CN114593415A - 一种零碳排放燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零碳排放燃烧系统，属于节能减排领域。包括依次相连的燃料管路、燃烧器、炉膛、排烟管、循环风机，所述循环风机回连至所述燃料管路或所述燃烧器；所述排烟管和循环风机之间设有烟气冷却装置及冷凝水收集装置；所述燃烧器上连接有氧化剂管路。本发明采用氢为燃料，并且将燃烧后的烟气，经过烟气冷却装置和冷凝集水装置后，再循环至氢燃料的管路，与氢燃料混合后，进入燃烧器。本发明的优点在于，氢燃料掺混烟气后，其燃烧速度减慢，混合气体喷出的动量增加，有利于组织形成温度均匀、充分燃烧的火焰，从而满足各种加热工艺需求，且燃烧系统最终排放物为氮气，实现燃烧系统的零碳排放。

Description

一种零碳排放燃烧系统

技术领域

本发明属于节能减排领域，涉及一种零碳排放燃烧系统。

背景技术

在当前的技术发展形势下，低碳和零碳的供热技术需求日趋强烈。但当前，燃烧仍然是能源利用的主要方式，如何实现低碳或者零碳燃烧，在近年开展了非常多的研究。

氢具有高发热值，以及极低密度的特性，其燃烧性好、燃烧速度快，并且燃烧产物为水，整个燃烧过程基本没有环境污染问题，氢燃烧能够实现零碳排放。但也是由于氢气具有燃烧速度快、热值高，且密度非常低的特性，其燃烧器设计存在较大的技术难点，很容易出现局部高温、NOx生成量大等问题，也很难组织形成长条状火焰，无法满足大多数加热场景的工艺需求。加上氢气燃烧速度快，在燃烧负荷发生变化时，也容易发生回火的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种零碳排放燃烧系统，可实现氢燃料的安全稳定的燃烧，并且能组织形成长条状火焰，从而满足回转窑、热轧加热炉等场景的加热工艺需要。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种零碳排放燃烧系统，包括依次相连的燃料管路、燃烧器、炉膛、排烟管、循环风机，所述循环风机回连至所述燃料管路或所述燃烧器；所述排烟管和循环风机之间设有烟气冷却装置及冷凝水收集装置；所述燃烧器上连接有氧化剂管路。

氢燃料和氧化剂通入燃烧器后，在炉膛内燃烧，燃烧产生的烟气经过烟气冷却装置降温，由冷凝积水装置收集液态水后，再将部分或全部烟气，经过循环风机，通入燃料管路，与氢燃料混合后进入燃烧器，在炉膛内燃烧。

由于氧化剂一般为空气，当与氢气发生燃烧反应后，烟气中剩余成分主要为氮气和气态水，经过烟气冷却装置和冷凝积水装之后，烟气温度降低，且烟气中大部分水凝结并排出。此时烟气中绝大部分是氮气，而氮气是一种惰性气体。利用循环风机将烟气通入燃料管路后，烟气与氢气混合，一方面由于烟气密度比氢气大很多，混合气体的密度要远大于氢气的密度。并且惰性气体氮气与氢气混合后，混合气体中氢气浓度变低，混合气体的燃烧速度也随之而降低。这样，混合气体密度加大，热值降低，再进入燃烧器以后，混合气体的动量要远大于氢气喷出的动量，这非常有利于形成长条状火焰。并且混合气体热值降低，燃烧速度减慢，能够减缓与氧化剂反应的速度，来防止形成局部高温区，不仅使得火焰温度均匀，并且能大幅降低NOx生成。

可选的，所述循环风机回连至所述燃烧器，烟气与燃料同轴喷出至所述炉膛。

对于燃烧系统燃烧器数量较少，甚至只有一台燃烧器时，利用循环风机，可将烟气直接通入燃烧器，在燃烧器中与氢气喷管同轴喷出，同样可以起到稀释气体，增大混合气体动量的作用。由于烟气中绝大部分成分为惰性气体，当氢燃料与惰性气体混合后，不易发生回火的问题。

