CN109724069B - 燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气锅炉天然气‑水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统及其方法，该系统包括燃烧器、设置在燃烧器上方的炉膛、环绕炉膛设置的盘管式换热器、空气预热器、烟气冷凝器以及混合器；燃烧器顶部的燃料出口与炉膛底部的燃料进口连通，炉膛顶部的排烟气口与空气预热器底部的烟气进口连通，空气预热器顶部的烟气出口与烟气冷凝器顶部的进烟口连通，烟气冷凝器底部的出烟口与混合器的第一进口连通；空气预热器的高温富氧空气出口与换热器的富氧空气进口连通，换热器的富氧空气出口与混合器的第二进口连通；混合器的混合气出口与燃烧器的混合气进口连通。本发明的系统可以提高烟气余热利用率和燃气锅炉的燃烧效率，降低污染物的排放量。

Description

燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统 及其方法

技术领域

本发明涉及燃气锅炉烟气余热回用的领技术领域，具体涉及一种燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统及其方法。

背景技术

高燃烧效率、低污染是未来能源利用的发展方向。世界各国普遍把开发和利用天然气及非石化能源作为主攻方向，着力形成清洁、优质、高效的能源供应体系。为响应“煤改气”的号召，燃气锅炉成为主要供热形式之一，其排烟热值高，回用利用烟气的显热和潜热可有效提高系统的热能利用率。当前，传统燃气锅炉集中供热技术主要存在以下问题亟待解决：燃烧效率较低，热损失大，CO₂捕集难度高以及排放NO_x、Soot等污染物不达标等。

燃气锅炉热损失主要为排烟热损失、锅炉散热损失及燃料不完全燃烧热损失，其中排烟热损失所占份额最大。普通燃气锅炉排烟温度一般为130℃～250℃，此温度下烟气中的水蒸气处于过热状态，随排烟带走的水蒸气的气化潜热约占天然气低位发热值的10％左右，若不对烟气余热加以回用而直接排放会造成能源浪费和环境污染。同时，为了实现CO₂的捕集、运输和埋存，也需要将富氧燃烧锅炉排除的烟气维持在较低温度(约30℃)。然而，运用现有的锅炉余热回用技术保持烟气温度为70～75℃，远远达不到CO₂捕集的温度要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统及其方法，该系统可以提高烟气余热回用率和燃气锅炉的燃烧效率，降低污染物的排放量。

为实现上述目的，本发明所设计的一种燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，包括燃烧器、设置在燃烧器上方的炉膛、环绕炉膛设置的盘管式换热器、空气预热器、烟气冷凝器以及混合器；

所述燃烧器顶部的燃料出口与炉膛底部的燃料进口连通，所述炉膛顶部的排烟气口与空气预热器底部的烟气进口连通，所述空气预热器顶部的烟气出口与烟气冷凝器顶部的进烟口，所述烟气冷凝器底部的出烟口与混合器的第一进口连通；

所述空气预热器上设置有低温富氧空气进口和高温富氧空气出口，所述空气预热器的高温富氧空气出口与换热器的富氧空气进口连通，所述换热器的富氧空气出口与混合器的第二进口连通；所述混合器的混合气出口与燃烧器的混合气进口连通；

所述烟气冷凝器上设置有冷水进口和热水出口，所述烟气冷凝器的热水出口与换热器的热水进口连通，所述换热器的水蒸气出口与燃烧器的水蒸气进口连通，所述水蒸气出口与燃烧器的水蒸气进口之间的管路上设置有与上游管网连通的天然气进口。

上述技术方案中，还包括压缩机和烟气冷却器，所述压缩机的进口通过支路与烟气冷凝器的出烟口连通，所述压缩机的出口与烟气冷却器的气体进口连通，所述烟气冷却器的气体出口与CO₂捕集装置连接。

