燃气锅炉绝氮燃烧及CO2捕集与利用系统的制作方法

燃气锅炉绝氮燃烧及co2捕集与利用系统
技术领域
1.本实用新型涉及燃烧技术领域，具体涉及一种燃气锅炉绝氮燃烧及co2捕集与利用系统。


背景技术：

2.随着全球气候变暖触及生态安全、水资源安全和粮食安全等各个方面，加剧了极端气候灾害发生的风险，严重威胁人类的生存环境。而温室气体排放是引起全球气候变暖的最主要因素，其中co2产生的温室效应占所有温室气体的70％以上，因此co2的减排是一个亟待解决的问题，对于控制温室效应、减缓全球变暖至关重要。
3.目前燃气锅炉多是采用空气助燃，空气中只有21％的氧气参与燃烧，78％的氮气不仅不参与燃烧，大量氮气被无谓地加热，在高温下排入大气，造成大量的热量损失，造成燃料消耗高；同时氮气在高温下还与氧气反应生成no
x
，no
x
气体排入大气层极易形成酸雨造成环境污染。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种燃气锅炉绝氮燃烧及co2捕集与利用系统，以解决现有技术的不足。
5.本实用新型采用以下技术方案：
6.一种燃气锅炉绝氮燃烧及co2捕集与利用系统，包括：
7.天然气供应装置，用于供应天然气；
8.水电解制氢装置，用于制备氢气和氧气；
9.氧气制备装置，用于制备氧气和氮气；
10.氮气压缩机，用于将氧气制备装置制备的氮气加压输送给下游氮气利用装置；
11.碳基绝氮气体混合器，用于将水电解制氢装置制备的氧气、氧气制备装置制备的氧气和鼓风机输送的循环烟气混合，制得碳基绝氮气体；
12.气体换热器，用于将天然气供应装置供应的天然气、水电解制氢装置制备的氢气、碳基绝氮气体混合器提供的碳基绝氮气体和循环烟气换热，以回收循环烟气的余热来加热天然气、氢气和碳基绝氮气体；
13.燃气锅炉；
14.烟囱，用于非正常工况下或烟气量过大时，燃气锅炉烟气放空；
15.烟气脱水装置，用于将余热回收后的循环烟气脱水；
16.鼓风机，用于将部分余热回收、脱水后的循环烟气加压输送至碳基绝氮气体混合器；
17.co2回收装置，用于将部分余热回收、脱水后的循环烟气净化脱氧，制得co2产品；
18.co2压缩机，用于将co2回收装置得到的co2产品加压输送给下游co2利用装置；
19.燃气锅炉循环烟气出口和气体换热器连接，气体换热器循环烟气出口分别和烟
囱、烟气脱水装置连接，烟气脱水装置分别和鼓风机、co2回收装置连接；鼓风机和碳基绝氮气体混合器连接，鼓风机和碳基绝氮气体混合器连接管道上设有流量调节阀；水电解制氢装置氧气出口、氧气制备装置氧气出口和碳基绝氮气体混合器连接，水电解制氢装置氧气出口、氧气制备装置氧气出口和碳基绝氮气体混合器的连接管道上设有流量调节阀；碳基绝氮气体混合器和气体换热器连接，碳基绝氮气体混合器和气体换热器连接管道上设有流量检测仪、温度检测仪、压力检测仪、氧气纯度检测仪和流量调节阀，气体换热器碳基绝氮气体出口和燃气锅炉连接；水电解制氢装置氢气出口、天然气供应装置天然气出口和气体换热器连接，气体换热器氢气/天然气出口和燃气锅炉连接；
20.co2回收装置co2出口和co2压缩机连接，co2压缩机连至下游co2利用装置，烟气脱水装置水出口和氧气制备装置连接；氧气制备装置氮气出口和氮气压缩机连接，氮气压缩机连至下游氮气利用装置。
