CN113188147B - 能量自持醇氢锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量自持醇氢锅炉，包括：甲醇箱，用于储存甲醇；裂解机构，所述裂解机构的第一物料入口与所述甲醇箱的出口连通，用于将由所述甲醇箱输送至所述裂解机构的甲醇裂解；锅炉组件，所述锅炉组件的第一出口与所述裂解机构的第二物料入口连通，用于将所述锅炉组件热利用后的余热输送至所述裂解机构；所述锅炉组件的入口与所述裂解机构的第一物料出口连通，用于将所述裂解机构的裂解产物输送至所述锅炉组件，以用作所述锅炉组件的燃料。本发明的能量自持醇氢锅炉，结构简单，燃料的燃烧效率高。

Description

能量自持醇氢锅炉
技术领域
本发明属于锅炉设备技术领域，更具体地，涉及一种能量自持醇氢锅炉。
背景技术
针对我国“缺油、少气、富煤”的能源结构，探索寻找既能保障我国能源安全又对环境友好、能实现清洁利用的能源消费体系刻不容缓。燃气燃油锅炉市场庞大，是我国供暖设施中十分重要的一环。研究锅炉从燃煤燃油燃气改烧可替代的低碳清洁能源将有现实意义。
氢气是一种最理想的燃料，其完全燃烧，不会对环境产生任何有害物质，但氢气沸点低、不宜大规模存储和运输等缺点，成为限制其大规模使用的重要因素。甲醇作为替代燃料并成为氢载体，适合用于锅炉燃烧，具有较高的氢碳质量比、常温下为液态、便于存储和运输、分子结构简单等、易于重整和原料来源广泛等优点。但是，甲醇直接在锅炉中燃烧，其热效率相对较低，且燃烧过程中仍生成少量不利于环境保护的产物。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种能量自持醇氢锅炉，其目的在于至少部分地解决目前甲醇锅炉燃料燃烧效率低、产物中不宜直接排放物质量较高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种能量自持醇氢锅炉，包括：
甲醇箱，用于储存甲醇；
裂解机构，所述裂解机构的第一物料入口与所述甲醇箱的出口连通，用于将由所述甲醇箱输送至所述裂解机构的甲醇裂解；
锅炉组件，所述锅炉组件的第一出口与所述裂解机构的第二物料入口连通，用于将所述锅炉组件热利用后的余热输送至所述裂解机构；所述锅炉组件的入口与所述裂解机构的第一物料出口连通，用于将所述裂解机构的裂解产物输送至所述锅炉组件，以用作所述锅炉组件的燃料。
优选地，所述裂解机构包括外壳、换热器、催化通道和催化单元；所述第一物料入口、所述第二物料入口和所述第一物料出口均开设于所述外壳上，所述换热器和所述催化通道容置于所述外壳内，所述催化单元容置于所述催化通道内；
所述换热器包括第一换热通道；所述第二物料入口与所述第一换热通道的入口连通，所述第一换热通道的出口延伸至所述外壳外部；所述催化通道的一端与所述第一物料入口连通，另一端与所述第一物料出口连通。
优选地，所述醇氢锅炉还包括鼓风机构；所述换热器还包括第二换热通道；所述第二换热通道的入口与所述鼓风机构的出口连通，所述第二换热通道的出口与所述锅炉组件的入口连通。
优选地，所述醇氢锅炉还包括第一连通管道和第一控制阀；所述第一连通管道的一端与所述甲醇箱的出口连通，另一端与所述裂解机构的第一物料入口连通，所述第一控制阀设置于所述第一连通管道上。
优选地，所述醇氢锅炉还包括第一管道和第二控制阀；所述第二控制阀设置于所述第一管道上，所述第一管道的一端与所述甲醇箱的出口连通，另一端与所述锅炉组件的入口连通，用于将所述甲醇箱的甲醇可调节地输送至所述锅炉组件，以用作所述锅炉组件的燃料。
