CN220911444U - 甲醇掺氢燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及窑炉燃烧系统技术领域，公开了一种甲醇掺氢燃烧系统，包括氢气管路、甲醇管路、氢醇混合管路、助燃风管路、燃烧器、被加热体、第一控制单元和第二控制单元，氢气管路、甲醇管路均与氢醇混合管路连通，氢醇混合管路、助燃风管路均与燃烧器连通；氢气管路设有第一流量计，甲醇管路设有甲醇汽化装置和第二流量计，氢气管路设有第一电动调节阀，第一流量计、第二流量计、第一电动调节阀均与第一控制单元相连；氢醇混合管路设有第二电动调节阀，被加热体设有温度检测器，温度检测器、第二电动调节阀均与第二控制单元相连。本实用新型能在保证安全燃烧的同时，提升和稳定掺氢比例，提升烧成质量，减少碳排放。

Description

甲醇掺氢燃烧系统

技术领域

本实用新型涉及窑炉燃烧系统技术领域，尤其涉及一种甲醇掺氢燃烧系统。

背景技术

窑炉属于高能耗高碳排放设备，为响应国家双碳政策，行业在寻找更加低碳清洁的能源方案。

甲醇和氢气是目前较为普及的绿色可再生能源，其中单位质量氢的热值是天然气的2.6倍，具有单位质量热值高、燃烧易充分，没有温室气体排放的优点，而甲醇是一种成本较低的液体燃料。目前，当甲醇和氢气单独应用在烧成领域时都存在一定缺陷：甲醇在直接燃烧时的燃烧效率低，容易出现不完全燃烧，而在采用自预热形式汽化燃烧时，汽化效果难以稳定，存在雾化易脱火、燃烧不充分时会汽化出有毒气体等问题；而氢气存在储存成本高、燃烧时局部温度高、火焰短、燃烧速度快等问题。

然而，由于氢气具有燃烧速度快、燃烧温度高的特点，现有的燃烧器在使用氢气燃烧时，氢气流量容易波动，无法使氢气与甲醇的比例保持稳定，燃烧温度难以控制，应用在窑炉烧成领域，容易因温度波动导致产品的质量不合格。

此外，由于氢气具有易爆炸的特点，一般现有的甲醇掺氢燃烧系统/装置无法很好地稳定掺氢比例，需要预留充足的氢气流量波动区间，因此只能进行低比例掺氢，对于污染物排放的改善效果并不明显。

因此，有必要提供一种甲醇掺氢燃烧系统，在保证安全燃烧的同时，提升和稳定掺氢比例，提升烧成质量，减少碳排放。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种甲醇掺氢燃烧系统，在保证安全燃烧的同时，提升和稳定掺氢比例，提升烧成质量，减少碳排放。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种甲醇掺氢燃烧系统，包括氢气管路、甲醇管路、氢醇混合管路、助燃风管路、燃烧器、被加热体、第一控制单元和第二控制单元，所述氢气管路、所述甲醇管路均与所述氢醇混合管路连通，所述氢醇混合管路、所述助燃风管路均与所述燃烧器连通；

所述氢气管路设有第一流量计，所述甲醇管路设有甲醇汽化装置和第二流量计，所述甲醇汽化装置和所述第二流量计沿甲醇输送方向依次设置，所述氢气管路设有第一电动调节阀，所述第一流量计、所述第二流量计、所述第一电动调节阀均与所述第一控制单元相连；

所述氢醇混合管路设有第二电动调节阀，所述被加热体设有温度检测器，所述温度检测器、所述第二电动调节阀均与所述第二控制单元相连。

作为上述方案的改进，稳定燃烧时所述氢醇混合管路中的氢气体积占比为15～40％。

作为上述方案的改进，所述助燃风管路设有压力开关，所述氢气管路设有第一电磁切断阀，所述甲醇管路设有第二电磁切断阀，所述压力开关与所述第一电磁切断阀、所述第二电磁切断阀电连接，所述压力开关测得助燃风管路的压力达到预设值时，所述第一电磁切断阀控制所述氢气管路导通，所述第二电磁切断阀控制所述甲醇管路导通。