21.进一步地，所述碳基绝氮气体混合器包括外筒，外筒一端设有氧气进气管和循环烟气进气管，另一端设有碳基绝氮气体出气管；外筒内近氧气进气管和循环烟气进气管端设有气体分布器，气体分布器为圆形板，圆形板上均匀设有若干小孔；外筒内近碳基绝氮气体出气管端设有气体收集器，气体收集器为中空圆台形，中空圆台形大圆端为圆形板，圆形板上均匀设有若干小孔，中空圆台形小圆端开口并和碳基绝氮气体出气管连通；外筒内气体分布器和气体收集器之间间隔分布若干横向翅片和竖向翅片。
22.更进一步地，所述碳基绝氮气体混合器材质为不锈钢材质。
23.进一步地，鼓风机为变频鼓风机。
24.进一步地，水电解制氢装置、氧气制备装置和外部的绿电装置连接。
25.进一步地，氧气制备装置氮气出口还连至鼓风机入口。
26.进一步地，原有空气助燃风机连至气体换热器。
27.本实用新型的有益效果：
28.1、本实用新型利用富co2(95v％以上，除去水分)循环烟气和氧气制备装置制备的氧气、水电解制氢装置制备的氧气配成适合燃气锅炉所需氧气浓度的碳基绝氮气体，作为燃气锅炉的助燃气，同时利用天然气和水电解制氢装置制备的氢气为燃气，燃气锅炉燃烧的高温区域由co2替代了氮气，规避了燃烧过程中热力型氮氧化物的生成，实现氮氧化物超低排放，且大幅提升了燃气锅炉内辐射力度，达到节能降耗的显著效果；同时可根据原料变化及炉温变化调整进入燃气锅炉的碳基绝氮气体中氧气含量，有效增强燃烧效果，反应更加完全，提升产量，降低能耗。此外，因为提高了循环烟气co2的浓度(95v％以上，除去水分)，使co2捕集更加容易，为低成本ccus(碳捕捉、碳利用、碳储存)创造有利条件，捕集的co2可用于油田开采与封存、钢渣矿化、混凝土矿化、赤泥固化、化工(主要包括生产甲醇、尿素、碳酸酯、一氧化碳等产品)、食品co2储存保鲜等领域，实现了co2全回收，减少co2的排放，降低温室效应。本实用新型在增产、节能和减排方面具有优良性能，可以降低吨蒸汽天然气单耗10％以上、提高产量10％以上、降低烟气排放量、实现no
x
超低排放。
29.2、本实用新型利用可再生能源生产的绿电给水电解制氢装置供电采用水电解工艺制取氧气和氢气，用于燃气锅炉的助燃和燃烧，还利用可再生能源生产的绿电给氧气制备装置供电采用深冷法制取氧气和氮气，进一步降低了碳排放，降低温室效应，达到近零碳排放的效果。
30.3、本实用新型利用水电解制氢装置制备的氢气和天然气为燃气，将氢气用于燃气锅炉燃烧，增加了燃烧过程产生的水分，通过降温冷凝并循环利用，节约了水资源，更环保。
31.4、本实用新型碳基绝氮气体混合器在外筒内一近端部设有气体分布器，另一端部设有气体收集器，气体分布器和气体收集器之间间隔分布若干横向翅片和竖向翅片，氧气和循环烟气从各自进气管进入到外筒内，在气体分布器前初步混合后，穿过气体分布器上均匀分布的小孔，再穿过间隔分布的横向翅片和竖向翅片混合均匀，然后穿过气体收集器均匀分布的小孔并被收集后进入碳基绝氮气体出气管。氧气和循环烟气两步混合，先在气体分布器前初步混合，然后初步混合后的氧气和循环烟气在间隔分布的两种翅片中被不断改变流动方向，使氧气和循环烟气充分混合均匀，加强了混合效果。气体分布器上均匀分布的小孔使初步混合的气体均匀进入，不易偏流，更利于第二步的混合均匀。气体收集器为圆台形，利于混合均匀后的气体的收集，同时气体收集器具有支撑横向翅片和竖向翅片，防止翅片进入碳基绝氮气体出气管的作用。
