一种循环流化床富氧催化燃烧节能装置

一种循环流化床富氧催化燃烧节能装置

　　技术领域

　　本实用新型属于热能工程技术领域，具体涉及一种循环流化床富氧催化燃烧节能装置。

　　背景技术

　　富氧，已广泛应用于各种燃油、燃气、燃煤窑炉(玻璃、水泥、陶瓷)、各种锅炉、加热炉、焚烧炉、热媒炉、热风炉、冶炼炉、航空发动机、船舶发动机等助燃节能与环保；但迄今为止，在大部分富氧燃烧节能改造实践中，大都采取建设一套独立的氧气系统为炉窑系统提供氧源(典型的，有采用膜分离方法、吸附分离方法、深冷空分方法等直接自空气中制取氧气的方法)，并将该制取的氧源直接或经混合空气形成富氧空气送入炉窑进行富氧燃烧，主要因：

　　(1)提高燃料燃烬率；

　　(2)提高升温速率，改善炉内火焰的热传递效率，提高热量利用率；

　　(3)减少燃料热损失，减少过剩空气系数，提高了热效率；

　　(4)降低燃料燃点温度，获得更宽泛的燃料选择范围；

　　而取得节能效益，但这种方法的投资巨大、氧气设备的建造周期长，设备管理、维护成本高，高纯度富氧还有一定的安全隐患，尤其制氧本身的运行能耗较高，在一定程度上制约着该技术路线的推广应用。

　　实用新型内容

　　本实用新型的目的在于提供一种能耗省、成本低、安全性好的循环流化床富氧催化燃烧节能装置。

　　本实用新型提供的循环流化床富氧催化燃烧节能装置，将富氧燃烧与催化燃烧相结合；采用常温空分技术，直接自空气中制取适中纯度(23～60％)的富氧空气；将催化剂溶解进入水溶液，用于激发单线态氧；以空气或者制取的富氧空气作为气源，将催化剂溶液喷射并雾化后送入管道，与播煤风随燃料流一起进入循环流化床，行富氧催化燃烧。本实用新型可广泛适用循环流化床的节能改造。

　　本实用新型中，优选以常温空分装置，直接自空气中制取23～60％的富氧空气，其压力保持60～300KPa(表压)；更优选的，采用常温空分装置，利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离23～60％的富氧空气，并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，其富氧压力可保持30～200KPa(表压)。

　　本实用新型中，所述催化剂优选采用水溶性金属卟啉类催化剂，激发单线态氧。

　　本实用新型中，所述催化剂优选采用水溶性铈基稀土催化剂，激发单线态氧。

　　本实用新型中，不排除直接使用空气作为气源，但优选采用富氧作为气源，将前述水溶性金属卟啉类催化剂或水溶性铈基稀土催化剂配成的溶液喷射进入循环流化床的播煤风随燃料流直接进入循环流化床进行富氧催化燃烧。

　　本循环流化床富氧催化燃烧节能装置，见图2所示；包括：氧提取装置1，催化剂溶解、搅拌、加压装置2，富氧喷射雾化装置3，循环流化床锅炉4；其中：

　　所述氧提取装置1，可以是膜分离方法的制氧装置、吸附分离方法的制氧装置、深冷空分方法的制氧装置等等，主要以制取助燃所需氧气为目的，制取后的氧气可以混合为富氧空气(未示出)，优选采用可直接制取23～60％纯度的富氧空气的制氧装置，供氧压力优选60～300KPa(表压)，满足略大于燃料流的供气压力即可；更优选的，采用常温空分方法利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离出23～60％的富氧空气，并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，而其制取的富氧其压力可保持30～200KPa(表压)；

　　所述催化剂溶解、搅拌、加压装置2，至少包括：带有溶解水溶性催化剂的储存装置、有助于溶解的搅拌装置以及将催化剂溶液加压至60～300KPa(表压)的增压泵；其中，通常溶液加压满足略大于燃料流的供气压力即可；

