CN113739144A - 可燃冰高效燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可燃冰高效燃烧系统，包括：可燃冰存储单元及燃烧单元，燃烧单元的炉膛前端设有燃烧器，燃烧单元的炉膛后端连接有烟气总管，燃烧器设有第一燃气入口、第二燃气入口、助燃气入口及燃烧气出口，第一燃气入口处设有燃烧喷嘴，燃烧喷嘴设有第一进气口、第二进气口及混合气出口，第一进气口通过高压天然气管线与可燃冰存储单元相连通，第二进气口与空气源相连通，混合气出口与燃烧器的第一燃气入口相连通；高压天然气管线上连接有天然气分线，天然气分线上设有气体涡轮机，天然气分线将占高压天然气管线中50％～60％的高压天然气输送至气体涡轮机，降压后的低压天然气输送至燃烧器的第二燃气入口。

Description

可燃冰高效燃烧系统

技术领域

本发明涉及可燃冰技术领域，特别涉及一种可燃冰燃烧系统。

背景技术

面对日益严峻的环境问题和能源危机，全世界都在大力提倡节能减排，尤其是对于耗能和污染都较严重的相关产业，如何进行节能减排改造，已经成为相关领域技术人员在设计该类设备时必须要考虑的因素。

可燃冰(Combustible ice)的外观像冰可燃，又名“固体瓦斯”或“汽冰”。可燃冰是甲烷天然气与水，在高压、低温条件下形成的结晶。可燃冰广泛分布储存在海域的沉积物或陆域的冻土层中，其资源密度高、储量大、分布广，具有极高的开采价值，是未来重要接替的低碳清洁能源。

目前，人们大力使用可燃冰进行发电，其有效避免了水力发电受地理位置与环境限制的缺陷，火力发电产生的空气污染的缺陷，核力发电技术不成熟的缺陷，以及风能发电投入大产出低的缺陷。

但是，目前的研究仅仅止步于可燃冰发电机，其并没有系统、充分地利用可燃冰水解后的产能，仍然存在能源浪费的情况。

如中国专利申请号201811341947.3公开的一种可燃冰发电装置，包括高温燃烧室、汽轮机、减速器和异步交流发电机，其中，所述减速器内置于所述汽轮机，并设置于汽轮机的输出端一侧，所述异步交流发电机连接汽轮机输出端，所述高温燃烧室一侧设置有喷射嘴，高温燃烧室产生蒸汽经喷射嘴直接喷射至汽轮机的输入端，推动其运转产生动力，减速器调控汽轮机的转速后，驱动异步交流发电机运转发电。然而，该可燃冰发电装置存在以下缺点或不足：分解可燃冰的过程需要极大的能源消耗。

又如中国专利申请号201210323240.6公开的一种可燃冰发电设备，该发电设备具体包括可燃冰发电机和发电站，其中发电站的结构中包括了发动机，其是利用可燃冰分解后产生的压缩天然气即CNG为燃料，使得开采出的可燃冰直接投入到发电生产中，提高使用率，无需运输，节约大量的运输成本，并且，可燃冰产生的CNG燃烧后无污染，达到环保的效果。然而，该可燃冰发电设备存在以下缺点或不足：(1)、分解可燃冰的过程需要极大的能源消耗；(2)、没有充分利用可燃冰燃烧后产生的热能，造成能源浪费。

因此，提供一种能够可减少能耗和污染、并可同时充分开发可燃冰能效的可燃冰高效燃烧系统成为业内急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可燃冰高效燃烧系统，其能够充分高效利用可燃冰水解产生的气体进行发电及其燃烧后产生的高温烟气的热能，显著提高能源利用率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可燃冰高效燃烧系统，包括：可燃冰存储单元及燃烧单元，燃烧单元的炉膛前端设有燃烧器，燃烧单元的炉膛后端连接有用于排放高温烟气的烟气总管，其中，燃烧器设有第一燃气入口、第二燃气入口、助燃气入口及燃烧气出口，第一燃气入口处设有燃烧喷嘴，燃烧喷嘴设有第一进气口、第二进气口、第三进气口及混合气出口，其中，第一进气口通过高压天然气管线与可燃冰存储单元相连通，第二进气口与空气源相连通，混合气出口与燃烧器的第一燃气入口相连通；高压天然气管线上连接有天然气分线，天然气分线上设有气体涡轮机，天然气分线将占高压天然气管线中50％～60％的高压天然气输送至气体涡轮机进行发电，产生的电能存储于电能存储装置中，高压天然气经过气体涡轮机降压成为低压天然气，通过低压天然气管线输送至燃烧器的第二燃气入口。