32.5、本实用新型利用循环烟气余热与燃气(氢气、天燃气)、助燃气(碳基绝氮气体)换热，可提高燃气、助燃气温度30～50℃，提高燃烧效率，降低燃料消耗。
33.6、本实用新型循环烟气经循环富集后co2浓度为95v％以上，由气体换热器余热回收后经过烟气脱水装置脱水，经过冷却、脱水后的循环烟气降低了co2对管道及鼓风机等设备的露点腐蚀。同时配碳基绝氮气体时，在循环烟气中增加了不含水分的氧气，降低了循环烟气的露点，进一步降低了co2对管道及鼓风机等设备的露点腐蚀。
34.7、燃烧环境的优化使得燃气锅炉内温度分布更合理，有效延长燃气锅炉的使用寿命。
35.8、本实用新型绝氮燃烧不仅能使火焰黑度增加，燃烧速度加快，火焰温度升高，烟气中携带的未燃尽物也充分燃尽，排烟黑度降低。燃烧分解和形成的可燃有害气体充分燃烧，减少有害气体的产生。排烟温度和排烟量明显降低，减少热污染。
36.9、本实用新型绝氮燃烧的实施无需改动燃气锅炉本体结构，只对助燃系统、燃烧系统、循环烟气系统做部分优化、改造。同时原来空气助燃风机仍保留，在氧气制备装置、水电解制氢装置出现异常情况时，可无扰动切换至空气助燃，保证燃气锅炉的正常给氧及燃烧。
37.10、本实用新型氧气制备装置副产的氮气可用于下游装置利用，如油田辅助采油、锂电生产、化工(主要包括生产液氨、液化成液氮、置换用气或保护气等)等领域。还可在停工时提供氮气用来置换吹扫鼓风机及前后管路。
附图说明
38.图1为本实用新型结构示意图。
39.图2为碳基绝氮气体混合器结构示意图。
40.图3为碳基绝氮气体混合器中气体分布器结构示意图(a正面，b侧面)。
41.图4为碳基绝氮气体混合器中气体收集器结构示意图(a正面，b侧面)。
具体实施方式
42.下面结合实施例和附图对本实用新型做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明
本实用新型，但并不用来限定本实用新型的实施范围。
43.一种燃气锅炉绝氮燃烧及co2捕集与利用系统，如图1所示，包括天然气供应装置12、水电解制氢装置1、氧气制备装置2、氮气压缩机10、碳基绝氮气体混合器5、气体换热器6、燃气锅炉7、烟囱11、烟气脱水装置8、鼓风机4、co2回收装置3和co2压缩机9。
44.天然气供应装置12，用于供应天然气。
45.水电解制氢装置1，其为本领域常规的水电解制氢装置1，利用水电解工艺制备氢气和氧气，氢气纯度99.9v％以上，氧气纯度99.2v％以上，氧气中无游离水。水电解制氢装置1电力优选利用外部的绿电装置生产的绿电，所述绿电装置是采用风力、太阳能、生物质或地热等可再生能源发电，所得电为绿电。水电解制氢装置1制备的氢气被气体换热器6加热后送入燃气锅炉7和天然气一起作为燃气，通常根据绿电的量确定氢气占总燃气量的比例，一般在10％～20％。水电解制氢装置1制备的氧气和氧气制备装置2制备的氧气一起作为氧源送入碳基绝氮气体混合器5，通常也是根据绿电的量确定水电解制氢装置1制备的氧气占总氧气量的比例，一般在10％～20％。
46.氧气制备装置2，采用深冷法制氧，先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同在精馏塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸汽之中，使上升的蒸汽中含氮量不断的提高，而下流液体中氧含量越来越高，从而使氧、氮分离获得纯度为99.6v％以上、压力为0.05～0.2mpa的氧气，氧气中无游离水，同时获得副产物纯度为99.9v％以上的氮气。氧气制备装置2电力也优选利用外部的绿电装置生产的绿电。
