CN113184807A - 基于余热利用的纯氧燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于余热利用的纯氧燃烧系统，包括燃料进口管、燃料分流器、燃烧室、发动机、尾气分流器、节流阀、重整器、引流管、引流器、蒸汽发生器、水进口管以及尾气出口管，燃料进口管通过燃料分流器分别与燃烧室、重整器连接，重整器通过节流阀连接燃烧室，燃烧室连接有氧气进口管，燃烧室产生的废气通过尾气分流器分别与重整器、回流管路连接，进入重整器的废气经放热后分别连接尾气出口管、引流管，液态水经水进口管进入蒸汽发生器产生水蒸气进入引流器与来自引流管的废气混合后进入重整器，燃烧室为发动机提供动力，本发明借助废气回收利用的能量不受等熵膨胀的限制，可以对排气余热进行深度利用，利用效率高，通用性好。

Description

基于余热利用的纯氧燃烧系统

技术领域

本发明涉及燃料重整燃烧技术领域，具体地，涉及一种基于余热利用的纯氧燃烧系统。

背景技术

采用纯氧燃烧有许多好处，可以减少废气中氮氧化物的排放，与二氧化碳捕捉结合可以实现“近零排放”，同时可以减少高温废气的流量，提高燃烧系统效率。但是受限于相对较小的体积流量和有限的预热温度，纯氧燃烧炉不能使用传统的余热回收系统。考虑到纯氧燃料炉的废气主要由水蒸气和二氧化碳组成，构建余热回收催化重整系统来提升系统整体热效率成为了一种有前景的方案。

将重整燃烧技术应用于动力设备有多种优势，但现有的重整方案仍存在余热利用率低、燃烧室燃烧效率低等缺陷，且大部分的重整设备体积大，不具有通用性。

专利文献CN1887691A公开了一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置及控制方法,属于内燃机余热应用领域。该装置主要包括有设置在重整器壳体(5)的前部、中部和后部的甲醇水溶液气化腔(17)、催化反应腔(16)、重整气产物腔(15)。在重整器壳体(5)的中部为多孔蜂窝陶瓷(8),多孔蜂窝陶瓷(8)的内部为催化反应腔(16),在催化反应腔(16)的内壁设置有蜂窝状的小孔,小孔内壁涂敷了重整催化剂,换热管(7)轴向穿过多孔蜂窝陶瓷(8)，但该设计重整器壳体内部增加蜂窝陶瓷，增加了设备的复杂性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于余热利用的纯氧燃烧系统。

根据本发明提供的一种基于余热利用的纯氧燃烧系统，包括燃料进口管、燃料分流器、燃烧室、发动机、尾气分流器、节流阀、重整器、引流管、引流器、蒸汽发生器、水进口管以及尾气出口管；

所述燃料进口管通过燃料分流器分别与燃烧室、重整器连接，所述重整器通过节流阀连接所述燃烧室，所述燃烧室连接有氧气进口管；

所述燃烧室产生的废气通过尾气分流器分别与重整器、连接燃烧室的回流管路连接，进入重整器的废气经放热后一路通过蒸汽发生器经尾气出口管排出，另一路经引流管进入引流器；

液态水经水进口管进入蒸汽发生器产生水蒸气进入引流器与来自引流管的废气混合后进入重整器；

所述燃烧室为发动机提供动力。

优选地，所述燃料进口管燃料的输送，所述燃料采用碳氢燃料，所述碳氢燃料包括甲烷、乙醇、汽油或柴油。

优选地，所述引流器能够调节进入重整器中二氧化碳和水蒸气的比例；

所述燃料分流器能够调节各出口燃料分配的比例；

所述尾气分流器能够调节各出口尾气分配的比例。

优选地，还包括控制机构以及传感组件，所述传感组件用于检测燃烧室、尾气出口管的温度；

所述控制机构分别与传感组件、引流器、燃料分流器、尾气分流器信号连接。

优选地，所述重整器包括旋流器、混合室、收集槽、催化反应室以及壳体；

所述壳体的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器、混合室、催化反应室且旋流器、混合室、催化反应室的外壁与壳体之间形成第一容纳空间；

