本发明涉及加热炉技术领域，且特别涉及一种加热炉系统及加热炉设备。
背景技术：
目前加热炉采用燃料和空气接触燃烧的方式加热工艺介质，高温烟气经余热回收系统后排出。这种加热炉运行方式会产生环境污染物，并且热效率难以进一步提高，具体有以下几个问题。1)燃料与空气直接接触燃烧会产生nox、co2等污染物；2)由于低温露点腐蚀的存在，加热炉排烟温度都在120℃以上，烟气的低温余热无法深度回收，制约了加热炉热效率的提高；3)燃烧过程过剩空气系数大，排烟损失较大；4)为了减少环境污染，大多数加热炉采用气体燃料燃烧，运行成本较高。
因此，需对现有的加热炉进行改进。
技术实现要素：
本发明的目的之一包括提供一种加热炉系统，该系统能够解决传统加热炉运行过程中产生污染物及热效率低的问题，实现加热炉高效率和低排放运行。
本发明的另一目的包括提供一种加热炉设备，其包含上述加热炉系统。
本发明解决其技术问题是采用包括以下技术方案来实现的：
本发明实施例提出了一种加热炉系统，其包括分离器、换热器、氧化反应器、还原反应器以及加热炉。
还原反应器包括用于通入燃料的还原反应器第一入口、用于通入氧化态载氧体的还原反应器第二入口、用于输出还原态载氧体的还原反应器第一出口以及用于输出高温烟气的还原反应器第二出口。
加热炉包括与还原反应器第二出口连通的加热炉第一入口、与换热器连通的加热炉第二入口、用于输出低温烟气的加热炉第一出口以及用于输出加热介质的加热炉第二出口。
分离器包括与加热炉第一出口连通的分离器第一入口、用于输入高温空气的分离器第二入口、与氧化反应器连通的分离器第一出口、用于输出冷凝水的分离器第二出口以及用于输出高浓度co2的分离器第三出口。
氧化反应器包括与分离器第一出口连通的氧化反应器第一入口、与还原反应器第一出口连通的氧化反应器第二入口、与换热器连通的氧化反应器第一出口以及与还原反应器第二入口连通的氧化反应器第二出口。
换热器包括与氧化反应器第一出口连通的换热器第一入口、用于输入工艺介质的换热器第二入口、与加热炉第二入口连通的换热器第一出口以及用于输出低温贫氧空气的换热器第二出口。
进一步地，在本发明较佳实施例中，氧化反应器还包括第一集气室、第一旋风分离器、第一分布板以及返回斜管，第一分布板设置于氧化反应器的腔体的底部且将腔体分隔成第一腔室和第二腔室，第一集气室设置于第一腔室的远离第二腔室的一端且与氧化反应器第一出口连通，第一旋风分离器设置于第一集气室与第一分布板之间，返回斜管设置于第一腔室的靠近第二腔室的一端且返回斜管的两端分别与氧化反应器第二出口以及还原反应器第二入口连通。
进一步地，在本发明较佳实施例中，还原反应器还包括第二集气室、第二旋风分离器、第二分布板、上升管、沉降室以及再生斜管，上升管的一端与还原反应器的腔体连通，另一端设有第二分布板且第二分布板将上升管分隔成第一管腔和第二管腔，还原反应器第二入口设置于第一管腔的靠近第二管腔的一端，第二管腔的远离第一管腔的一端与还原反应器第一入口连通，第二集气室设置于还原反应器的腔体的顶部且与还原反应器第二出口连通，旋风分离器设置于第二集气室与上升管之间，再生斜管设置于还原反应器的腔体的远离第二集气室的一端且再生斜管的两端分别与还原反应器第一出口以及氧化反应器第二入口连通。沉降室设置于还原反应器的腔体的靠近第一管腔的一端。
进一步地，在本发明较佳实施例中，第一管腔的靠近第二管腔的一端还设有固体燃料进口，固体燃料进口的入口位置高于返回斜管与还原反应器第二入口连接的位置，分离器第三出口与还原反应器第一入口连通。
进一步地，在本发明较佳实施例中，加热炉为直火式加热炉。
进一步地，在本发明较佳实施例中，载氧体包括金属载氧体或非金属载氧体，金属载氧体包括铜基载氧体、铁基载氧体或锰基载氧体，非金属载氧体包括gaso4载氧体或钙钛矿载氧体。
进一步地，在本发明较佳实施例中，进入还原反应器的燃料包括固体燃料、液态燃料或气态燃料，固体燃料包括煤或生物质，液态燃料包括原油或重油，气态燃料包括天然气、液化气或炼厂气。
进一步地，在本发明较佳实施例中，氧化反应器和还原反应器的反应温度均为600-1000℃。