47.氮气压缩机10，用于将氧气制备装置2制备的氮气加压输送给下游氮气利用装置。
48.碳基绝氮气体混合器5，用于将水电解制氢装置1制备的氧气、氧气制备装置2制备的氧气和鼓风机4输送的循环烟气混合，制得碳基绝氮气体。如图2至图4所示，所述碳基绝氮气体混合器5包括外筒504，外筒504一端设有氧气进气管501和循环烟气进气管502，另一端设有碳基绝氮气体出气管508；外筒504内近氧气进气管501和循环烟气进气管502端设有气体分布器503，气体分布器503为圆形板，圆形板上均匀设有若干小孔5031；外筒504内近碳基绝氮气体出气管508端设有气体收集器507，气体收集器507为中空圆台形，中空圆台形大圆端为圆形板，圆形板上均匀设有若干小孔5071，中空圆台形小圆端开口并和碳基绝氮气体出气管508连通；外筒504内气体分布器503和气体收集器507之间间隔分布若干横向翅片506和竖向翅片505。所述碳基绝氮气体混合器5材质优选为不锈钢材质。氧气从氧气进气管501进入外筒504内，循环烟气从循环烟气进气管502进入外筒504内，氧气和循环烟气先在气体分布器503前初步混合后，穿过气体分布器503上均匀分布的小孔5031，再穿过间隔分布的横向翅片506和竖向翅片505，氧气和循环烟气在间隔分布的两种翅片506、505中被不断改变流动方向，使氧气和循环烟气充分混合均匀，然后穿过气体收集器507均匀分布的小孔并被收集后进入碳基绝氮气体出气管508，最后被送出碳基绝氮气体混合器5。
49.气体换热器6，用于将天然气供应装置12供应的天然气、水电解制氢装置1制备的氢气、碳基绝氮气体混合器5提供的碳基绝氮气体和循环烟气换热，以回收循环烟气的余热来加热天然气、氢气和碳基绝氮气体。
50.燃气锅炉7。
51.烟囱11，用于非正常工况下或烟气量过大时，燃气锅炉7烟气放空。
52.烟气脱水装置8，用于将余热回收后的循环烟气脱水即将降温后的循环烟气中饱和水分离。
53.鼓风机4，用于将部分余热回收、脱水后的循环烟气加压输送至碳基绝氮气体混合器5。鼓风机4优选为变频鼓风机。鼓风机4出口设有安全阀及背压阀，当出口压力过高时，循环烟气能及时返回鼓风机4入口处，防止鼓风机4出口压力过高对鼓风机4造成不良影响。
54.co2回收装置3，用于将部分余热回收、脱水后的循环烟气净化脱氧，制得co2产品。其是利用本技术领域常规的脱氧剂进行脱氧，在脱氧的同时也可脱除微量灰尘。下游co2利用部分领域对氧含量敏感的需要净化脱氧，如果对氧含量不敏感可不需要此装置，直接由下述co2压缩机9加压输送给下游co2利用装置。
55.co2压缩机9，用于将co2回收装置3得到的co2产品加压输送给下游co2利用装置。