上述技术方案中，所述空气预热器的底部设置有用于清除沉积的烟黑杂质的清灰口；所述烟气冷凝器的底部设置有用于供冷凝水排出的排出口。

上述技术方案中，所述空气预热器的高温富氧空气出口与换热器的富氧空气进口之间的管路上设置有第一流量控制阀。

上述技术方案中，所述烟气冷凝器的热水出口与换热器的热水进口之间的管路上设置有第二流量控制阀。

上述技术方案中，所述压缩机的进口与烟气冷凝器的出烟口之间的支路上设置有第三流量控制阀。

本发明还提供一种利用上述燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的方法，包括如下步骤：

1)将在燃烧器中混合后的燃料送入炉膛进行燃烧，产生的高温烟气通过换热器与富氧空气、热水分别进行换热实现烟气的一级余热回用，换热后得到250℃～500℃的烟气送入空气预热器；同时将换热后的富氧空气送入混合器，换热后的热水气化为水蒸气，将水蒸气与来自上游管网的天然气预混后送入燃烧器中；

2)在空气预热器中，250℃～500℃的烟气与通入的低温富氧空气换热实现烟气的二级余热回用，换热后得到110℃～120℃的烟气送入烟气冷凝器，产生的高温富氧空气送入步骤1)的换热器的富氧空气进口；

3)在烟气冷凝器中，110℃～120℃的烟气与通入的冷水换热实现烟气的三级余热回用，换热后得到60℃～70℃的烟气分为两部分，第一部分烟气送入混合器，与来自步骤1)中换热后的富氧空气在混合器混合后送入燃烧器，第二部分烟气进行CO₂的富集利用，冷水换热后产生的热水送入步骤1)的换热器的热水进口，往复循环步骤1)至步骤2)的操作，直至反应结束。

上述技术方案中，所述步骤2)中，低温富氧空气的温度为35℃～40℃，换热后高温富氧空气的温度为45℃～55℃。

上述技术方案中，所述步骤3)中，第二部分烟气先送入压缩机经过压缩加压至3～5Mpa，再送入烟气冷却器中冷却至30℃～35℃，最后送入CO₂捕集装置进行CO₂的富集利用。

上述技术方案中，所述步骤3)中，冷水的温度为5℃～15℃，换热后热水的温度为70℃～80℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明采用注蒸气富氧燃烧技术，利用水蒸气预混天然气进行富氧燃烧，能有效调节天然气锅炉燃烧器的温度，提高燃烧热效率，有利于提高下游燃气发电厂的发电效率，促进降低污染物的排放水平。

其二，本发明采用余热梯级回用方式，通过空气预热器回用烟气的显热，通过烟气冷凝器回用烟气中的部分显热和冷凝潜热，并通过低温烟气循环控制燃气锅炉的燃烧温度并富集CO₂，可以有效提高烟气余热回用率和燃气锅炉的燃烧效率，提高CO₂捕集效率，节能减排，提高能源利用率，降低燃烧污染物的排放，降低企业生产成本。

其三，本发明将炉膛出口的烟气分为不同能级，通过梯级利用将烟气中的显热与冷凝潜热充分回用，大大降低锅炉排烟温度，提高锅炉热效率，采用空气预热器加热富氧空气，促进助燃剂与燃料预混，提高燃烧效率。

其四，本发明利用三个流量控制器来联合控制注入燃气锅炉的燃烧器中的水蒸气质量分数，调整天然气水蒸气预混比以及过量空气系数从而达到提高燃气锅炉燃烧效率、降低污染物排放量的目的。

其五，本发明的烟气冷凝器中的凝结水可以吸收烟气中的氮氧化物、碳氧化物等有害气体，对烟气起到一定的净化作用。

附图说明

图1为本发明燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的结构示意图。

图中：1-燃烧器、1.1-燃料出口、1.2-混合气进口、1.3-水蒸气进口、1.4-天然气进口、2-炉膛、2.1-燃料进口、2.2-排烟气口、3-换热器、3.1-富氧空气进口、3.2-富氧空气出口、3.3-热水进口、3.4-水蒸气出口、4-空气预热器、4.1-烟气进口、4.2-烟气出口、4.3-低温富氧空气进口、4.4-高温富氧空气出口、4.5-清灰口、5-烟气冷凝器、5.1-进烟口、5.2-出烟口、5.3-冷水进口、5.4-热水出口、5.5-排出口、6-混合器、6.1-第一进口、6.2-第二进口、6.3-混合气出口、7-压缩机、7.1-进口、7.2-出口、8-烟气冷却器、8.1-气体进口、8.2-气体出口、9-CO₂捕集装置、10.1-第一流量控制阀、10.2-第二流量控制阀、10.3-第三流量控制阀。

