一种天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置的制作方法

本实用新型涉及一种燃烧设备,具体涉及一种天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置。

背景技术：

为了改善燃烧过程、降低反应温度和抑制有毒、有害物质的形成、优化空气环境质量，天然气作为首选能源备受关注并且得到了快速的推广与应用。

然而在天然气的燃烧过程中依然有大量的一氧化碳气体和未完全燃烧的NOx物，这说明天然气的燃烧并不彻底，没有达到较高的燃烧效率，因此利用天然气作为能量源经常会出现燃烧效率低、燃烧成本高的问题，因此提高天然气的燃烧效率对于能源的优化利用、实现社会经济的可持续发展和环境保护具有重要的意义。

为了解决上述问题，授权公开号为CN205640888U的实用新型专利公开了一种“节能燃气装置”，该装置包括天然气供给单元、流量监测单元、混合单元、控制单元、计量驱动单元、催化剂储存单元、燃烧器，其中，天然气供给单元的输出端与流量监测单元的输入端连接，流量监测单元的输出端与混合单元的第一输入端连接，混合单元的输出端与燃烧器的输入端连接；流量监测单元的信号输出端与控制单元的第一输入端连接，控制单元的第一输出端与计量驱动单元的输入端连接，计量驱动单元的输出端与混合单元的第二输入端连接，计量驱动单元的第二输入端与催化剂储存单元的输出端连接；固体催化剂包括Ce₂C₃O₉·XH₂O、La(OH)₃、金属茂化物和石油醚。该装置将催化剂与天然气混合后燃烧，由于催化剂能降低天然气中C-H的键能，从而降低天然气的活化能，提高天然气分子与氧气分子发生氧化反应的反应速率，实现有效的催化燃烧。即使如此，为了获得更高的燃烧效率，现有的节能燃气装置还有待进一步改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置，该装置可以让天然气燃烧更加充分，燃烧效率更高。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置，包括天然气供给装置、流量监测计量装置、增效剂雾化混合装置、控制系统、增效剂计量供给装置、增效剂储存装置以及燃烧器，其中：

所述天然气供给装置的输出端与流量监测计量装置的输入端连接，所述流量监测计量装置的输出端与所述增效剂雾化混合装置的第一输入端连接；所述增效剂储存装置的输出端与所述增效剂计量供给装置的输入端连接，所述增效剂计量供给装置的输出端与所述增效剂雾化混合装置的第二输入端连接；所述控制系统与所述流量监测计量装置以及所述增效剂计量供给装置连接；

此外，还包括天然气固体催化装置，该天然气固体催化装置的输入端与所述增效剂雾化混合装置的输出端连接，该天然气固体催化装置的输出端与所述燃烧器的输入端连接；该天然气固体催化装置包括反应罐体，该反应罐体内在靠近其输出端处设有分子筛，所述分子筛内部设有固体催化剂。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述增效剂雾化混合装置和天然气固体催化装置设置于不同的容器中，所述天然气固体催化装置的反应罐体的两端分别设置有天然气进口与天然气出口，所述增效剂雾化混合装置的输出端与所述天然气进口连接。该优选方案中，天然气和液态增效剂在增效剂雾化混合装置中混合后再输送至天然气固体催化装置中，使得天然气固体催化装置的结构简单。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述增效剂雾化混合装置和天然气固体催化装置集合设置于所述反应罐体中，所述反应罐体的两端分别设置有天然气进口与天然气出口，所述反应罐体在天然气进口与分子筛之间设有雾化器，所述天然气进口与分子筛之间的空间以及雾化器组合在一起构成所述的增效剂雾化混合装置，其中，所述天然气进口构成增效剂雾化混合装置的第一输入端，所述雾化器的输入端构成所述增效剂雾化混合装置的第二输入端，所述反应罐体中与分子筛连接的部位构成所述增效剂雾化混合装置的输出端。该优选方案中，将增效剂雾化混合装置和天然气固体催化装置集合在一起，简化了管路，便于安装，减小设备体积和占地空间。