作为上述方案的改进，还包括回风管路，所述被加热体为窑炉，所述窑炉通过所述回风管路与所述甲醇汽化装置连通，所述回风管路上设有排烟风机。

作为上述方案的改进，所述氢醇混合管路与所述燃烧器相连的一端设有阻火器；和/或，

所述氢气管路设有气动放散阀、检漏开关和第三电磁切断阀，所述第三电磁切断阀与所述检漏开关电连接。

作为上述方案的改进，还包括吹扫管路，所述氢气管路与所述吹扫管路连通，所述吹扫管路用于通入不可燃气体。

作为上述方案的改进，所述氢气管路包括甲醇重装制氢装置、储氢罐，所述甲醇重装制氢装置与所述储氢罐相连的管路还并联有碳捕捉装置。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本实用新型公开了一种甲醇掺氢燃烧系统，通过在甲醇管路设置甲醇汽化装置，使得气态甲醇更好地与空气混合，燃烧更充分高效，帮助减少碳排放；

同时，在氢气管路设置第一流量计，在甲醇管路设置第二流量计，氢气与汽化后的甲醇流量得到实时监测，通过第一控制单元控制第一电动调节阀，控制二者在氢醇混合管路中的占比，混合燃气得以按照预设的掺氢比例稳定供应，燃烧效果的可控性强；

通过在窑炉上设置温度检测器，在连通甲醇管路与氢气管路的氢醇混合管路上设置第二电动调节阀，窑炉的实时温度由温度检测器传输给第二控制单元，第二控制单元通过控制第二电动调节阀的开度调整氢醇混合管路内的混合燃气流量，从而实时控制窑炉温度变化，帮助提升烧成质量；

由于混合燃气流量发生变化，带来氢气与气态甲醇流量的变化，氢气管路的第一流量计与甲醇管路的第二流量计的数值也会发生变化，氢醇混合管路中燃气混合比例可能发生波动，第一控制单元通过比较第一流量计、第二流量计的比值进而控制第一电动调节阀来保证混合燃气比例的稳定，从而保证氢气流量不发生大的波动，提升安全性；

由于掺氢比例实时可控，本实用新型的掺氢比例最高可以达到40％左右，对比一般只能进行低比例掺氢的甲醇掺氢燃烧系统/装置，大大提升了掺氢比例，污染物排放的改善效果明显；

本实用新型采用甲醇掺氢燃烧产生大量水汽，可以增加烟气的辐射能力，加强烟气与产品的辐射换热，缩短烧成时间，节能减碳；

甲醇汽化潜热大，利用烟气余热对甲醇进行余热使其汽化，提高了甲醇的显热，带入窑炉的热量也就增加，从而降低了热耗，减少了碳排放。

附图说明

图1是本实用新型一种甲醇掺氢燃烧系统的一实施例结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种甲醇掺氢燃烧系统的一实施例，包括氢气管路100、氢醇混合管路200和甲醇管路300，以及助燃风管路400、燃烧器14、窑炉15、第一控制单元27和第二控制单元28。所述氢醇混合管路200、所述助燃风管路400均与所述燃烧器14连通。所述氢气管路100设有第一流量计10，所述甲醇管路300设有甲醇汽化装置19和第二流量计25，所述甲醇汽化装置19和所述第二流量计25沿甲醇输送方向依次设置，所述氢气管路100设有第一电动调节阀11，所述第一流量计10、所述第二流量计25、所述第一电动调节阀11均与所述第一控制单元27相连。所述氢醇混合管路200设有第二电动调节阀12，所述窑炉15设有温度检测器16，所述温度检测器16、所述第二电动调节阀12均与所述第二控制单元28相连。