　　所述富氧喷射雾化装置3，以富氧为气源将来自催化剂溶解、搅拌、加压装置送入的催化剂水溶液喷射并雾化后进入循环流化床播煤风随燃料流进入，雾化方式可以是机械雾化、压力雾化或者超声波雾化。

　　具体流程为：

　　由氧提取装置(1)制取富氧，其氧浓度大约为23～99.5％纯度的富氧，或经混合空气后达23～60％纯度的富氧(混合部分未示出)，优选采用可直接制取23～60％纯度的富氧空气的制氧装置，供氧压力优选60～300KPa(表压)，满足略大于燃料流的供气压力即可；更优选的，采用常温空分方法利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离23～60％的富氧空气并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，而其制取的富氧其压力可保持30～200KPa(表压)，可大幅降低制氧的能源消耗；催化剂溶解、搅拌、加压装置(2)将水溶性催化剂溶解成水溶液并加压至60～300KPa(表压)；由氧提取装置(1)制取的富氧将来自催化剂溶解、搅拌、加压装置(2)的催化剂水溶液在富氧喷射雾化装置(3)中喷射雾化，经接入点D与播煤风混合，随燃料流经接入点G送至循环流化床(4)进行富氧催化燃烧，而一部分助燃风也叫一次风(空气)经接入点F送至循环流化床(4)，满足床内悬浮流化态及助燃使用，另外一部分助燃风也叫二次风(空气)经预热并经接入点H送至循环流化床(4)，满足床内助燃使用；优选的，这部分助燃空气可采用常温空分方法利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离23～60％的富氧空气并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，而其制取的富氧其压力可保持30～200KPa(表压)经接入点H送至循环流化床(4)，满足床内进行富氧燃烧，可大幅降低制氧的能源消耗。

　　如附图3、附图4，是以空气为氧化剂来源的循环流化床燃烧工艺流程图(对比例)，其中，主要助燃风分一次风、二次风以满足燃烧需求，一次风(空气)经F接入点送至循环流化床(4)满足床内悬浮流化态及助燃使用，二次风(空气)经预热并经H接入点送至循环流化床(4)满足床内助燃使用。

　　如附图5、附图6，是仅以富氧为氧化剂来源的循环流化床燃烧工艺流程图(对比例)，其中，主要助燃风分一次风、二次风以满足燃烧需求，其中一次风(空气)经F接入点送至循环流化床(4)满足床内悬浮流化态及助燃使用，二次风(富氧)来自氧提取装置制取的富氧，优选采用可直接制取23～60％纯度的富氧空气的制氧装置，供氧压力优选60～300KPa(表压)，满足略大于燃料流的供气压力即可；更优选的，采用常温空分方法利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离23～60％的富氧空气并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，而其制取的富氧其压力可保持30～200KPa(表压)，可大幅降低制氧的能源消耗；该富氧通常与空气混合后并经预热经H接入点送至循环流化床(4)满足床内助燃使用。

　　参照上述，本专业的技术人员会了解，与传统的采用空气或仅采用富氧作为氧化剂来源的燃烧组织不同，本实用新型的方法不仅采用了富氧作为氧化剂来源，而且采用催化剂以增加激发单线态氧的数量，进行助燃。本实用新型中，富氧经催化后可形成更高的单线态氧基数，单线态氧因具有更高的活性可直接参加与燃料的氧化反应，从某种意义上说降低了反应活化能，或者说少消耗了反应放热，间接提升了燃料热能输出，因而节能。

　　实际上，煤、天然气、油、石油焦等等燃料的燃烧过程本质上都属于氧化反应体系。锅炉、窑炉大都采用空气作为该等氧化反应的氧气来源，氧化反应进行时，“氧分子”并不能直接与燃料进行化学反应，而是需要吸收足够的能量，将其化学键断裂变成“单线态氧(氧原子)”之后才能直接参与燃烧化学反应：以碳为例，1mol的碳与氧反应生成1mol的二氧化碳放出390多千焦的热能，但是断裂氧的化学键所需的能量，也即形成“单线态氧(第一激发态、第二激发态)”所需的能量大约250多千焦，该能量来源于燃烧这种放热反应产生的热能(对于一个吸热反应体系来说，这部分能量只能来源来自于外温、外压)，也即该激发过程需要“内耗”掉了将近63％的热能，显然，少消耗这部分能量就是节能。

