專利名稱：一種加氫貧燃預混燃燒裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于天然氣采暖用的加氫預混燃燒采暖系統(tǒng)，屬于采暖鍋爐供熱技術領域。
背景技術：
隨著我國經濟的發(fā)展，一次能源的消費總量快速上升，污染日趨嚴重，酸雨覆蓋的范圍已經超過我國國土面積的三分之一；另一方面，隨著能源結構的改變，油氣燃料的消費呈現(xiàn)快速增長勢頭，導致酸雨中硝酸根離子的比重也逐年上升。2000年全國氮氧化物(NOx)的排放量達到1880萬噸，已經超過了我國的環(huán)境允許容量。NOx被認為是燃燒利用的主要污染物之一。在低空中的少量存在就可對人體產生不利影響，進入高空后即成為破壞臭氧層的元兇。
我國的全國性NOx排放主要來自燃煤電廠和各種工業(yè)鍋爐。城市的NOx排放主要來自交通車輛和冬季取暖設備。目前，對交通車輛污染物減排措施力度不斷加大，從一定程度上緩解了城市環(huán)境惡化的趨勢。而隨著西氣東輸規(guī)模的擴大，發(fā)達地區(qū)的大城市紛紛限制燃煤供暖，改用相對清潔的天然氣燃料，這對于提高空氣質量和提升城市品位都具有重要的意義。
然而，天然氣的傳統(tǒng)燃燒利用卻有其局限性。從表1可見，天然氣替代煤和石油可使燃燒后污染物排放大幅降低，其中SOx和粉塵的下降最為顯著。但是，NOx的下降程度卻不太明顯。可以說，燃燒天然氣最嚴重的污染物為NOx。隨著天然氣逐漸成為我國大城市供暖的主要燃料，其燃燒導致的城市NOx污染日益引起人們關注。北京市已于2002年3月開始實施的《鍋爐污染物綜合排放標準》DB11/139-2002規(guī)定，燃氣鍋爐的NOx排放限值為200mg/m3。相比之下，發(fā)達國家對NOx的排放量限制要嚴格得多。以歐洲為例，燃氣設施的排放標準為大負荷設備(大于300兆瓦)的NOx排放水平低于100mg/m3，小負荷設備應低于150mg/m3。
天然氣燃料中氮的含量可以忽略不計，因此在天然氣燃燒生成的NOx中，氮和氧均主要來源于空氣。大量試驗表明在天然氣燃燒過程中，生成的一氧化氮(NO)約占氮氧化物生成總量的90％。因此，在考慮NOx在燃燒中的生成機理時，主要針對NO的生成機理。對于天然氣燃燒，主要的NO生成途徑包括T-NO(熱力型)和P-NO(快速型)兩種，后者的生成量比前者要低一個量級。燃燒溫度超過1600℃時，熱力NO的產生量快速增加，燃燒溫度越高，生成量越大。
表1石油、煤炭和天然氣的燃燒污染排放量比較(千克)

控制NOx排放的措施分兩大類。一類是尾部加裝煙氣脫硝裝置，但其初投資高、運行費用昂貴；另一類是通過燃燒技術的改進(包括先進的低NOx燃燒器)降低NOx排放量，由于這種措施投資、運行費用低，是當前各工業(yè)國下大力氣不斷完善的技術手段。
天然氣的傳統(tǒng)燃燒方式為擴散燃燒。如果不對NOx進行控制，NOx排放量很容易達到幾百mg/m3的水平，在高溫條件下甚至可達到數(shù)千mg/m3。對于擴散燃燒，先進的低NOx燃燒技術包括分級燃燒技術和煙氣再循環(huán)燃燒技術等。分級燃燒技術通過分段組織燃氣或空氣，使燃氣燃燒時形成不同的燃燒區(qū)段，形成有助于抑制NOx生成的條件。該技術可以降低60％的NOx生成量，較好的產品可以達到30-50mg/m3的水平。煙氣再循環(huán)燃燒技術是抽取一部分低溫煙氣直接送入燃燒區(qū)域或者與一次風、二次風混合后進行燃燒，既降低了燃燒溫度，又降低了氧氣濃度，NOx排放可降低20-50％。
另一種燃燒方式為預混合燃燒，這是近年來發(fā)展起來的進一步降低NOx排放的新方向。采用貧燃料、預混合的燃燒方式，可以大幅度降低燃燒室溫度，從而降低NOx排放。但是由于自由的預混火焰對壓力波動非常敏感，容易發(fā)生燃燒振蕩。操作工況越接近貧燃極限，NOx排放固然得到降低，振蕩的可能性卻顯著增加。另一方面，操作工況越接近貧燃極限，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍铰?，導致燃燒效率下降，表現(xiàn)為一氧化碳(CO)排放增加。
