一種超低氮氧化物排放超高熱效率燃氣爐系統的製作方法

2023-05-01 11:39:06 1

本實用新型涉及一種燃氣爐系統，特別涉及一種超低氮氧化物排放超高熱效率燃氣爐系統。

背景技術：

近年來，我國經濟高速發展，大氣汙染問題愈加嚴峻，特徵汙染物的區域性大氣環境問題日益突出，而天然氣是一種清潔能源，它的主要成分是甲烷，甲烷燃燒後生成二氧化碳和水，基本不存在顆粒和硫化物汙染。但是，天然氣若按傳統方式燃燒，一方面，會大量生成的熱力氮氧化物(NOx)隨煙氣排放到大氣環境中；另一方面，煙氣中大量熱量未能有效回收，造成熱量浪費及較低的熱效率。

中國的NOx年排放量現已居世界首位。2015年北京市頒布了《鍋爐大氣汙染物排放標準》(DB11/139-2015)，要求2017年4月1日前在用燃氣爐的NOx排放由現行的150mg/m3降到80mg/m3以下，且強制性規定，2017年4月1日起凡新建燃氣爐的NOx排放應低於30mg/m3。目前在用燃氣爐NOx排放水平普遍在100～200mg/m3，故現存的幾乎全部燃氣爐都面臨著做低氮排放改造的局面。NOx減排的市場需求之大將是難以想像的。實現燃氣爐低氮排放的技術途徑主要有兩條：燃燒後的煙氣脫硝技術和燃燒中的低NOx生成控制技術。前者工藝過程複雜，成本相當高，後者技術含量高，成本較低。

據對深圳320臺天然氣燃氣工業爐進行的測試，平均熱效率僅約為85％。這離國家規定的最低水平尚有約5％的差距，與發達國家相比至少有10％以上距離。若上述測試爐的熱效率全 部達到國家最低限定值，全年就可節省天然氣約900萬m3，減少CO2排放約900萬m3，減少NOx排放198萬m3。

燃氣爐提高熱效率的傳統途徑是用煙氣把助燃空氣預熱到儘可能高的溫度進爐燃燒，此方法在提高熱效率的同時存在以下缺陷：首先，這會導致空氣預熱器體積龐大，費用增高；其次，煙氣預熱空氣只能夠把煙氣排放溫度降到100℃上下，再低經濟性不允許(即使使用了煙氣-水換熱器來回收煙氣餘熱，一般也只可把煙氣溫度降到55-60℃)；最後，高溫空氣進爐燃燒將導致燃燒溫度進一步提高，使熱力NOx的生成量急速增加。

因此，基於以上問題，亟需一種燃氣爐系統以同時實現超低NOx排放和超高熱效率的燃氣目的。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明人進行了銳意研究，在燃料裝置前後各設置一座噴淋塔，分別用於加熱加溼助燃空氣和對燃氣爐排放的煙氣實施降溫減溼，實現了超低NOx排放和超高熱效率，從而完成了本實用新型。

本實用新型的目的在於提供一種超低NOx排放超高熱效率燃氣爐系統，所述燃氣爐系統包括燃燒裝置，以及位於燃燒裝置前後的升溫加溼裝置和降溫減溼裝置。

所述燃燒裝置包括燃燒器10和燃氣爐本體11，燃氣與送入燃燒器10的助燃空氣混合，並在燃氣爐本體11內燃燒；所述燃氣爐本體11中設有排汽閥和排水閥，分別用於控制燃氣爐本體11內氣體含量及排出燃燒後產生的沉積水；

所述升溫加溼裝置包括爐前噴淋塔1，所述爐前噴淋塔1頂部設置噴淋器件Ⅰ2，通過噴淋水對進入爐前噴淋塔1底部的助燃空氣進行逆向換熱並加溼；加熱加溼後助燃空氣經爐前噴淋 塔1上部的空氣出口流出，進入燃燒系統；

所述降溫減溼裝置包括與燃氣爐本體11尾部相連的換熱器12和爐後噴淋塔5，所述爐後噴淋塔5頂部設置噴淋器件Ⅱ6，燃燒後產生的煙氣通過換熱器12後進入爐後噴淋塔5的下部，與從爐後噴淋塔5頂部噴淋下來的水進行逆流換熱並減溼後從爐後噴淋塔5頂部排出。

通過本實用新型的一種超低NOx排放超高熱效率燃氣爐系統，可以達到以下技術效果：

1、本實用新型中燃氣爐系統操作方便，且採用現有耐高溼度的燃燒裝置和本實用新型提供的升溫加溼裝置和降溫減溼裝置即可實現降低NOx排放和提高熱效率的目的，節約了生產線改造成本；

2、設置了爐前噴淋塔進行以往所不曾有過的高強度加溼，以此來抑制爐內燃燒溫度，從而達到從生成NOx的源頭減排的目的，簡單有效，這與以往廣泛採用且已成熟的「分級燃燒」、「煙氣再循環」等技術截然不同；