优选地，所述反应罐体内部在靠近天然气出口的位置设置有过滤网，用于对进入到容器内的天然气进行过滤。

本实用新型的一个优选方案，其中，所述反应罐体内设有两层分子筛，沿着物料的流动方向，第一个分子筛的筛孔孔径大于第二个分子筛的筛孔孔径。设置两层分子筛的目的在于对液态增效剂中的大分子进行分步筛分，其中，利用第一个分子筛对大体积分子进行筛分吸附，接着利用第二分子筛对次大体积的分子进行筛分吸附，使得筛分的效果更好，在筛分的过程中实现催化。天然气和增效剂通过两层分子筛的过程中，天然气中有害的气体分子以及水分子由于体积太大而不能通过孔道，被过滤掉，从而保证天然气与增效剂混合后通过所述天然气固体催化装置后天然气内部的水分子以及有害气体分子大大减少，使得天然气燃烧后产生更少的有毒气体。

本实用新型的一个优选方案，所述反应罐体在靠近天然气出口的位置上设置有排泄阀。由于所述反应罐体内腔设置有过滤网以及两层分子筛，因此天然气和液态增效剂混合后经由所述反应罐体的天然气进口到达天然气出口的过程中，由于所述天然气和增效剂中的水分被过滤网所过滤且大分子物质被多层分子筛所过滤和吸附(所述大分子物质指的是体积比多层分子筛内的孔道大的物质)，从而沉淀到反应罐体底部，因此设置排泄阀可以将其排出容器。

本实用新型的一个优选方案，所述增效剂储存装置上设置有用于监测所述增效剂储存装置中增效剂的余量并将所述余量以信号方式传递至所述控制系统的液位监测器，该液位监测器的信号输出端与所述控制系统的信号输入端连接。设置液位监测器的目的在于监测所述增效剂储存装置中增效剂的余量并将所述余量以信号方式传递至所述控制系统，当余量低于目标值时，该增效剂储存装置可以自动添加增效剂或者提醒操作人员手动添加增效剂。

本实用新型的一个优选方案，所述天然气供给装置与所述流量监测计量装置之间设置有天然气控制阀门；所述流量监测计量装置和所述增效剂雾化混合装置之间设置有燃气阀组；所述增效剂雾化混合装置和所述燃烧器之间设置有调节阀门。这样有两方面的优点：1、所述天然气控制阀门能够控制天然气供给装置的开启与闭合，当该天然气控制阀门处于开启状态时，流量监测计量装置就会将当前的天然气流量反馈至控制系统，从而使控制系统控制增效剂的注入；当该天然气控制阀门处于闭合状态时，流量监测计量装置由于无法监测到天然气的流量，控制系统就不会使增效剂储存装置中的增效剂输出。2、设置调节阀门能够控制进入燃烧器的天然气和增效剂的混合物的量，当燃烧器的目标燃烧温度降低时，可以通过调节调节阀门来控制进入燃烧器的混合物的量，从而达到节约能源与成本的目的。

进一步地，所述燃气阀组包括过滤器和天然气调节阀。由于天然气从流量监测计量装置输出后首先经过过滤器过滤掉其中的颗粒杂质，然后再进入天然气调节阀，该天然气调节阀能够检测到当前天然气纯度以及压力等参数，并且根据相关参数调整天然气与空气的混合比例，使天然气和空气达到最佳的混合比例。

本实用新型的一个优选方案，所述控制系统由计算机和操作显示屏构成。通过设置操作显示屏，可以方便操作人员对本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置进行监控与操作。

本实用新型的一个优选方案，所述天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置还包括与所述燃烧器输出端连接的工业窑炉或锅炉。

