CN113701184A - 一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锅炉节能环保技术领域，公开了一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，由燃气锅炉本体、燃烧器、省煤器、冷凝器、烟气余热回收机组、换热层、水质调节装置、板式换热器、全热空预器、空气过热器、热泵机组、热泵冷凝器、热泵蒸发器、鼓风机、再循环烟道、余热水溢水管和相应的管道组成。本发明通过助燃风加温加湿，降低湿空气的含氧量，同时降低了燃气消耗，进而降低燃烧过程NOx的生成量；通过加入的水蒸汽改善燃烧器的燃烧工况，略微降低炉膛温度，能促进甲烷与OH‑之间的反应，提高燃烧效率；从而可以将燃气锅炉烟气中的潜热完全回收，大幅提升了锅炉效率，同时实现污染物的减排和烟羽消白的目的。

Description

一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统
技术领域
本发明涉及锅炉节能环保技术领域，具体是一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统。
背景技术
在双碳目标的驱动下，全国各地大力实施能源结构改革，短期内的去煤化是煤改气、用气供热发电，天然气锅炉的占比将大幅提高；与此同时，天然气锅炉余热回收系统的改造或新建锅炉配套将成为一大热点，其中，天然气主要由甲烷（85%）和少量乙烷（9%）、丙烷（3%）、氮（2%）和丁烷（1%）组成，另有极少量的硫化氢；天然气完全燃烧后，尾气中含有大量的CO2和水蒸气。
由于天然气锅炉烟气含有大量水蒸气，存在大量的汽化潜热，其数值约占天然气低位发热量的12%；烟气SO2/SO3的生成量极低，无需顾忌酸露点，现有技术下，水蒸气中的热量通常由冷凝器或节能器冷凝回收，其原理是以低于烟气露点的水作为换热介质靠近换热面区域，烟气中水蒸汽冷凝，同时实现烟气显热释放和水蒸汽凝结潜热释放；另一种余热回收的方式是安装喷淋换热塔，通过喷淋水与烟气直接接触获取喷淋余热水，然后通过热泵回收喷淋余热水余热，用于加热的热网回水或锅炉给水。
热泵一般采用燃气驱动的吸收式热泵，设备造价昂贵，运行成本高，投资回报率较差；而冷凝器的换热方式为间壁式换热，其效果要差于喷淋换热塔传热传质同时进行的水-水直接接触式换热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，由燃气锅炉本体、燃烧器、省煤器、冷凝器、烟气余热回收机组、换热层、水质调节装置、板式换热器、全热空预器、空气过热器、热泵机组、热泵冷凝器、热泵蒸发器、鼓风机、再循环烟道、余热水溢水管和相应的管道组成；
所述燃气锅炉本体的尾部烟道从左向右依次安装有省煤器和冷凝器，所述省煤器和冷凝器之间连接有再循环烟道，所述再循环烟道的一端与鼓风机相连通，所述燃气锅炉本体的内部安装有燃烧器，所述燃烧器的输入端安装有鼓风机，所述烟气余热回收机组和全热空预器的内部均安装有换热层，所述烟气余热回收机组的内部的换热层分为上下两段，所述全热空预器和烟气余热回收机组中均设置有冷却水，所述燃气锅炉本体通过旁通阀与冷凝器和烟气余热回收机组相连接，所述热泵机组的内部从上向下依次安装有热泵冷凝器和热泵蒸发器。
作为本发明再进一步的方案：其工作流程包括以下步骤：
S1、通过鼓风机将外部的助燃空气抽入到全热空预器中，同时全热空预器通过锅炉尾部烟道排出的携带热量的烟气对助燃空气进行加温加湿；
S2、助燃空气加温加湿后再经过空气过热器加热，得到5～8℃的温升，并将其相对湿度降至80%以下；
S3、经过空气过热器加热后的助燃空气通过鼓风机抽入到燃烧器内与天然气混合燃烧；
S4、在S3步骤中燃烧产生的烟气一部分烟气通过再循环烟道重新回到燃烧器中进行燃烧，由于通过旁通阀将冷凝器旁通掉，另一部分烟气直接进入到烟气余热回收机组内部的冷却水中，冷却水吸热升温，形成一级余热水，一级余热水再经过水质调节装置后，去除烟气中的微量可溶盐和SO2；