来自尾气分流器废气通过高温废气进口进入第一容纳空间的底部并流动至第一容纳空间的顶部经中温废气连接口分别与节流阀、引流管、蒸汽发生器连接；

所述混合室上设置有高沸点残留收集槽。

优选地，所述蒸汽发生器包括第一流道以及第二流道；

废气经中温废气连接口进入第一流道的顶部后并从第一流道的底部经低温废气出口再经尾气出口管排出；

水进口管中的液态水经液态水进口进入第二流道的底部并从第二流道的顶部通过引流器进入旋流器、混合室、催化反应室后从重整气出口流出到节流阀；

其中，第一流道中的废气与第二流道中的液态水逆流进行热传递进而使废气降温，液态水变为水蒸气；

所述蒸汽发生器沿壳体的周向布置。

优选地，所述蒸汽发生器采用管壳式换热结构，其中，第一流道为壳程，第二流道为管程，所述第二流道的数量为一个或多个；

所述第二流道沿周向延伸出多级肋片。

优选地，所述混合室上连接有燃料进口；

所述燃料进口通过压力旋流雾化喷嘴将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴喷入到所述混合室中。

优选地，所述旋流器采用如下任一种结构：

-采用旋流出口17为多根均沿顺时针或均沿逆时针切向均匀或非均匀布置的出口管；

-包括旋流出口总管以及固定轴，旋流出口总管和固定轴之间依次均匀布置有多个旋叶片，相邻的两个旋叶片之间形成旋流通道，所述水蒸气通过所述旋流通道形成旋转气流。

优选地，从混合室到催化反应室内部形成从扩张段到收缩段再到扩张段的腔室空间布置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明借助废气回收利用的能量不受等熵膨胀的限制，可以对排气余热进行深度利用，利用效率高，通用性好。

2、本发明将液体燃料重整后燃料变为富含氢气的合成气，这将对炉内的燃烧与换热产生良好的优化效果，提高燃烧室效率。

3、本发明将富氢合成气作为燃料燃烧可大幅减少污染物排放(如：CO、HC、NOx等)。

4本发明利用废气余热进行重整，换热效率高，重整气热值升高，相比其他重整方式，该水蒸气重整方式同时可抑制积碳焦化现象的产生。

5、本发明通过设计布局集成到一个整体圆柱形重整器中，从而使得整体结构紧凑一体化，占用空间小。

6、本发明中的蒸发器充分利用外层换热面积进行水蒸气的生成，内层进行换热强化，使热量损失小，提高了换热效率，更充分利用了废气余热。

7、本发明中的旋流器，利用切向形成旋流的方案，使得水蒸气与燃料的接触更加充分，强化了对流换热及蒸发混合的效果，同时将高沸点残留分离出去，避免了蒸发残留积聚在催化剂表面，对后续重整反应模组产生影响。

8、本发明中采用压力旋流雾化喷嘴，利用压力旋流雾化原理形成微小液滴，强化燃料蒸发效果。

9、本发明采用扩张-收缩-扩张混合腔室，通过流道的尺寸设计以改变流动状态，强化湍流及涡流，使流动混合更加充分均匀。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为重整器的结构示意图；

图3为一个优选例中旋流器的结构示意图；

图4为一个变化例中旋流器的结构示意图。

图中示出：

液态水进口1 固定轴19

旋流器3 旋叶片20

燃料进口4 回流管路21

压力旋流雾化喷嘴5 燃料进口管101

混合室6 燃料分流器102

收集槽7 氧气进口管103

催化反应室8 燃烧室104

重整气出口9 发动机105

高温废气进口10 尾气分流器106

中温废气连接口11 节流阀107

低温废气出口12 重整器108

壳体13 引流管109

第一容纳空间14 引流器110

第一流道15 蒸汽发生器111

第二流道16 水进口管112

旋流出口17 尾气出口管113

旋流出口总管18

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为有效实现对纯氧燃烧系统高温尾气的热回收，需要利用碳氢燃料重整制氢反应，该反应需要高温水蒸气作为反应物，而且重整反应自身也是吸热反应，因此可以对高温尾气的热量进行两级回收。其中一级是重整反应吸热，另一级是液态水吸热转化为高温水蒸气。此外，相较于只进行水蒸汽重整反应，在反应物中添加了二氧化碳的水蒸气二氧化碳双重整反应会使得整体重整率升高，因此本发明引入一部分尾气为重整反应提供二氧化碳来提升系统整体热回收率。

本发明提供了一种基于余热利用的纯氧燃烧系统，如图1所示，包括燃料进口管101、燃料分流器102、燃烧室104、发动机105、尾气分流器106、节流阀107、重整器108、引流管109、引流器110、蒸汽发生器111、水进口管112以及尾气出口管113，所述燃料进口管101通过燃料分流器102分别与燃烧室104、重整器108连接，燃料分流器102将进入的燃料根据实际实际燃料的需求进行分配，进入燃烧室104的燃料直接燃烧，燃烧室104燃料燃烧为发动机105提供动力，进入重整器108的废气与高温水蒸气和二氧化碳进行重整反应，形成合成气被通入燃烧室104进行燃烧，燃烧形成的尾气一部分回流到燃烧室104进行回热，另一部分则是为重整器108和蒸汽发生器111提供热量。所述重整器108通过节流阀107连接所述燃烧室104，当系统刚开始工作时，由于还没有尾气产生，无法为重整提供温度，因此进入重整器108的燃料通过节流阀107进入燃烧室104燃烧，所述燃烧室104连接有氧气进口管103，氧气进口管103用于燃烧室104燃烧必要的氧气供应。