具体实施方式

下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如图1所示的一种燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，包括燃烧器1、设置在燃烧器1上方的炉膛2、环绕炉膛2设置的盘管式换热器3、空气预热器4、烟气冷凝器5、混合器6、压缩机7和烟气冷却器8；所述燃烧器1顶部的燃料出口1.1与炉膛2底部的燃料进口2.1连通，所述炉膛2顶部的排烟气口2.2与空气预热器4底部的烟气进口4.1连通，所述空气预热器4顶部的烟气出口4.2与烟气冷凝器5顶部的进烟口5.1连通，所述烟气冷凝器5底部的出烟口5.2与混合器6的第一进口6.1连通。

上述技术方案中，所述空气预热器4上设置有低温富氧空气进口4.3和高温富氧空气出口4.4，所述空气预热器4的底部设置有用于清除沉积的烟黑杂质的清灰口4.5。所述空气预热器4的高温富氧空气出口4.4与换热器3的富氧空气进口3.1连通，所述换热器3的富氧空气出口3.2与混合器6的第二进口6.2连通；所述混合器6的混合气出口6.3与燃烧器1的混合气进口1.2连通，充分利用炉膛2中的烟气热量后的高温富氧空气经富氧空气进口3.1和经两级余热回用后的循环烟气会合于混合气进口1.2，与天然气预混高温水蒸气一起输入燃烧器1中，从而实现烟气的循环，促进燃烧器1内助燃剂与燃料预混，提高燃烧效率。空气预热器4的作用是更充分地吸收烟气的高品位热能即显热，以为后续烟气低品位热能即潜热更好地吸收创造条件，通过空气预热器4回用烟气中的显热，提高富氧空气的温度，预热后的富氧空气通入燃气锅炉后不仅有助于燃料的燃烧，还可提高炉膛2辐射段温度，有助于辐射换热。

上述技术方案中，所述烟气冷凝器5上设置有冷水进口5.3和热水出口5.4，所述烟气冷凝器5的底部设置有用于供冷凝水排出的排出口5.5。所述烟气冷凝器5的热水出口5.4与换热器3的热水进口3.3连通，所述换热器3的水蒸气出口3.4与燃烧器1的水蒸气进口1.3连通，所述水蒸气出口3.4与燃烧器1的水蒸气进口1.3之间的管路上设置有与上游管网连通的天然气进口1.4。烟气在烟气冷凝器5内与冷水换热，从而实现烟气的三级余热回用，通过烟气冷凝器5回用烟气中的剩余显热和冷凝潜热，最大程度利用烟气余热，还能简化CO₂富集流程，在烟气冷凝器5内经烟气加热生成的高温水除用于注蒸气燃烧，还可用于其它需要加热的工段，烟气中部分酸性氧化物还可溶于烟气冷凝器5内的冷凝水中，也对燃烧尾气起到一定的净化作用；另外，采用注蒸气富氧燃烧技术，通过烟气循环可提高烟气中CO₂浓度，实现降低燃烧NO_x排放，促进燃烧烟气中CO₂富集，有助于CO₂回收利用，对节能减排具有重要意义。

上述技术方案中，所述压缩机7的进口7.1通过支路与烟气冷凝器5的出烟口5.2连通，所述压缩机7的出口7.2与烟气冷却器8的气体进口8.1连通，所述烟气冷却器8的气体出口8.2与CO₂捕集装置9连接，烟气进入压缩机7加压至3～5Mpa，再通过烟气冷却器8使温度维持在30℃～35℃，即可送入CO₂捕集装置9进行CO₂捕集处理，CO₂捕集装置9可采用现有公开的技术。