實用新型內容為解決城市中天然氣燃燒采暖鍋爐的NOx排放污染問題，同時實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的燃燒工況，本實用新型提出了一種加氫貧燃預混燃燒裝置，包括加熱爐膛，對流換熱室，安裝在所述對流換熱室上游側壁的蒸汽發(fā)生器，安裝在所述對流換熱室下游的天然氣重整器，安裝在所述加熱爐膛底部的用于將空氣、天然氣和重整氣進行預混的預混燒嘴，以及布置在所述加熱爐膛下面的由小型電動機帶動的座動機構，所述座動機構上設有插入所述加熱爐膛內部的點火頭；
所述預混燒嘴設有三個氣流入口，分別通過空氣管道與設在加熱爐膛外部的鼓風機連接，通過天然氣管道與天然氣源連接，通過重整氣管道與所述天然氣重整器的重整氣出口連接；所述蒸汽發(fā)生器的入口通過水管與水源相連通，采用自來水或軟化水進行補給，所述蒸汽發(fā)生器的出口通過水蒸氣管道與所述天然氣重整器的水蒸汽入口相連通；所述天然氣重整器的天然氣入口通過天然氣管道與天然氣源連接。
作為本實用新型的一種改進，所述加熱爐膛的上部為輻射換熱區(qū)，其內布置有高溫換熱器。
作為本實用新型的另一種改進，所述對流換熱室內還安裝有低溫換熱器。
本實用新型的優(yōu)點在于在本實用新型中設置了天然氣重整器，對部分天然氣燃料進行重整，制取少量氫氣進行燃料摻混；采用了弱旋流預混燒嘴，對空氣、重整氣和天然氣進行預混，并產生旋流火焰，實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。采用本實用新型可實現(xiàn)低NOx排放、高燃燒效率(低CO排放)的雙重目的。對于熱負荷300kW以下的天然氣貧燃預混燃燒裝置，NOx排放可以達到25mg/m3以下，CO排放不超過20mg/m3。


圖1為本實用新型的第一個實施例的示意圖。
圖2為本實用新型的第二個實施例的示意圖。
圖3為本實用新型的第三個實施例的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖來進一步說明本實用新型。
本實用新型的第一個實施例如圖1所示，所述加氫貧燃預混燃燒裝置包括加熱爐膛1和對流換熱室2，安裝在對流換熱室2上游側壁的蒸汽發(fā)生器3，安裝在對流換熱室2下游的天然氣重整器4，安裝在加熱爐膛1底部的用于將空氣、天然氣和重整氣進行預混的預混燒嘴5，以及布置在加熱爐膛1下面的由小型電動機帶動的座動機構7，座動機構7上設有插入加熱爐膛1內部的點火頭8。所述點火頭8采用高壓放電形式進行點火。
預混燒嘴5設有三個氣流入口，分別通過空氣管道與設在加熱爐膛外部的鼓風機6連接，通過天然氣管道與天然氣源連接，通過重整氣管道與天然氣重整器4的重整氣出口連接。所述預混燒嘴5為旋流燒嘴，采取天然氣或空氣切向進氣產生旋流?；蛘咴陬A混燒嘴5的出口上游布置旋流器，實現(xiàn)旋流。
蒸汽發(fā)生器3的入口通過水管與水源相連通，采用自來水或軟化水進行補給，蒸汽發(fā)生器3的出口通過水蒸氣管道與天然氣重整器4的水蒸汽入口相連通。
天然氣重整器4的天然氣入口通過天然氣管道與天然氣源連接。天然氣重整器4采用鎳基催化劑進行催化重整制氫，其工作溫度在700-900℃之間，化學反應式為，以及。
本實用新型第一個實施例所述的加氫貧燃預混燃燒裝置的工作過程如下1)啟動座動機構7，將點火頭8置于預混燒嘴5的正上方，進行連續(xù)打火；2)啟動開啟鼓風機6為預混燒嘴5提供空氣，隨即打開天然氣供應，調節(jié)天然氣和空氣各自的流量，實現(xiàn)穩(wěn)定的預混火焰，將點火頭8后退，置于非工作狀態(tài)；3)為蒸汽發(fā)生器3提供補給水，啟動蒸汽發(fā)生器3，水被加熱產生蒸汽后，從下游進入天然氣重整器4；4)將部分天然氣引入天然氣重整器4，啟動天然氣重整器4，天然氣與水蒸氣發(fā)生重整反應，形成富含氫氣的重整氣，重整氣從下游進入預混燒嘴5；5)將重整氣引入預混燒嘴5，在預混燒嘴5內，重整氣、天然氣和空氣得到充分預混后，在加熱爐膛1內得到燃燒。
