燃气锅炉系统的制作方法

燃气锅炉系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种燃气锅炉系统。包括：炉体，具有烟气排出口；催化反应器，布置在炉体内，用于促使烟气中的NO在从烟气排出口排出之前被氧化为NO2；烟气排放管路，布置在炉体的外部并与炉体的烟气排出口连接，用于接收排放的烟气并将其排放至大气中；布置在烟气排放管路中的烟气余热利用装置，用于接收炉体排放的烟气并使得烟气与第一介质换热，以加热第一介质、冷却烟气并析出冷凝水；位于烟气余热利用装置下游的烟气再冷装置，用于对从烟气余热利用装置排出的烟气进一步冷却；在工作时，由冷凝水吸收烟气中的NO2。本发明的燃气锅炉系统在实现氮氧化物排放大幅降低的同时，也实现了烟气冷凝余热的深度回收利用。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天然气锅炉节能减排【技术领域】，尤其是涉及一种燃气锅炉系统。 燃气锅炉系统

【背景技术】
[0002] 当前的中国愈发重视社会各领域的节能减排，虽然近几年对氮氧化物的排放标准 限制愈发重视，目前工业领域大型燃煤锅炉烟气的脱硝处理已较为普遍，相应技术也较为 成熟，虽然排入大气中的氮氧化物含量也满足我国最新的排放标准，但这些工业领域的大 型燃煤锅炉烟气的脱硝处理一般均是采用还原N0的方式，并且主要是针对大型燃煤锅炉 产生的高氮氧化物含量的烟气，脱硝成本比较高昂，并且目前的大型燃煤锅炉经过空预器 后的低品位烟气热能没有回收利用或者说没有尽最大可能地回收利用，主要是因为燃煤锅 炉排放烟气中的颗粒物过多和较强的酸性成分等因素会对余热回收设备造成腐蚀、堵塞， 从而降低了设备的使用寿命，增加了系统的运行成本，大大增加了企业的综合成本，所以目 前燃煤锅炉排放烟气中的余热利用受到了很大的限制。
[0003] 与燃煤锅炉不同，燃气锅炉是以可燃气体（如天然气）为燃料的锅炉设备。对于 中小型的天然气锅炉，其燃料的主要成分为甲烷，属于清洁能源，锅炉排烟基本无尘，而且 二氧化硫含量极低。其燃烧产物主要为二氧化碳和水，还包括大量的氮气和少量的氮氧化 物。在环保要求标准日益提高的前提下和城市大型集中供热为发展趋势的大形势下，燃气 锅炉相比燃油锅炉和燃煤锅炉有更大的发展前景。
[0004] 然而对于一些中小型的燃气锅炉中的脱硝处理，目前仍是一片空白，这是由于中 小型的天然气锅炉中产生的烟气中氮氧化物的含量相对较低，如果采用传统的较为成熟的 脱硝设备对其进行脱硝处理，则会大大增加投资和运行成本，进而造成燃气锅炉烟气脱硝 成本高但效益低的现状，难以推广使用。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的旨在提供一种燃气锅炉系统，在实现完整、可持续脱硝的同时，又能 够对燃气锅炉排放烟气中的余热和冷凝水进行深度回收利用。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供了一种燃气锅炉系统，包括：炉体，具有用于排放燃 烧烟气的烟气排出口；催化反应器，布置在炉体内，用于促使烟气中的N0在从烟气排出口 排出之前被氧化为N0 2;烟气排放管路，布置在炉体的外部并与炉体的烟气排出口连接，用 于接收来自炉体排放的烟气并将其排放至大气中；布置在烟气排放管路中的烟气余热利用 装置，用于接收炉体排放的烟气并使得烟气与第一介质换热，以加热第一介质并冷却烟气， 从而从烟气中析出冷凝水；以及布置在烟气排放管路中且位于烟气余热利用装置下游的烟 气再冷装置，用于对从烟气余热利用装置排出的烟气进一步冷却；其中，在工作时，由冷凝 水吸收烟气中的N0 2。
[0007] 进一步地，还包括冷凝水储水箱，布置成与烟气排放管路连通，用于接收冷凝水。
[0008] 进一步地，还包括与冷凝水储水箱连接的水处理装置，用于对冷凝水储水箱中冷 凝水进行相应的水处理。
