CN100467946C - 工业炉窑及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业窑炉及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统，由制氢燃烧系统、导热油加热循环系统、炉窑余热烟气加热系统，空气预热系统、启动系统和旁路再循环系统组成；利用炉窑烟气余热加热导热油，由导热油完成甲醇液体燃料的汽化，通过制氢燃烧系统将甲醇转化成主要成份为氢气的燃料，供炉窰燃烧，不产生粉尘和二氧化硫有害气体，大大减少了二氧化碳气体的排放量，完全能符合国家的环保标准要求，可以成为工业炉窑的新型替代能源；本系统还具有使用安全性、运行稳定，设备便于小型化，降低制造成本等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及工业热力燃烧系统，具体说是涉及一种将甲醇汽化、催化、热解转变为氢气燃料的工业炉窑或火电站用的燃烧系统。
背景技术
目前，用于工业炉窑的燃料主要有两类：一类是以柴油、重油、天然气和石油液化气为燃料，存在的问题是燃烧成本高，对日趋枯竭的石油依赖性强；另一类是以煤炭为燃料，而燃煤造成的污染危害是众所周知的。因此，寻找合适的替代能源一直是工业界追求的目标。
氢气是一种环保型的清洁能源，而甲醇被认为是目前发现的最经济最方便实用的氢储体。甲醇可以通过非石化渠道大量制取，例如从煤炭中制取。将甲醇直接作为燃料，由于其燃烧产生的热值低、腐蚀性强和排放污染问题严重而未能成为工业燃料。
目前工业炉窑热力系统一般都不完善，其尾部余热由于未能利用而造成能源浪费和废热污染，创建工业炉窑应用的将甲醇变成氢气燃料的燃烧系统势在必行。
申请号为200610119905.9的中国专利，公开了“一种用于工业炉的醇基气化重整燃烧系统”。该系统利用烟气尾部余热，用以降低烟气的热损耗，将醇基合成燃料汽化或汽化裂解后燃烧，减轻了液体醇基合成燃料直接燃烧产生的腐蚀性，提高了热值。其不足之处：一是利用烟气尾部余热直接对醇基合成燃料加热，烟气因可能泄漏而与燃料接触，对设备的安全性、可控性、系统运行的稳定性产生不利影响；二是余热加热器体积要大，造成成本增加。
发明内容
本发明的目的在于：为工业炉窑和火电站用户提供一种安全可控、运行稳定、将甲醇变成氢气燃料的燃烧系统。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
工业炉窑及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统，包括有制氢燃烧系统、导热油加热循环系统、炉窑余热烟气加热系统，其中所述：
制氢燃烧系统，包括有通过管路串联的甲醇站、甲醇加料泵、甲醇燃料箱、甲醇计量泵、甲醇燃料输送开关阀、汽化器、催化剂活化系统、甲醇催化热解转氢发生器和燃烧器；
导热油加热循环系统，包括用管路依序相连的导热油箱、过滤器、导热油循环泵、余热加热器、甲醇催化热解转氢发生器和汽化器；
炉窑余热烟气加热系统，包括用管路依次连接的余热采集口、烟气调节阀、余热加热器、余热烟气引风机和炉窑烟囱；
其特征在于：还包括有空气预热系统、启动系统和旁路再循环系统，其中：
空气预热系统，由助燃空气采集口、鼓风机、余热加热器、炉窑助燃空气入口通过管道依次相连组成；
启动系统，由甲醇燃料箱、甲醇计量泵、启动系统切换阀、启动燃烧器通过管路依次相连组成；
旁路再循环系统，由设置在制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀的输入端与甲醇计量泵输出端之间和甲醇计量泵输入端与甲醇燃料箱输出端之间的旁路阀所构成的管路组成；
在所述的制氢燃烧系统中，还有依序设置在燃烧器与甲醇催化热解转氢发生器之间通过管路连接的汽水分离器及甲醇预热和氢气贮存器，以及设置在甲醇催化热解转氢发生器与汽化器之间通过管路连接的增温器；
在所述的导热油加热循环系统中，还包括有设置在甲醇催化热解转氢发生器与汽化器之间通过管路连接的增温器；