S5、去除微量可溶盐和SO2的一级余热水再进入板式换热器中，通过进入板式换热器与外部的热网回水进行换热，换热后的低温一级余热水一部分回流到烟气余热回收机组内部的下段换热层6中再次进行换热，另一部分低温一级余热水进入全热空预器中进行换热，获得更低温度的二级余热水，通过余热水溢水管可以排出过量的一级余热水；
S6、全热空预器中的二级余热水再进入热泵机组内部的热泵蒸发器中被汲取热量，最终制得16℃左右的低温水，低温水被送至烟气余热回收机组的上段换热层中进行换热，最终将烟气降至20℃以下；而热泵机组从二级余热水中汲取的热量经过热泵机组内部的热泵冷凝器放热后，由外部的热网回水吸收，并与经过板式换热器8换热后的热网回水共同进入燃气锅炉本体中加热。
作为本发明再进一步的方案：所述空气过热器的热源可采用热网供水，且空气过热器的换热方式可以采用间壁式换热。
作为本发明再进一步的方案：所述烟气余热回收机组和全热空预器中的换热层可以采用雾化喷嘴或规整填料，当采用雾化喷嘴时，需配套除雾器。
作为本发明再进一步的方案：所述S1步骤中的助燃空气加温加湿后的体积膨胀量及含水量不超过燃烧器的最大限值。
作为本发明再进一步的方案：所述S4步骤中水质调节装置采用加碱中和或多层滤膜的方式过滤烟气中的微量可溶盐和SO2。
作为本发明再进一步的方案：所述S1步骤中全热空预器通过气-水逆流换热的方式对进入的助燃空气进行加温加湿；所述S4步骤中烟气余热回收机组采用气-水直接换热方式进行换热。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过助燃风加温加湿，降低湿空气的含氧量，同时降低了燃气消耗，进而降低燃烧过程NOx的生成量；通过加入的水蒸汽改善燃烧器的燃烧工况，略微降低炉膛温度，能促进甲烷与OH-之间的反应，提高燃烧效率；余热水经与热网换热和预热助燃风后，进一步被热泵汲取热量降至16℃左右，最终再与烟气换热将烟气温度降至20℃以下；从而可以将燃气锅炉烟气中的潜热完全回收，大幅提升了锅炉效率，同时实现污染物的减排和烟羽消白。
附图说明
图1为一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统的结构示意图。
图中：1、燃气锅炉本体；2、燃烧器；3、省煤器；4、冷凝器；5、烟气余热回收机组；6、换热层；7、水质调节装置；8、板式换热器；9、全热空预器；10、空气过热器；11、热泵机组；12、热泵冷凝器；13、热泵蒸发器；14、鼓风机；15、再循环烟道；16、余热水溢水管。
具体实施方式
请参阅图1，本发明实施例中，一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，由燃气锅炉本体1、燃烧器2、省煤器3、冷凝器4、烟气余热回收机组5、换热层6、水质调节装置7、板式换热器8、全热空预器9、空气过热器10、热泵机组11、热泵冷凝器12、热泵蒸发器13、鼓风机14、再循环烟道15、余热水溢水管16和相应的管道组成；
燃气锅炉本体1的尾部烟道从左向右依次安装有省煤器3和冷凝器4，省煤器3和冷凝器4之间连接有再循环烟道15，再循环烟道15的一端与鼓风机14相连通，燃气锅炉本体1的内部安装有燃烧器2，燃烧器2的输入端安装有鼓风机14，烟气余热回收机组5和全热空预器9的内部均安装有换热层6，烟气余热回收机组5的内部的换热层6分为上下两段，全热空预器9和烟气余热回收机组5中均设置有冷却水，燃气锅炉本体1通过旁通阀与冷凝器4和烟气余热回收机组5相连接，热泵机组11的内部从上向下依次安装有热泵冷凝器12和热泵蒸发器13。
优选的，其工作流程包括以下步骤：
S1、通过鼓风机14将外部的助燃空气抽入到全热空预器9中，同时全热空预器9通过锅炉尾部烟道排出的携带热量的烟气对助燃空气进行加温加湿，因助燃空气加湿后，其含氧量下降，再循环烟气量相应减少，使得后续流经烟气余热回收机组5的烟气量增大，可回收的烟气余热量增大，同时降低了燃气消耗，降低了NOx的生成量，加入的水蒸气改善燃烧器2的燃烧工况，略微降低炉膛温度（与助燃风加温助燃效果互相抵消，最终排烟温度略有上升），辐射能力增强，水蒸气参与甲烷的氧化过程，提高燃烧效率；
S2、助燃空气加温加湿后再经过空气过热器10加热，得到5～8℃的温升，并将其相对湿度降至80%以下，从而保证鼓风机14内部不发生凝结现象；