本实施例通过在甲醇管路300设置甲醇汽化装置19，使得气态甲醇与更好地与空气混合，燃烧更充分高效。

同时，在氢气管路100设置第一流量计10，在甲醇管路300设置第二流量计25，氢气与汽化后的甲醇流量得到实时监测，通过第一控制单元27控制第一电动调节阀11，控制二者在氢醇混合管路200中的占比，混合燃气得以按照预设的掺氢比例稳定供应，燃烧效果的可控性强。

通过在窑炉15上设置温度检测器16，在连通甲醇管路300与氢气管路100的氢醇混合管路200上设置第二电动调节阀12，窑炉15的实时温度由温度检测器16传输给第二控制单元28，第二控制单元28通过控制第二电动调节阀12的开度调整氢醇混合管路200内的混合燃气流量，从而实时控制窑炉15温度变化，帮助提升烧成质量。

由于混合燃气流量发生变化，带来氢气与气态甲醇流量的变化，氢气管路100的第一流量计10与甲醇管路300的第二流量计25的数值也会发生变化，氢醇混合管路200中燃气混合比例可能发生波动，第一控制单元27通过比较第一流量计10、第二流量计25的比值进而控制第一电动调节阀11来保证混合燃气比例的稳定，从而保证氢气流量不发生大的波动，提升安全性。

此外，气态甲醇掺氢燃烧产生的大量水汽可以增加烟气的辐射能力，从而加强烟气与产品的辐射换热、缩短烧成时间，进而达到节能减碳的效果。

本实施例的第一控制单元27和第二控制单元28均选用PLC控制系统，温度检测器16可选用热电偶。

其中，本实施例的氢气管路100还包括依次设置的甲醇重整制氢装置1、储氢罐2、第一手动球阀3、第一压力调节阀4、第一压力表5、第三电磁切断阀6、气动放散阀7、检漏开关8、第一电磁切断阀9。

其中，氢气管路100上的气动放散阀7在管路过压时自动泄压，保证氢气管路100的压力安全。所述第三电磁切断阀6与所述检漏开关8电连接，当检漏开关8检测到氢气管路100内氢气泄露时，第三电磁切断阀6处于关闭状态，避免氢气泄露，保证氢气管路100和周边环境的安全。

本实施例氢气管路100的氢气由甲醇重整制氢装置1制得，采用甲醇重整制氢方法，低成本的甲醇经过甲醇重整制氢装置1生产氢气，再与气态的甲醇混合燃烧，实现了氢气的“即产即用”，减少了氢气的运输成本。

此外，甲醇掺氢燃烧产生大量水汽，可以增加烟气的辐射能力，加强烟气与窑炉15产品的辐射换热，缩短烧成时间，节能减碳。

由于甲醇制氢基本上只产生氢气和二氧化碳，分离氢气后基本只剩二氧化碳，本实施例优选在所述甲醇重装制氢装置与所述储氢罐2相连的管路还并联有碳捕捉装置33，用于对甲醇制氢过程产生的二氧化碳进行处理，减少碳排放。

本实施例的甲醇管路300还包括甲醇站17、甲醇加料泵18、与甲醇汽化装置19连通相连的烟囱20、以及相关开关调节装置，如第二手动球阀21、第二压力调节阀22、第二压力表23、第二电磁切断阀24。其中，甲醇汽化装置19设于甲醇加料泵18与第二手动球阀21之间。

甲醇站17除了为甲醇管路300提供甲醇外，也可以直接为甲醇重整制氢装置1提供甲醇作为原料。

本实施例的氢醇混合管路200与所述燃烧器14相连的一端设有阻火器13，阻火器13的设置可以避免燃烧器14内的火焰回火至氢醇混合管路200内。

本实施例的助燃风管路400设有助燃风机30、压力开关31和第三电动调节阀32，所述压力开关31与第一电磁切断阀9、第二电磁切断阀24电连接。当助燃风机30开启，压力开关31测得助燃风管路400的压力达到预设值时，第一电磁切断阀9、第二电磁切断阀24才被允许打开。