上述技术方案中，所述空气预热器4的高温富氧空气出口4.4与换热器3的富氧空气进口3.1之间的管路上设置有第一流量控制阀10.1，该第一流量控制阀10.1控制进入燃烧器的富氧空气的流量。所述烟气冷凝器5的热水出口5.4与换热器3的热水进口3.3之间的管路上设置有第二流量控制阀10.2，该第二流量控制阀10.2控制进入换热器3的热水流量。所述压缩机7的进口7.1与烟气冷凝器5的出烟口5.2之间的支路上设置有第三流量控制阀10.3。

上述技术方案中，烟气进口4.1和高温富氧空气出口4.4设置在空气预热器4的下部，烟气出口4.2和低温富氧空气进口4.3设置在空气预热器4的上部，以使炉膛2排出的高温烟气从下往上经过空气预热器4，富氧空气从上往下经过空气预热器4，高温烟气经空气预热器4内部的加热盘管与富氧空气换热后从空气预热器4的上部排出，富氧空气在空气预热器4壳体内吸收烟气显热后从空气预热器4的下端排出，空气预热器4的底部设有清灰口4，用于清除沉积的烟黑杂质。

上述技术方案中，进烟口5.1和冷水进口5.3均设于烟气冷凝器5的上部，出烟口5.2和热水出口5.4均设于烟气冷凝器5的下部，以使空气预热器4排出的烟气从上往下经过烟气冷凝器5，冷水从上往下经过烟气冷凝器5，烟气与冷水换热后从烟气冷凝器5的下端排出，冷水在烟气冷凝器5内吸收烟气的剩余显热和冷凝潜热，变为热水后从烟气冷凝器5的下端流出。

本发明还提供一种利用上述燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的方法，包括如下步骤：

1)将在燃烧器1中混合后的燃料送入炉膛2进行燃烧，产生的高温烟气通过换热器3与富氧空气、热水分别进行换热实现烟气的一级余热回用，换热后得到250℃～500℃的烟气送入空气预热器4；同时将换热后的富氧空气送入混合器6，换热后的热水气化为水蒸气，将水蒸气与来自上游管网的天然气预混后送入燃烧器1中；

2)在空气预热器4中，250℃～500℃的烟气与通入的35℃～40℃的低温富氧空气换热实现烟气的二级余热回用，换热后得到110℃～120℃的烟气送入烟气冷凝器5，产生45℃～55℃的高温富氧空气送入步骤1)的换热器3的富氧空气进口；

3)在烟气冷凝器5中，110℃～120℃的烟气与通入的5℃～15℃冷水换热实现烟气的三级余热回用，换热后得到60℃～70℃的烟气分为两部分，第一部分烟气送入混合器6(第一部分烟气占总烟气体积量的30％～50％)，与来自步骤1)中换热后的富氧空气在混合器6混合后送入燃烧器1，天然气与水蒸气预混富氧燃烧能促进燃烧反应更加完全，有效调节火焰温度，显著提升燃气锅炉燃烧热效率，改善燃烧性能，降低污染物的排放水平；第二部分烟气(第二部分烟气占总烟气体积量的50％～70％)先送入压缩机7经过压缩加压至3～5Mpa，再送入烟气冷却器8中冷却至30℃～35℃，最后送入CO₂捕集装置9进行CO₂的富集利用，冷水换热后产生的70℃～80℃热水送入步骤1)的换热器3的热水进口，往复循环步骤1)至步骤2)的操作，直至反应结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的为现有技术。

Claims (10)

1.一种燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，其特征在于：包括燃烧器(1)、设置在燃烧器(1)上方的炉膛(2)、环绕炉膛(2)设置的盘管式换热器(3)、空气预热器(4)、烟气冷凝器(5)以及混合器(6)；

所述燃烧器(1)顶部的燃料出口(1.1)与炉膛(2)底部的燃料进口(2.1)连通，所述炉膛(2)顶部的排烟气口(2.2)与空气预热器(4)底部的烟气进口(4.1)连通，所述空气预热器(4)顶部的烟气出口(4.2)与烟气冷凝器(5)顶部的进烟口(5.1)，所述烟气冷凝器(5)底部的出烟口(5.2)与混合器(6)的第一进口(6.1)连通；