可选的，沿烟气流动方向，所述烟气冷却装置设置在所述冷凝水收集装置之前。

可选的，所述烟气冷却装置连通至所述氧化剂管路，通过氧化剂作为冷却介质，将烟气热量传递至氧化剂对其进行预热后通入燃烧器。利用氧化剂吸收烟气热量，并再将热量经过管路和燃烧器后，带入炉膛内，这样就提高了整个系统的热效率。起到节能效果。

可选的，所述烟气冷却装置采用液态水作为冷却介质，将烟气热量传递至液态水从而产生蒸汽。于较高温度的氧化剂与燃料燃烧，会产生更高的燃烧温度。而有的应用场景并不需要较高的温度，因此可将烟气热量由其余冷却介质带走，将热量回收至其他系统利用，这也能起到节能效果。

可选的，所述燃烧器设有若干个，若干个所述燃烧器相互并联；每个所述燃烧器分别连接至燃料管路，循环风机分别与每个燃烧器相连。

可选的，每个所述燃烧器与所述燃料管路的连接处均设有流量检测装置及流量调节装置；循环风机与每个燃烧器的连接处均设有流量检测装置及流量调节装置。

可选的，在所述循环风机与燃料管路的连接处设有氢气浓度检测装置，以检测结果与目标浓度之间的差值为参照，此来调节通入的烟气量。

当有多台燃烧器，并且多台燃烧器的燃料管路均连接到一条总管时，循环烟气可分别与燃烧器的支管连接。可在循环烟气和燃料管路上均设置流量检测装置，以及流量调节装置。根据氢气的体积流量，来调节循环烟气的流量，从而确保混合气体中氢气的体积浓度达到目标值。也可在混合气体管道上，安装氢气浓度检测装置，以检测结果与目标浓度之间的差值为参照，此来调节通入的烟气量。

可选的，进入循环风机通入燃料管路的循环烟气与氢气掺混后的混合气体中氢气体积浓度在30％～100％。

进入循环风机通入燃料管路的烟气，可为一部分烟气，剩余烟气可直接排入大气。烟气与氢气混合后，可降低氢气的燃烧速度。可以根据加热工艺需要设定掺混比例，循环烟气与氢气掺混后，混合气体中氢气的体积浓度在30％～100％范围。

可选的，所述循环风机与所述氧化剂管路相连，用于将部分烟气经循环风机后通入氧化剂管路。

可将部分烟气，经过循环风机后，通入氧化剂的管路。稀释氧化剂中氧气浓度，以此来降低氧化剂和燃料的反应速度，从而降低火焰温度和降低NOx产生。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将燃烧后烟气与氢燃料混合，再通入炉膛内燃烧，以此方式来降低氢燃料的燃烧速度，提高其喷出的动量，从而组织形成温度均匀、充分燃烧的火焰，并且更有利于形成长条装火焰，以适应回转窑、轧钢加热炉等场景的加热需求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的系统示意图；

图2为循环烟气与氢燃料在燃烧器内同轴喷出的示意图；

图3为图2的A区放大图；

图4为使用氧化剂为烟气冷却装置的冷却介质的系统图；

图5为使用液态水为烟气冷却装置的冷却介质的系统图；

图6为有多台燃烧器，循环烟气与氢燃料混合的系统图；

图7为循环烟气同时与氧化剂管路混合的系统图。

附图标记：燃料管路1，氢燃料11，氧化剂管路2，燃烧器3，炉膛4，排烟管5，烟气55，烟气冷却装置6，冷凝集水收集装置7，循环风机8。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以回转窑为例，本发明具体实施如下：

