CN113757646B - 一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧*** - Google Patents

一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，包括氧气气瓶、氧气流量计、氧气控制阀、氧气引射文丘里管、天然气气瓶、天然气流量计、天然气控制阀、天然气引射文丘里管、燃烧室、燃气轮机、主流烟气流量计、烟气控制阀、冷却装置、引风机、循环烟气流量调节阀、氧气输送管道组、天然气输送管道组、烟气循环管道组和排烟管道组。氧气供应管路和天然气供应管路向***提供氧气和天然气，送入燃烧室燃烧并在汽轮机做功。在汽轮机做功后产生的烟气，一部分通过排烟管道组；另一部分经过冷却装置后被引风机引回进入***中通过文丘里管引射氧气和天然气并混合，最后送入燃烧室实现高温低氧燃烧。

Description

一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧 ***
技术领域
本发明涉及天然气发电领域，具体涉及一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***。
背景技术
我国环境问题越来越严峻,雾霾已成为公众健康的巨大威胁。研究表明,氮氧化物是导致雾霾的重要原因之一,控制NOx的排放已成为治理雾霾天气的重要举措。在传统天然气***中，往往采用天然气作为主要燃料，但是天然气燃烧后烟气中的主要污染物为NOx,天然气燃烧排放NOx造成污染的情况越来越受到关注。在政策环境和市场环境的背景下,如何降低NOx排放是急需解决的技术问题。
天然气锅炉运行中产生的Nox中，天然气燃烧产生的热力型NOx占总量的95％以上。NOx主要是一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)，其中NO约占95％。有研究指出，通过烟气再循环降低氧气浓度以及降低燃烧区域温度均可以有效降低烟气氮氧化物的浓度。因此，一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***成为本领域研究的重点。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，通过烟气再循环降低***排放的烟气中Nox浓度，提出一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
包括氧气气瓶1、氧气流量计2、氧气流量控制阀3、氧气引射文丘里管4、天然气气瓶5、天然气流量计6、天然气流量控制阀7、天然气引射文丘里管8、燃烧室9、燃气轮机10、排出烟气流量计11、排出烟气流量控制阀12、冷却装置13、引风机14、循环烟气流量调节阀15、氧气输送管道组16、天然气输送管道组17、烟气循环管道组18和排烟管道组19；其中，燃烧室9包括安全阀91、观察孔92和点火器93；氧气输送管道组16包括氧气输送管道a161、氧气输送管道b162和氧气输送管道c163；天然气输送管道组17包括天然气输送管道a171、天然气输送管道b172和天然气输送管道c173；烟气循环管道组18包括烟气循环管道a181、烟气循环管道b182、烟气循环管道c183、烟气循环管道d184、烟气循环管道e185、烟气循环管道f186、192烟气循环管道g187和烟气循环管道h188；排烟管道组19包括排烟管道a191、排烟管道b192和排烟管道c193；在氧气传输管路中，氧气气瓶1、氧气输送管道a161、氧气流量计2、氧气输送管道b162、氧气流量控制阀3和氧气输送管道c163依次相连后接入氧气引射文丘里管4；在天然气传输管路中，天然气气瓶5、天然气输送管道a171、天然气流量计6天然气输送管道b172天然气流量控制阀7和天然气输送管道c173依次相连后接入天然气引射文丘里管8；在烟气燃烧循环总路中，引风机14、循环烟气流量调节阀15、氧气引射文丘里管4、天然气引射文丘里管8、燃烧室9、燃气轮机10、冷却装置13依次连接，冷却装置13连接引风机14；在排出烟气管路中，排烟管道a191、排出烟气流量计11、排烟管道b192、排出烟气流量控制阀12和排烟管道c193顺次连接。