56.燃气锅炉7循环烟气出口和气体换热器6连接，气体换热器6循环烟气出口分别和烟囱11、烟气脱水装置8连接，烟气脱水装置8分别和鼓风机4、co2回收装置3连接；鼓风机4和碳基绝氮气体混合器5连接，鼓风机4和碳基绝氮气体混合器5连接管道上设有流量调节阀；水电解制氢装置1氧气出口、氧气制备装置2氧气出口和碳基绝氮气体混合器5连接，水电解制氢装置1氧气出口、氧气制备装置2氧气出口和碳基绝氮气体混合器5的连接管道上设有流量调节阀；碳基绝氮气体混合器5和气体换热器6连接，碳基绝氮气体混合器5和气体换热器6连接管道上设有流量检测仪、温度检测仪、压力检测仪、氧气纯度检测仪和流量调节阀，气体换热器6碳基绝氮气体出口和燃气锅炉7连接；水电解制氢装置1氢气出口、天然气供应装置12天然气出口和气体换热器6连接，气体换热器6氢气/天然气出口和燃气锅炉7连接。
57.co2回收装置3co2出口和co2压缩机9连接，co2压缩机9连至下游co2利用装置，烟气脱水装置8水出口和氧气制备装置2连接(图1中未示意出)，将烟气脱水装置8分离的饱和水作为氧气制备装置2的循环用水。氧气制备装置2氮气出口分别和氮气压缩机10、鼓风机4入口连接，氮气压缩机10连至下游氮气利用装置，氧气制备装置2氮气出口和鼓风机4入口连接，在停工时可提供氮气用来置换吹扫鼓风机4及前后管路。原有空气助燃风机(图1中未示意出)连至气体换热器6，在烟气量不足时补充气量，或者在碳基绝氮气体助燃出现异常情况下，可无扰动切换至空气助燃，保证燃气锅炉7的正常给氧及燃烧。
58.利用上述系统进行燃气锅炉绝氮燃烧及co2捕集与利用，包括如下步骤：
59.1)、在初始阶段燃气锅炉7利用空气助燃，待烟气产生后，利用循环烟气和氧气混合制取的碳基绝氮气体作为助燃剂，逐步替代空气助燃，经过5～10小时的循环，碳基绝氮气体完全替代空气助燃，碳基绝氮气体助燃进入正常运行状态；循环烟气中co2浓度也逐步富集到95v％以上(除去水分)；
60.2)、循环烟气从燃气锅炉7出来引入气体换热器6和燃气天然气及水电解制氢装置1制备的氢气、助燃气碳基绝氮气体换热，将循环烟气的余热回收；余热回收后的循环烟气引入烟气脱水装置8脱水，通过余热回收、脱水并经循环富集后循环烟气中的co2浓度为95v％以上；余热回收、脱水后的循环烟气部分引入鼓风机4，由鼓风机4加压后引入碳基绝氮气体混合器5；氧气制备装置2制备的氧气(纯度为99.6v％以上、压力为0.05～0.2mpa，无游离水)、水电解制氢装置1制备的氧气(纯度99.2v％以上，无游离水)引入碳基绝氮气体混合器5；循环烟气和氧气于碳基绝氮气体混合器5中混合均匀，得到碳基绝氮气体，循环烟气
通过鼓风机4(鼓风机为变频鼓风机可通过鼓风机自身调节气体流量)或流量调节阀调节流量，氧气通过流量调节阀调节流量，控制碳基绝氮气体中氧气浓度在18～35v％，压力在0.05～0.2mpa；碳基绝氮气体引入气体换热器6被循环烟气的余热加热后提高温度30～50℃送入燃气锅炉7，用于助燃气；天然气及水电解制氢装置1制备的氢气(纯度99.9v％以上)引入气体换热器6被循环烟气的余热加热后提高温度30～50℃送入燃气锅炉7，用于燃气；
61.3)、余热回收、脱水后的循环烟气其余部分引入co2回收装置3净化脱氧，得到co2产品，利用co2压缩机9将co2产品加压输送给下游co2利用装置，下游co2利用包括油田开采与封存、钢渣矿化、混凝土矿化、赤泥固化、化工(主要包括生产甲醇、尿素、碳酸酯、一氧化碳等产品)、食品co2储存保鲜等领域；氧气制备装置2制备的氮气(纯度为99.9v％以上)利用氮气压缩机10加压输送给下游氮气利用装置，下游氮气利用包括油田辅助采油、锂电生产、化工(主要包括生产液氨、液化成液氮、置换用气或保护气等)等领域。