进一步地，在本发明较佳实施例中，加热炉系统的过剩空气系数为1-1.05。
本发明实施例还提出了一种加热炉设备，其包括上述所涉及的加热炉系统。
本发明实施例中加热炉系统及加热炉设备的有益效果包括：
第一，本发明较佳实施例可降低加热炉排烟温度，极大提高加热炉热效率。排出的烟气成分为co2和h2o组成的高温烟气和贫氧高温空气，换热设备不会发生低温露点腐蚀问题，采用换热器可充分回收烟气余热，使烟气温度由120℃低降至50℃以下，提升加热炉热效率3-4个百分点。
第二，本发明较佳实施例可大幅降低nox的含量。常规工艺中，燃料与空气直接接触燃烧，在大于1200℃的火焰温度下，会产生热力型nox、快速型nox，含氮的液、固燃料还会产生燃料型nox。本发明较佳实施例中燃料不与空气接触，属于无火焰燃烧模式，燃烧温度较低，一般低于1000℃，根除了快速型nox和热力型nox的产生。在载氧体和低氧的还原气氛下，固、液燃料中的氮生成燃料型nox的过程受抑制，大部分以n2排出，燃料型nox可减少50％以上。
第三，本发明较佳实施例可实现co2的高效捕集。传统加热炉的烟气由于co2浓度极低，进行浓缩捕集耗能较大，一般直接排放至大气中。本发明较佳实施例产生的是只有co2和h2o的烟气，烟气经过分离器冷凝出水蒸汽，无需额外耗能即可分离出浓度95％以上的co2。
第四，本发明较佳实施例中燃烧过程过剩空气系数小，排烟损失少。传统加热炉过剩空气系数在1.05-1.3之间，氧解耦化学链燃烧技术(clou)由于载氧体比表面积很大且具有催化作用，燃料燃烧过程快速、充分，过剩空气系数在1-1.05即可完全反应，烟气量可减少10％以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的加热炉系统的第一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的加热炉系统的第二种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的加热炉设备的第一种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的加热炉设备的第二种结构示意图。
图标：10-加热炉系统；1-分离器；101-分离器第一入口；102-分离器第二入口；103-分离器第一出口；104-分离器第二出口；105-分离器第三出口；2-换热器；201-换热器第一入口；202-换热器第二入口；203-换热器第一出口；204-换热器第二出口；3-氧化反应器；301-第一集气室；302-第一旋风分离器；303-第一分布板；304-返回斜管；305-氧化反应器第一入口；306-氧化反应器第二入口；307-氧化反应器第一出口；308-氧化反应器第二出口；309-第一腔室；310-第二腔室；4-还原反应器；401-第二集气室；402-第二旋风分离器；403-第二分布板；404-上升管；405-沉降室；406-再生斜管；407-还原反应器第一入口；408-还原反应器第二入口；409-还原反应器第一出口；410-还原反应器第二出口；411-第一管腔；412-第二管腔；413-固体燃料进口；5-加热炉；501-加热炉第一入口；502-加热炉第二入口；503-加热炉第一出口；504-加热炉第二出口；20-加热炉设备；21-收集部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合实施例进行具体说明。
实施例
请一并参照图1至图2，本发明实施例提供一种加热炉系统10，其主要包括分离器1、换热器2、氧化反应器3、还原反应器4以及加热炉5。
还原反应器4包括用于通入燃料的还原反应器第一入口407、用于通入氧化态载氧体(本实施例中以mxoy表示)的还原反应器第二入口408、用于输出还原态载氧体(本实施例中以mxoy-1表示)的还原反应器第一出口409以及用于输出高温烟气的还原反应器第二出口410。
一定温度下，氧化态载氧体在还原反应器4中释放出氧气，转化为还原态载氧体后从还原反应器第一出口409输出至氧化反应器3中。