　　富氧催化燃烧技术是“师法自然、师法人体”的技术进步，人，其实是个非常神奇的动物，人体就是一个“非常高效的低温炉”，因体内血液中含有可直接将“氧分子”断裂化学键激发单线态氧的卟啉类催化剂，她可以在常温下(37℃)将人呼吸进去的氧激发为单线态氧，与人吃进去的食物转化为的氨基酸等碳氢化合物，可直接在常温下(37℃)即完成燃烧化学反应，并转化放出能量(热能等，维持人体体温)，生成二氧化碳与水呼吸排出体外。

　　本实用新型的富氧催化燃烧技术正是基于可将氧分子激发为“单线态氧(氧原子)”的催化剂来实现节能目的，其核心技术原理即通过催化剂降低参与燃烧化学反应的氧气分子断裂化学键形成“单线态氧(氧原子)”所需的化学键能，将氧分子直接激发为单线态氧，从而降低了反应活化能，少消耗了反应放热，间接提升了燃料热能输出。

　　因此，本实用新型的富氧催化燃烧方案，与传统上的富氧燃烧不同，其目的绝对不是简单的将燃料烧的更干净、更彻底(实际测试表明，热效率93％的烧天然气的锅炉，一氧化碳排放几乎为0，不完全燃烧损失已经很低了，采用富氧催化燃烧仍然可节约15％的天然气)，也不是因为减少了烟气量带走的那点热损失那么简单，那些都是燃烧组织层面的“副产品”，不是本质，富氧催化燃烧技术的本质是向“氧”要能量，而不是向“碳、甲烷、油”等燃料要能量。更为关键的是，采用富氧结合催化的富氧催化助燃方法，将大幅降低氧源的流量、纯度要求，大幅降低氧气设备的投资及其运行维护保养费用，尤其是制氧设备的能源消耗。

　　因此，实际上，富氧，臭氧，催化剂，都可以应用于燃烧化学反应的节能，其中，富氧可以提升激发单线态氧的几率，臭氧自带一个单线态氧，催化剂就更厉害了，甚至可以在低温下直接激发单线态氧，从而降低活化能，少消耗反应放热，间接提升燃料热能输出，如科技开发的催化剂目前可以达到的活性，经测试表明，可以“拿回来这部分能量“将近20％，可应用到各种燃烧化学反应体系内，提升燃料的热能输出，或者说降低“氧分子”断裂化学键成为“单线态氧(氧原子)”所需的活化能而间接提升热能输出”。

　　而且，与传统的仅采用富氧作为氧化剂来源的燃烧组织方式不同，如果仅采用富氧助燃达成较高的节能目标，需要很大的富氧流量，按氧化反应化学当量配比要求，较大的富氧流量将直接影响循环流化床的流场分布，影响其悬浮流态化的燃烧组织过程，最终难以实现较高的节能目标。

　　综上，当以富氧空气、甚至纯氧尤其结合催化剂作为氧化剂、氧化剂激发技术来源实施燃烧组织时，因富氧、纯氧尤其催化环境较大的改变了燃料的燃烧特性，除燃料更容易燃烬，可以减少过剩空气系数降低排烟热损失之外，更重要的是可以降低燃烧化学反应所需的活化能，并提高燃料热能的转化、传递效率，因此，本实用新型的方法不同于传统上大都基于以空气或富氧作为单一氧化剂来源的燃烧组织，富氧催化燃烧作为一种基于富氧、或经催化激活后的高能富氧作为氧化剂来源的全新的燃烧组织，可在并不改变客户工艺温度、操作习惯(温度高了即减少燃料或助燃风)的条件下即可实现节能或增产等工艺目的，也正是因为富氧催化燃烧技术的本质是向“氧”要能量，而不是向“碳、甲烷、油”等燃料要能量。具有显著的技术优势：