[0009] 进一步地，还包括系统补水箱，用于经由补水管路向炉体提供系统补水，其中，系 统补水箱与水处理装置相连接，用于接收来自水处理装置的经处理的冷凝水并将其作为系 统补水的至少一部分。
[0010] 进一步地，还包括布置在补水管路与烟气余热利用装置之间的低温回路，用于将 补水管路中的系统补水作为第一介质提供至烟气余热利用装置，并将经加热后的系统补水 返回至炉体。
[0011] 进一步地，烟气排放管路包括第一坚向延伸段，烟气余热利用装置布置在第一坚 向延伸段中。
[0012] 进一步地，烟气排放管路还包括第二横向延伸段，第二横向延伸段的一端与第一 坚向延伸段的下端邻接；其中，烟气再冷装置布置在第二横向延伸段处，并且，冷凝水储水 箱布置成与第二横向延伸段连通，用于从第二横向延伸段接收冷凝水。
[0013] 进一步地，烟气再冷装置为与第二横向延伸段连通的再冷管路，用于向第二横向 延伸段输入低温的第二介质；可选地，第二介质为空气。
[0014] 进一步地，烟气排放管路包括：第一横向延伸段，第一横向延伸段从炉体的烟气排 出口延伸至第一坚向延伸段的上端；和/或第二坚向延伸段，第二坚向延伸段的下端与第 二横向延伸段的另一端邻接。
[0015] 进一步地，炉体内部设置有前烟箱，催化反应器布置在前烟箱内；或者炉体内部设 置有换热管，催化反应器为具有与换热管相匹配的形状的催化剂。
[0016] 应用本发明的技术方案，提供了一种具有催化反应器和烟气余热利用装置的燃气 锅炉系统，通过将催化反应器布置在炉体内，用于促使烟气中的N0在从烟气排出口排出之 前被氧化为N02，而烟气余热利用装置通过排放的烟气与燃气锅炉系统中的第一介质换热， 在冷却烟气的同时升温第一介质，实现了烟气冷凝余热的深度利用，而从烟气中析出的冷 凝水可以吸收烟气中由N0氧化成的N0 2进而转变成硝酸，同时实现了烟气脱硝的目的。
[0017] 由于燃气锅炉烟气成分相对清洁，使得对其排放烟气中余热的充分回收提供了先 决条件，同时对烟气中的冷凝水经处理后也可实现全部回收利用。因此，在全球环境日益恶 劣和有害气体大量持续排放的当今社会，在相对较为清洁的天然气燃料日益被推崇的现代 世界，本发明提出的燃气锅炉系统在实现氮氧化物排放大幅降低的同时，也实现了烟气冷 凝余热的深度回收利用，为当今社会的节能减排提供了一种新思路、新方法，同时节约了成 本。
[0018] 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些 附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0020] 图1为根据本发明一种典型实施例的燃气锅炉系统的结构示意图；以及
[0021] 图2为图1所示的燃气锅炉系统中的锅炉的一种示例性结构。

【具体实施方式】
[0022] 图1是根据本发明一个实施例的燃气锅炉系统的示意性结构图。如图1所示，本 发明实施例的燃气锅炉系统一般性地可包括炉体10、催化反应器20、烟气排放管路30、布 置在烟气排放管路中的烟气余热利用装置40以及布置在烟气排放管路中且位于烟气余热 利用装置40下游的烟气再冷装置50。
[0023] 炉体10上具有用于排放燃烧烟气的烟气排出口 11。催化反应器20布置在炉体10 内，用于促使烟气中的N0在从烟气排出口 11排出之前被氧化为N02。烟气排放管路30布 置在炉体10的外部并与炉体10的烟气排出口 11连接，用于接收来自炉体10排放的烟气 并将其排放至大气中。示例性地，在工作时，从炉体10的烟气排出口 11中排出的烟气温度 T彡150°C，氮氧化物（N0X)含量>150mg/m3,因此可以对烟气的余热进行深度利用并降低氮 氧化物的含量。烟气余热利用装置40用于接收炉体10排放的烟气并使得烟气与第一介质 换热，以加热第一介质并冷却烟气，从而从烟气中析出冷凝水。该烟气余热利用装置40可 以是换热器的形式。在下文将会看到，在图1中，该第一介质可以是将要注入炉体10的系 统补水。当然，可以理解，在其它应用场合的实施例中，该第一介质也可以是利用烟气余热 进行加热的其它介质。烟气再冷装置50用于对从烟气余热利用装置40排出的烟气中进一 步冷却，同时析出更多冷凝水。在工作时，由所产生的冷凝水直接吸收烟气中的N0 2，以对烟 气进行脱硝。需要理解的是，这个脱硝过程可以是烟气在烟气排放管路30的行进过程中就 由所产生的冷凝水吸收N0 2而进行的。