燃料管路1，氢燃料11，氧化剂管路2，燃烧器3，炉膛4，排烟管5，烟气55，烟气冷却装置6，冷凝集水收集装置7，循环风机8。燃烧系统按如下方式设置，氢燃料11和氧化剂通入燃烧器3后，在炉膛4内燃烧，燃烧产生的烟气55经过烟气冷却装置6降温，再由冷凝积水装置收集液态水后，再将部分烟气55，经过循环风机8，通入燃料管路1，与氢燃料11混合后进入燃烧器3，在炉膛4内燃烧。剩余的烟气55则直接排出。以此方式，整个系统排出的废气为氮气，不产生含碳排放物，实现了零碳排放。同时，由于回转窑需要细长火焰，既火焰长度与火焰横截面直径的比值一般在5～10。要获得较长的火焰，一般是采用分级燃烧、调整喷口的位置和喷出速度等方式等技术措施来实现。但氢燃料11的特性是，密度极低、燃烧速度非常快，这对于组织形成细长火焰存在很大困难。一方面密度低，自身动量小，即便是极高的喷出速度，也很难形成较远的射流距离，单通过氧化剂射流和炉膛4内气体的卷吸混合，很容易形成局部高温区。

为此，本发明通过烟气55循环方式，将烟气55通过循环风机8，引入燃料管路1，形成混合气体，一方面降低了燃烧速度，另一方面混合气体体积密度增大，更有利于组织生成细长型火焰，从而满足回转窑的加热工艺需求。

进一步的，在回转窑烟道中，分别设置两组烟气冷却装置6，以尽可能的回收烟气55中的热量，提高热效率。第一组烟气冷却装置6，采用水为冷却介质，产生的高温高压蒸汽，送入全厂蒸汽管网中利用；第二组烟气冷却装置6，采用参与燃烧的氧化剂为冷却介质，本方案采用空气为氧化剂，第二组烟气冷却装置6为空气预热器，将初步冷却的烟气55通入空气预热器后，热烟气55将空气预热至400～500℃的温度，冷却后烟气55温度在200℃左右。冷却后的烟气55，大部分水由气态变成液态，通过冷凝水收集装置后，一部分烟气55直接排入大气，而另一部分烟气55经过循环风机8，引入燃料管路，从而整个燃烧系统形成一个平衡状态。

本例实施中，整个系统排入外部环境的，只有氮气这种惰性气体。实现了零碳排放，并且通过烟气55循环的技术措施，来减缓氢燃料11的燃烧速度，这种方式有利于组织形成回转窑工艺需要的细长型火焰。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种零碳排放燃烧系统，其特征在于：包括依次相连的燃料管路、燃烧器、炉膛、排烟管、循环风机，所述循环风机回连至所述燃料管路或所述燃烧器；所述排烟管和循环风机之间设有烟气冷却装置及冷凝水收集装置；所述燃烧器上连接有氧化剂管路。

2.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：所述循环风机回连至所述燃烧器，烟气与燃料同轴喷出至所述炉膛。

3.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：沿烟气流动方向，所述烟气冷却装置设置在所述冷凝水收集装置之前。

4.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：所述烟气冷却装置连通至所述氧化剂管路，通过氧化剂作为冷却介质，将烟气热量传递至氧化剂对其进行预热后通入燃烧器。

5.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：所述烟气冷却装置采用液态水作为冷却介质，将烟气热量传递至液态水从而产生蒸汽。

6.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：所述燃烧器设有若干个，若干个所述燃烧器相互并联；每个所述燃烧器分别连接至燃料管路，循环风机分别与每个燃烧器相连。

7.根据权利要求6所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：每个所述燃烧器与所述燃料管路的连接处均设有流量检测装置及流量调节装置；循环风机与每个燃烧器的连接处均设有流量检测装置及流量调节装置。

8.根据权利要求6所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：在所述循环风机与燃料管路的连接处设有氢气浓度检测装置，以检测结果与目标浓度之间的差值为参照，此来调节通入的烟气量。

9.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：进入循环风机通入燃料管路的循环烟气与氢气掺混后的混合气体中氢气体积浓度在30％～100％。

10.根据权利要求1所述的零碳排放燃烧系统，其特征在于：所述循环风机与所述氧化剂管路相连，用于将部分烟气经循环风机后通入氧化剂管路。

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