3、在燃燒裝置後設置換熱器，並使用爐後噴淋塔與煙氣逆向直接接觸換熱並除溼，實現了最終排煙溫度達到接近環境溫度，這導致燃燒系統的熱效率(以燃料的低位發熱量計算時)可以接近甚至超過100％；

4、在燃燒裝置的前後各設置一座噴淋塔，兩座噴淋塔的噴淋水通過兩臺循環泵在兩噴淋塔之間構成閉合的流動循環，實現了熱能和水資源的循環利用，節約了成本；

5、本實用新型中燃氣爐系統為能夠兼顧汙染物排放控制和超高熱效率兩方面技術指標的先進燃氣系統技術方案，是清潔燃燒及低汙染排放的綜合性集成技術。

附圖說明

圖1示出本實用新型一種超低NOx排放超高熱效率燃氣爐系統示意圖。

附圖標號說明：

1-爐前噴淋塔；

2-噴淋器件Ⅰ；

3-填料Ⅰ；

4-循環泵；

5-爐後噴淋塔；

6-噴淋器件Ⅱ；

7-填料Ⅱ；

8-抽插式乾燥器；

9-鼓風機；

10-燃燒器；

11-燃氣爐本體；

12-換熱器。

具體實施方式

下面通過對本實用新型進行詳細說明，本實用新型的特點和優點將隨著這些說明而變得更為清楚、明確。

本實用新型的目的是公開一種超低氮氧化物排放超高熱效率燃氣爐系統，所述燃氣爐系統包括燃燒裝置，以及分別位於燃燒裝置前後的升溫加溼裝置和降溫減溼裝置。

本實用新型中，所述燃燒裝置包括燃燒器10和燃氣爐本體11，燃氣與送入燃燒器10的助燃空氣混合，並在燃氣爐本體11內燃燒。所述燃氣爐本體11中設排汽閥和排水閥，分別用於控 制燃氣爐本體11內汽體含量及排出燃燒後產生的凝結水。

本實用新型中，所述升溫加溼裝置包括爐前噴淋塔1，所述爐前噴淋塔1頂部設置噴淋器件Ⅰ2，通過噴淋水對進入爐前噴淋塔1底部的助燃空氣進行逆向換熱並加溼；加熱加溼後的助燃空氣經爐前噴淋塔1上部的空氣出口流出，進入燃燒系統。

本實用新型中，爐前噴淋塔1中噴淋水的溫度為30℃～70℃，優選為40℃～60℃；加熱加溼後助燃空氣的溫度為30℃～70℃，優選為40℃～60℃；溼度為水蒸氣飽和或過飽和狀態。燃氣燃料系統燃燒時生成NOx數量大小的關鍵性因素是燃燒溫度。助燃空氣未作處理時的燃燒溫度可達1800℃～1900℃，經過爐前噴淋塔1加熱加溼到飽和狀態的助燃空氣有助於把燃燒溫度控制在只生成極少NOx的門檻值1400℃～1523℃以下。

本實用新型中，所述爐前噴淋塔1底部空氣入口處設有鼓風機9，用以提供穩定流量的助燃空氣，所述鼓風機9上連接有乾燥器，優選為抽插式乾燥器8，用於當環境空氣溼度較高時降低進入爐前噴淋塔1中的助燃空氣的溼度。

本實用新型中，降溫減溼裝置包括與燃氣爐本體11尾部相連的換熱器12和爐後噴淋塔5，所述爐後噴淋塔5頂部設置噴淋器件Ⅱ6，燃燒後產生的煙氣通過換熱器12後進入爐後噴淋塔5的下部，與從爐後噴淋塔5頂部噴淋下來的水進行逆流換熱並減溼後從爐後噴淋塔5頂部排出；優選地，排出後的煙氣再次通入吸收池，優選吸收池中含有鹼性吸收物，用以吸收煙氣中殘餘酸性汙染物。所述爐後噴淋塔5中噴淋水的溫度為30℃～50℃。

所述換熱器12中換熱管為光管或管外壁結合翅片結構的翅片管，優選為螺旋翅片管，此結構可使換熱管外表面得以擴展，提高換熱面積。

所述換熱器12底部設有排水管路，將煙氣冷卻後產生的凝 結水排出，優選排入爐後噴淋塔5底部。

本實用新型中，所述爐前噴淋塔1中設有填料Ⅰ3，填料Ⅰ3固定位置可在爐前噴淋塔1內上部、中部或下部或任意位置組合；所述爐後噴淋塔5中設有填料Ⅱ7，填料Ⅱ7固定位置可在爐後噴淋塔5內上部、中部、下部或任意位置組合，用於增加水與煙氣的接觸面積。所述填料Ⅰ3包括規整型填料和散裝填料，為耐腐蝕材質，優選為不鏽鋼、陶瓷和塑料中一種或多種。所述填料Ⅱ7包括規整型填料和散裝填料，耐腐蝕材質，優選為不鏽鋼、陶瓷和塑料中一種或多種。