优选地，所述醇氢锅炉还包括第二管道和第三控制阀；所述第二管道设置于所述外壳外部，所述第三控制阀设置于所述第二管道上，所述第二管道的一端与所述第一物料出口连通，另一端与所述外壳连通，用于将裂解机构的裂解产物输送至所述外壳内以作为燃料，为所述催化单元提供热量。
优选地，所述醇氢锅炉还包括第二输气管道和第四控制阀；所述第二输气管道设置于所述外壳外部，所述第四控制阀设置于所述第二输气管道上，所述第二输气管道的一端与所述第二换热通道的出口连通，所述第二输气管道的另一端与所述外壳连通。
优选地，所述裂解机构内设置有温度传感器，用于监控所述裂解机构内的温度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下优点：
1、通过设置裂解机构，并使裂解机构的第二物料入口与锅炉组件的第一出口连通，裂解机构的第一物料出口与锅炉组件的入口连通，使得甲醇箱内的甲醇能够先经裂解机构裂解后再进入到锅炉组件，用作锅炉组件的燃料，以提供热量，裂解后的产物燃烧更充分，还能够有效降低或避免燃烧产物中不利于直接排放的物质的生成；并且，锅炉组件热利用后的余热用于为裂解机构提供热能，以用于使甲醇在裂解机构内发生裂解反应，能够提高热利用效率。
2、裂解机构的外壳内设置换热器、催化通道和催化单元，各物料入口和物料出口分别对应设置，能够更便捷、有效地调控催化单元的温度，进而调控催化单元的工作温度，以调控催化效率。
3、向锅炉组件输送的空气等气体先经裂解机构内的换热器余热，提高了热利用效率，同时更有利于提高锅炉组件燃料的燃烧效率。
4、结合第一管道、第一控制阀和第二控制阀的设置，使得锅炉冷启动时，能够由甲醇箱中的甲醇直接用作锅炉组件的燃料，保证锅炉组件的正常运行，并简化结构。
5、通过第二管道和第三控制阀的设置，使得裂解机构的裂解产物能够直接用作燃料，以用于为催化单元提供热量，无需设置额外其他能量供应结构，就可以调控裂解机构内的裂解温度，提高效率，最终实现能量自持的目的。并且，通过设置温度传感器，以便于根据裂解机构内的裂解温度实时控制第三控制阀和上述炉膛本体的启停状态，进而调节裂解机构内的裂解温度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种能量自持醇氢锅炉的结构示意图；
其中，A-裂解机构，B-锅炉组件，1-甲醇箱，2-第二控制阀，3-第一管道，4-第一控制阀，5-第一连通管道，6-外壳，7-换热器，8-催化单元，9-温度传感器，10-第四控制阀，11-第二点火器，12-第三控制阀，13-第二管道，14-第三连通管道，15-鼓风机构，16-第一点火器，17-蒸发器，18-第二连通管道，19-冷凝器，20-第一输气管道，21-第二输气管道，22-炉膛本体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1所示，本发明实施例提供一种能量自持醇氢锅炉，包括甲醇箱1、裂解机构A和锅炉组件B。裂解机构A的第一物料入口与甲醇箱1的出口连通，用于将由甲醇箱1输送至裂解机构A的甲醇裂解；锅炉组件B的第一出口与裂解机构A的第二物料入口连通，用于将锅炉组件B热利用后的余热输送至裂解机构A；锅炉组件B的入口与裂解机构A的第一物料出口连通，用于将裂解机构A的裂解产物输送至锅炉组件B，以用作锅炉组件B的燃料。