还有设置在制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀的输出端与甲醇预热和氢气贮存器的甲醇输入端口之间的甲醇前段输送管路，以及设置在甲醇预热和氢气贮存器的甲醇输出端口与汽化器的甲醇输入端口间的甲醇后段输送管路，以及连接启动燃烧器输出端与烟气调节阀输出端管路间的系统隔断阀管路。
所述制氢燃烧系统，还有设置在燃烧器与汽水分离器之间的阻火器。
所述的余热加热器主要由三个依次连通的腔室构成，即底部带有烟气进口的余热烟气兼燃烧室、中部的导热油加热室及顶部的烟气冷却和空气预热室；其中所述的余热烟气兼燃烧室，为燃烧或余热烟气供应室，该腔室外壁具有余热烟气入口管；
所述导热油加热室，为容纳导热油的腔室，在该腔室中排布有余热烟气通道列管，并设置控制导热油流向的导流隔板，在该导热油加热室壁上设置有上导热油入口管和下导热油出口管；
所述烟气冷却和空气预热室，为余热烟气与冷空气列管换热的腔室，在该腔室中排布有换热空气列管，在该腔室顶部设置有冷烟气排出口管，腔室壁两侧设置有冷空气入口管和预热空气出口管。
本发明的工作原理如下：
首先，启动系统：打开导热油箱使油路循环，启动系统切换阀，点燃启动燃烧器，甲醇焰在余热加热器中燃烧使导热油预热，当循环的导热油在余热加热器出口处达到260℃时，打开制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀，甲醇依次通过甲醇预热和氢气贮存器、汽化器汽化、增温器升温、在甲醇催化热解转氢发生器中通过活化的催化剂将甲醇热解转化为含氢燃气，然后进入甲醇预热和氢气贮存器中贮存，当达到设定的使用压力时，使含氢燃气进入汽水分离器分离出凝结水，然后通过燃烧器和鼓风机送风点燃炉窑。
当炉窑余热采集口的温度达到设定值时，开启炉窑余热烟气加热系统，同时关闭启动系统，炉窑正常工作，此时循环导热油的加热、甲醇汽化、催化及热解转化为氢气反应过程所需要的热量均由炉窑余热提供。
本发明的优点在于：
1、用甲醇作石油液化气替代燃料，既减少工业炉窑对石油的依赖又避免燃烧废气对环境污染；
2.由于导热油是非易燃物质，使用导热油作为余热烟气的热载体和甲醇制氢的介质，避免了烟气接触燃料的可能，提高了系统使用的可控性、安全性和运行的稳定性，有利于设备的小型化；
3.与现有技术相比，由于在制氢燃烧系统中设有增温器、甲醇预热和氢气贮存器，产生了三种效果：一是增温器提供了甲醇转化所需的必要温度，提高了甲醇转化效率；二是甲醇预热和氢气贮存器的利用，可以有效地利用反应热加热甲醇，节省了能量；三是增温器、甲醇预热和氢气贮存器的使用，可以使余热加热器和汽化器实现小型化，降低了系统制造成本；
4.由于采用旁路再循环系统，保证了计量泵在炉窑启动状态和生产状态中均运行在计量泵特性曲线要求的范围内，起到调整和保护计量泵的作用。
5.本发明特别适合工业炉窑使用，对缓解炉窑燃料过分依赖石油具有积极作用。
6.本系统炉窑由于使用氢气作燃料，不产生粉尘及二氧化硫有害气体，也大大减少了二氧化碳的排放，完全能符合国家的环保标准要求，便于推广应用。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图
图2为甲醇预热和氢气贮存器纵剖结构示意图
图3为甲醇催化热解转氢发生器纵剖结构示意图
图4为余热加热器纵剖结构示意图
图中标记：1.炉窑烟囱，2.余热烟气引风机，3.余热加热器，4.炉窑助燃空气入口，5.鼓风机，6.助燃空气采集口，7.烟气调节阀，8.余热采集口，9.系统隔断阀，10.启动燃烧器，11.甲醇燃料箱，12.旁路阀，13.甲醇加料泵，14.甲醇站，15.甲醇计量泵，16.启动系统切换阀，17.甲醇燃料输送开关阀，18.汽化器，19.增温器，20.甲醇催化热解转氢发生器，21.甲醇预热和氢气贮存器，22.汽水分离器，23.燃烧器，24.阻火器，25.催化剂活化系统，26.导热油箱，27.过滤器，28.导热油循环泵，29.设置在甲醇燃料输送开关阀输出端与甲醇预热和氢气贮存器的甲醇输入端口之间的甲醇前段输送管路，30.设置在甲醇预热和氢气贮存器的甲醇输出端口与汽化器的甲醇输入端口间的甲醇后段输送管路，31.