氧气气瓶1通过氧气输送管道a161连接氧气流量计2，氧气流量计2通过氧气输送管道b162连接氧气流量控制阀3，氧气流量控制阀3通过氧气输送管道c163与氧气引射文丘里管4连通。
天然气气瓶5通过天然气输送管道a171连接天然气流量计6，天然气流量计6通过天然气输送管道b172连接天然气流量控制阀7，天然气流量控制阀7通过天然气输送管道c173与天然气引射文丘里管8连通。
引风机14通过烟气循环管道a181连接循环烟气流量调节阀15，循环烟气流量调节阀15通过烟气循环管道b182连接氧气引射文丘里管4，氧气引射文丘里管4通过烟气循环管道c183连接天然气引射文丘里管8，天然气引射文丘里管8通过烟气循环管道d184连接燃烧室9，燃烧室9通过烟气循环管道e185连接燃气轮机10，燃气轮机10出口与烟气循环管道f186的一端相连，而烟气循环管道f186的另外一端分成两条支路，分别为排烟管道a191和烟气循环管道g187：排烟管道a191连通排出烟气流量计11，排出烟气流量计11通过排烟管道b192与排出烟气流量控制阀12连接，排出烟气流量控制阀12与排烟管道c193连通,排烟管道c193另一端连接大气，形成烟气排出的管路；烟气循环管道g187连通冷却装置13并连接烟气循环管道h188，烟气循环管道h188连接引风机14。
所述氧气引射文丘里管4与天然气引射文丘里管8采用同样规格的文丘里管，其主要包含渐缩段41、喉口段42、引射孔43和渐扩段44；渐缩段41为空心圆锥形锥体，外径由180mm渐缩至140mm，内径由160mm渐缩至120mm，长度为180mm；喉口段42为空心圆柱体，内径为120mm，外径为140mm，长度为100mm；渐扩段44为空心圆锥形锥体，外径由140mm渐扩至180mm，内径由120mm渐扩至160mm，长度为180mm；引射孔43设于喉口段42中间位置，内径为60mm，长度为80mm，引射孔43轴线与喉口段42的轴线垂直；渐缩段41、喉口段42和渐扩段44的轴线位于同一直线。
所述燃烧室装有安全阀91、观察孔92和点火器93，安全阀91位于外火焰筒中部；观察孔92位于外火焰筒中部并伸入内火焰筒内，点火器93位于旋流器中部。
所述燃烧***在工作时，在点火及运行初期，为了保证天然气的及时着火，需要停止烟气再循环，首先关闭循环烟气流量调节阀15，之后打开排出烟气流量控制阀12，之后依次打开氧气流量控制阀3和天然气流量控制阀7，氧气流量控制阀3开度和天然气流量控制阀7开度优化组合以保证天然气和氧气适宜的当量比保证及时着火；在正常工作阶段，为了降低NOx排放，通过烟气再循环降低氧气浓度以及降低燃烧区域温度，首先关小排出烟气流量控制阀12阀门开度，然后按照需要部分开启循环烟气流量调节阀15，再根据燃烧室9中的燃烧情况和实际需要调节氧气流量控制阀3和天然气流量控制阀7开度，在正常工作区间，烟气流量控制阀12阀门开度、循环烟气流量调节阀15开度、氧气流量控制阀3开度和天然气流量控制阀7开度优化组合以保证NOx的低排放；在关闭***时，首先关闭天然气流量控制阀7再关闭氧气流量控制阀3，之后增加循环烟气流量调节阀15阀门开度，再关闭排出烟气流量控制阀12，采用烟气吹扫***，过一定时间后打开排出烟气流量控制阀12同时关闭循环烟气流量调节阀15，***停止工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的烟气循环燃烧***的流程示意图
图2为本发明实施例提供的燃烧室的三维图
图3为本发明实施例提供的氧气引射文丘里管的三维图
图4为本发明实施例提供的天然气引射文丘里管的三维图
具体实施方式