甲醇箱1的结构不作限定，只要便于存储甲醇即可。裂解机构A可根据需要设置多个物料入口和多个物料出口；其中，物料入口和物料出口中的物料不具限定作用，仅表示入口或出口的设置，其可以用于使固体、液体、气体或热量等通过。其中，裂解机构A的具体结构可不作限定，只要其能够满足裂解甲醇，得到相应的裂解产物即可。
裂解机构A的第一物料入口与甲醇箱1的出口通过第一连通管道5连通，甲醇箱1中的甲醇通过第一连通管道5进入到裂解机构A中，在裂解机构A内发生裂解反应，生成H2和CO等，以用作锅炉燃料。甲醇裂解后的产物作为锅炉燃料，其燃烧更充分，且能够有效降低或避免燃烧产物中有害物质的生成。可以理解的是，第一连通管道5上可设置第一控制阀4，用于调控甲醇箱1中的甲醇进入裂解机构A中。
同样地，锅炉组件B也可以相应的设置多个入口或出口。锅炉组件B包括第一点火器16、蒸发器17和炉膛本体22。燃料经炉膛本体22燃烧而产生的热量，用于为蒸发器17提供热量。其中，炉膛本体22与蒸发器17之间供热的具体连接方式按照目前常规方式设置即可，本申请中不作具体限定。可以理解的是，燃料进入炉膛本体22燃烧时，为使炉膛本体22内燃料顺利燃烧或燃烧更充分，可设置鼓风机构15，鼓风机构15与炉膛本体22的入口通过第一输气管道20连通，用于向炉膛本体22内提供空气助燃。可以理解的，对于本发明中所涉及的炉膛本体，相应设置第一点火器16等配套结构，采用目前常规的设置即可。
锅炉组件B的第一出口与裂解机构A的第二物料入口通过第二连通管道18连通，锅炉组件B的燃料燃烧产生的热量或高温烟气经蒸发器17热利用后的余热，经由第二连通管道18输送至裂解机构A，以用于为裂解机构A的裂解反应提供热量，通过余热回收提高热利用效率。锅炉组件B还设置有第二出口(图中未示出)；该第二出口用于将蒸发器17产生的高温蒸汽输送至用户。
锅炉组件B还设置有入口。裂解机构A的第一物料出口与锅炉组件B的入口通过第三连通管道14连通。具体地，裂解机构A的第一物料出口与炉膛本体22的入口连通，裂解机构A裂解甲醇所得到的产物经由第三连通管道14输送至炉膛本体22，作为炉膛本体22的燃料燃烧，用于为蒸发器17提供热量。
上述结构简单，且锅炉组件B热利用后的余热用于为裂解机构A提供热量，能够提高热利用效率。甲醇经由裂解机构A裂解后的产物输送至炉膛本体22，用于锅炉组件B的燃料，燃料燃烧更充分，且能够有效降低或避免燃烧产物中有害物质的生成。
在一些实施例中，裂解机构包括外壳6、换热器7、催化通道(图中未示出)和催化单元8；第一物料入口、第二物料入口和第一物料出口均开设于外壳6上，换热器7和催化通道8容置于外壳内，催化单元8容置于催化通道内；换热器7包括第一换热通道；第二物料入口与第一换热通道的入口连通，第一换热通道的出口延伸至外壳6外部；催化通道的一端与第一物料入口连通，另一端与第一物料出口连通。
作为一种具体的实现方式，换热器7和催化通道、催化单元8均设置于外壳6的中空内腔内，催化单元8容置于催化通道内。外壳6上设置有第一物料入口、第二物料入口、第一物料出口和第二物料出口。催化通道的一端与第一物料入口连通，另一端与第一物料出口连通，第一物料入口与甲醇箱1的出口连通，第一物料出口与炉膛本体22的入口连通。甲醇箱1的甲醇经由第一物料入口进入裂解机构A内的催化通道内，并与催化单元8充分接触，在催化单元8的作用下，发生裂解反应。裂解机构A内裂解所得的产物经由第一物料出口输送至炉膛本体22。