S3、经过空气过热器10加热后的助燃空气通过鼓风机14抽入到燃烧器2内与天然气混合燃烧；
S4、在S3步骤中燃烧产生的烟气一部分烟气通过再循环烟道15重新回到燃烧器2中进行燃烧，由于通过旁通阀将冷凝器4旁通掉，另一部分烟气直接进入到烟气余热回收机组5内部的冷却水中，冷却水吸热升温，形成一级余热水，一级余热水再经过水质调节装置7后，去除烟气中的微量可溶盐和SO2；
S5、去除微量可溶盐和SO2的一级余热水再进入板式换热器8中，通过进入板式换热器8与外部的热网回水进行换热，换热后的低温一级余热水一部分回流到烟气余热回收机组5内部的下段换热层6中再次进行换热，另一部分低温一级余热水进入全热空预器9中进行换热，获得更低温度的二级余热水，通过余热水溢水管16可以排出过量的一级余热水；
S6、全热空预器9中的二级余热水再进入热泵机组11内部的热泵蒸发器13中被汲取热量，最终制得16℃左右的低温水，低温水被送至烟气余热回收机组5的上段换热层6中进行换热，最终将烟气降至20℃以下；而热泵机组11从二级余热水中汲取的热量经过热泵机组11内部的热泵冷凝器12放热后，由外部的热网回水吸收，并与经过板式换热器8换热后的热网回水共同进入燃气锅炉本体1中加热。
优选的，空气过热器10的热源可采用热网供水，空气过热器10的换热方式可以采用间壁式换热。
优选的，烟气余热回收机组5和全热空预器9中的换热层6可以采用雾化喷嘴或规整填料，当采用雾化喷嘴时，需配套除雾器。
优选的，S1步骤中的助燃空气加温加湿后的体积膨胀量及含水量不超过燃烧器2的最大限值，从而防止影响燃气锅炉本体1的正常燃烧。
优选的，S4步骤中水质调节装置7采用加碱中和或多层滤膜的方式过滤烟气中的微量可溶盐和SO2。
优选的，S1步骤中全热空预器9通过气-水逆流换热的方式对进入的助燃空气进行加温加湿；S4步骤中烟气余热回收机组5采用气-水直接换热方式进行换热，使得热效果更好。
为了更好地说明本发明的技术效果，通过下述实施例的试验进行阐述：
选用某厂70MW燃气热水锅炉为例， 并配备了配置省煤器、冷凝器、空预器，热网回水温度为40～45℃，供水温度为65～90℃；冷凝器出口烟气温度为49.7℃，空预器出口烟气温度为44℃，烟气流量为1.1×105Nm³/h，锅炉本体负荷为68.89MW，冷凝器负荷为5.16MW，合计74.05MW；
通过全热空预器9完全代替原先的空预器，加温加湿助燃风到38℃，经过空气过热器10升温至45℃送至燃烧器2与天然气进行燃烧；空气过热器10热源取自热网供水，换热后降温至48℃送至热网回水；烟气再循环15的比例从20%降至17%，炉后排烟量增加3%；此时，冷凝器4出口温度升至54.5℃，烟气为湿饱和状态，进入烟气余热回收机组5获得51℃的余热水，经水质调节装置7调节水质为弱碱性，与45℃的热网回水经板式换热器8换热后降至47℃，随后一部分进入烟气余热回收机组5的下段换热层6进行换热，另一部分进入全热空预器9换热降温至42℃，再进入热泵机组11的热泵蒸发器13中，制得16℃的低温水，再送至烟气余热回收机组5的上段换热层6将烟温降至20℃以下，实现大幅度消白，过量的余热水通过溢水管16排至凝结水箱另作他用；
本实施例中，经过试验测定得出：锅炉负荷升至70.14MW，冷凝器负荷升至6.46MW，余热水加热的热网回水2.2MW，热泵回收二级余热水1.8MW，合计80.6MW，单台锅炉额定负荷下增加余热回收量6.55MW；
而原先的燃气热水锅炉冷凝器易受腐蚀，增加运营成本。本发明可完全代替原先的冷凝器和空预器，在建厂时配套实施，可有效减少初投资，提高热效益。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，由燃气锅炉本体（1）、燃烧器（2）、省煤器（3）、冷凝器（4）、烟气余热回收机组（5）、换热层（6）、水质调节装置（7）、板式换热器（8）、全热空预器（9）、空气过热器（10）、热泵机组（11）、热泵冷凝器（12）、热泵蒸发器（13）、鼓风机（14）、再循环烟道（15）、余热水溢水管（16）和相应的管道组成；