本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置的工作原理是：

工作时，天然气供给装置输送天然气，输出的天然气先经过流量监测计量装置，该流量监测装置监测天然气的实时流量并将该流量以信号方式通过流量监测装置的信号输出端传递至控制系统，当控制系统接收到该流量信号后，会根据天然气的流量通过预先存储在其中的天然气与增效剂的设计混合比例计算添加多少量的增效剂，并将该增效剂的用量以电流信号从控制系统的信号输出端输出至增效剂计量供给装置，从而控制增效剂计量供给装置根据增效剂的用量从增效剂储存装置中抽取所需量的增效剂至增效剂雾化混合装置中。至此，天然气和增效剂以最优比例在增效剂雾化混合装置中充分混合。

接着，天然气和增效剂的混合物进入天然气固体催化装置进行催化，其机理为：所述增效剂是一种催化燃烧用液态增效剂，可以采用CN205640888U中的“催化剂”，这种增效剂在天然气燃烧时不仅提供给气体分子一定的活化能，并且增效剂本身也会参加化学反应，增强气体分子的有效燃烧成分，其中的特殊稀土元素具有5d轨道和未被电子填充满的4f空轨道易于形成稳定的络合键，易于形成配位键，亦即与CH基团有很好的亲合力，而且，单位质量所吸收的CH数比一般元素多，吸收能力强，从而对碳氢化合物起到良好的催化、助燃、阻聚、稳定等特殊功能和作用。所述过滤网用于对进入到容器内的天然气进行过滤，所述分子筛中设有固体催化剂，形成整体式固体催化剂，载体为堇青石蜂窝陶瓷，固体催化剂涂层由大比表面积(200平方米/克以上)的高性能稀土储氧材料、活性组分及助剂构成，主要成分为稀土钙钛矿型LaCoO₃固体催化剂，该整体式固体催化剂的主要作用有三个方面：第一，利用分子筛的特性，对混合物中的液态增效剂中的大分子进行筛分，使得增效剂与天然气之间的混合更加充分，有利于提高液态增效剂的增效效果；第二，由于该整体式固体催化剂属于稀土类固体催化剂，由于稀土元素有较多的、未被电子填充的4f、6P和5d空轨道，易于形成稳定的络合键，亦即与CH基团有很好的亲合力，而且，单位质量所吸收的CH数比一般元素多，吸收能力强，从而对碳氢化合物起到良好的催化、助燃、阻聚、稳定等特殊功能和作用，从而对天然气燃烧具有很好的催化增效作用；第三，该整体式固体催化剂对液态增效剂同样具有催化作用，该催化作用的机理同样也是利用其中稀土元素的络合能力，对液态增效剂本身进行催化，而该液体增效剂在天然气燃烧时本身也参加化学反应，从而进一步提高液体增效剂对天然气的催化增效效果。天然气和液态增效剂的混合物经过本实用新型的天然气固体催化装置的催化后，使得天然气的燃烧更加充分，燃烧效率更高。经过天然气固体催化装置催化后的天然气和增效剂进入到燃烧器中燃烧。

本实用新型与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置能将增效剂与天然气充分混合后再经天然气固体催化装置催化后燃烧，由于增效剂和固体催化剂能够降低天然气中C-H键的键能，从而降低了天然气的活化能，提高了天然气分子与氧气分子发生氧化反应的反应速率，实现有效的催化燃烧。

2、所述天然气固体催化装置通过将固体催化剂设置于分子筛中，一方面可以过滤到大分子杂质，另一方面，通过对天然气进行催化，使得气燃烧更加充分，燃烧效率更高，并且，还通过对液态增效剂的催化，进一步强化液态催化剂对天然气的催化效果，进一步促使天然气燃烧更加充分，燃烧效率进一步提高。

3、本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置结构简单，能够根据天然气的流量实时调节增效剂的供给量，并且使增效剂与天然气混合，使增效剂分子均匀地分散在天然气中，增加了天然气的活化分子数量，加快了天然气的氧化速度，降低了天然气的起燃温度，使天然气的燃烧速度进一步提高，并且能够保证天然气的充分燃烧，使其热效能得到充分发挥，有效地提高了天然气的燃烧效率，减少了一氧化碳等污染物的排放，达到了低碳、节能、环保的目的，对社会经济可持续发展和环境保护的实现具有重大的意义。

