一种燃气锅炉系统及其运行方法与流程

本发明涉及锅炉技术领域，特别涉及一种燃气锅炉系统及其运行方法。

背景技术：

常规的燃气锅炉存在的问题可概括为三个方面，一是能量利用效率较低。这是由于其燃烧烟气中水蒸气的露点低(55℃左右)，所以燃烧产生的水蒸气的潜热几乎得不到利用，再加上燃烧烟气量大而造成较大的显热损失。二是nox的排放量难以满足排放标准。较高的燃烧温度和燃气与空气的直接混合导致了热力型nox和快速型nox的产生。三是由于燃气烟气中的co2浓度低(燃气为天然气时约为8％)，所以co2捕集工艺的能耗大。

围绕上述常规燃气锅炉存在的问题，专利号为zl201610222192.x的中国发明专利公开了如图1所示的一种燃气锅炉系统及其运行方法，可提高燃气锅炉的能量利用效率，实现nox零排放和co2近零能耗捕集co2。可是，该技术采用了两个相互切换的化学链燃烧反应器，当一个反应器进行氧化态载氧体的还原反应过程时，另一个反应器进行还原态载氧体的氧化再生反应过程，当两个反应器分别完成还原反应过程和氧化再生反应过程时进行切换。这就要求完成所有氧化态载氧体的还原需要的时间与完成所有还原态载氧体的氧化再生需要的时间必须相同，而在此条件下还原态载氧体的氧化再生反应的放热量要明显多于氧化态载氧体的还原反应的放热量，导致载氧体在氧化再生反应过程中发生温度飙升，载氧体充填床的温度分布也显著恶化，从而导致载氧体发生高温烧结而造成使用寿命缩短。此外，上述专利还存在系统复杂、可靠性差以及造价高的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种燃气锅炉系统及其运行方法，主要目的是简化系统、提高系统可靠性并降低系统造价，同时避免载氧体充填床的温度飙升，改善充填床的温度分布，从而提高载氧体的使用寿命。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种燃气锅炉系统，包括单一的化学链燃烧反应器，所述化学链燃烧反应器包括化学链燃烧反应室和第一热媒室，所述化学链燃烧反应室的一端与燃气管道和空气管道连通，另一端与烟气管道连通，化学链燃烧反应室内充填有载氧体；燃气和空气分别通过燃气管道和空气管道交替地通入化学链燃烧反应室中，通入燃气时燃气与氧化态载氧体反应生成还原反应产物气体并经烟气管道排出，同时氧化态载氧体被还原为还原态载氧体；通入空气时还原态载氧体被空气中的氧气氧化再生为氧化态载氧体，氧化反应产物气体经烟气管道排出；所述第一热媒室连接有第一热媒导入管道和第一热媒导出管道。

进一步的，其中所述化学链燃烧反应器为管壳式化学链燃烧反应器，所述管壳式化学链燃烧反应器包括第一管程和第一壳程，所述第一管程为化学链燃烧反应室，所述第一壳程为第一热媒室。

进一步的，其中所述烟气管道上设置有烟气换热器和气水分离器。

进一步的，其中所述化学链燃烧反应室的载氧体充填床下方充填有蓄热体；所述管壳式化学链燃烧反应器的下封头可以用作气水分离器。

进一步的，其中所述的管壳式化学链燃烧反应器的下方连接有管壳式烟气换热器，所述管壳式烟气换热器包括第二管程和第二壳程，所述第二管程与所述化学链燃烧反应室相通，所述第二壳程为第二热媒室，其连接有第二热媒导入管道和第二热媒导出管道，所述管壳式烟气换热器的下封头为气水分离器，所述下封头上设有冷凝水排出管道。