换热器7具有第一换热通道。第二物料入口与锅炉组件B的第一出口连通，同时，第二物料入口与上述第一换热通道的入口连通，第二物料出口与换热器7的第一换热通道的出口连通，锅炉组件B的炉膛本体22燃烧产生的高温烟气经蒸发器17热利用后，经由第二物料入口进入到换热器7的第一换热通道内，向催化单元8提供热量，以使进入到裂解机构A内的甲醇发生裂解反应。上述高温烟气在换热器7内换热后，经由第二物料出口排出裂解机构A，进入冷凝器19冷凝处理后直接排出，或再经其他处理。
其中，催化单元8的具体形式不作限定，其可以直接是具一定形状的催化剂，或其他在加热条件下，能够使甲醇发生裂解反应的物料或结构。当燃料是甲醇时，催化剂通常为铜基、镍基等金属催化剂。换热器7与催化单元8的设置，只要便于换热器7更有效地为催化单元8提供热量即可。
在一些实施例中，醇氢锅炉还包括鼓风机构15；换热器7还包括第二换热通道，第二换热通道的入口与鼓风机构15的出口连通，第二换热通道的出口与锅炉组件B的入口连通。
具体地，裂解机构A的外壳6上还可开设第三物料入口和第三物料出口。换热器7还包括第二换热通道，第二换热通道的入口与第三物料入口连通，第二换热通道的出口与第三物料出口连通。
为进一步提高炉膛本体22的燃烧效率，进入炉膛本体22的空气等助燃气体在进入炉膛本体22之前，可先经预热处理。具体地，鼓风机构15的出口与第三物料入口连通，进而实现与第二换热通道的入口连通，第二换热通道的出口与第三物料出口连通，进而与第一输气管道20的一端连通，第一输气管道20的另一端与锅炉组件B的入口连通，实现空气等助燃气体经预热后再进入锅炉组件B，有利于提高燃烧效率。
在一些实施例中，锅炉还包括第一管道3和第二控制阀2；第二控制阀2设置于第一管道3上，第一管道3的一端与甲醇箱1的出口连通，另一端与锅炉组件B的入口连通，用于将甲醇箱1的甲醇可调节地输送至锅炉组件B，以用作锅炉组件B的燃料。
锅炉组件B的入口与甲醇箱1的出口通过第一管道3连通。具体地，甲醇箱1的出口与炉膛本体22的入口连通，甲醇箱1内的甲醇通过第一管道3输送至炉膛本体22，以用作炉膛本体22的燃料，用于为蒸发器17提供热量。
第一管道3上设置有第二控制阀2。当锅炉组件B正常运作时，第一控制阀4开启，第二控制阀2关闭，甲醇箱1内的甲醇经由第一连通管道5进入到裂解机构A内裂解，所得产物经由第三连通管道14输送至炉膛本体22，用作锅炉组件B的燃料。
当锅炉冷启动时，锅炉组件B无法向裂解机构A提供热量，裂解机构A无法使甲醇发生裂解反应。因此，可先关闭第一控制阀4，开启第二控制阀2，甲醇箱1内的甲醇经由第一管道3直接进入炉膛本体22，作为燃料燃烧，以向蒸发器17提供热量。蒸发器17热利用后的余热经由第二连通管道18输送至裂解机构A，以为裂解机构A提供热量。
当裂解机构A内用于使甲醇发生裂解反应的温度达到预设温度，即可开启第一控制阀4，关闭第二控制阀2，甲醇箱1内的甲醇先经裂解结构裂解后，所得产物再输送至炉膛本体22，用作锅炉组件B的燃料。通过设置第一管道3、第一控制阀4和第二控制阀2，在锅炉组件B冷启动时，无需为锅炉组件B额外增设加热器件，能够简化结构。其中，为进一步简化管道，可使得第一管道3的一端与甲醇箱1的出口连通，另一端作为支线连接至第三连通管道14。
在一些实施例中，醇氢锅炉还包括第二管道13和第三控制阀12；第二管道13设置于外壳6外部，第三控制阀12设置于第二管道13上，第二管道13的一端与第一物料出口连通，另一端与外壳6连通，用于将裂解机构的裂解产物输送至外壳6内以作为燃料，为催化单元8提供热量。