4、本实用新型增效剂以催化助燃、激活氧化-还原反应、活化聚能、形成气体络合物的方法提高了天然气以及烷烃类染料在氧气中的燃烧速度并使其完全燃烧，从而达到了充分燃烧节省天然气能源的目的。

附图说明

图1为本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置的一个具体实施方式的结构示意图。

图2为图1中天然气固体催化装置的结构示意图。

图3为本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置第二个实施方式中天然气固体催化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1和图2，本实施例的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置包括天然气供给装置1、流量监测计量装置2、增效剂雾化混合装置4、控制系统3、增效剂计量供给装置5、增效剂储存装置7以及燃烧器8。其中：

参见图1，所述天然气供给装置1的输出端与流量监测计量装置2的输入端连接，所述流量监测计量装置2的输出端与所述增效剂雾化混合装置4的第一输入端连接；所述增效剂储存装置7的输出端与所述增效剂计量供给装置5的输入端连接，所述增效剂计量供给装置5的输出端与所述增效剂雾化混合装置4的第二输入端连接；所述控制系统3与所述流量监测计量装置2以及所述增效剂计量供给装置5连接。

参见图2，本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置还包括天然气固体催化装置6，该天然气固体催化装置6的输入端与所述增效剂雾化混合装置4的输出端连接，该天然气固体催化装置6的输出端与所述燃烧器8的输入端连接；该天然气固体催化装置6包括反应罐体6-1，该反应罐体6-1内在靠近其输出端处设有分子筛6-2，所述分子筛6-2内部设有固体催化剂。

参见图1，所述增效剂雾化混合装置4和天然气固体催化装置6设置于不同的容器中，所述天然气固体催化装置6的反应罐体6-1的两端分别设置有天然气进口6-1a与天然气出口6-1b，所述增效剂雾化混合装置4的输出端与所述天然气进口6-1a连接。这样，天然气和液态增效剂在增效剂雾化混合装置4中混合后再输送至天然气固体催化装置6中，使得天然气固体催化装置6的结构简单。

参见图2，所述反应罐体6-1内部靠近天然气出口6-1b的位置设置有过滤网6-4，对进入到容器内的天然气和增效剂的混合物中的杂质进行过滤。

参见图2，所述反应罐体6-1内设有两层分子筛6-2，沿着物料的流动方向，第一个分子筛6-2a的筛孔孔径大于第二个分子筛6-2b的筛孔孔径。设置两层分子筛6-2的目的在于对液态增效剂中的大分子进行分步筛分，其中，利用第一个分子筛6-2a对大体积分子进行筛分，接着利用第二个分子筛6-2b对次大体积的分子进行筛分，使得筛分的效果更好，在筛分的过程中实现催化。天然气和增效剂通过两层分子筛6-2的过程中，天然气中有害的气体分子以及水分子由于体积太大而不能通过孔道，被过滤掉，从而保证天然气与增效剂混合后通过所述天然气固体催化装置6后天然气内部的水分子以及有害气体分子大大减少，使得天然气燃烧后产生更少的有毒气体。

参见图1，所述反应罐体6-1在靠近天然气出口6-1b的位置上设置有排污阀6-5。由于所述反应罐体6-1内腔设置有过滤网6-4以及两层分子筛6-2，因此天然气和液态增效剂混合后经由所述反应罐体6-1的天然气进口6-1a到达天然气出口6-1b的过程中，由于所述天然气和增效剂中的水分被过滤网6-4所过滤且大分子物质被多层分子筛6-2所过滤(所述大分子物质指的是体积比多层分子筛6-2内的孔道大的物质)，从而沉淀到反应罐体6-1底部，因此设置排污阀6-5可以将其排出容器。