进一步地，所述燃烧室104产生的废气通过尾气分流器106分别与重整器108、连接燃烧室104的回流管路21连接，即废气一部分进入重整器108中为重整提供预热温度，一部分再回流到燃烧室104中，进入所述重整器108的废气经放热后一路通过蒸汽发生器111再次放热后经尾气出口管113排出，另一路经引流管109进入引流器110，液态水经水进口管112进入蒸汽发生器111时利于废气释放的余热产生水蒸气进入引流器110与来自引流管109的废气混合后进入重整器108。

具体地，所述燃料进口管101用于燃料的输送，所述燃料优选采用碳氢燃料，所述碳氢燃料包括甲烷、乙醇、汽油或柴油，具体燃料种类与纯氧燃烧系统涉及的设备种类有关，如柴油发动机纯氧燃烧系统使用柴油，汽油发动机纯氧燃烧系统使用汽油，锅炉系统可以是多种燃料。所述引流器110能够调节进入重整器108中二氧化碳和水蒸气的比例，所述燃料分流器102能够调节各出口燃料分配的比例，尾气分流器106能够调节各出口尾气分配的比例。

本发明还包括控制机构以及传感组件，所述控制机构分别与传感组件、引流器110、燃料分流器102、尾气分流器106信号连接，所述传感组件用于检测燃烧室104、尾气出口管113的温度进而将检测到的温度参数传输给控制机构。

如图2所示，所述重整器108包括旋流器3、混合室6、收集槽7、催化反应室8以及壳体13，重整器108优选采用圆柱形结构，所述壳体13的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器3、混合室6、催化反应室8且旋流器3、混合室6、催化反应室8的外壁与壳体13之间形成第一容纳空间14；来自尾气分流器106废气通过高温废气进口10进入第一容纳空间14的底部并流动至第一容纳空间14的顶部经中温废气连接口11分别与节流阀107、引流管109、蒸汽发生器111连接，所述混合室6上设置有高沸点残留收集槽7。

所述蒸汽发生器111包括第一流道15以及第二流道16，蒸汽发生器111优选沿所述重整器108的周向布置形成整体的圆柱形结构，结构紧凑。如图2所示，废气经中温废气连接口11进入第一流道15的顶部后并从第一流道15的底部经低温废气出口12再经尾气出口管113排出，水进口管112中的液态水经液态水进口1进入第二流道16的底部并从第二流道16的顶部通过引流器110进入旋流器3、混合室6、催化反应室8后从重整气出口9流出到节流阀107，其中，第一流道15中的废气与第二流道16中的液态水逆流进行热传递进而使废气降温，液态水变为水蒸气，所述蒸汽发生器111沿壳体13的周向布置。

尾气分流器106分流出的其中一支高温尾气流股被通入到重整器108中，为重整器108中的重整反应提供热量，之后尾气被输出并与蒸汽发生器111相连。除了尾气的输入输出流股外，重整器108输入的还有燃料分流器102输出的一支燃料流股以及蒸汽发生器111输出的高温水蒸气流股来作为水蒸气重整反应的反应物，输出的流股是重整反应产生的合成气流股，经节流阀107与燃烧室104相连。此外，经过蒸汽发生器111的尾气一部分通过引流管109和引流器110被高温水蒸气引流进重整器108的反应区域内，一同作为二氧化碳重整反应的反应物，引流器110可以调节尾气和水蒸气的比例。

具体地，蒸汽发生器111为重整器108提供高温水蒸气。蒸汽发生器111优选为一个管壳换热器，其中管程为水流股，壳程为尾气流股。水流股换热过程中作为冷源，进口为液态水，出口为高温水蒸气；尾气流股在换热过程中作为热源，不发生相变。

所述蒸汽发生器111采用管壳式换热结构，其中，第一流道15为壳程，第二流道16为管程，所述第二流道16的数量为一个或多个，所述第二流道16沿周向延伸出多级肋片，肋片提高散热效果，大大增加了换热效果，提高了废气余热的利用效率。

所述混合室6上连接有燃料进口4，所述燃料进口4通过压力旋流雾化喷嘴5将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴喷入到所述混合室6中。