圖2顯示了本實用新型的第二個實施例，它在上述第一個實施例的基礎上，在所述加熱爐膛上部的輻射換熱區(qū)內布置有高溫換熱器9。所述高溫換熱器9可以是板式換熱器或者管殼式換熱器。在本實用新型第二個實施例的工作過程中，可將待加熱工質引入高溫換熱器9，工質在換熱器內得到加熱，作為熱載體流出換熱器的同時實現(xiàn)熱量輸出。
圖3顯示了本實用新型的第三個實施例，它在上述第一個實施例的基礎上，根據空間裕度，在對流換熱室2內安裝低溫換熱器10。所述低溫換熱器10可以為板式換熱器或者管殼式換熱器。在本實用新型第三個實施例的工作過程中，可將待加熱工質引入低溫換熱器10，工質在換熱器內得到加熱，作為熱載體流出換熱器的同時實現(xiàn)熱量輸出。
本實用新型的創(chuàng)新點在于第一，在對流換熱室側壁布置了天然氣重整器，對部分天然氣燃料進行重整，制取少量氫氣進行燃料摻混，采用預混合、貧燃料的燃燒方式釋放熱量，充分利用氫的高反應活性、寬可燃極限和高燃燒速度的優(yōu)勢，達到穩(wěn)定和高效燃燒的目的；第二，采用弱旋流預混燒嘴，實現(xiàn)特定的火焰形式進行燃燒放熱，進一步增強了火焰的穩(wěn)定性，實現(xiàn)安全的控制和運行。
雖然本實用新型的多個實施例被描述了，但是本領域的熟練技術人員可以做適當?shù)母倪M，而不脫離本實用新型的精神和保護范圍。例如在第二個實施例的基礎上，還可以在對流換熱室2內安裝低溫換熱器。
權利要求1.一種加氫貧燃預混燃燒裝置，包括加熱爐膛和對流換熱室，其特征在于，所述加氫貧燃預混燃燒裝置還包括安裝在所述對流換熱室上游側壁的蒸汽發(fā)生器，安裝在所述對流換熱室下游的天然氣重整器，安裝在所述加熱爐膛底部的用于將空氣、天然氣和重整氣進行預混的預混燒嘴，以及布置在所述加熱爐膛下面的由小型電動機帶動的座動機構，所述座動機構上設有插入所述加熱爐膛內部的點火頭；所述預混燒嘴設有三個氣流入口，分別通過空氣管道與設在加熱爐膛外部的鼓風機連接，通過天然氣管道與天然氣源連接，通過重整氣管道與所述天然氣重整器的重整氣出口連接；所述蒸汽發(fā)生器的入口通過水管與水源相連通，采用自來水或軟化水進行補給，所述蒸汽發(fā)生器的出口通過水蒸氣管道與所述天然氣重整器的水蒸汽入口相連通；所述天然氣重整器的天然氣入口通過天然氣管道與天然氣源連接。
2.根據權利要求1所述的加氫貧燃預混燃燒裝置，其特征在于所述加熱爐膛的上部為輻射換熱區(qū)，其內布置有高溫換熱器。
3.根據權利要求2所述的加氫貧燃預混燃燒裝置，其特征在于所述高溫換熱器為板式換熱器或者管殼式換熱器。
4.根據權利要求1或2所述的加氫貧燃預混燃燒裝置，其特征在于所述對流換熱室內還安裝有低溫換熱器。
5.根據權利要求4所述的加氫貧燃預混燃燒裝置，其特征在于所述低溫換熱器為板式換熱器或者管殼式換熱器。
6.根據權利要求1所述的加氫貧燃預混燃燒裝置，其特征在于所述預混燒嘴為旋流燒嘴，采取天然氣或空氣切向進氣產生旋流。
7.根據權利要求1所述的加氫貧燃預混燃燒裝置，其特征在于所述預混燒嘴的出口上游布置有旋流器，實現(xiàn)旋流。
專利摘要本實用新型涉及一種加氫貧燃預混燃燒裝置，包括加熱爐膛、對流換熱室、蒸汽發(fā)生器、天然氣重整器、預混燒嘴，以及由小型電動機帶動的座動機構。座動機構上設有插入加熱爐膛內部的點火頭。預混燒嘴設有三個氣流入口，分別通過空氣管道與設在加熱爐膛外部的鼓風機連接，通過天然氣管道與天然氣源連接，通過重整氣管道與天然氣重整器的重整氣出口連接。蒸汽發(fā)生器的入口通過水管與水源相連通，采用自來水或軟化水進行補給，蒸汽發(fā)生器的出口通過水蒸氣管道與天然氣重整器的水蒸汽入口相連通。天然氣重整器的天然氣入口通過天然氣管道與天然氣源連接。本實用新型充分利用摻混氫氣的優(yōu)點，即寬可燃極限和高燃燒速度，實現(xiàn)低NOx排放、高燃燒效率的雙重目的。
文檔編號F23D14/68GK2896031SQ200620022849
公開日2007年5月2日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權日2006年3月24日
發(fā)明者原鯤 申請人:清華大學