所述燃气锅炉本体（1）的尾部烟道从左向右依次安装有省煤器（3）和冷凝器（4），所述省煤器（3）和冷凝器（4）之间连接有再循环烟道（15），所述再循环烟道（15）的一端与鼓风机（14）相连通，所述燃气锅炉本体（1）的内部安装有燃烧器（2），所述燃烧器（2）的输入端安装有鼓风机（14），所述烟气余热回收机组（5）和全热空预器（9）的内部均安装有换热层（6），所述烟气余热回收机组（5）的内部的换热层（6）分为上下两段，所述全热空预器（9）和烟气余热回收机组（5）中均设置有冷却水，所述燃气锅炉本体（1）通过旁通阀与冷凝器（4）和烟气余热回收机组（5）相连接，所述热泵机组（11）的内部从上向下依次安装有热泵冷凝器（12）和热泵蒸发器（13）。
2.根据权利要求1所述的一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，其工作流程包括以下步骤：
S1、通过鼓风机（14）将外部的助燃空气抽入到全热空预器（9）中，同时全热空预器（9）通过锅炉尾部烟道排出的携带热量的烟气对助燃空气进行加温加湿；
S2、助燃空气加温加湿后再经过空气过热器（10）加热，得到5～8℃的温升，并将其相对湿度降至80%以下；
S3、经过空气过热器（10）加热后的助燃空气通过鼓风机（14）抽入到燃烧器（2）内与天然气混合燃烧；
S4、S3步骤中燃烧产生的烟气一部分烟气通过再循环烟道（15）重新回到燃烧器（2）中进行燃烧，由于通过旁通阀将冷凝器（4）旁通掉，另一部分烟气直接进入到烟气余热回收机组（5）内部的冷却水中，冷却水吸热升温，形成一级余热水，一级余热水再经过水质调节装置（7）后，去除烟气中的微量可溶盐和SO2；
S5、去除微量可溶盐和SO2的一级余热水再进入板式换热器（8）中，通过进入板式换热器（8）与外部的热网回水进行换热，换热后的低温一级余热水一部分回流到烟气余热回收机组（5）内部的下段换热层6中再次进行换热，另一部分低温一级余热水进入全热空预器（9）中进行换热，获得更低温度的二级余热水，通过余热水溢水管（16）可以排出过量的一级余热水；
S6、全热空预器（9）中的二级余热水再进入热泵机组（11）内部的热泵蒸发器（13）中被汲取热量，最终制得16℃左右的低温水，低温水被送至烟气余热回收机组（5）的上段换热层（6）中进行换热，最终将烟气降至20℃以下；而热泵机组（11）从二级余热水中汲取的热量经过热泵机组（11）内部的热泵冷凝器（12）放热后，由外部的热网回水吸收，并与经过板式换热器8换热后的热网回水共同进入燃气锅炉本体（1）中加热。
3.根据权利要求1所述的一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，所述空气过热器（10）的热源可采用热网供水，且空气过热器（10）的换热方式可以采用间壁式换热。
4.根据权利要求1所述的一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，所述烟气余热回收机组（5）和全热空预器（9）中的换热层（6）可以采用雾化喷嘴或规整填料，当采用雾化喷嘴时，需配套除雾器。
5.根据权利要求2所述的一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，所述S1步骤中的助燃空气加温加湿后的体积膨胀量及含水量不超过燃烧器（2）的最大限值。
6.根据权利要求2所述的一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，所述S4步骤中水质调节装置（7）采用加碱中和或多层滤膜的方式过滤烟气中的微量可溶盐和SO2。
7.根据权利要求2所述的一种天然气锅炉烟气消白及余热回收系统，其特征在于，所述S1步骤中全热空预器（9）通过气-水逆流换热的方式对进入的助燃空气进行加温加湿；所述S4步骤中烟气余热回收机组（5）采用气-水直接换热方式进行换热。
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CN114278956A (zh) * 2021-12-28 2022-04-05 天津华赛尔传热设备有限公司 一种用于燃气锅炉的余热回收系统及燃气锅炉

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