如图1所示，本发明一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，包括氧气气瓶1、氧气流量计2、氧气流量控制阀3、氧气引射文丘里管4、天然气气瓶5、天然气流量计6、天然气流量控制阀7、天然气引射文丘里管8、燃烧室9、燃气轮机10、排出烟气流量计11、排出烟气流量控制阀12、冷却装置13、引风机14、循环烟气流量调节阀15、氧气输送管道组16、天然气输送管道组17、烟气循环管道组18和排烟管道组19；其中，燃烧室9包括安全阀91、观察孔92和点火器93；氧气输送管道组16包括氧气输送管道a161、氧气输送管道b162和氧气输送管道c163；天然气输送管道组17包括天然气输送管道a171、天然气输送管道b172和天然气输送管道c173；烟气循环管道组18包括烟气循环管道a181、烟气循环管道b182、烟气循环管道c183、烟气循环管道d184、烟气循环管道e185、烟气循环管道f186、排烟管道a191、烟气循环管道g187和烟气循环管道h188；排烟管道组19包括排烟管道b192和排烟管道193。
整体烟气循环***包括四条主要管路：氧气供应管路、天然气供应管路、烟气燃烧循环总路和烟气排出管路。氧气供应管路包括：氧气气瓶1、氧气流量控制阀2、氧气流量计3、氧气引射文丘里管4和氧气输送管道组16；氧气气瓶1通过氧气输送管道a161连接氧气流量计2，氧气流量计2通过氧气输送管道b162连接氧气流量控制阀3，氧气流量控制阀3通过氧气输送管道c163与氧气引射文丘里管4连通，并接入烟气循环管道组18中，向***中输送氧气。天然气供应管路包括：天然气气瓶5、天然气流量计6、天然气流量控制阀7、天然气引射文丘里管8和天然气输送管道组17；天然气气瓶5、通过天然气输送管道a171连接天然气流量计6，天然气流量计6通过天然气输送管道b172天然气流量控制阀7，天然气流量控制阀7通过和天然气输送管道c173与天然气引射文丘里管8连通，最终接入烟气循环管道组18中，向***中输送天然气。烟气燃烧循环总路包括：燃烧室9、燃气轮机10、、冷却装置13、引风机14、循环烟气流量调节阀15和烟气循环管道组18。引风机14通过烟气循环管道a181连接循环烟气流量调节阀15，循环烟气流量调节阀15通过烟气循环管道b182连接氧气引射文丘里管4，氧气引射文丘里管4通过烟气循环管道c183连接天然气引射文丘里管8，天然气引射文丘里管8通过烟气循环管道d184连接燃烧室9，燃烧室9通过烟气循环管道e185连接燃气轮机10，从燃气轮机10出口连接烟气循环管道f186，烟气循环管道f186分出两条分支管路，分别为排烟管道a191和烟气循环管道g187，其中排烟管道a191连通排出烟气流量计11，通向烟气排出管路，烟气循环管道g187连通冷却装置13，属于烟气燃烧循环总路一部分；冷却装置13通过烟气循环管道h188连接引风机14，构成完整烟气循环。烟气排出管路包括：排出烟气流量计11、排出烟气流量控制阀12和排烟管道组19，通过调节排出烟气流量控制阀12的开度以控制排出烟气的流量，排烟管道b192连通排出烟气流量计11和排出烟气流量控制阀12，排烟管道193连通排出烟气流量控制阀12和外界，实现对烟气的排出。
如图2所示，外火焰筒94的底部与内火焰筒95的侧壁连接，内火焰筒95的侧壁上设有壁面冷却孔97，并通过壁面冷却孔97与外火焰筒94连通，壁面冷却孔为圆形孔，绕壁面呈45度列状分布。内火焰筒95壁面上开有中部冷却孔98，位于壁面冷却孔97的下方，中部冷却孔为圆形孔，绕壁面呈45度分布。下部冷却孔99位于内火焰筒95下部又逐渐缩小的出口段，下部冷却孔为圆形孔，绕壁面呈45度分布。旋流器96位于内火焰筒95的上部，旋流器叶片绕旋流器90度分布。点火器93位于旋流器96下部，观察孔92位于外火焰筒94中部并伸入内火焰筒95内，用以观察气体燃烧情况，安全阀91位于外火焰筒94中部，当燃烧室内部压力升高超过规定值时自动开启，防止发生***。