进一步的，其中所述管壳式烟气换热器的第二管程充填有蓄热体。

进一步的，其中所述燃气管道和空气管道上分别设置有单向阀或者电磁阀。

进一步的，其中所述烟气管道上设置有燃料成分浓度传感器。

进一步的，其中所述载氧体为铜基载氧体或者包括铜基载氧体的多元载氧体。

进一步的，其中所述燃气管道上设有燃气风机，所述的空气管道上设有空气风机，所述烟气管道上设有三通阀及烟气循环管道，所述烟气循环管道的一端与空气风机的吸入口连接，所述烟气循环管道的另一端与烟气管道上的三通阀连接。

另一方面，本发明实施例提供了一种上述燃气锅炉系统的运行方法，包括如下步骤：

s1.还原反应过程：所述化学链燃烧反应室中，经燃气管道通入的燃气与氧化态载氧体反应生成还原反应产物气体，所述还原反应产物气体经所述烟气管道排出，同时氧化态载氧体被还原为还原态载氧体；所述热媒室中，经热媒导入管道通入的热媒吸收所述还原反应的反应热，然后经热媒导出管道排出；所述还原反应过程进行的时间设定为t1，燃气中可燃组分的流量设定为f1；

s2.氧化再生反应过程：所述化学链燃烧反应室中，经空气管道通入的空气中的氧气与还原态载氧体反应，还原态载氧体被氧化再生为氧化态载氧体，氧化反应产物气体经烟气管道排出；所述热媒室中，经热媒导入管道通入的热媒吸收所述氧化再生反应的反应热，然后经热媒导出管道排出；所述氧化再生反应过程的时间设定为t2，空气流量设定为f2；将所述氧化再生反应过程的时间设定值t2控制在所述还原反应过程的时间设定值t1的1.0倍以上，将空气流量设定值f2控制在所述燃气中可燃组分的流量设定值f1的9.5倍以下，以减少氧化再生反应过程的反应放热功率从而使氧化再生反应过程的反应放热功率接近于还原反应过程的反应放热功率；

s3.切换过程：当所述还原反应过程进行了t1之后，停止向化学链燃烧反应室通入燃气，同时经空气管道将流量f2的空气通入化学链燃烧反应室；当所述氧化再生反应过程进行了t2之后，停止向化学链燃烧反应室通入空气，同时经燃气管道将流量f1的燃气通入化学链燃烧反应室。

进一步的，其中将所述氧化再生反应过程的时间设定值t2控制在所述还原过程的时间设定值t1的1.1～4.0倍的范围，将所述氧化再生反应过程的空气流量设定值f2控制在所述还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1的2.1～6.0倍的范围，从而使氧化再生反应过程的反应放热功率接近于还原反应过程的反应放热功率。

进一步的，其中所述还原反应过程的时间设定值t1设定为5～30分钟。

进一步的，其中当烟气管道上的燃料成分浓度传感器测得的燃料成分浓度高于燃料成分浓度设定值时，从下一个还原反应过程开始调低还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1。

进一步的，其中所述的燃料成分浓度设定值为体积浓度0.1～2.0％，所述还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1的调低幅度为0.1～1.0％。

进一步的，其中在所述的还原反应过程进行了t1之后，启动所述空气风机并切换烟气管道上的三通阀，使还原反应产物气体经所述烟气循环管道回流到化学链燃烧反应器的上部，对化学链燃烧反应器上部的燃气进行冲洗，经过燃气冲洗设定时间t3后，再切换所述三通阀，使流量f2的空气通入化学链燃烧反应器；在所述的氧化再生反应过程进行了t2之后，切换烟气管道上的三通阀，使氧化再生反应产物气体经所述烟气循环管道回流到化学链燃烧反应器上部，对化学链燃烧反应器上部的空气进行冲洗，经过空气冲洗设定时间t4后，再切换所述三通阀并停止空气风机，使流量f1的燃气通入化学链燃烧反应器。