参见图1，所述增效剂储存装置7上设置有用于监测所述增效剂储存装置7中增效剂的余量并将所述余量以信号方式传递至所述控制系统3的液位监测器7-1，该液位监测器7-1的信号输出端与所述控制系统3的信号输入端连接。设置液位监测器7-1的目的在于用于监测所述增效剂储存装置7中增效剂的余量并将所述余量以信号方式传递至所述控制系统3，当余量低于目标值时，该增效剂储存装置7可以自动添加增效剂或者提醒操作人员手动添加增效剂。

参见图1，所述天然气供给装置与所述流量监测计量装置2之间设置有天然气控制阀门9；所述流量监测计量装置2和所述增效剂雾化增效剂雾化混合装置4之间设置有燃气阀组10；所述增效剂雾化混合装置4和所述燃烧器8之间设置有调节阀门11。这样有两方面的优点：1、所述天然气控制阀门9能够控制天然气供给装置1的开启与闭合，当该天然气控制阀门9处于开启状态时，流量监测计量装置2就会将当前的天然气流量反馈至控制系统3，从而使控制系统3控制增效剂的注入；当该天然气控制阀门9处于闭合状态时，流量监测计量装置2由于无法监测到天然气的流量，控制系统3就不会使增效剂储存装置7中的增效剂输出。2、设置调节阀门11能够控制进入燃烧器8的天然气和增效剂的混合物的量，当燃烧器8的目标燃烧温度降低时，可以通过调节调节阀门11来控制进入燃烧器8的混合物的量，从而达到节约能源与成本的目的。

参见图1，所述燃气阀组10包括过滤器和天然气调节阀。这样，天然气从流量监测计量装置2输出后首先经过过滤器过滤掉其中的颗粒杂质，然后再进入天然气调节阀，该天然气调节阀能够检测到当前天然气纯度以及压力等参数，并且根据相关参数调整天然气与空气的混合比例，使天然气和空气达到最佳的混合比例。

参见图1，所述控制系统3由计算机和操作显示屏构成。通过设置操作显示屏，这样可以方便操作人员对本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置进行监控与操作。

参见图1，所述天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置还包括与所述燃烧器8输出端连接的工业窑炉或锅炉。

参见图1和图2，下面结合附图对本实用新型的天然气工业窑炉和锅炉燃气节能装置的工作原理作进一步描述：

工作时，天然气供给装置1输送天然气，输出的天然气先经过流量监测计量装置2，该流量监测装置监测天然气的实时流量并将该流量以信号方式通过流量监测装置的信号输出端传递至控制系统3，当控制系统3接收到该流量信号后，会根据天然气的流量通过预先存储在其中的天然气与增效剂的设计混合比例计算添加多少量的增效剂，并将该增效剂的用量以电流信号从控制系统3的信号输出端输出至增效剂计量供给装置5，从而控制增效剂计量供给装置5根据增效剂的用量从增效剂储存装置7中抽取所需量的增效剂至增效剂雾化混合装置4中。至此，天然气和增效剂以最优比例在增效剂雾化混合装置4中充分混合。