燃料通过还原反应器第一入口407进入还原反应器4，与氧化态载氧体释放出的纯氧反应，生成co2和h2o组成的高温烟气并由还原反应器第二出口410输出至加热炉5中，同时释放热量。
可选地，进入还原反应器4的燃料例如可以包括固体燃料、液态燃料或气态燃料。其中，固体燃料可包括煤、生物质或污泥等，该类固体燃料价格较为低廉，液态燃料可包括原油或重油等，气态燃料可包括天然气、液化气或炼厂气等。
上述载氧体是指在反应温度下能释放氧气，能被空气氧化再生，并作为反应器热量传输的载体。可选地，所用的载氧体例如可以包括金属载氧体或非金属载氧体。其中，金属载氧体可包括铜基载氧体、铁基载氧体或锰基载氧体等，非金属载氧体可包括gaso4载氧体或钙钛矿载氧体等。优选为铜基载氧体。
加热炉5包括与还原反应器第二出口410连通的加热炉第一入口501、与换热器2连通的加热炉第二入口502、用于输出低温烟气的加热炉第一出口503以及用于输出加热介质的加热炉第二出口504。还原反应器第二出口410输出的高温烟气进入加热炉5以加热来自换热器2的工艺介质，当工艺介质加热至目标温度后则进入下一流程，烟气温度降低后得到低温烟气通过加热炉第一出口503引出并由分离器第一入口101引入分离器1中。值得说明的是，加热炉第二出口504输出的加热介质为达到目标温度的工艺介质。
可选地，上述加热炉5可以为直火式加热炉5，例如管式加热炉5、冶金炉或回转窑等，优选为管式加热炉5。
分离器1包括与加热炉第一出口503连通的分离器第一入口101、用于输入高温空气的分离器第二入口102、与氧化反应器3连通的分离器第一出口103、用于输出冷凝水的分离器第二出口104以及用于输出高浓度co2的分离器第三出口105。当由加热炉5引入的低温烟气在分离器1中分离出高浓度co2和冷凝水后，高浓度co2通过分离器第三出口105输出，冷凝水通过分离器第二出口104输出，释放的热量用于加热由分离器第二入口102引入的空气。
氧化反应器3包括与分离器第一出口103连通的氧化反应器第一入口305、与还原反应器第一出口409连通的氧化反应器第二入口306、与换热器2连通的氧化反应器第一出口307以及与还原反应器第二入口408连通的氧化反应器第二出口308。
分离器1预热的空气(称之为预热空气)通过分离器第一出口103输送至氧化反应器第一入口305并输入氧化反应器3中，与高温的还原态载氧体(mxoy-1)反应，并将还原态载氧体氧化为氧化态载氧体(mxoy)，释放热量并产生高温贫氧空气。
氧化态载氧体(mxoy)依次经过氧化反应器第二出口308及还原反应第二入口返回至还原反应器4中继续参加反应。
换热器2包括与氧化反应器第一出口307连通的换热器第一入口201、用于输入工艺介质的换热器第二入口202、与加热炉第二入口502连通的换热器第一出口203以及用于输出低温贫氧空气的换热器第二出口204。氧化反应器第一出口307输出的高温贫氧空气通过换热器第一入口201输入换热器2中，工艺介质由换热器第二入口202进入换热器2中，工艺介质通过与高温贫氧空气换热，得到预热工艺介质与温度降低后的低温贫氧空气，其中，预热工艺介质通过换热器第一出口203再经加热炉第二入口502输入加热炉5中，低温贫氧空气则通过换热器第二出口204输出。该方案中，加热炉5中不再设置燃烧器，依靠氧化反应器3产生的高温贫氧空气和还原反应器4产生的高温烟气加热入炉的工艺介质。
承上，氧化反应器3和还原反应器4组成了化学链燃烧反应系统，载氧体采用循环流化的方式实现循环。燃料燃烧采用燃料与空气非直接接触的氧解耦化学链燃烧技术(clou)，在还原反应器4中氧化态载氧体(mxoy)在反应温度下直接释放纯氧。
燃料进入还原反应器4与载氧体释放的氧气直接反应释放热量。
还原态载氧体(mxoy-1)进入氧化反应器3与空气在一定温度下反应再生。
上述方案中，载氧体氧化和燃料燃烧属于放热反应，载氧体释放氧气的过程属于吸热反应，化学链燃烧反应总放热量大于总吸热量，净放热量为燃料的发热量，氧化反应器3和还原反应器4反应温度均可在600℃-1000℃。