如图3所示氧气引射文丘里管4包含渐缩段41、喉口段42、渐扩段44和引射孔43。渐缩段41为空心圆锥形锥体，外径由180mm渐缩至140mm，内径由160mm渐缩至120mm，长度为180mm；喉口段42为空心圆柱体，内径为120mm，外径为140mm，长度为100mm；渐扩段44为空心圆锥形锥体，外径由140mm渐扩至180mm，内径由120mm渐扩至160mm，长度为180mm；引射孔43设于喉口段42中间位置，内径为60mm，深度为80mm，引射孔43的轴线与喉口段42的轴线垂直；渐缩段41、喉口段42和渐扩段44的轴线位于同一直线。
如图3所示，当循环气体经过氧气引射文丘里管4的渐缩段41时，流通截面减小，流速增加、压力降低，当循环烟气进入喉口段42时，气体流速增至最高、压强降至最低，回流气体将在喉口段42形成低压区，通过引射孔43引射氧气，当氧气进入氧气引射文丘里后将混入循环烟气，循环烟气将混合氧气进入渐扩段44，混合后的气体速度降低、压力回升，进入管路***中。随后氧气与循环烟气的混合气体进入天然气引射文丘里管8，用同样的方式将天然气引射入天然气引射文丘里管中，与混合气体充分混合后进入到管路***中。
运行该***时，在启动及燃烧初期，在点火及运行初期，首先关闭循环烟气流量调节阀15，之后打开排出烟气流量控制阀12，之后依次打开氧气流量控制阀3和天然气流量控制阀7。此时管路中烟气流量不足，通过氧气气瓶1自身压差向***输氧，氧气流经天然气引射文丘里管8在喉口段82形成低压区，天然气气瓶5中的天然气受压被引射入天然气引射文丘里管8的引射口并混入主流烟气与氧气的混合烟气，随后混合气体沿主气管道从燃烧室入口910经过旋流器96，被点火器93点燃后进入内火焰筒95进行燃烧。此时进入燃烧室的氧气含量较多，比例较高，可以加快燃烧速度，促进燃烧完全，提高燃烧效率；燃烧产生大量气体在做功后最终变成烟气，此时通过将循环烟气流量调节阀15关闭和烟气流量控制阀12打开使该部分烟气全部排出大气。
在正常工作状态下，首先部分打开循环烟气流量调节阀15，之后部分减小排出烟气流量控制阀12开度，使部分烟气进入烟气循环***进行烟气再循环。这样一方面可以加热进入燃烧室的混合气体，一方面降低混合气体中的氧气浓度，可以逐步实现高温低氧燃烧，降低烟气中的氮氧化物浓度。当烟气循环管路中的烟气流量足够大，使送入燃烧室的混合气体中的氧气浓度足够低时，可以增加排出烟气流量控制阀12开度，将燃烧做功产生部分烟气排出，同时减小循环烟气流量调节阀15开度，总体上实现烟气循环管路中的烟气流量和排出烟气流量的动态平衡。在此工作状态下，烟气循环管路中的烟气流经氧气引射文丘里管4在喉口段42形成低压区，氧气气瓶1中的氧气受压被引射入氧气引射文丘里管4的引射口并混入主流烟气；主流烟气与氧气的混合烟气流经天然气引射文丘里管8在喉口段82形成低压区，天然气气瓶5中的天然气受压被引射入天然气引射文丘里管8的引射口并混入主流烟气与氧气的混合烟气，随后混合气体沿主气管道从燃烧室入口910经过旋流器96，被点火器93点燃后进入内火焰筒95进行燃烧，燃烧时可通过观察孔92对燃烧情况进行观察，完全燃烧的气体通过燃烧室出口911流出燃烧室并进入燃气轮机10做功，完成做功的乏气一部分进入排出烟气管路，依次流经排出烟气流量计11与排出烟气流量控制阀12后排入大气；另一部分乏气仍在烟气燃烧循环总路中，流经冷却装置13，被引风机14引回，混入氧气与天然气的混合气体继续参与循环。
在***停机时，首先关闭天然气流量控制阀7再关闭氧气流量控制阀3，之后增加循环烟气流量调节阀15阀门开度，再关闭排出烟气流量控制阀12，目的在于逐步降低烟气排放量，充分消耗管路中的氧气和天然气，同时冲洗管路，过一定时间后打开排出烟气流量控制阀12同时关闭循环烟气流量调节阀15，排出烟气。
综上所述，发明主要利用烟气在文丘里管内产生的低压将氧气与天然气引射，并在充分混合后进入燃烧室进行燃烧，在***运行初期为富氧燃烧状态，后可转为高温低氧燃烧状态，提高燃烧效率，降低烟气氮氧化物浓度；通过文丘里管的引射混合作用控制氧气与天然气的混合比例，可以促进氧气和天然气的充分混合，避免了局部过热同时降低氮氧化物生成。采用烟气预热天然气与氧气不需要额外布置管路和换热设备，提升了***整体的经济性。

