管式换热器，但尺寸大、效率低。
气体燃料经反应器的封头和气体分布器后沿反应器截面的流速均匀，使气体燃料在催化剂床层上的均匀燃烧，避免催化剂床层出现局部过热。
在一个实施例中，催化剂预热单元由第一引风机3和电加热器4构成，用于在反应器进入正常操作前预热催化剂床层，使气体燃料在催化剂床层能够完全燃烧。这种催化剂预热单元比较适合大型反应器。对小型的反应器，可以把电热丝、电热棒等加热元件放置在反应器内(催化剂床层与气体分布器之间，距催化剂床层较近处)。
实施例中的催化剂为贵金属催化剂，催化燃烧后形成的烟气温度为500-600℃。实际应用中，还可以采用金属氧化物催化剂，烟气的温度可达1000℃，或者更换成其它类型的催化剂。
在本发明的实施例中，需要加热的介质分别是水和原油。在具体应用时，可以是任何为满足工艺过程要求而需要加热的介质。
本发明中的催化燃烧反应器对气体燃料的适应性强。气体燃料可以是常规的燃料，如天然气、炼厂气等高热值燃料，也可以是低浓度瓦斯、有一定浓度有机废气等低热值燃料。当气体燃料为天然气等高热值的燃料时，需要掺混空气来稀释，降低热值。可以通过控制引风机向气体燃料中掺混空气的量来调整气体燃料的热值。热值过高会烧毁催化剂床层，反应器的温度无法控制。对各种低热值的燃料，不需要掺混空气，或掺混较少量的空气，或者需要浓缩至合理浓度。
为防止空气和气体燃料中的颗粒堵塞催化剂，需要在管线上设置合适的过滤器，例如空气过滤器5、燃料过滤器6和开工过滤器7。气体燃料输送管道上的阻火器8能避免催化燃烧装置出现火灾、爆炸事故后引起气体燃料系统发生爆炸。
在利用本发明的气体燃烧设备燃烧气体燃料时，首先，将催化燃烧反应器的催化剂床层预热到指定温度。启动第一引风机3和电加热器4，将热风送入反应器，经反应器的封头和气体分布器后，热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到设定温度后，关闭第一引风机3和电加热器4，并关闭电加热器出口与反应器间连接管线上的阀门。
根据需要启动第二引风机1，向气体燃料中掺混空气，以得到设定的气体燃料浓度。气体燃料从管线进入反应器的封头和气体分布器，并在催化剂床层上发生催化燃烧，以红外辐射和高温烟气对流传热形式把燃料燃烧的热量传递给需要加热的介质(气体或液体)。高温烟气的热量传递给要加热的介质后，温度下降。降温后的烟气再把热量传递给需要预热的气体燃料，实现余热回收。余热回收后向大气排出烟气的温度要略高于发生露点腐蚀的温度。对不出现露点的燃料，可以将排放烟气温度降到100℃以下，以回收烟气中的潜热，进一步提高设备的热效率。
需要加热的介质从界区外管线输送到加热介质的盘管(介质的设计压力允许时，也可以选用板式换热器)。在反应器内加热后进入工艺管线。
常温的气体燃料经预热后，需要达到设定的温度，以维持催化剂床层的温度，使气体燃料在催化剂床层上能够发生持续的催化燃烧。
实施例1
对于一台每小时产一吨0.7MPa，184℃低压蒸汽的天然气锅炉，采用本发明的催化燃烧方法实现近零污染物排放。
催化燃烧反应器截面尺寸为0.9m×0.9m，封头形状为锥形，气体分布器采用两段组合式筛板结构，开孔的数量、间距和大小按等阻力原则设计。催化剂为负载0.7w％双贵金属的整体式催化剂，铂与钯的比例为1∶6，载体为200目的堇青石蜂窝陶瓷，催化剂用量为0.1m3.本例中需要加热的介质为水，由于所需蒸汽的压力较低，加热单元采用板式换热器。气体燃料预热单元为板式空气预热器。反应器总重量为2吨。
首先，启动第一引风机3和电加热器4，将热风送入反应器，经反应器的封头和气体分布器后，热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到400℃后，关闭第一引风机3和电加热器4，并关闭电加热器出口与反应器间连接管线上的阀门。
启动第二引风机1，向天然气(流量为69.3Nm3/h)中掺混空气，掺混后的流量为2000Nm3/h。气体燃料从管线进入反应器的封头和气体分布器，并在催化剂床层上发生催化燃烧，以红外辐射和550℃烟气对流传热形式加热1.6MPa的锅炉给水，制成0.7MPa的水蒸气。高温烟气的热量传递给要加热的介质后，温度下降。降温后的烟气在空气预热器内把热量传递给气体燃料。本设备的排放烟气温度控制在100℃以下，以回收烟气中的潜热，设备的总热效率为104％。
催化燃烧装置数据采集和控制由西门子S7-200型PLC完成。
与常规的燃气锅炉相比，本发明的催化燃烧反应器重量和体积缩小为50％，排放烟气中的NOx低于10mg/m3，检测不到一氧化碳。因此，本发明的催化燃烧反应器在保持较高热效率的情况下，实现近零污染物排放，同时又能减少金属消耗量和占地面积，有较明显的技术优势。
实施例2
对于一台500万吨/年的常压炉，热负荷为33MW。采用本发明的催化燃烧方法实现近零污染物排放。
催化燃烧反应器截面尺寸为6.0m×6.0m，封头形状为锥形，气体分布器采用三段组合式筛板结构，开孔的数量、间距和大小按等阻力原则设计。催化剂为负载0.7w％双贵金属的整体式催化剂，铂与钯的比例为1∶6，载体为200目的堇青石蜂窝陶瓷，催化剂用量为10m3.本例中需要加热的介质为原油，由于管内介质的压力较高，传热单元采用列管换热器形式。气体燃料预热器为板式空气预热器。