醇氢锅炉还包括第二管道13和第三控制阀12。外壳6上还可开设第四物料入口和第四物料出口。第二管道13的一端与裂解机构A的第一物料出口连通，另一端与第四物料入口连通，第三控制阀12设置在第二管道13上。此时，裂解产物进入到外壳6外，但分散于催化通道外部。为进一步简化管道设置，第二管道13的一端可作为支线连接至第三连通管道14，另一端与第四物料入口连通。裂解产物在外壳6内燃烧后，其产物可由第四物料出口排出外壳6。可以理解的是，在第四物料入口处可相应设置第二点火器11。
甲醇在催化通道内发生裂解反应所得的裂解产物在向炉膛本体22输送裂解产物的同时，还可以将裂解产物输送至外壳6内以作为燃料。裂解产物在外壳6内燃烧后所得的高温烟气用于向催化单元8提供热量。可以理解的是，裂解产物在外壳6内燃烧时，其也能够向第二换热通道内的空气等助燃气体提供热量。通过第二管道13和第三控制阀12的设置，使得裂解机构A的裂解产物能够经由第二管道13返回至外壳6内燃烧，直接用于为催化单元8提供热量，而无需另行配置燃料供应结构，能简化结构，又有利于对裂解机构A裂解温度的调节。
采用该结构，甲醇箱1中的甲醇经裂解机构A裂解后的产物用作燃料，能够用于向蒸发器17提供热量，并可以直接或间接为催化单元8提供热量。并且，在锅炉组件B正常运行或冷启动过程中，甲醇可以直接或间接用作锅炉组件B的燃料，无需额外设置其他能量供应机构，实现能量自持的目的。
其中，第二换热通道的出口与第四物料出口连通，第四物料出口与第二输气管道21的一端连通，第二输气管道21的另一端与第四物料入口连通，实现第二输气管道21与外壳6连通的目的。第二输气管道21上设置第四控制阀10，当需要向外壳6中通入空气等助燃气体时，则打开第四控制阀10，经换热器7预热后的空气等助燃气体可输送至外壳6内。
在一些实施例中，裂解机构A内设置有温度传感器9，用于监控裂解机构A内的温度。裂解机构A内设置温度传感器9，便于实时监测裂解机构A内裂解温度。温度传感器9的设置状态及位置等，可根据实际需求具体设定，只要能够满足监测裂解温度的需求即可。
作为其中一种具体的实现方式，醇氢锅炉还包括微控单元(图中未示出)。微控单元可以分别与第一点火器16和第二点火器11的控制单元、温度传感器9、第三控制阀12和第四控制阀10电连接或通信连接。微控单元根据温度传感器9监测所得的数据，控制第三控制阀12和第四控制阀10的启闭状态，同时，还可控制第二点火器11的启停状态。当裂解机构A内的裂解温度处于正常范围内，则关闭第三控制阀12和第四控制阀10。当裂解机构A内的裂解温度低于第一预设温度时，则可开启第三控制阀12和第二点火器11，使得裂解机构A的裂解产物能够经由第二管道13进入到外壳6内，进而使得进入外壳6内的裂解产物燃烧所得的高温烟气以及锅炉组件B热利用后的余热一起，用于为催化单元8提供热能。
其中，第一预设温度的范围可以是150-250℃。可以理解的是，当裂解机构A内的温度高于第二预设温度时，可通过调控第一控制阀4的开度大小等，减少输送至炉膛本体22的燃料，以降低锅炉组件B余热利用后高温烟气的温度，进而实现降低裂解机构A内裂解温度的目的。其中，第二预设温度的范围可以是400-800℃。