接着，天然气和增效剂的混合物进入天然气固体催化装置6进行催化，其机理为：所述增效剂是一种催化燃烧用液态增效剂，可以采用CN205640888U中的“催化剂”，这种增效剂在天然气燃烧时不仅提供给气体分子一定的活化能，并且增效剂本身也会参加化学反应，增强气体分子的有效燃烧成分，其中的特殊稀土元素具有5d轨道和未被电子填充满的4f空轨道易于形成稳定的络合键，易于形成配位键，亦即与CH基团有很好的亲合力，而且，单位质量所吸收的CH数比一般元素多，吸收能力强，从而对碳氢化合物起到良好的催化、助燃、阻聚、稳定等特殊功能和作用。所述过滤网6-4用于对进入到容器内的天然气进行过滤，所述分子筛6-2中设有固体催化剂，形成整体式固体催化剂，载体为堇青石蜂窝陶瓷，固体催化剂涂层由高性能稀土储氧材料、活性组分及助剂构成，主要成分为稀土钙钛矿型LaCoO₃固体催化剂，该整体式固体催化剂的主要作用有三个方面：第一，利用分子筛6-2的特性，对混合物中的液态增效剂中的大分子进行筛分吸附，使得增效剂与天然气之间的混合更加充分，有利于提高液态增效剂的增效效果；第二，由于该整体式固体催化剂属于稀土类固体催化剂，由于稀土元素有较多的、未被电子填充的4f、6P和5d空轨道，易于形成稳定的络合键，亦即与CH基团有很好的亲合力，而且，单位质量所吸收的CH数比一般元素多，吸收能力强，从而对碳氢化合物起到良好的催化、助燃、阻聚、稳定等特殊功能和作用，从而对天然气燃烧具有很好的催化增效作用；第三，该整体式固体催化剂对液态增效剂同样具有催化作用，该催化作用的机理同样也是利用其中稀土元素的络合能力，对液态增效剂本身进行催化，而该液体增效剂在天然气燃烧时本身也参加化学反应，从而进一步提高液体增效剂对天然气的催化增效效果。天然气和液态增效剂的混合物经过本实用新型的天然气固体催化装置6的催化后，使得天然气的燃烧更加充分，燃烧效率更高。经过天然气固体催化装置6催化后的天然气和增效剂进入到燃烧器8中燃烧。

本实用新型的燃气节能装置能够根据天然气的进气量实时的调整增效剂的用量，保证天然气与增效剂的最佳比例，这不仅能够使天然气的燃烧效率最大化，还能够节约增效剂的用量。在本实用新型中，天然气与增效剂的最优体积比为天然气1m³：6ml增效剂。

本实用新型中使用的增效剂可采用CH4稀土燃气增效剂，是一种淡黄色透明液体，该增效剂分子不仅提供给气体分子一定的活化能，并且增效剂本身也会参加化学反应，增强气体分子的有效燃烧成分，对金属、工程塑料管道及部件不会腐蚀。下表1为本实用新型的增效剂的基本性质参数。

表1本实用新型的增效剂的基本性质参数

本实用新型的燃气节能装置通过加入增效剂计量供给装置，从而使增效剂与天然气混合，并通过燃气固体增效剂催化装置使增效剂以催化助燃、激活氧化-还原反应、活化聚能、形成气体络合物的方法提高了天然气以及烷烃类染料在氧气中的燃烧速度并使其完全燃烧，从而达到了充分燃烧节省天然气能源的目的。并且本实用新型中的增效剂能够根据天然气的实时用量以最佳比例完成增效剂的自动添加以及与天然气的混合，在不浪费增效剂的前提下使天然气燃烧效率最大化，进一步提高了节能燃气装置的工作效率，降低了节能燃气装置的燃烧成本。

实施例2

参见图3，本实施例与实施例1不同之处在于所述增效剂雾化混合装置4和天然气固体催化装置6集合设置于所述反应罐体6-1中，所述反应罐体6-1的两端分别设置有天然气进口6-1a与天然气出口6-1b，所述反应罐体6-1在天然气进口6-1a与分子筛6-2之间设有雾化器6-3，所述天然气进口6-1a与分子筛6-2之间的空间以及雾化器6-3组合在一起构成所述的增效剂雾化混合装置4，其中，所述天然气进口6-1a构成增效剂雾化混合装置4的第一输入端，所述雾化器6-3的输入端构成所述增效剂雾化混合装置4的第二输入端，所述反应罐体6-1中与分子筛6-2连接的部位构成所述增效剂雾化混合装置4的输出端。本实施例中，将增效剂雾化混合装置4和天然气固体催化装置6集合集合在一起，简化了管路，便于安装，减小设备体积和占地空间。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。