进一步地，上述氧化反应器3还可包括第一集气室301、第一旋风分离器302、第一分布板303以及返回斜管304。第一分布板303设置于氧化反应器3的腔体的底部并将腔体分隔成第一腔室309和第二腔室310，第一集气室301设置于第一腔室309的远离第二腔室310的一端且与氧化反应器第一出口307连通，第一旋风分离器302设置于第一集气室301与第一分布板303之间，返回斜管304设置于第一腔室309的靠近第二腔室310的一端且返回斜管304的两端分别与氧化反应器第二出口308以及还原反应器第二入口408连通。
其中，第一旋风分离器302主要用于进行气固分离。第一分布板303的表面设置有多个在表面均匀分布的通孔，一方面用于对输入氧化反应器3中的预热空气进行过滤，另一方面可使进入第一腔室309的预热空气更加均匀，避免全部集中于同一位置。预热空气和载氧体的混合气流在第一腔室309中经第一旋风分离器302气固分离后，所得的高温贫氧空气则收集于第一集气室301中并用于通入至换热器2中。
值得注意的是，上述返回斜管304的与氧化反应器第二出口308连接的位置高于返回斜管304的与还原反应器第二入口408连接的位置。
还原反应器4还包括第二集气室401、第二旋风分离器402、第二分布板403、上升管404、沉降室405以及再生斜管406，上升管404的一端与还原反应器4的腔体连通，另一端设有第二分布板403且第二分布板403将上升管404分隔成第一管腔411和第二管腔412，还原反应器第二入口408设置于第一管腔411的靠近第二管腔412的一端，第二管腔412的远离第一管腔411的一端与还原反应器第一入口407连通，第二集气室401设置于还原反应器4的腔体的顶部且与还原反应器第二出口410连通，旋风分离器1设置于第二集气室401与上升管404之间，再生斜管406设置于还原反应器4的腔体的远离第二集气室401的一端且再生斜管406的两端分别与还原反应器第一出口409以及氧化反应器第二入口306连通。沉降室405设置于还原反应器4的腔体的靠近第一管腔411的一端。
其中，第二旋风分离器402也主要用于进行气固分离。第二分布板403的表面也设置有多个在表面均匀分布的通孔，一方面用于对输入还原反应器4中的燃料进行过滤，另一方面可使进入上升管404的燃料更加均匀，避免全部集中于同一位置。燃料和载氧体的混合物在还原反应器4的腔体中经第二旋风分离器402气固分离后，所得的高温烟气则收集于第二集气室401中并用于通入至加热炉5中。
值得注意的是，上述再生斜管406的与氧化反应器第二入口306连接的位置低于再生斜管406的与还原反应器第一出口409连接的位置。
上述加热炉系统10的运行方式可参考如下(以载氧体为铜基载氧体为例)：
1)加热炉系统10启动前，向还原反应器4的上升管404中通入高温烟气，使进入上升管404的氧化态铜基载氧体(cuo)流化上升并释放氧气，载氧体循环流化后，从返回斜管304进入上升管404的载氧体温度达到温度800℃时，通入燃料气并切断高温烟气。
2)燃料气经第二分布板403进入上升管404流化载氧体(cuo)，并与载氧体(cuo)释放的氧气在上升过程中充分反应，释放出热量，维持反应器及载氧体的温度，并产生800-850℃的高温烟气。
3)高温烟气和载氧体的混合气流进入沉降室405中的第二旋风分离器402进行气固分离，高温烟气经第二集气室401进入加热炉5，释放氧气的还原态载氧体(cu2o)从沉降室405下部经再生斜管406进入氧化反应器3。
4)从分离器1中加热的空气(预热空气)经第一分布板303进入氧化反应器3流化还原态载氧体(cu2o)，上升过程中与其反应，将还原态载氧体(cu2o)氧化为氧化态载氧体(cuo)，释放出热量，维持氧化反应器3及载氧体温度，并产生850℃高温贫氧空气。
5)高温贫氧空气和载氧体的混合气流进入氧化反应器3上部的第一旋风分离器302中进行气固分离，高温贫氧空气经第一集气室301进入换热器2，氧化态载氧体(cuo)从氧化反应器3底部经返回斜管304进入上升管404与燃料气继续反应。