进一步的，其中所述燃气冲洗时间t3的设定值为0.1～1.0分钟；所述空气冲洗时间t4的设定值为0.1～0.5分钟。

进一步的，其中进行还原反应过程时，在通入流量f1的燃气的同时，通入流量f3的空气，使载氧体充填床的入口温度始终保持在发生还原态载氧体氧化再生反应所需的最低温度以上；进行氧化再生反应过程时，在通入流量f2的空气的同时，通入流量f4的燃气，使载氧体充填床的入口温度始终保持在发生氧化态载氧体还原反应所需的最低温度以上。

进一步的，其中所述的空气流量设定值f3设定为所述燃气中可燃组分的流量设定值f1的0.5～15.0％；所述的燃气中可燃组分的流量设定值f4设定为所述空气流量设定值f2的0.5～4.0％。

进一步的，其中所述氧化态载氧体的还原反应过程的反应温度为300～800℃，所述还原态载氧体的氧化再生过程的反应温度为300～800℃。

进一步的，其中所述热媒导入管道为第一热媒导入管道和/或第二热媒导入管道；所述热媒导出管道为第一热媒导出管道和/或第二热媒导出管道。

进一步的，其中在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中产生的烟气与第二热媒进行换热，以对该烟气进行热回收。

进一步的，其中在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中，通过在燃气管道和空气管道上安装单向阀或者电磁阀，以防止燃气和空气混合。

进一步的，其中在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中产生的水通过冷凝水排出管道排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的燃气锅炉系统由于采用了单一的化学链燃烧反应器，同时还采用了燃气和空气从化学链燃烧反应室的同一端通入而流向相同的方式，因而与采用两个相互切换的化学链燃烧反应器，且燃气和空气从化学链燃烧反应室的不同端通入而流向相反的现有技术不同，无需设置诸多管道和用于切换的电磁阀或者电动阀(尤其是设置于高温烟气管道上的可靠性差、使用寿命短、成本高的耐高温电磁阀或者电动阀)，同时也只需设置一个用于反应产物气体余热回收的烟气换热器，进而，通过在化学链燃烧反应室的载氧体充填床的下方充填蓄热体或者在管壳式化学链燃烧反应器的下方连接管壳式烟气换热器，并将管壳式化学链燃烧反应器的下封头或者管壳式烟气换热器的下封头用作气水分离器，进一步减少了系统的外部管道，提高了系统的集成度，因而系统极其简单可靠且造价低。

此外，通过采用铜基载氧体或包含铜基载氧体的多元载氧体，尽管只有一个化学链燃烧反应器交替地进行氧化态载氧体的还原反应过程和还原态载氧体的氧化再生反应过程，也可以实现连续稳定的对外供热。

本发明考虑到随着燃气锅炉系统运行时间的推移，载氧体的性能会逐渐劣化而导致部分燃料成分从烟气管道排出，当烟气管道上的燃料成分浓度传感器测得的燃料成分浓度高于燃料成分浓度设定值时，采取从下一个还原反应过程开始小幅调低还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值的方法，以保证在燃气锅炉系统的整个使用寿命周期中燃气得到完全的燃烧。

为了避免切换时在化学链燃烧反应器的入口处形成有爆炸危险的混合气体，在所述的还原反应过程完成之后，启动所述空气风机并切换烟气管道上的三通阀，使还原反应产物气体经所述烟气循环管道回流到化学链燃烧反应器的上部，对化学链燃烧反应器上部的燃气进行冲洗，然后再切换所述三通阀，之后才使空气通入化学链燃烧反应器；同样，在所述的氧化再生反应过程完成之后，切换烟气管道上的三通阀，使氧化再生反应产物气体经所述烟气循环管道回流到化学链燃烧反应器上部，对化学链燃烧反应器上部的空气进行冲洗，然后再切换所述三通阀并停止空气风机，之后才使燃气通入化学链燃烧反应器。