具体地，所述旋流器3能够采用多种结构，在一个优选例中，如图3所示，旋流器3采用旋流出口17为多根均沿顺时针或均沿逆时针切向均匀或非均匀布置的出口管；在一个变化例中，旋流器3包括旋流出口总管18以及固定轴19，旋流出口总管18和固定轴19之间依次均匀布置有多个旋叶片20，如图4所示，相邻的两个旋叶片20之间形成旋流通道，所述水蒸气通过所述旋流通道形成旋转气流。

本发明为改善混合效果，从混合室6到催化反应室8内部形成从扩张段到收缩段再到扩张段的腔室空间布置，扩张段上扩张式的设计结构使得燃料蒸发完全，同时如果需要，所述收缩段上优选设置有扰流柱，收缩式的设计及扰流柱改善了流动性质，强化了回流及涡流对流动的影响，增加了混合室内的气体停留时间，使得混合更为充分，流量更加均匀。混合均匀的燃料-水蒸汽进入催化室8中进行催化重整反应。

本发明中重整器108的工作原理如下：

高温废气由壳体13底端高温废气进口10通入第一容纳空间14的底部，高温废气进入催化反应区域，与催化剂模组进行换热，提供水蒸气重整所需热量，催化重整所得重整气从重整气出口9排出，经过催化反应换热后，高温废气转变为400℃左右中温废气。

高温废气经过换热降温后得到的中温废气从中温废气连接口11进入蒸汽发生器111，与从液态水进口1通入的液态水进行换热，液态水生成水蒸气，蒸汽发生器111采用管壳式逆流换热的方法，同时为提高换热效率，增加强化换热的多级肋片，同时可在管壳外利用其他方式辅助供热；之后的高温水蒸气通过管路进入旋流器3中。

蒸发室生成的水蒸气进入旋流器3中，旋流器3俯视图如图3所示。可以通过图3中四根切向管道，水蒸气沿切向流入旋流器3中生成旋流的水蒸汽，也可以通过图4中布置与轴向夹角的旋叶片20的轴向旋流生成水蒸气的方法。生成的旋流再进入混合室6中。

在混合室6中，采用压力旋流雾化喷嘴5将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴，喷入旋流高温水蒸气中进行换热蒸发，并沿流道充分混合，同时，所述混合室6上设置有高沸点残留收集槽7，未蒸发的高沸点残留在高沸点残留收集槽7中被收集。为改善混合效果，采用扩张段-收缩段-扩张段式腔室，扩张式的设计使得燃料蒸发完全，同时如果需要，可在收缩段添加扰流柱，收缩式的设计及增加的扰流柱改善了流动性质，强化了回流及涡流对流动的影响，增加了混合室内的气体停留时间，使得混合更为充分，流量更加均匀。混合均匀的燃料-水蒸汽进入催化反应室8中进行催化重整反应。

本发明中基于余热利用的纯氧燃烧系统的工作原理如下：

燃料通过燃料进口管101进入系统，在燃料分流器102中被分为两支燃料流股，其中一支被通入燃烧室104中，燃料分流器102输出的另一支燃料流股被通入到重整器108中。由于系统刚开始工作，燃烧室104还没有尾气产生，无法为重整反应提供热量，因此重整器108直接将燃料经节流阀107输出。氧气通过氧气进口管103被通入到燃烧室104，燃料与氧气在燃烧室104中氧化燃烧，产生高温尾气。

高温尾气产生后，被通入到尾气分流器106中并分为两支高温尾气流股，一支被重新通入到燃烧室104中进行回热，另一支被通入到重整器108中。由于此时重整器108中缺少高温蒸汽和二氧化碳，所以水蒸气二氧化碳重整反应仍不能进行，只是将燃料温度提高。尾气经过重整器108后被通入到蒸汽发生器111中。这时液态水经水进口管112进入系统，之后进入蒸汽发生器111，被高温尾气加热并转化为高温水蒸气，高温水蒸气被通入到重整器108中，同时通过引流作用，使得部分尾气通过引流管109和引流器110与高温水蒸气一同进入重整器108中，重整器108中的水蒸气二氧化碳重整反应开始进行。重整反应生成的合成气经节流阀107被通入到燃烧室104中，并在其中充分氧化燃烧。至此燃烧室104被通入的有原始燃料，合成气、氧气、高温尾气四个流股，输出尾气，系统开始正常运行。