[0024] 本发明中的燃气锅炉系统主要是指以天然气为燃料的燃气锅炉，但并不局限于 此。由于天然气作为燃料时，烟气主要成分为二氧化碳和水蒸气，相对清洁，对其排放烟气 中余热的充分回收提供了先决条件，同时对烟气中冷凝水处理后也可实现全部回收利用， 所以本申请的燃气锅炉系统更适合于天然气作为燃料。
[0025] 如图1所示，本发明的燃气锅炉系统还包括冷凝水储水箱60,其布置成与烟气排 放管路30相连通，用于接收冷凝水。冷凝水储水箱60接收到的冷凝水因吸收N0 2后呈现 酸性。如果要对该酸性冷凝水进行回收利用，则需要对其进行再处理。在本发明的一个典 型实施例中，燃气锅炉系统还包括与冷凝水储水箱60连接的水处理装置70,用于对冷凝水 储水箱60中的酸性冷凝水进行相应的水处理，如进行脱硝处理。一般利用酸碱中和对冷凝 水储水箱60中的酸性冷凝水进行处理，通过在水处理装置中投放NaoH或其它碱性物质，将 冷凝水的pH值控制在工艺系统所要求的合理范围内。
[0026] 如图1所示，本发明的燃气锅炉系统还包括系统补水箱80,用于经由补水管路81 向炉体10 (具体是炉体10的水箱13,参见图2)中提供系统补水。具体地，系统补水箱80 与水处理装置70相连接，用于接收来自水处理装置70的经处理后的冷凝水并将其作为系 统补水的至少一部分。通过采用水处理装置70对酸性废水进行处理，之后输送至系统补水 箱80中，再根据需要作为系统补水输送至炉体10中。这样既避免了废水外排带来的环境 污染，同时也实现了废水循环利用，节省了能源，降低了成本。系统补水箱80中的水除了来 自水处理装置70的水外，也可以包括来自燃气锅炉系统外部输送的水。
[0027] 在本发明的一个典型实施例中，还包括布置在补水管路81与烟气余热利用装置 40之间的低温回路82,用于将补水管路81中的系统补水作为第一介质提供至烟气余热利 用装置40中，并将经加热后的系统补水返回至炉体10。可以理解，尽管未示出，可以通过在 补水管路81和低温回路82中设置若干阀门来控制系统补水在补水管路81和低温回路82 中的流动。当需要利用补水管路81中的系统补水作为第一介质与烟气余热利用装置40换 热时，可以使得补水管路中的系统补水经由低温回路在烟气余热利用装置40中与其内的 高温烟气进行换热，并在换热后返回到补水管路81后进入炉体10,或者直接返回至炉体10 内。
[0028] 如前所述，烟气余热利用装置40中用于与烟气换热的介质也可以采用不同于系 统补水的其它介质。此时，该低温回路82可以与其它介质源连接，可以是单一介质源（气 体或液体），也可以是多种介质源（气体和液体）。而且，该低温回路可以是单级回路或多 级回路。低温回路以及介质源的具体选用以实现工艺流程的综合能效最大化为准。
[0029] 在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，烟气排放管路30可以包括从炉体10 的烟气排出口 11顺序布置的第一横向延伸段33、第一坚向延伸段31、第二横向延伸段32 和第二坚向延伸段34。烟气余热利用装置40可以布置在第一坚向延伸段31中。这样有利 于将烟气中水蒸气冷凝后得到的冷凝水快速、方便地汇集到冷凝水储水箱60中，避免了冷 凝水倒流。
[0030] 第二横向延伸段32的一端与第一坚向延伸段31的下端邻接。在本发明的一个具 体实施例中，烟气再冷装置50布置在第二横向延伸段32处，并且冷凝水储水箱60布置成 与第二横向延伸段32连通，用于从第二横向延伸段32接收冷凝水。优选地，如图1所示， 冷凝水储水箱60布置在第二横向延伸段32的上游部并邻近第一坚向延伸段31，该布置方 式能够更加方便、快速地汇聚烟气中的冷凝水。