当燃气和空气都是从化学链燃烧反应室的同一端通入时，由于燃气和空气通常为常温气体，再加上随着化学链燃烧反应从填充床的入口向下游逐渐推进，充填床入口处的反应放热量逐渐减少至零，所以会导致入口侧的载氧体床层的温度降至发生化学链燃烧反应所需的最低温度即起燃温度以下，从而使下一个氧化态载氧体还原反应过程或者还原态载氧体氧化再生反应过程的反应无法发生，最终导致整个化学链燃烧无法维持。为此，本发明在保证化学链燃烧反应器入口处的气体始终处于燃气的爆炸极限之外的条件下，采用了在氧化态载氧体还原反应过程中在通入的燃气中混合少量的空气，而在还原态载氧体氧化再生过程中在通入的空气中混合少量的燃气的方法，使载氧体充填床入口侧的载氧体床层始终进行化学链燃烧反应并释放反应热，从而得以将该载氧体层的温度始终维持在化学链燃烧反应的起燃温度以上。

还有，采用相互切换的两组相同的化学链燃烧反应器的现有技术，其氧化态载氧体的还原反应过程和还原态载氧体的氧化再生反应过程必须采用同一的进行时间，否则两个反应器无法同时维持连续的化学链燃烧反应、反应温度和对外供热。也就是说，必须在相同的时间里完成所有氧化态载氧体的还原和还原态载氧体的氧化再生，这样一来，还原态载氧体的氧化再生反应过程的反应放热功率就会明显高于氧化态载氧体的还原反应过程的反应放热功率(当燃气为天然气而载氧体为铜基载氧体时，还原态载氧体的氧化再生反应过程的反应放热功率为氧化态载氧体的还原反应过程的反应放热功率的3.0倍左右)，于是必定会引起载氧体充填床在氧化再生过程中发生温度飙升和温度分布恶化，致使载氧体快速烧结劣化和床层压损快速上升，从而使载氧体的使用寿命大幅降低。

以甲烷和铜基载氧体为例，其750℃下氧化态载氧体的还原反应和还原态载氧体的氧化再生反应的发热量如下：

4cuo+ch4(g)＝4cu+co2(g)+2h2o(g)

△h＝-201.0kj/mol

4cu+2o2(g)＝4cuo

△h＝-599.9kj/mol

与现有技术不同，本发明通过采用单一的化学链燃烧反应器，使得氧化态载氧体的还原反应过程和还原态载氧体的氧化再生反应过程各自采用不同的进行时间成为了可能。这样，在氧化态载氧体还原反应过程的进行时间给定的情况下，通过采用一个长于所述氧化态载氧体还原反应过程进行时间的还原态载氧体氧化再生反应过程的进行时间，来减少还原态载氧体氧化再生过程的空气流量，就能使氧化再生过程的反应放热功率降低乃至接近于还原过程的反应放热功率，从而避免载氧体充填床的温度飙升，并使其温度分布在整个还原反应过程和氧化再生反应过程中保持基本不变，从而大幅提高载氧体的使用寿命，同时改善对外供热功率的稳定性。

本发明实施例的燃气锅炉系统，由于还原反应过程产物气体的露点较高，所以作为燃气燃烧产物的水蒸气的潜热基本可得到回收。因此，本发明具有显著的节能效果和经济效益。

本发明实施例的燃气锅炉系统，由于载氧体的还原反应过程和氧化再生反应过程的反应温度都较低，所以不产生nox从而实现nox零排放。因此，本发明具有显著的环境效益。

附图说明

图1是现有技术提供的一种燃气锅炉系统的示意图。

图2是本发明实施例1的一种燃气锅炉系统的示意图。

图3是本发明实施例2的一种燃气锅炉系统的示意图。

图4是本发明实施例3的一种燃气锅炉系统的示意图。

图5是本发明实施例4的一种燃气锅炉系统的示意图。

图6是本发明实施例5的一种燃气锅炉系统的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一个或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