甲醇预热和氢气贮存器腔体内的甲醇通道管，32.含氢气体贮存腔，33.甲醇入口管，34.甲醇出口管，35.含氢气体入口管，36.含氢气体出口管，37.甲醇催化热解转氢发生器腔体内的容装催化剂和甲醇发生热解反应的腔管，38.导热油加热腔，39.甲醇气体输入管口，40.含氢气体输出管口，41.导热油输入管口，42.导热油输出管口，43.余热加热器底部带有烟气进口的余热烟气兼燃烧室，44.冷烟气排出口管，45.为余热烟气通道列管，46.带有导热油进、出口管的导热油加热室，47.为换热空气列管，48.为冷空气入口管，49.为热空气出口管，50.为导流隔板，51.为余热烟气入口管，52.为导热油入口管，53.为导热油出口管，54.为顶部的烟气冷却和空气预热室。
具体实施方式
工业炉窑及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统，包括有制氢燃烧系统、导热油加热循环系统、炉窑余热烟气加热系统，空气预热系统、启动系统和旁路再循环系统，其中所述：
制氢燃烧系统，由通过管路串联的甲醇站14、甲醇加料泵13、甲醇燃料箱11、甲醇计量泵15、甲醇燃料输送开关阀17，甲醇预热和氢气贮存器21、汽化器18、增温器19、催化剂活化系统25和甲醇催化热解转氢发生器20、汽水分离器22、阻火器24和燃烧器23所组成；
导热油加热循环系统，由用管路依序相连的导热油箱26、过滤器27、导热油循环泵28、余热加热器3、甲醇催化热解转氢发生器20、增温器19和汽化器18组成；
炉窑余热烟气加热系统，用管路依次连接的余热采集口8、烟气调节阀7、余热加热器3、余热烟气引风机2和炉窑烟囱1组成；
空气预热系统，由助燃空气采集口6、鼓风机5、余热加热器3、炉窑助燃空气入口4通过管道依次相连组成：
启动系统，由甲醇燃料箱11、甲醇计量泵15、启动系统切换阀16、启动燃烧器10通过管路依次相连组成；
旁路再循环系统，由设置在制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀17的输入端与甲醇计量泵15的输出端之间和甲醇计量泵15输入端与甲醇燃料箱11输出端之间的旁路阀12所构成的管路组成；
在所述的导热油加热循环系统中，还包括有设置在甲醇催化热解转氢发生器20与汽化器18之间通过管路连接的增温器19；
还有设置在制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀17输出端与甲醇预热和氢气贮存器21的甲醇输入端口之间的甲醇前段输送管路29，以及设置在甲醇预热和氢气贮存器21的甲醇输出端口与汽化器18的甲醇输入端口间的甲醇后段输送管路30，以及连接启动燃烧器10输出端与烟气调节阀7输出端管路间的系统隔断阀9管路。
余热加热器3主要由三个依次连通的腔室构成，即底部带有烟气进口余热烟气兼燃烧室43、中部的导热油加热室46及顶部的烟气冷却和空气预热室54；其中所述的余热烟气兼燃烧室43，为燃烧或余热烟气供应室，该腔室外壁具有余热烟气入口管51；
所述导热油加热室46，为容纳导热油的腔室，在该腔室中排布有余热烟气通道列管45，并设置控制导热油流向的导流隔板50，在该导热油加热室46壁上设置有上导热油入口管52和下导热油出口管53；
所述烟气冷却和空气预热室54，为余热烟气与冷空气列管换熟的腔室，在该腔室中排布有换热空气列管47，在该腔室顶部设置有冷烟气排出口管44，腔室壁两侧设置有冷空气入口管48和预热空气出口管49。
余热加热器3，具有加热导热油、空气预热和启动系统的燃烧室三种功能。其热源可来自工业炉窑余热，火电站汽轮机、锅炉系统的回热及尾部余热，化工工艺过程产生的反应热和核能利用中产生的余热。在甲醇催化热解转氢发生器20和燃烧器23之间设有甲醇预热和氢气贮存器21、汽水分离器22和阻火器24。甲醇预热和氢气贮存器21利用其反应热预热甲醇燃料达到160℃～170℃，使甲醇燃料汽化更快，经汽化器18、增温器19和甲醇催化热解转氢发生器20，通过导热油的加热完成甲醇燃料的连续加热过程。在甲醇催化热解转氢发生器20与汽化器之间设有增温器19，可使已汽化的甲醇燃料进一步加热，达到催化转化制氢反应所要求的240℃温度，可以减小汽化器18和余热加热器3的体积。在连续加热过程中，导热油为余热烟气的热载体。转化制氢燃烧系统的燃料计量由甲醇计量泵15完成。旁路再循环系统的设置目的在于保护计量泵，保证炉窑启动时的安全。