先手动打开第二电磁切断阀24，控制甲醇管路300导通，气态甲醇率先进入燃烧器14与助燃风混合燃烧。助燃风率先进入燃烧器14，可以保证通入的气态甲醇顺利点火燃烧。当气态甲醇稳定燃烧后，手动打开第一电动调节阀11控制氢气管路100导通，将氢气输送至氢醇混合管路200，与气态甲醇形成混合燃气，在燃烧器14与助燃风进行燃烧。

需要说明的是，本实施例所说的稳定燃烧，是指在燃料持续充分燃烧的基础上，单位时间内的产生的燃烧热量基本保持一致的状态。

本实施例的甲醇掺氢燃烧系统在稳定燃烧时氢醇混合管路中的氢气体积占比为15～40％。当窑炉正常投产时，氢气体积占比可以实时控制在28～33％，实现较高的掺氢比例，有效改善污染物排放。

为确保安全燃烧，在助燃风管路的压力未达到压力设定值时，第一电磁切断阀9和第二电磁切断阀24始终处于关闭状态，且第一电磁切断阀9控制氢气管路100导通的过程、第二电磁切断阀24控制甲醇管路300导通的过程、第二电动调节阀12控制所述氢醇混合管路200开度的过程，均为手动开启，不是助燃风管路的压力达到预设值时自动打开第一电磁切断阀9、第二电动调节阀12、第二电磁切断阀24。

本实施例的甲醇掺氢燃烧系统还包括回风管路500，所述窑炉15通过所述回风管路500与所述甲醇汽化装置19连通，所述回风管路500上设有排烟风机29。

窑炉15正常运行前，甲醇汽化装置19通电通过电热的方式将甲醇预热汽化；窑炉15正常运行后，借助窑炉15烟气与甲醇汽化装置19换热的方式将甲醇汽化，汽化效果稳定，且实现了能量循环，减少了能耗。此外，甲醇汽化潜热大，利用烟气余热对甲醇进行余热使其汽化，提高了甲醇的显热，带入窑炉15的热量也就增加，从而降低了热耗，减少了碳排放。

由于助燃风的波动将对窑炉15内的压力造成较大影响，造成产品的质量下降，同时影响窑炉15正常运行时甲醇汽化装置19对甲醇的汽化稳定性，因此，本实施例的第三电动调节阀32优选手动调节，而不随混合燃气的流量同时变化，保证助燃风管路400能够供给足够的氧气供最大流量状态下的氢气与甲醇燃烧即可。

为进一步提升燃烧的安全性，以及点火稳定性，本实施例的甲醇掺氢燃烧系统还包括吹扫管路600，所述氢气管路100与所述吹扫管路600连通，所述吹扫管路600用于通入不可燃气体，所述吹扫管路600上设有第四电磁切断阀26。

本实用新型的甲醇掺氢燃烧系统在燃烧时包括以下工序：

吹扫工序，打开第四电磁切断阀，经吹扫管路600向氢醇混合管路200、燃烧器14及氢气管路100末端通入不可燃气体(如氮气等)，将氢气管路100、氢醇混合管路200及燃烧器14内残留气体排出；

预热工序，甲醇汽化装置19通电将甲醇管路300中的液态甲醇预热成气态；

点火工序，第三电动调节阀32打开，助燃风机30开启，先向燃烧器14通入助燃风，压力开关31测得助燃风管路400的压力达到预设值时，第二电磁切断阀24控制甲醇管路300导通，气态甲醇率先进入燃烧器14与助燃风混合，并点火燃烧；