尾气分流器106通入到重整器108中的高温尾气经过重整器108和蒸汽发生器111的两次吸热后，通过尾气出口管113被排放到系统外界。

在系统中，燃料分流器102和尾气分流器106都是可调的利用分流阀等，可根据实际运行情况进行调节。如系统刚开始运行时，燃料不能进行重整，也可以调节燃料分流器102，让燃料全部通入燃烧室104中，待蒸汽发生器111产生高温水蒸气后再将燃料分为两流。引流器110也可以改变引流比，调节通入到重整器108中的二氧化碳和水蒸气的比例。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，包括燃料进口管(101)、燃料分流器(102)、燃烧室(104)、发动机(105)、尾气分流器(106)、节流阀(107)、重整器(108)、引流管(109)、引流器(110)、蒸汽发生器(111)、水进口管(112)以及尾气出口管(113)；

所述燃料进口管(101)通过燃料分流器(102)分别与燃烧室(104)、重整器(108)连接，所述重整器(108)通过节流阀(107)连接所述燃烧室(104)，所述燃烧室(104)连接有氧气进口管(103)；

所述燃烧室(104)产生的废气通过尾气分流器(106)分别与重整器(108)、连接燃烧室(104)的回流管路(21)连接，进入重整器(108)的废气经放热后一路通过蒸汽发生器(111)经尾气出口管(113)排出，另一路经引流管(109)进入引流器(110)；

液态水经水进口管(112)进入蒸汽发生器(111)产生水蒸气进入引流器(110)与来自引流管(109)的废气混合后进入重整器(108)；

所述燃烧室(104)为发动机(105)提供动力。

2.根据权利要求1所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述燃料进口管(101)燃料的输送，所述燃料采用碳氢燃料，所述碳氢燃料包括甲烷、乙醇、汽油或柴油。

3.根据权利要求1所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述引流器(110)能够调节进入重整器(108)中二氧化碳和水蒸气的比例；

所述燃料分流器(102)能够调节各出口燃料分配的比例；

所述尾气分流器(106)能够调节各出口尾气分配的比例。

4.根据权利要求3所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，还包括控制机构以及传感组件，所述传感组件用于检测燃烧室(104)、尾气出口管(113)的温度；

所述控制机构分别与传感组件、引流器(110)、燃料分流器(102)、尾气分流器(106)信号连接。

5.根据权利要求1所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述重整器(108)包括旋流器(3)、混合室(6)、收集槽(7)、催化反应室(8)以及壳体(13)；

所述壳体(13)的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器(3)、混合室(6)、催化反应室(8)且旋流器(3)、混合室(6)、催化反应室(8)的外壁与壳体(13)之间形成第一容纳空间(14)；

来自尾气分流器(106)废气通过高温废气进口(10)进入第一容纳空间(14)的底部并流动至第一容纳空间(14)的顶部经中温废气连接口(11)分别与节流阀(107)、引流管(109)、蒸汽发生器(111)连接；

所述混合室(6)上设置有高沸点残留收集槽(7)。

6.根据权利要求5所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述蒸汽发生器(111)包括第一流道(15)以及第二流道(16)；

废气经中温废气连接口(11)进入第一流道(15)的顶部后并从第一流道(15)的底部经低温废气出口(12)再经尾气出口管(113)排出；

水进口管(112)中的液态水经液态水进口(1)进入第二流道(16)的底部并从第二流道(16)的顶部通过引流器(110)进入旋流器(3)、混合室(6)、催化反应室(8)后从重整气出口(9)流出到节流阀(107)；

其中，第一流道(15)中的废气与第二流道(16)中的液态水逆流进行热传递进而使废气降温，液态水变为水蒸气；

所述蒸汽发生器(111)沿壳体(13)的周向布置。

7.根据权利要求6所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述蒸汽发生器(111)采用管壳式换热结构，其中，第一流道(15)为壳程，第二流道(16)为管程，所述第二流道(16)的数量为一个或多个；

所述第二流道(16)沿周向延伸出多级肋片。

8.根据权利要求5所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述混合室(6)上连接有燃料进口(4)；

所述燃料进口(4)通过压力旋流雾化喷嘴(5)将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴喷入到所述混合室(6)中。

9.根据权利要求5所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，所述旋流器(3)采用如下任一种结构：

-采用旋流出口(17)为多根均沿顺时针或均沿逆时针切向均匀或非均匀布置的出口管；

-包括旋流出口总管(18)以及固定轴(19)，旋流出口总管(18)和固定轴(19)之间依次均匀布置有多个旋叶片(20)，相邻的两个旋叶片(20)之间形成旋流通道，所述水蒸气通过所述旋流通道形成旋转气流。

10.根据权利要求5所述的基于余热利用的纯氧燃烧系统，其特征在于，从混合室(6)到催化反应室(8)内部形成从扩张段到收缩段再到扩张段的腔室空间布置。

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