图2是本发明实施例1的燃气锅炉系统的结构示意图。参见图2，本实施例提供了一种燃气锅炉系统，包括单一的化学链燃烧反应器1；

所述化学链燃烧反应器1包括化学链燃烧反应室14和第一热媒室15，所述第一热媒室15用于容纳与化学链燃烧反应室14进行热交换的第一热媒。

所述化学链燃烧反应室14的一端与燃气管道6和空气管道8连通，另一端与烟气管道9连通，化学链燃烧反应室14内充填有载氧体。

燃气和空气分别通过燃气管道6和空气管道8交替地通入化学链燃烧反应室14中，通入燃气时燃气与氧化态载氧体反应生成还原反应产物气体并经烟气管道9排出，同时氧化态载氧体被还原为还原态载氧体；通入空气时还原态载氧体被空气中的氧气氧化再生为氧化态载氧体，氧化反应产物气体经烟气管道9排出。

所述第一热媒室15连接有第一热媒导入管道10和第一热媒导出管道11。

所述的化学链燃烧反应器1为管壳式化学链燃烧反应器，所述管壳式化学链燃烧反应器包括第一管程2和第一壳程4，所述第一管程2为化学链燃烧反应室14，所述第一壳程4为第一热媒室15。

所述载氧体为铜基载氧体或者包括铜基载氧体的多元载氧体，如铜铁基二元载氧体或铜铁镍基三元载氧体等。通过采用铜基载氧体或包含铜基载氧体的多元载氧体，尽管只有一个化学链燃烧反应器交替地进行氧化态载氧体的还原反应过程和还原态载氧体的氧化再生反应过程，也可以实现连续稳定的对外供热。

本实施例的载氧体中，铜基载氧体的还原反应和氧化再生反应均为强放热反应，该特性十分有利于以自身的反应热来维持还原过程所需的反应温度并实现对外供热。以燃气成分ch4、co和h2为例，铜基、铁基、镍基载氧体的氧化态分别与ch4、co和h2的还原反应、以及还原态分别与o2的氧化再生反应的反应方程式以及600℃下的反应热如下所示：

由以上反应式可见，在三种载氧体当中只有铜基载氧体的氧化态的还原反应为强放热反应。另外，本发明的燃气锅炉系统各实施例中未提及的根据需要应该设置的部件本领域技术人员应该知晓。如所述的燃气管道6上设有燃气风机5，以将燃气送入燃烧反应器。所述的空气管道8上设有空气风机7，以将空气送入燃烧反应器。所述燃气包括天然气、煤气化气、高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、转炉放散煤气等各种煤气、生物质燃气、沼气、以及甲醇等各种液态燃料的气化气等。

当燃气和空气都是从化学链燃烧反应室的同一端通入时，由于燃气和空气通常为常温气体，再加上随着化学链燃烧反应从载氧体填充床的入口向下游逐渐推进，载氧体充填床入口处的反应放热量逐渐减少至零，所以会导致入口侧的载氧体床层的温度降至发生化学链燃烧反应所需的最低温度即起燃温度以下，从而使下一个氧化态载氧体还原反应过程或者还原态载氧体氧化再生反应过程的反应无法发生，最终导致整个化学链燃烧无法维持。为此，本发明实施例在保证化学链燃烧反应器入口处的气体始终处于燃气的爆炸极限之外的条件下，采用了在氧化态载氧体还原反应过程中在通入的燃气中混合少量的空气，而在还原态载氧体氧化再生过程中在通入的空气中混合少量的燃气的方法，使载氧体充填床3的入口侧的载氧体床层始终进行化学链燃烧反应并释放反应热，从而得以将该载氧体层的温度始终维持在化学链燃烧反应的起燃温度以上。