　　(1)对燃烧过程没有负面影响，而往往有正面提升

　　采用富氧催化燃烧技术，仅仅等同于用了更好的煤、更好的油而已，温度高了，调整燃料加入量或者增加产量即可，用户原来的工艺甚至操作习惯都无需改变，也不会对燃烧过程有其它的负面影响，而往往因为可调高温度，具有更宽泛的操作空间，能给制品等带来正面的提升；

　　(2)可烧劣质燃料

　　采用富氧催化燃烧技术，可采用劣质煤等低品质燃料达到同样高品质的燃烧组织；

　　(3)技改简单，无需改变用户工艺设备

　　技改设备简单，富氧，优选基于如科技开发的模块化、标准化膜分离设备提供氧气源，其富氧纯度适中，23～60％，可直接应用于富氧催化燃烧组织，另外，还可利用用户现场提供的压缩空气源直接制氧以进一步降低制氧所需的电耗；

　　富氧与催化剂，都可随着播煤风燃料流(煤、天然气、油等)以管道直接加入，无需更换用户的燃烧器或者改造锅炉；

　　(4)可通过改变催化剂用量来调整节能效果

　　可通过改变富氧与催化剂用量，简单的调整节能效果；

　　(5)工艺设备简单，可靠

　　优选如科技开发的模块化、标准化膜分离设备，具有极高的可靠性，尤其直接利用用户压缩设备来制取氧气，因其余部分没有动力设备，可实现免维护；

　　(6)没有任何安全隐患

　　优选如科技开发的卟啉类与稀土类催化剂，本身无毒无害，不含重金属离子；模块化、标准化膜分离设备是常温空分设备，形同“过滤器”，直接将空气中的氧气“过滤”出来，没有任何安全隐患。

　　同时，采用富氧催化燃烧技术，可取得如下可期待的经济效益：

　　(1)直接节能；

　　根据不同的燃烧体系，节能量不等：天然气锅炉，可节约5～15％的天然气；燃煤锅炉，可节约2.5～10％的燃煤；

　　(2)增加蒸汽或发电量；

　　(3)通过烧劣质煤来实现更高的经济效益；

　　(4)投资回收期短，一般不超过1～2年。

　　附图说明

　　图1为本实用新型循环流化床富氧催化燃烧方法流程图示。

　　图2为本实用新型循环流化床富氧催化燃烧装置结构图示。

　　图3为以空气为氧化剂来源的循环流化床燃烧工艺流程图示(对比例1)。

　　图4为以空气为氧化剂来源的循环流化床燃烧工艺流程图示(对比例2)。

　　图5为以富氧为氧化剂来源的循环流化床燃烧工艺流程图示(对比例3)。

　　图6为以富氧为氧化剂来源的循环流化床燃烧工艺流程图示(对比例4)。

　　图中标号：1为氧提取装置，2为催化剂溶解、搅拌、加压装置，3为富氧喷射雾化装置，4为循环流化床锅炉。

　　具体实施方式

　　如附图1所示，一个完整的富氧催化燃烧系统示意图，它至少包括：

　　至少一套氧气提取装置，作为富氧催化燃烧工艺的氧气源，采用可直接制取23～60％纯度的富氧空气的制氧装置，供氧压力优选60～300KPa(表压)，满足略大于燃料流的供气压力，更优选的，采用常温空分方法利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离23～60％的富氧空气并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，而其制取的富氧其压力可保持30～200KPa(表压)，可大幅降低制氧的能源消耗。

　　至少一套催化剂溶解、搅拌、加压装置，可将带有溶解水溶性催化剂的储存装置、有助于溶解的搅拌装置以及将催化剂溶液加压至60～300KPa(表压)的增压泵，满足略大于燃料流的供气压力。