可选择地，烟气总管连接有烟气分管，烟气分管与燃烧喷嘴的第三进气口相连通，以将占烟气总管中10％～30％的高温烟气引射至燃烧喷嘴中与空气及高压天然气混合后再送至燃烧单元的炉膛内燃烧。

可选择地，燃烧器包括同轴的内筒体及外筒体，内筒体及外筒体的前端密封，内筒体及外筒体的后端为燃烧气出口，与燃烧单元的炉膛相连通，第一燃气入口开设于外筒体的前端上侧壁处，助燃气入口开设于内筒体的前端下侧壁处，第二燃气入口开设于内筒体的前端。

其中，第一燃气入口开设于外筒体的前端上侧壁处，使得高压天然气、高温烟气及空气切向进入燃烧器中，使得它们在燃烧器的外筒体内形成旋流，增强了三种气体之间的混合。同时，助燃气入口开设于内筒体的前端下侧壁处的设置，使得自内筒体的前端进入的低压天然气与切向进入内筒体的助燃气混合得更加均匀。

可选择地，可燃冰存储单元包括若干个加热装置、容置于每个加热装置中的可燃冰容器、与可燃冰容器的出气口相连通的共管、与共管的出口相连通的储气罐。

可选择地，加热装置为有热水入口及冷水出口的水套，相邻的两个水套之间的热水入口及冷水出口通过管道相连通。

可选择地，可燃冰高效系统还包括第一换热器，第一换热器包括高温烟气入口、中温烟气出口、冷空气入口及热空气出口，高温烟气入口与烟气总管相连通，热空气出口通过热空气管线与燃烧器的助燃气入口相连通。

其中，来自燃烧单元的炉膛的800～1300摄氏度的高温烟气排放至烟气总管，占高温烟气总量的10～30％的高温烟气被引射回燃烧器中，与高压天然气和空气混合，再进行燃烧，从而可以有效提高炉温，保持燃烧温度的稳定性；70％～90％的高温烟气进入第一换热器中，与20～25摄氏度的冷空气进行热交换后，形成的500～800摄氏度的热空气进入燃烧器中，与低压天然气相混合，再进入燃烧单元中进行燃烧，进一步提高低压天然气的燃烧效率。

可选择地，还包括第二换热器，第二换热器包括中温烟气入口、低温烟气出口、冷水入口及热水出口，中温烟气入口与第一换热器的中温烟气出口相连通，低温烟气出口通过低温烟气管线与烟囱相连通，冷水入口与位于可燃冰存储单元的末端的水套的冷水出口相连通，热水出口与位于可燃冰存储单元的首端的水套的热水入口相连通。

其中，来自第一换热器的300～400摄氏度的中温烟气进入第二换热器中，与30摄氏度～40摄氏度的可燃冰存储单元的末端的水套排出的冷水进行换热，形成的80摄氏度～90摄氏度的热水，再进入可燃冰存储单元的首端的水套的热水入口，从而完成对所有的可燃冰容器的加热，换热后形成的180～200摄氏度的冷烟气排放至烟囱。

可选择地，每个可燃冰容器的出气口与共管之间的可燃冰连接管线上设有减压阀，共管的出口与储气罐之间的共管连接管线上设有电动调节阀。

优选地，每个可燃冰连接管线上还设有气体流量计以实时监测可燃冰容器中的排出的高压天然气的流量，当监测一个可燃冰容器无高压天然气排出时，便可立即更换新的可燃冰容器。

可选择地，热空气管线上设有第一风机以向助燃气入口引入热空气，低温烟气管线上设有第二风机以向烟囱引入低温烟气。

可选择地，第一风机、第二风机、减压阀以及电动调节阀分别与电能存储装置电连接以获取电能。

本发明的有益效果是：(1)、可以依照需要调节可燃冰容器的数量，进而控制电能的产生量，不会造成不必要的浪费；(2)、燃烧系统无污染，且可以利用高温烟气对冷空气进行换热产生的热风再进行燃烧，不仅有效利用了高温烟气及热风的热量，同时提高了燃烧效率；(3)、将部分高温烟气引射至喷嘴与空气混合助燃，不仅有效循环利用了热烟气，而且减少了烟气的排放量，降低氮氧化物生成量，实现节能环保；(4)、利用中温烟气的热量与冷水进行热交换，产生的热水用于加热可燃冰，实现了能量的循环使用，节能高效。

附图说明

图1示出了本发明的可燃冰高效燃烧系统的结构示意图。

图2示出了本发明的燃烧器的结构示意图。

图3示出了图2的A-A截面示意图。

图4示出了图2的B-B截面示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参照图1，作为一种非限制性实施方式，本发明的可燃冰高效燃烧系统包括：可燃冰存储单元10、燃烧单元20、第一换热器30以及第二换热器40。