另一方面，本发明实施例提供了一种燃气锅炉系统的运行方法，请参考图2，该运行方法包括如下步骤：

s1.还原反应过程：所述化学链燃烧反应室14中，经燃气管道6通入的燃气与氧化态载氧体反应生成还原反应产物气体，所述还原反应产物气体经所述烟气管道9排出，同时氧化态载氧体被还原为还原态载氧体；所述第一热媒室15中，经第一热媒导入管道10通入的热媒吸收所述还原反应的反应热，然后经第一热媒导出管道11排出；所述还原反应过程进行的时间设定为t1，燃气中可燃组分的流量设定为f1；

s2.氧化再生反应过程：所述化学链燃烧反应室14中，经空气管道8通入的空气中的氧气与还原态载氧体反应，还原态载氧体被氧化再生为氧化态载氧体，氧化反应产物气体经烟气管道9排出；所述第一热媒室15中，经第一热媒导入管道10通入的热媒吸收所述氧化再生反应的反应热，然后经第一热媒导出管道11排出；所述氧化再生反应过程的时间设定为t2，空气流量设定为f2；将所述氧化再生反应过程的时间设定值t2控制在所述还原反应过程的时间设定值t1的1.0倍以上，将空气流量设定值f2控制在所述燃气中可燃组分的流量设定值f1的9.5倍以下，以减少氧化再生反应过程的反应放热功率从而使氧化再生反应过程的反应放热功率接近于还原反应过程的反应放热功率；

s3.切换过程：当所述还原反应过程进行了t1之后，停止向化学链燃烧反应室14通入燃气，同时经空气管道8将流量f2的空气通入化学链燃烧反应室14；当所述氧化再生反应过程进行了t2之后，停止向化学链燃烧反应室14通入空气，同时经燃气管道6将流量f1的燃气通入化学链燃烧反应室14。

具体实施时，可将所述氧化再生反应过程的时间设定值t2控制在所述还原过程的时间设定值t1的1.1～4.0倍，将所述氧化再生反应过程的空气流量设定值f2控制在所述还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1的2.1～6.0倍，从而使氧化再生反应过程的反应放热功率接近于还原反应过程的反应放热功率。优选的，所述还原反应过程的时间设定值t1设定为5～30分钟。

具体实施时，进行还原反应过程时，在通入流量f1的燃气的同时，通入流量f3的空气，使载氧体充填床3的入口温度始终保持在发生还原态载氧体氧化再生反应所需的最低温度以上；进行氧化再生反应过程时，在通入流量f2的空气的同时，通入流量f4的燃气，使载氧体充填床3的入口温度始终保持在发生氧化态载氧体还原反应所需的最低温度以上。优选的，所述的空气流量设定值f3设定为所述燃气中可燃组分的流量设定值f1的0.5～15.0％；所述的燃气中可燃组分的流量设定值f4设定为所述空气流量设定值f2的0.5～4.0％。

具体实施时，所述氧化态载氧体的还原反应过程的反应温度优选为300～800℃，所述还原态载氧体的氧化再生过程的反应温度优选为300～800℃。本实施例控制反应温度在1000℃以下，反应产物中不会生成nox，因此，可实现nox的零排放。

实施例2

图3是本发明实施例2的燃气锅炉系统的结构示意图。参见图3，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括：

所述烟气管道9上设置有烟气换热器20和气水分离器23。

所述烟气换热器20上连接有第二热媒导入管道21和第二热媒导出管道22；所述气水分离器23上设有冷凝水排出管道24，以将冷凝水排出。

所述第一热媒和第二热媒可以是同一种热媒，也可以是不同种类的热媒。

另一方面，本实施例还提供了一种燃气锅炉系统的运行方法，参见图3，与实施例1的区别在于，本实施例的运行方法还包括：

烟气换热器中产生的冷凝水通过冷凝水排出管道24排出。

具体实施时，所述第一热媒和第二热媒包括水、导热油、饱和蒸汽、过热蒸汽、空气以及各种工艺气体等，从而形成燃气热水锅炉系统、燃气导热油炉系统、燃气饱和蒸汽锅炉系统、燃气过热蒸汽加热系统以及燃气热风炉系统等。

实施例3

图4是本发明实施例3的燃气锅炉系统的结构示意图。参见图4，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括：

所述化学链燃烧反应室14的载氧体充填床3的下方充填有蓄热体32，用于强化烟气与第一热媒的换热，以对烟气进行热回收。本实施例的蓄热体为蜂窝陶瓷。

所述管壳式化学链燃烧反应器的下封头34可以用作气水分离器，进一步减少了系统的外部管道，提高了系统的集成度，因而使得系统极其简单可靠且造价低；所述下封头34上设有冷凝水排出管道24，以将冷凝水排出。