[0031] 第一横向延伸段33从炉体10的烟气排出口延伸至第一坚向延伸段31的上端。第 二坚向延伸段34的下端与第二横向延伸段32的另一端邻接。该第二坚向延伸段34可以 形成为该锅炉系统的烟囱，以将烟气排出燃气锅炉系统。
[0032] 在烟气余热利用装置40的下游设置烟气再冷装置50,有利于在大幅回收利用烟 气余热的基础上，进一步降低烟气温度。如图1所示，在本发明的一个优选实施例中，烟气 再冷装置50为与第二横向延伸段32连通的再冷管路，用于向第二横向延伸段32输入低 温第二介质。这样，该低温第二介质可以与烟气混合以进一步降低其温度，从而有助于进 一步从烟气中析出冷凝水。烟气再冷装置50内的低温第二介质可来自燃气锅炉系统所在 环境中室内或室外的空气。通过设置烟气再冷装置50对烟气进一步冷凝，从而析出更多 的冷凝水，降低了烟气中的含湿量，最终将烟气中的余热和冷凝水"吃干榨净"。示例性地， 采用本发明的燃气锅炉系统，最终排放到大气中的温度可以为20°C?40°C，氮氧化物含量 〈100mg/m 3,实现了烟气的友好排放。在其它实施例中，烟气再冷装置50也可以是换热器形 式，低温第二介质并不与烟气混合，而是通过在换热器中换热的方式降低烟气温度。
[0033] 图2示出了图1的燃气锅炉系统中的锅炉的一种示例性结构。如图2所示，本发 明实施例的燃气锅炉可包括炉体10,炉体10的炉壁采用腔式结构，炉壁内腔即为锅炉的水 箱13。燃烧室14设置在炉体10的中心位置，燃烧室14入口处连接有燃烧器90。换热烟 道包括前烟箱12、多个第二回程换热管15、多个第三回程换热管16以及后烟箱17,后烟箱 17与烟气出口 11相连通。多个第二回程换热管15和多个第三回程换热管16均与水箱13 中的水接触换热。图1中的箭头表示烟气流动方向，从图1可以看出，燃烧室14内的烟气 从燃烧室14末端分别流入多个第二回程换热管15中，然后在前烟箱12中混合，之后分别 流入多个第三回程换热管16中，最后经由后烟箱17的烟气排出口 11排出炉体10。
[0034] 考虑到所采用的催化剂的活性温度区间，优选将催化反应器20布置在前烟箱12 中，一般是通过对炉体10的前烟箱12进行相应改造，然后在改造后的空间烟箱内布置足够 数量的催化剂，从而得到催化反应器20,这样可使催化剂具有令人满意的活性。也可以将 催化反应器20布置为具有与换热管（如第二回程换热管15和第三回程换热管16)相匹配 的形状的催化剂，尽管未示出，本领域技术人员不难理解该结构。本发明将装载有催化氧化 N0的催化剂反应器20布置在燃气锅炉内部的换热管中，利用换热管中烟气的温度使催化 剂工作在较合适的温度范围内，以较好地发挥其对N0氧化的催化作用。
[0035] 为了便于安装，例如可将催化剂加工成立方体，其截面为多孔的蜂窝状，然后用角 钢将这些催化剂固定在燃气锅炉的换热管中形成催化反应器。催化剂的具体几何尺寸如截 面形状和流通面积等可根据锅炉的相关参数如烟气温度、流量、烟管尺寸等设计，保证烟气 流动阻力在一定范围内。
[0036] 本发明中的催化反应器中所采用的催化剂优选为中国专利申请201310335980. 6 中公开的催化剂。在一个实施例中，催化剂的载体为包含锐钛矿型二氧化钛和金红石型二 氧化钛的混晶型二氧化钛，催化剂的活性组分为含有锰元素的氧化物。在进一步的实施例 中，载体中包含的锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛的质量比为〇. 25:1?3:1 ;猛元 素相对于载体的质量分数为5?40%。对于前述的催化剂，其较适用的温度范围为200°C? 350°C，并且当温度在300°C?350°C时，其催化效率更好，能够更加高效地将烟气中的N0转 化成N0 2。
[0037] 至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