燃烧单元20的炉膛21前端设有燃烧器22，燃烧单元20的炉膛21后端连接有用于排放高温烟气的烟气总管L1。

如图1所示，燃烧器22设有第一燃气入口221、第二燃气入口222、助燃气入口223及燃烧气出口224，第一燃气入口221处设有燃烧喷嘴220，燃烧喷嘴220设有第一进气口2201、第二进气口2202、第三进气口2203及混合气出口2204，其中，第一进气口2201通过高压天然气管线L2与可燃冰存储单元10相连通，第二进气口2202与空气源相连通，混合气出口2204与燃烧器22的第一燃气入口221相连通。其中，燃烧喷嘴220采用引射器构造，其利用进入第一进气口2201的高压天然气的压力形成抽吸力，将空气通过第二进气口2202抽吸进燃烧喷嘴220内。该过程不需要提供其它动力，因此更加节能。

高压天然气管线L2上连接有天然气分线L3，天然气分线L3上设有气体涡轮机50，天然气分线L3将占高压天然气管线L2中50％～60％的高压天然气输送至气体涡轮机50进行发电，产生的电能存储于电能存储装置60中，高压天然气经过气体涡轮机50降压成为低压天然气，通过低压天然气管线L4输送至燃烧器22的第二燃气入口222。

在该非限制性实施方式中，烟气总管L1连接有烟气分管L5，烟气分管L5与燃烧喷嘴220的第三进气口2203相连通，同样，因为燃烧喷嘴220采用引射器构造，其利用进入第一进气口2201的高压天然气的压力形成抽吸力，从而可以将占烟气总管L1中10％～30％的高温烟气引射至燃烧喷嘴220中，与空气及高压天然气混合后再送至燃烧单元20的炉膛21内燃烧。

作为另一种非限制性实施方式，如图2所示，燃烧器22包括同轴的内筒体225及外筒体226，内筒体225及外筒体226的前端密封，内筒体225及外筒体226的后端为燃烧气出口224，与燃烧单元20的炉膛21相连通，第一燃气入口221开设于外筒体226的前端上侧壁处，助燃气入口223开设于内筒体225的前端下侧壁处，第二燃气入口222开设于内筒体225的前端。

由此可见，如图3所示，助燃气入口223开设于内筒体225的前端下侧壁处的设置，使得自内筒体225的前端进入的低压天然气与切向进入内筒体的助燃气混合得更加均匀，燃烧温度可达到800摄氏度左右。同时，如图4所示，第一燃气入口221开设于外筒体226的前端上侧壁处，使得高压天然气、高温烟气及空气切向进入燃烧器22中，使得它们在燃烧器22的外筒体226内形成旋流，增强了三种气体之间的混合，使得燃烧温度可达到1300摄氏度左右。

作为又一种非限制性实施方式，如图1所示，第一换热器30包括高温烟气入口301、中温烟气出口302、冷空气入口303及热空气出口304，高温烟气入口301与烟气总管L1相连通，热空气出口304通过热空气管线L6与燃烧器22的助燃气入口223相连通。

由此，来自燃烧单元20的炉膛21的800～1300摄氏度的高温烟气排放至烟气总管L1，占高温烟气总量的10～30％的高温烟气通过烟气分管L5被引射回燃烧器22中，与高压天然气和空气混合，再进行燃烧，从而可以有效提高炉温，保持燃烧温度的稳定性。70％～90％的高温烟气进入第一换热器30中，与20～25摄氏度的冷空气进行热交换后，形成的500～800摄氏度的热空气通过热空气管线L6进入燃烧器22中，与低压天然气相混合，再进入燃烧单元20中进行燃烧，进一步提高低压天然气的燃烧效率。

作为再一种非限制性实施方式，如图1所示，可燃冰存储单元10包括若干个加热装置11、容置于每个加热装置11中的可燃冰容器12、与可燃冰容器12的出气口相连通的共管13、与共管13的出口相连通的储气罐14。

在该非限制性实施方式中，如图1所示，加热装置11为有热水入口111及冷水出口112的水套110，相邻的两个水套110之间的热水入口111及冷水出口112通过管道L相连通。

如图1所示，第二换热器40包括中温烟气入口401、低温烟气出口402、冷水入口403及热水出口404，中温烟气入口401与第一换热器30的中温烟气出口302相连通，低温烟气出口402通过低温烟气管线L7与烟囱Y相连通，冷水入口403与位于可燃冰存储单元10的末端的水套110的冷水出口112相连通，热水出口404与位于可燃冰存储单元10的首端的水套的热水入口111相连通。