所述燃气管道6和空气管道8上分别设置有单向阀或者电磁阀12、13，以防止燃气和空气混合。

本实施例还提供了一种燃气锅炉系统的运行方法，参见图4，与实施例1的区别在于，本实施例的运行方法还包括：

在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中产生的烟气与第二热媒进行换热，以对该烟气进行热回收；

在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中，通过在燃气管道6和空气管道8上分别安装单向阀或者电磁阀12、13，以防止燃气和空气混合；

在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中产生的水通过冷凝水排出管道24排出。

实施例4

图5是本发明实施例4的燃气锅炉系统的结构示意图。参见图4，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例还包括：

所述管壳式化学链燃烧反应器1的下方连接有管壳式烟气换热器30，所述管壳式烟气换热器30包括第二管程31和第二壳程33，所述第二管程31与所述化学链燃烧反应室14相通，第二壳程33为第二热媒室35，连接有第二热媒导入管道21和第二热媒导出管道22，所述管壳式烟气换热器30的下封头34可以用作气水分离器，进一步减少了系统的外部管道，提高了系统的集成度，因而使得系统极其简单可靠且造价低；所述下封头34上设有冷凝水排出管道24，以将冷凝水排出。较佳的，所述第一壳程和第二壳程分别设有热媒的挡液板，以强化热媒的换热能力。

所述管壳式烟气换热器30的第二管程31充填有蓄热体32，以强化烟气的热回收，最大限度提高能源的利用率。

所述的烟气管道9上设置有燃料成分浓度传感器40，以用来检测烟气管道中的燃料成分浓度，当该燃料成分浓度高于燃料成分浓度设定值时，采取从下一个还原反应过程开始小幅调低还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值的方法，以保证在燃气锅炉系统的整个使用寿命周期中燃气得到完全的燃烧。

具体实施时，所述燃料成分浓度传感器根据燃气种类的不同，可以是ch4浓度传感器、co浓度传感器或者是h2浓度传感器。

所述燃气管道6和空气管道8上分别设置有单向阀或者电磁阀12、13，以防止燃气和空气的混合。

本实施例还提供了一种燃气锅炉系统的运行方法，参见图5，与实施例1的区别在于，本实施例的运行方法的步骤s1-s2分别为：

s1.还原反应过程：所述化学链燃烧反应室14中，经燃气管道6通入的燃气与氧化态载氧体反应生成还原反应产物气体，所述还原反应产物气体经所述烟气管道9排出，同时氧化态载氧体被还原为还原态载氧体；所述第一热媒室15中，经第一热媒导入管道10和第二热媒导入管道21通入的热媒吸收所述还原反应的反应热，然后经第一热媒导出管道11和第二热媒导出管道22排出；所述还原反应过程进行的时间设定为t1，燃气中可燃组分的流量设定为f1；

s2.氧化再生反应过程：所述化学链燃烧反应室14中，经空气管道8通入的空气中的氧气与还原态载氧体反应，还原态载氧体被氧化再生为氧化态载氧体，氧化反应产物气体经烟气管道9排出；所述第一热媒室15中，经第一热媒导入管道10和第二热媒导入管道21通入的热媒吸收所述氧化再生反应的反应热，然后经第一热媒导出管道11和第二热媒导出管道22排出；所述氧化再生反应过程的时间设定为t2，空气流量设定为f2；将所述氧化再生反应过程的时间设定值t2控制在所述还原反应过程的时间设定值t1的1.0倍以上，将空气流量设定值f2控制在所述燃气中可燃组分的流量设定值f1的9.5倍以下，以减少氧化再生反应过程的反应放热功率从而使氧化再生反应过程的反应放热功率接近于还原反应过程的反应放热功率。