本发明的能量自持醇氢锅炉，通过设置裂解机构，并使裂解机构的第二物料入口与锅炉组件的第一出口连通，裂解机构的第一物料出口与锅炉组件的入口连通，使得甲醇箱内的甲醇能够先经裂解机构裂解后再进入到锅炉组件，用作锅炉组件的燃料，以提供热量，裂解后的产物燃烧更充分，还能够有效降低或避免燃烧产物中不利于直接排放物质的生成；并且，锅炉组件热利用后的余热用于为裂解机构提供热能，以用于使甲醇在裂解机构内发生裂解反应，能够提高热利用效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能量自持醇氢锅炉，其特征在于，包括：
甲醇箱(1)，用于储存甲醇；
裂解机构(A)，所述裂解机构(A)的第一物料入口与所述甲醇箱(1)的出口连通，用于将由所述甲醇箱(1)输送至所述裂解机构(A)的甲醇裂解；
锅炉组件(B)，所述锅炉组件(B)的第一出口与所述裂解机构(A)的第二物料入口连通，用于将所述锅炉组件(B)热利用后的余热输送至所述裂解机构(A)；所述锅炉组件(B)的入口与所述裂解机构(A)的第一物料出口连通，用于将所述裂解机构(A)的裂解产物输送至所述锅炉组件(B)，以用作所述锅炉组件(B)的燃料；
所述裂解机构(A)包括外壳(6)、换热器(7)、催化通道和催化单元(8)；所述第一物料入口、所述第二物料入口和所述第一物料出口均开设于所述外壳(6)上，所述换热器(7)和所述催化通道容置于所述外壳(6)内，所述催化单元(8)容置于所述催化通道内；所述换热器(7)包括第一换热通道；所述第二物料入口与所述第一换热通道的入口连通，所述第一换热通道的出口延伸至所述外壳(6)外部；所述催化通道的一端与所述第一物料入口连通，另一端与所述第一物料出口连通；所述醇氢锅炉还包括第二管道(13)和第三控制阀(12)；所述第二管道(13)设置于所述外壳外部，所述第三控制阀(12)设置于所述第二管道(13)上，所述第二管道(13)的一端与所述第一物料出口连通，另一端与所述外壳(6)连通，用于将裂解机构(A)的裂解产物输送至所述外壳(6)内以作为燃料，为所述催化单元(8)提供热量。
2.如权利要求1所述的能量自持醇氢锅炉，其特征在于，所述醇氢锅炉还包括鼓风机构(15)；所述换热器(7)还包括第二换热通道；所述第二换热通道的入口与所述鼓风机构(15)的出口连通，所述第二换热通道的出口与所述锅炉组件(B)的入口连通。
3.如权利要求1所述的能量自持醇氢锅炉，其特征在于，所述醇氢锅炉还包括第一连通管道(5)和第一控制阀(4)；所述第一连通管道(5)的一端与所述甲醇箱(1)的出口连通，另一端与所述裂解机构(A)的第一物料入口连通，所述第一控制阀(4)设置于所述第一连通管道(5)上。
4.如权利要求3所述的能量自持醇氢锅炉，其特征在于，所述醇氢锅炉还包括第一管道(3)和第二控制阀(2)；所述第二控制阀(2)设置于所述第一管道(3)上，所述第一管道(3)的一端与所述甲醇箱(1)的出口连通，另一端与所述锅炉组件(B)的入口连通，用于将所述甲醇箱(1)的甲醇可调节地输送至所述锅炉组件(B)，以用作所述锅炉组件(B)的燃料。
5.如权利要求2所述的能量自持醇氢锅炉，其特征在于，所述醇氢锅炉还包括第二输气管道(21)和第四控制阀(10)；所述第二输气管道(21)设置于所述外壳(6)外部，所述第四控制阀(10)设置于所述第二输气管道(21)上，所述第二输气管道(21)的一端与所述第二换热通道的出口连通，所述第二输气管道(21)的另一端与所述外壳(6)连通。
6.如权利要求1所述的能量自持醇氢锅炉，其特征在于，所述裂解机构(A)内设置有温度传感器(9)，用于监控所述裂解机构(A)内的温度。
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