爐前噴淋塔1和爐後噴淋塔5均通過填料以直接接觸方式分別與空氣和煙氣進行逆流熱質交換，傳熱傳質效果極佳。表現為此種熱質交換可以實現終端幾乎「零溫差」和相對溼度達到飽和，即在爐前噴淋塔1中，加熱後的助燃空氣達到與噴淋水很接近或幾乎相同的溫度，溼度達到相應溫度下的飽和狀態；同樣在爐後噴淋塔5中，煙氣也被冷卻到與噴淋水十分接近的溫度，且排氣溼度也為相應較低溫度下的飽和狀態。

爐後噴淋塔5一方面使煙氣通過與低溫水直接接觸換熱，將煙氣溫度降低至接近環境溫度，以確保整個燃燒系統的熱效率達到極高的水平；另一方面，爐後噴淋塔5的噴淋水還對煙氣起到充分洗滌的作用。由於NOx和CO2在水中具有一定的溶解度，可將塔底積累的酸性水集中處理並重複使用，而各種汙染物不再向大氣環境中排放。

本實用新型中，所述爐前噴淋塔1底部和爐後噴淋塔5底部設有儲水罐，並在儲水罐確定高度處設置溢流閥，優選地，所述儲水罐內表面防腐處理，使儲水罐的抗腐能力得到增強。

爐前噴淋塔1和爐後噴淋塔5中持續性水輸出及水的回收處理易造成生產成本的增加，為降低水電的使用成本，同時便於 餘熱的利用，可將爐前噴淋塔1和爐後噴淋塔5的水路系統進行連通。

在一種優選的實施方式中，爐前噴淋塔1底部的儲水罐通過管路與爐後噴淋塔5頂部的噴淋器件Ⅱ6相連形成冷水管路，爐後噴淋塔5底部的儲水罐通過管路與爐前噴淋塔1頂部的噴淋器件Ⅰ2相連形成熱水管路，兩管路中分別設置循環泵4，使爐前噴淋塔1和爐後噴淋塔5的水路構成閉合循環系統，加之燃氣燃燒產生的水，故除了排汙以外，爐前噴淋塔1和爐後噴淋塔5水循環系統基本不消耗水資源。

本實用新型採用燃氣爐系統結合水-溼蒸汽的循環系統，在原有燃燒器或低氮燃燒器降低氮排放的基礎上，實現了更高水平的低氮排放指標；同時利用水與煙氣通過填料進行直接接觸的熱質傳遞，並結合燃氣爐尾部的餘熱回收換熱器，實現了超高的熱效率。本實用新型中燃氣爐系統的設計方案，改變了以往把降氮與提效分割開來，單獨解決的傳統做法，實現了同時降低氮排放和大幅度提高熱效率這兩個最根本的目標。

在一種優選的實施方式中，一種超低NOx排放超高熱效率燃氣爐系統如圖1所示，爐前噴淋塔1內安裝有噴淋器件Ⅰ2和填料Ⅰ3，噴淋器件Ⅰ2通過連接有循環泵4的管路連接至爐後噴淋塔5底部的儲水罐。爐後噴淋塔5內同樣安裝有噴淋器件Ⅱ6和填料Ⅱ7，噴淋器件Ⅱ6通過連接有循環泵4的管路連接至爐前噴淋塔1底部的儲水罐。連接有抽插式乾燥器8的鼓風機9設置在爐前噴淋塔1外側底部，將助燃空氣帶入爐前噴淋塔1進行熱水噴淋。經過熱交換後的飽和溼空氣從爐前噴淋塔1的上端經空氣管道與燃燒器10相連，燃氣與送入的助燃空氣混合併在燃氣爐本體11的燃燒室內燃燒，加熱爐管，使管內介質達到設計溫度。燃氣室中的煙氣首先流經換熱器12，所述換熱器12為翅片管式煙 道餘熱回收換熱器，在此過程中煙氣內所含的部分水蒸汽發生凝結，煙氣的部分顯熱和水蒸氣的潛熱得以初步回收。初步降溫後的煙氣通過煙氣管道進入爐後噴淋塔5，與低溫噴淋水接觸換熱並減溼，在此過程中同時具有對煙氣進行洗滌的作用，進一步降低了向大氣排放NOx和其他各種有害氣體的數量。降溫減溼後的煙氣，最終以接近於環境溫度的水平，通過爐後噴淋塔5的上方出口排放到大氣中。

以上結合具體實施方式和範例性實例對本實用新型進行了詳細說明，不過這些說明並不能理解為對本實用新型的限制。本領域技術人員理解，在不偏離本實用新型精神和範圍的情況下，可以對本實用新型技術方案及其實施方式進行多種等價替換、修飾或改進，這些均落入本實用新型的範圍內。本實用新型的保護範圍以所附權利要求為準。