　　至少一套富氧喷射雾化装置，可以前述氧气提取装置制取的富氧为气源，将来自催化剂溶解、搅拌、加压装置送入的催化剂水溶液，喷射并雾化后进入炉窑的燃料流，雾化过程可以是机械雾化、压力雾化或者超声波雾化。

　　至少一套管道系统，将氧提取装置制取的富氧送入富氧喷射雾化装置的A入口，以及通过催化剂溶解、搅拌、加压装置将水溶性催化剂送入富氧喷射雾化装置的B入口，并将雾化后的富氧与催化剂自富氧喷射雾化装置的C出口送出，并将该富氧与催化剂与循环流化床的播煤风燃料流在D接入口混合后进入循环流化床接入点G，优选但非必要还可自H接口引入富氧进行富氧助燃，优选的，这部分助燃所需的富氧空气可优选采用常温空分方法利用原工厂压缩空气经过膜分离器分离23～60％的富氧空气并将废气(主要是氮气，差压仅0.6bar，并不影响原使用用途)送回原压缩空气管网，而其制取的富氧其压力可保持30～200KPa(表压)经H接入点送至循环流化床(4)满足床内进行富氧燃烧，可大幅降低制氧的能源消耗。

　　如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以使的系统动力设备能够运行，控制阀门能够按照要求进行切换等。

　　实施例1

　　一个天消耗燃煤约419T的循环流化床锅炉，年运行360天，每天24小时工作，煤的热值为4660kcal/kg，实物煤价600元/T，工厂电费0.60元，正常平均负荷80％，小时产蒸汽104吨，单位蒸汽标煤耗大约111.7kg/T，小时燃煤量约17.45T/h，当采用如膜分离器(上海偲达弗材料科技有限公司生产，可市售取得)以膜法制氧作为氧气源为该锅炉进行局部富氧燃烧时，大约需要10000m3/h、30％的富氧，其功率消耗大约需要680KW，设备投资大约需要900万元，设备维护管理费用如下表,可取得～5％左右的节煤效果，大约需要11年才能回收投资，主要经济性测算如下表1：

　　表1

　　

　　当采用本实用新型以富氧催化燃烧工艺为该锅炉进行富氧催化燃烧时，氧提取装置采用如科技的模块化分离器(上海穗杉实业股份有限公司生产，可市售取得)以膜法制氧作为氧气源为该锅炉进行富氧催化燃烧，大约需要30～50％的氧气400m3/h，催化剂加液系统一套，每天消耗催化剂(上海偲达弗材料科技有限公司生产，可市售取得)24kg，催化剂价格240元/kg，设备功率总消耗大约需要35KW，设备总投资大约需要500万元，可取得6％左右的节煤效果，设备维护管理费用也更低，大约仅需要2年即可回收投资，主要经济性测算如下表2：

　　表2

　　。

　　进一步的，当采用本实用新型以富氧催化燃烧工艺为该锅炉进行富氧催化燃烧时，以该工厂提供的压缩空气采用如膜分离器(上海偲达弗材料科技有限公司生产，可市售取得)以膜法制氧将该压缩空气中的氧气提取出来，并将其废气(主要是氮气，压损仅0.6bar，并不影响其使用)送回原压缩空气管道供清灰清堵使用，折算压缩空气功率消耗320KW，大约可以提取8000m3/h、30％的富氧作为氧气源为该锅炉播煤风进行富氧催化燃烧，以及对二次风进行富氧化对循环流化床锅炉进行富氧燃烧，同样配套催化剂加液系统一套，每天消耗催化剂(上海偲达弗材料科技有限公司生产，可市售取得)24kg，催化剂价格240元/kg，设备总投资大约需要860万元，可取得8％左右的节煤效果，设备维护管理费用也更低，大约仅需要3年内即可回收投资，主要经济性测算如下表3：

　　表3

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　　显然，采用富氧催化燃烧工艺可大幅降低运行费用，降低设备投资，取得更好的经济效益。

　　上面所描述的实施方法仅阐述本实用新型的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本实用新型结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本实用新型的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本专利阐述的实质的其它变化也属于本实用新型的范畴，本实用新型的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。