【权利要求】
1. 一种燃气锅炉系统，包括： 炉体（10)，具有用于排放燃烧烟气的烟气排出口（11); 催化反应器（20)，布置在所述炉体（10)内，用于促使烟气中的NO在从所述烟气排出口 (11)排出之前被氧化为N02 ; 烟气排放管路（30)，布置在所述炉体（10)的外部并与所述炉体（10)的所述烟气排出 口（11)连接，用于接收来自所述炉体（10)排放的烟气并将其排放至大气中； 布置在所述烟气排放管路（30)中的烟气余热利用装置（40)，用于接收所述炉体（10) 排放的烟气并使得所述烟气与第一介质换热，以加热所述第一介质并冷却所述烟气，从而 从所述烟气中析出冷凝水；以及 布置在所述烟气排放管路（30)中且位于所述烟气余热利用装置（40)下游的烟气再冷 装置（50)，用于对从所述烟气余热利用装置（40)排出的烟气进一步冷却； 其中，在工作时，由所述冷凝水吸收所述烟气中的N02。
2. 根据权利要求1所述的燃气锅炉系统，其中，还包括冷凝水储水箱￠0)，布置成与所 述烟气排放管路（30)连通，用于接收所述冷凝水。
3. 根据权利要求2所述的燃气锅炉系统，其中，还包括与所述冷凝水储水箱￠0)连接 的水处理装置（70)，用于对所述冷凝水储水箱￠0)中冷凝水进行相应的水处理。
4. 根据权利要求3所述的燃气锅炉系统，其中，还包括系统补水箱（80)，用于经由补水 管路（81)向所述炉体（10)提供系统补水，其中，所述系统补水箱（80)与所述水处理装置 (70)相连接，用于接收来自所述水处理装置（70)的经处理的冷凝水并将其作为系统补水 的至少一部分。
5. 根据权利要求4所述的燃气锅炉系统，其中，还包括布置在所述补水管路（81)与所 述烟气余热利用装置（40)之间的低温回路（82)，用于将所述补水管路（81)中的系统补水 作为所述第一介质提供至所述烟气余热利用装置（40)，并将经加热后的所述系统补水返回 至所述炉体（10)。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的燃气锅炉系统，其中，所述烟气排放管路（30)包 括第一坚向延伸段（31)，所述烟气余热利用装置（40)布置在所述第一坚向延伸段（31)中。
7. 根据权利要求6所述的燃气锅炉系统，其中，所述烟气排放管路（30)还包括第二 横向延伸段（32)，所述第二横向延伸段（32)的一端与所述第一坚向延伸段（31)的下端邻 接； 其中，所述烟气再冷装置（50)布置在所述第二横向延伸段（32)处，并且，所述冷凝水 储水箱（60)布置成与所述第二横向延伸段（32)连通，用于从所述第二横向延伸段（32)接 收冷凝水。
8. 根据权利要求7所述的燃气锅炉系统，其中，所述烟气再冷装置（50)为与所述第二 横向延伸段（32)连通的再冷管路，用于向所述第二横向延伸段（32)输入低温的第二介质； 可选地，所述第二介质为空气。
9. 根据权利要求6-8中任一项所述的燃气锅炉系统，其中，所述烟气排放管路（30)包 括： 第一横向延伸段（33)，所述第一横向延伸段（33)从所述炉体（10)的所述烟气排出口 (11)延伸至所述第一坚向延伸段（31)的上端；和/或 第二坚向延伸段（34)，所述第二坚向延伸段（34)的下端与所述第二横向延伸段（32) 的另一端邻接。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃气锅炉系统，其中，所述炉体（10)内部设置有 前烟箱（12)，所述催化反应器（20)布置在所述前烟箱（12)内；或者 所述炉体（10)内部设置有换热管（13)，所述催化反应器（20)为具有与所述换热管 (13)相匹配的形状的催化剂。
【文档编号】F23J15/04GK104089283SQ201410364113
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】杨勇, 禚玉群, 赵一波, 王随林 申请人:北京华通兴远供热节能技术有限公司, 清华大学