本系统用于火电站的使用方式同上。
Claims (3)
1.工业炉窑及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统，包括有制氢燃烧系统、导热油加热循环系统、炉窑余热烟气加热系统，其中所述：
制氢燃烧系统，包括有通过管路串联的甲醇站(14)、甲醇加料泵(13)、甲醇燃料箱(11)、甲醇计量泵(15)、甲醇燃料输送开关阀(17)、汽化器(18)、催化剂活化系统(25)、甲醇催化热解转氢发生器(20)和燃烧器(23)；
导热油加热循环系统，包括用管路依序相连的导热油箱(26)、过滤器(27)、导热油循环泵(28)、余热加热器(3)、甲醇催化热解转氢发生器(20)和汽化器(18)；
炉窑余热烟气加热系统，包括用管路依次连接的余热采集口(8)、烟气调节阀(7)、余热加热器(3)、余热烟气引风机(2)和炉窑烟囱(1)，其特征在于：还包括有空气预热系统、启动系统和旁路再循环系统，其中
空气预热系统，由助燃空气采集口(6)、鼓风机(5)、余热加热器(3)、炉窑助燃空气入口(4)通过管道依次相连组成；
启动系统，由甲醇燃料箱(11)、甲醇计量泵(15)、启动系统切换阀(16)、启动燃烧器(10)通过管路依次相连组成；
旁路再循环系统，由设置在制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀(17)的输入端与甲醇计量泵(15)输出端之间和甲醇计量泵(15)输入端与甲醇燃料箱(11)输出端之间的旁路阀(12)所构成的管路组成；
在所述的制氢燃烧系统中，还有依序设置在燃烧器(23)与甲醇催化热解转氢发生器(20)之间通过管路连接的汽水分离器(22)及甲醇预热和氢气贮存器(21)，以及设置在甲醇催化热解转氢发生器(20)与汽化器(18)之间通过管路连接的增温器(19)；
在所述的导热油加热循环系统中，还包括有设置在甲醇催化热解转氢发生器(20)与汽化器(18)之间通过管路连接的增温器(19)；
还有设置在制氢燃烧系统中的甲醇燃料输送开关阀(17)的输出端与甲醇预热和氢气贮存器(21)的甲醇输入端口之间的甲醇前段输送管路(29)，以及设置在甲醇预热和氢气贮存器(21)的甲醇输出端口与汽化器(18)的甲醇输入端口间的甲醇后段输送管路(30)，以及连接启动燃烧器(10)输出端与烟气调节阀(7)输出端管路间的系统隔断阀(9)的管路。
2、按照权利要求1所述的工业炉窑及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统，其特征在于：所述制氢燃烧系统，还有设置在燃烧器(23)与汽水分离器(22)之间的阻火器(24)。
3、按照权利要求1所述的工业炉窑及火电站用甲醇变氢气燃料的燃烧系统，其特征在于：所述的余热加热器(3)主要由三个依次连通的腔室构成，即底部带有烟气进口的余热烟气兼燃烧室(43)、中部的导热油加热室(46)及顶部的烟气冷却和空气预热室(54)；其中：
所述的余热烟气兼燃烧室(43)，为燃烧或余热烟气供应室，该腔室外壁具有余热烟气入口管(51)；
所述导热油加热室(46)，为容纳导热油的腔室，在该腔室中排布有余热烟气通道列管(45)，并设置控制导热油流向的导流隔板(50)，在导热油加热室(46)壁上设置有上导热油入口管(52)和下导热油出口管(53)；
所述烟气冷却和空气预热室(54)，为余热烟气与冷空气列管换热的腔室，在该腔室中排布有换热空气列管(47)，在该腔室顶部设置有冷烟气排出口管(44)，腔室壁两侧设置有冷空气入口管(48)和预热空气出口管(49)。
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