由此，来自第一换热器的300～400摄氏度的中温烟气进入第二换热器40中，与30摄氏度～40摄氏度的可燃冰存储单元10的末端的水套110排出的冷水进行换热，形成的80摄氏度～90摄氏度的热水，再进入可燃冰存储单元10的首端的水套110的热水入口111，从而完成对所有的可燃冰容器12的加热，换热后形成的180～200摄氏度的冷烟气通过低温烟气管线L7排放至烟囱Y。

在该非限制性实施方式中，如图1所示，每个可燃冰容器12的出气口与共管13之间的可燃冰连接管线(图中未标号)上设有减压阀P1，共管13的出口与储气罐14之间的共管连接管线(图中未标号)上设有电动调节阀P2，热空气管线L6上设有第一风机F1，低温烟气管线L7上设有第二风机F2，第一风机F1、第二风机F2、减压阀P1以及电动调节阀P2分别与电能存储装置(图未示)电连接，从而获取电能，实现能源的闭环使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种可燃冰高效燃烧系统，包括：可燃冰存储单元及燃烧单元，其中，所述燃烧单元的炉膛前端设有燃烧器，所述燃烧单元的炉膛后端连接有用于排放高温烟气的烟气总管，其特征在于，

所述燃烧器设有第一燃气入口、第二燃气入口、助燃气入口及燃烧气出口，所述第一燃气入口处设有燃烧喷嘴，所述燃烧喷嘴设有第一进气口、第二进气口、第三进气口及混合气出口，其中，所述第一进气口通过高压天然气管线与所述可燃冰存储单元相连通，所述第二进气口与空气源相连通，所述混合气出口与所述燃烧器的第一燃气入口相连通；

所述高压天然气管线上连接有天然气分线，所述天然气分线上设有气体涡轮机，所述天然气分线将占高压天然气管线中50％～60％的高压天然气输送至所述气体涡轮机进行发电，产生的电能存储于电能存储装置中，所述高压天然气经过所述气体涡轮机降压成为低压天然气，通过低压天然气管线输送至所述燃烧器的第二燃气入口。

2.如权利要求1所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述烟气总管连接有烟气分管，所述烟气分管与所述燃烧喷嘴的第三进气口相连通，以将占烟气总管中10％～30％的高温烟气引射至所述燃烧喷嘴中与空气及高压天然气混合后再送至所述燃烧单元的炉膛内燃烧。

3.如权利要求2所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器包括同轴的内筒体及外筒体，所述内筒体及所述外筒体的前端密封，所述内筒体及所述外筒体的后端为所述燃烧气出口，所述燃烧气出口与所述燃烧单元的炉膛相连通，所述第一燃气入口开设于所述外筒体的前端上侧壁处，所述助燃气入口开设于所述内筒体的前端下侧壁处，所述第二燃气入口开设于所述内筒体的前端。

4.如权利要求3所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述可燃冰存储单元包括若干个加热装置、容置于每个加热装置中的可燃冰容器、与所述可燃冰容器的出气口相连通的共管、与所述共管的出口相连通的储气罐。

5.如权利要求4所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述加热装置为设有热水入口及冷水出口的水套，相邻的两个水套之间的热水入口及冷水出口通过管道相连通。

6.如权利要求5所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述可燃冰高效系统还包括第一换热器，所述第一换热器包括高温烟气入口、中温烟气出口、冷空气入口及热空气出口，所述高温烟气入口与所述烟气总管相连通，所述热空气出口通过热空气管线与所述燃烧器的助燃气入口相连通。

7.如权利要求5所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，还包括第二换热器，所述第二换热器包括中温烟气入口、低温烟气出口、冷水入口及热水出口，所述中温烟气入口与所述第一换热器的中温烟气出口相连通，所述低温烟气出口通过低温烟气管线与烟囱相连通，所述冷水入口与位于所述可燃冰存储单元的末端的水套的冷水出口相连通，所述热水出口与位于所述可燃冰存储单元的首端的水套的热水入口相连通。

8.如权利要求6所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，每个所述可燃冰容器的出气口与所述共管之间的可燃冰连接管线上设有减压阀，所述共管的出口与所述储气罐之间的共管连接管线上设有电动调节阀。

9.如权利要求8所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述热空气管线上设有第一风机以向所述助燃气入口引入热空气，所述低温烟气管线上设有第二风机以向烟囱引入低温烟气。

10.如权利要求9所述的可燃冰高效燃烧系统，其特征在于，所述第一风机、所述第二风机、所述减压阀以及所述电动调节阀分别与所述电能存储装置电连接以获取电能。

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