所述空气预热器(4)上设置有低温富氧空气进口(4.3)和高温富氧空气出口(4.4)，所述空气预热器(4)的高温富氧空气出口(4.4)与换热器(3)的富氧空气进口(3.1)连通，所述换热器(3)的富氧空气出口(3.2)与混合器(6)的第二进口(6.2)连通；所述混合器(6)的混合气出口(6.3)与燃烧器(1)的混合气进口(1.2)连通；

所述烟气冷凝器(5)上设置有冷水进口(5.3)和热水出口(5.4)，所述烟气冷凝器(5)的热水出口(5.4)与换热器(3)的热水进口(3.3)连通，所述换热器(3)的水蒸气出口(3.4)与燃烧器(1)的水蒸气进口(1.3)连通，所述水蒸气出口(3.4)与燃烧器(1)的水蒸气进口(1.3)之间的管路上设置有与上游管网连通的天然气进口(1.4)。

2.根据权利要求1所述的燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，其特征在于：还包括压缩机(7)和烟气冷却器(8)，所述压缩机(7)的进口(7.1)通过支路与烟气冷凝器(5)的出烟口(5.2)连通，所述压缩机(7)的出口(7.2)与烟气冷却器(8)的气体进口(8.1)连通，所述烟气冷却器(8)的气体出口(8.2)与CO₂捕集装置(9)连接。

3.根据权利要求2所述的燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，其特征在于：所述空气预热器(4)的底部设置有用于清除沉积的烟黑杂质的清灰口(4.5)；所述烟气冷凝器(5)的底部设置有用于供冷凝水排出的排出口(5.5)。

4.根据权利要求3所述的燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，其特征在于：所述空气预热器(4)的高温富氧空气出口(4.4)与换热器(3)的富氧空气进口(3.1)之间的管路上设置有第一流量控制阀(10.1)。

5.根据权利要求4所述的燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，其特征在于：所述烟气冷凝器(5)的热水出口(5.4)与换热器(3)的热水进口(3.3)之间的管路上设置有第二流量控制阀(10.2)。

6.根据权利要求5所述的燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统，其特征在于：所述压缩机(7)的进口(7.1)与烟气冷凝器(5)的出烟口(5.2)之间的支路上设置有第三流量控制阀(10.3)。

7.利用权利要求1～6任一项所述燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将在燃烧器(1)中混合后的燃料送入炉膛(2)进行燃烧，产生的高温烟气通过换热器(3)与富氧空气、热水分别进行换热实现烟气的一级余热回用，换热后得到250℃～500℃的烟气送入空气预热器(4)；同时将换热后的富氧空气送入混合器(6)，换热后的热水气化为水蒸气，将水蒸气与来自上游管网的天然气预混后送入燃烧器(1)中；

2)在空气预热器(4)中，250℃～500℃的烟气与通入的低温富氧空气换热实现烟气的二级余热回用，换热后得到110℃～120℃的烟气送入烟气冷凝器(5)，产生的高温富氧空气送入步骤1)的换热器(3)的富氧空气进口；

3)在烟气冷凝器(5)中，110℃～120℃的烟气与通入的冷水换热实现烟气的三级余热回用，换热后得到60℃～70℃的烟气分为两部分，第一部分烟气送入混合器(6)，与来自步骤1)中换热后的富氧空气在混合器(6)混合后送入燃烧器(1)，第二部分烟气进行CO₂的富集利用，冷水换热后产生的热水送入步骤1)的换热器(3)的热水进口，往复循环步骤1)至步骤2)的操作，直至反应结束。

8.根据权利要求7所述的利用燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的方法，其特征在于：所述步骤2)中，低温富氧空气的温度为35℃～40℃，换热后高温富氧空气的温度为45℃～55℃。

9.根据权利要求7所述的利用燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的方法，其特征在于：所述步骤3)中，第二部分烟气先送入压缩机(7)经过压缩加压至3～5Mpa，再送入烟气冷却器(8)中冷却至30℃～35℃，最后送入CO₂捕集装置(9)进行CO₂的富集利用。

10.根据权利要求7所述的利用燃气锅炉天然气-水蒸气预混燃烧与烟气余热梯级回用系统的方法，其特征在于：所述步骤3)中，冷水的温度为5℃～15℃，换热后热水的温度为70℃～80℃。

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