具体实施时，可将所述氧化再生反应过程的时间设定值t2控制在所述还原过程的时间设定值t1的1.1～4.0倍，将所述氧化再生反应过程的空气流量设定值f2控制在所述还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1的2.1～6.0倍，从而使氧化再生反应过程的反应放热功率接近于还原反应过程的反应放热功率。较佳的，当载氧体为铜基载氧体而燃气为天然气时，可将t2控制在t1的3.1倍左右，而将f2控制在f1的3.1倍左右。优选的，所述还原反应过程的时间设定值t1设定为5～30分钟。

具体实施时，进行还原反应过程时，在通入流量f1的燃气的同时，通入流量f3的空气，使载氧体充填床3的入口温度始终保持在发生还原态载氧体氧化再生反应所需的最低温度以上；进行氧化再生反应过程时，在通入流量f2的空气的同时，通入流量f4的燃气，使载氧体充填床3的入口温度始终保持在发生氧化态载氧体还原反应所需的最低温度以上。优选的，所述的空气流量设定值f3设定为所述燃气中可燃组分的流量设定值f1的0.5～15.0％；所述的燃气中可燃组分的流量设定值f4设定为所述空气流量设定值f2的0.5～4.0％。

具体实施时，所述氧化态载氧体的还原反应过程的反应温度优选为300～800℃，所述还原态载氧体的氧化再生过程的反应温度优选为300～800℃。本实施例控制反应温度在1000℃以下，反应产物中不会生成nox，因此，可实现nox的零排放。

具体实施时，当烟气管道9上的燃料成分浓度传感器40测得的燃料成分浓度高于燃料成分浓度设定值时，从下一个还原反应过程开始调低还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1。

作为本实施例的优选，所述的燃料成分浓度设定值为体积浓度0.1～2.0％，所述还原反应过程的燃气中可燃组分的流量设定值f1的调低幅度为0.1～1.0％。

具体实施时在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中，通过在燃气管道6和空气管道8上分别安装单向阀或者电磁阀12、13，以防止燃气和空气混合。

具体实施时，在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中产生的水通过冷凝水排出管道24排出。

具体实施时在步骤s1的还原反应过程和步骤s2的氧化再生反应过程中产生的烟气与第二热媒进行换热，以对该烟气进行热回收。

实施例5

图6是本发明实施例5的燃气锅炉系统的结构示意图。参见图5，本实施例与实施例4的区别在于，本实施例还包括：

所述烟气管道9上设有三通阀50及烟气循环管道60，所述烟气循环管道60的一端与空气风机7的吸入口连接，所述烟气循环管道60的另一端与烟气管道9上的三通阀50连接；通过设置三通阀50可实现按反应需要导通相应的管道，易于实现控制。当然，也可在各支路上分别设置阀门。

本实施例还提供了一种燃气锅炉系统的运行方法，参见图6，与实施例4的区别在于，本实施例的运行方法的步骤s1还包括：

为了避免切换时在化学链燃烧反应器的入口处形成有爆炸危险的混合气体，在所述的还原反应过程进行了t1之后，启动所述空气风机7并切换烟气管道9上的三通阀50，使还原反应产物气体经所述烟气循环管道60回流到化学链燃烧反应器的上部，对化学链燃烧反应器上部的燃气进行冲洗，经过燃气冲洗设定时间t3后，再切换所述三通阀50，使流量f2的空气通入化学链燃烧反应器；在所述的氧化再生反应过程进行了t2之后，切换烟气管道9上的三通阀50，使氧化再生反应产物气体经所述烟气循环管道60回流到化学链燃烧反应器上部，对化学链燃烧反应器上部的空气进行冲洗，经过空气冲洗设定时间t4后，再切换所述三通阀50并停止空气风机7，使流量f1的燃气通入化学链燃烧反应器。

作为本实施例的优选，所述燃气冲洗时间t3的设定值为0.1～1.0分钟；所述空气冲洗时间t4的设定值为0.1～0.5分钟。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。