6)工艺介质进入换热器2与从氧化反应器3中出来的高温贫氧空气进行换热，高温贫氧空气温度降低至50℃后直接排出，被预热的工艺介质进入加热炉5继续加热。
7)进入加热炉5的预热工艺介质在加热炉5中被从还原反应器4引出的高温烟气加热，达到目标温度后流出加热炉5。
8)在加热炉5中加热工艺介质温度降低为120℃的烟气，烟气中只含有co2和h2o，将其引入分离器1进行co2和水蒸气的分离，并用冷凝热加热常温空气，分离得到浓度95％以上的co2，无需额外耗能即可进行co2的捕集、封存。
与传统加热炉5工艺比较，上述燃气管式加热炉系统10排烟温度由120℃降低至50℃，过剩空气系数由1.15降低至1-1.05，烟气量降低10％，加热炉5热效率提高了4个百分点，并且排烟中不含有nox及co2，污染物排放几乎为零。
此外，本实施例中还可将上述管式加热炉5的燃料气更换为固体燃料，加热炉系统10如图2所示，第一管腔411的靠近第二管腔412的一端还设有固体燃料进口413，固体燃料进口413的入口位置高于返回斜管304与还原反应器第二入口408连接的位置，分离器第三出口105与还原反应器第一入口407连通。也即在还原反应器4中的上升管404上增设了一个固体燃料进口413，固体燃料颗粒入口位置高于载氧体返回斜管304与还原反应器4连接的位置。部分分离出的高浓度co2引入上升管404中流化载氧体及固体燃料颗粒，载氧体进入上升管404中先释放一部分氧气，然后与固体燃料颗粒混合反应，系统其他流程和上述方案均相同。燃料由燃料气更换为固体燃料时，加热炉系统10运行成本可减少10％以上。
请一并参照图3与图4，本实施例还提供了一种加热炉设备20，该加热炉5包括上述加热炉系统10，并还包括多个不同的收集部21，以分别收集由分离器1输出的高浓度co2以及冷凝水、由换热器2输出的低温贫氧空气以及由加热炉5输出的目标温度工艺介质等。
承上所述，本发明实施例所提供的加热炉系统10及加热炉设备20具有包括以下的效果：
第一，本发明较佳实施例可降低加热炉5排烟温度，极大提高加热炉5热效率。排出的烟气成分为co2和h2o组成的高温烟气和贫氧高温空气，换热设备不会发生低温露点腐蚀问题，采用换热器2可充分回收烟气余热，使烟气温度由120℃低降至50℃以下，提升加热炉5热效率3-4个百分点。
第二，本发明较佳实施例可大幅降低nox的含量。常规工艺中，燃料与空气直接接触燃烧，在大于1200℃的火焰温度下，会产生热力型nox、快速型nox，含氮的液、固燃料还会产生燃料型nox。本发明较佳实施例中燃料不与空气接触，属于无火焰燃烧模式，燃烧温度较低，一般低于1000℃，根除了快速型nox和热力型nox的产生。在载氧体和低氧的还原气氛下，固、液燃料中的氮生成燃料型nox的过程受抑制，大部分以n2排出，燃料型nox可减少50％以上。
第三，本发明较佳实施例可实现co2的高效捕集。传统加热炉5的烟气由于co2浓度极低，进行浓缩捕集耗能较大，一般直接排放至大气中。本发明较佳实施例产生的是只有co2和h2o的烟气，烟气经过分离器1冷凝出水蒸汽，无需额外耗能即可分离出浓度95％以上的co2。
第四，本发明较佳实施例中燃烧过程过剩空气系数小，排烟损失少。传统加热炉5过剩空气系数在1.05-1.3之间，氧解耦化学链燃烧技术(clou)由于载氧体比表面积很大且具有催化作用，燃料燃烧过程快速、充分，过剩空气系数在1-1.05即可完全反应，烟气量可减少10％以上。
第五，本发明较佳实施例中燃料可用廉价的煤、生物质、污泥等固体燃料替代价格较高的气体燃料，降低加热炉5运行成本。本发明较佳实施例中的氧解耦化学链燃烧技术(clou)可与固体燃料直接反应，加热炉5所用气体燃料改为固体燃料可大大降低运行成本。
综上，本发明实施例提供的高效率低排放的加热炉系统10及运行方法，采用氧解耦化学链燃烧技术(clou)实现燃料与空气的非接触式燃烧；避开低温露点腐蚀，深度回收烟气余热；并以冷凝的方式捕集烟气中的co2。解决了传统加热炉5运行过程中，产生污染物及热效率低的问题，实现了加热炉5高效率和低排放运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。