首先，启动第一引风机3和电加热器4，将热风送入反应器，经反应器的封头和气体分布器后，热风均匀地预热催化剂床层，催化剂床层预热到400℃后，关闭第一引风机3和电加热器4，并关闭电加热器出口与反应器间连接管线上的阀门。
启动第二引风机1，向天然气(流量为3300Nm3/h)中掺混空气，掺混后的流量为100000Nm3/h。气体燃料从管线进入反应器的封头和气体分布器，并在催化剂床层上发生催化燃烧，以红外辐射和600℃烟气对流传热形式加热原油，原油以370℃离开反应器。高温烟气的热量传递给要加热的介质后，温度下降到350℃。降温后的烟气在空气预热器内把热量传递给气体燃料。本设备的排放烟气温度控制在140℃左右排放到大气，设备的总热效率为94％。
催化燃烧装置数据采集和控制由西门子S7-300型PLC完成。
与传统的常压加热炉相比，采用催化燃烧方式的加热炉，在体积、重量、占地面积、成本等各方面都会下降50％以上。
对于石化行业用的常减压加热炉、重整炉、热媒炉等大型加热炉，这些加热炉的热负荷较高，但介质的加热温度不高。对这类加热炉，不仅可以采用本发明的催化燃烧方法实现近零污染物排放，还改进加热炉的设计，具有以下优点：
1、降低了加热炉的操作温度。催化燃烧是无焰燃烧，温度较低，且温度均匀。彻底消除了高温区域，而实现低氮燃烧。
2、降低了加热炉的成本。燃烧在催化剂床层完成，不需要燃烧器和炉膛。不仅减小了加热炉的体积，大大节省了辐射炉管、炉墙保温的成本，减轻了加热炉钢结构的重量。
3、降低了对流段的热负荷。高温烟气在加热介质后的剩余的热量为传统加热炉的1/2左右，故对流段负荷降低，盘管数量减少一半。
此外，采用催化燃烧方法的加热炉，除了工艺必须的介质余热和空气预热等负荷外，不再需要在对流段盘管产蒸汽形式回收余热，可以节省燃料，降低操作费用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种近零污染物排放的气体燃烧设备，其特征在于，包括：
气体燃料输送管道、催化剂预热单元与催化燃烧反应器；所述催化燃烧反应器包括催化燃烧单元、介质加热单元和气体燃料预热单元；
所述催化剂预热单元用于预热所述催化燃烧单元中的催化剂床层；
所述气体燃料预热单元的入口与所述气体燃料输送管道的出口相连，所述气体燃料预热单元的出口与所述催化燃烧单元的入口相连；
所述介质加热单元的入口与介质输送管道的出口相连，所述介质加热单元的出口与工艺管线相连；
以气体燃料的流向计，所述催化燃烧单元包括依次设置的封头、气体分布器与催化剂床层；
所述催化燃烧单元产生的高温气体依次经过所述介质加热单元和所述气体燃料预热单元后排放到大气中。
2.如权利要求1所述的气体燃烧设备，其特征在于，所述催化燃烧反应器为大型催化燃烧反应器，所述催化剂预热单元包括第一引风机与电加热器，所述电加热器的入口与所述第一引风机的出口相连，所述电加热器的出口与所述催化燃烧单元的入口相连；或者所述催化燃烧反应器为小型催化燃烧反应器，所述催化剂预热单元为内置于所述催化燃烧反应器中的电热丝或电加热棒。
3.如权利要求1所述的气体燃烧设备，其特征在于，所述设备还包括第二引风机与空气输送管道，所述空气输送管道的出口与所述第二引风机入口相连，所述第二引风机的出口与所述气体燃料输送管道相连，优选地，所述第二引风机的出口与所述气体燃料输送管道之间设置有空气过滤器。
4.如权利要求1所述的气体燃烧设备，其特征在于，所述催化剂预热单元包括开工过滤器，所述气体燃料输送管道包括气体燃料过滤器和阻火器。
5.如权利要求1所述的气体燃烧设备，其特征在于，所述催化剂床层中的催化剂为贵金属催化剂或者金属氧化物催化剂。
6.如权利要求1所述的气体燃烧设备，其特征在于，所述介质加热单元和所述气体燃料预热单元为板式换热器或列管换热器。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述气体燃烧设备的气体燃烧方法，其特征在于，包括：
将催化燃烧反应器的催化剂床层预热到指定温度；
将气体燃料输送到所述催化燃烧反应器中进行催化燃烧，并把燃烧产生的热量传递给需要加热的介质，剩余的热量传递给需要预热的气体燃料；
排放降温后的烟气。
8.如权利要求7所述的气体燃烧方法，其特征在于，所述气体燃料为可以点燃的高热值燃料或不能点燃的低热值燃料，优选地，所述高热值燃料为天然气或炼厂气，所述低热值燃料为低浓度瓦斯或一定浓度的有机废气，所述介质为各种工艺过程中需要加热的介质。
9.如权利要求8所述的气体燃烧方法，其特征在于，所述方法还包括：将气体燃料输送到所述催化燃烧反应器之前，将高热值燃料稀释到预定浓度范围，或者将低热值燃料浓缩至预定浓度范围。
10.一种权利要求1-6中任一项所述气体燃烧设备在锅炉或加热炉中的应用。
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