掺氢升温工序，点火成功后调整气态甲醇与助燃空气的比例，待燃烧器14内的助燃风与气态甲醇稳定燃烧后，向燃烧器14通入氢气，逐渐增加氢醇混合管路200中氢气的占比，经过1.5～5min，使进入氢醇混合管路200中的氢气体积占比为15～40％；

正常运行工序，第二控制单元28根据温度检测器16测得的窑炉15温度调整第二电动调节阀12的开度，第一控制单元27根据第一流量计10测得的实时氢气流量、第二流量计25测得的实时气态甲醇流量控制第一电动调节阀11的开度，使进入氢醇混合管路200中的氢气体积占比为15～40％。

其中，进入正常运行工序时，甲醇汽化装置19停止预热，窑炉15通过回风管路500向甲醇汽化装置19通入窑炉15烟气，甲醇汽化装置19与窑炉15烟气换热以使甲醇汽化。

由于氢气具有易爆炸的特点，一般现有的甲醇掺氢燃烧系统/装置无法很好地稳定掺氢比例，需要预留充足的氢气流量波动区间，因此只能进行低比例掺氢，对于污染物排放的改善效果并不明显，但本实施例由于掺氢比例实时可控，稳定性好，且系统安全可靠，掺氢比例最高可以达到40％左右。

本实施例将氢醇混合管路200中的氢气体积占比稳定在30％时，根据气态甲醇、氢气的热值和甲醇重整制氢方程式CH₄O+H₂O＝3H₂+CO₂计算可知，在保证燃料总发热量不变的情况下，甲醇掺氢燃烧系统的甲醇燃料使用量比甲醇单独燃烧减少了16.4％，则甲醇燃烧的碳排放减少了16.4％，减排效果十分显著。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，包括氢气管路、甲醇管路、氢醇混合管路、助燃风管路、燃烧器、被加热体、第一控制单元和第二控制单元，所述氢气管路、所述甲醇管路均与所述氢醇混合管路连通，所述氢醇混合管路、所述助燃风管路均与所述燃烧器连通；

所述氢气管路设有第一流量计，所述甲醇管路设有甲醇汽化装置和第二流量计，所述甲醇汽化装置和所述第二流量计沿甲醇输送方向依次设置，所述氢气管路设有第一电动调节阀，所述第一流量计、所述第二流量计、所述第一电动调节阀均与所述第一控制单元相连；

所述氢醇混合管路设有第二电动调节阀，所述被加热体设有温度检测器，所述温度检测器、所述第二电动调节阀均与所述第二控制单元相连。

2.如权利要求1所述的甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，稳定燃烧时所述氢醇混合管路中的氢气体积占比为15～40％。

3.如权利要求1所述的甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，所述助燃风管路设有压力开关，所述氢气管路设有第一电磁切断阀，所述甲醇管路设有第二电磁切断阀，所述压力开关与所述第一电磁切断阀、所述第二电磁切断阀电连接，所述压力开关测得助燃风管路的压力达到预设值时，所述第一电磁切断阀控制所述氢气管路导通，所述第二电磁切断阀控制所述甲醇管路导通。

4.如权利要求1或2所述的甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，还包括回风管路，所述被加热体为窑炉，所述窑炉通过所述回风管路与所述甲醇汽化装置连通，所述回风管路上设有排烟风机。

5.如权利要求1所述的甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，所述氢醇混合管路与所述燃烧器相连的一端设有阻火器；和/或，

所述氢气管路设有气动放散阀、检漏开关和第三电磁切断阀，所述第三电磁切断阀与所述检漏开关电连接。

6.如权利要求1至3任一项所述的甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，还包括吹扫管路，所述氢气管路与所述吹扫管路连通，所述吹扫管路用于通入不可燃气体。

7.如权利要求1至3任一项所述的甲醇掺氢燃烧系统，其特征在于，所述氢气管路包括甲醇重装制氢装置、储氢罐，所述甲醇重装制氢装置与所述储氢罐相连的管路还并联有碳捕捉装置。