Claims (5)

1.一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，其特征在于：包括氧气气瓶(1)、氧气流量计(2)、氧气流量控制阀(3)、氧气引射文丘里管(4)、天然气气瓶(5)、天然气流量计(6)、天然气流量控制阀(7)、天然气引射文丘里管(8)、燃烧室(9)、燃气轮机(10)、排出烟气流量计(11)、排出烟气流量控制阀(12)、冷却装置(13)、引风机(14)、循环烟气流量调节阀(15)、氧气输送管道组(16)、天然气输送管道组(17)、烟气循环管道组(18)和排烟管道组(19)；其中，燃烧室(9)包括安全阀(91)、观察孔(92)和点火器(93)；氧气输送管道组(16)包括氧气输送管道a(161)、氧气输送管道b(162)和氧气输送管道c(163)；天然气输送管道组(17)包括天然气输送管道a(171)、天然气输送管道b(172)和天然气输送管道c(173)；烟气循环管道组(18)包括烟气循环管道a(181)、烟气循环管道b(182)、烟气循环管道c(183)、烟气循环管道d(184)、烟气循环管道e(185)、烟气循环管道f(186)、烟气循环管道g(187)和烟气循环管道h(188)；排烟管道组(19)包括排烟管道a(191)、排烟管道b(192)和排烟管道c(193)；在氧气传输管路中，氧气气瓶(1)、氧气输送管道a(161)、氧气流量计(2)、氧气输送管道b(162)、氧气流量控制阀(3)和氧气输送管道c(163)依次相连后接入氧气引射文丘里管(4)；在天然气传输管路中，天然气气瓶(5)、天然气输送管道a(171)、天然气流量计(6)天然气输送管道b(172)天然气流量控制阀(7)和天然气输送管道c(173)依次相连后接入天然气引射文丘里管(8)；在烟气燃烧循环总路中，引风机(14)、循环烟气流量调节阀(15)、氧气引射文丘里管(4)、天然气引射文丘里管(8)、燃烧室(9)、燃气轮机(10)、冷却装置(13)依次连接，冷却装置(13)连接引风机(14)；在排出烟气管路中，排烟管道a(191)、排出烟气流量计(11)、排烟管道b(192)、排出烟气流量控制阀(12)和排烟管道c(193)顺次连接。
2.根据权利要求1中所述的一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，其特征在于：引风机(14)、烟气循环管道a(181)、循环烟气流量调节阀(15)、烟气循环管道b(182)和氧气引射文丘里管(4)顺次连接，氧气引射文丘里管(4)、烟气循环管道c(183)、天然气引射文丘里管(8)、烟气循环管道d(184)、燃烧室(9)、烟气循环管道e(185)、燃气轮机(10)和烟气循环管道f(186)顺次连接，而烟气循环管道f(186)的另外一端分成两条支路，分别为排烟管道a(191)和烟气循环管道g(187)：排烟管道a(191)、排出烟气流量计(11)、排烟管道b(192)、烟气流量控制阀(12)和排烟管道c(193)顺次连接,排烟管道c(193)另一端连接大气，形成烟气排出的管路；烟气循环管道g(187)、冷却装置(13)、烟气循环管道h(188)和引风机(14)顺次连接。
3.根据权利要求1所述的一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，其特征在于：所述氧气引射文丘里管(4)与天然气引射文丘里管(8)采用同样规格的文丘里管，其主要包含渐缩段(41)、喉口段(42)、引射孔(43)和渐扩段(44)；渐缩段(41)为空心圆锥形锥体，外径由180mm渐缩至140mm，内径由160mm渐缩至120mm，长度为180mm；喉口段(42)为空心圆柱体，内径为120mm，外径为140mm，长度为100mm；渐扩段(44)为空心圆锥形锥体，外径由140mm渐扩至180mm，内径由120mm渐扩至160mm，长度为180mm；引射孔(43)设于喉口段(42)中间位置，内径为60mm，长度为80mm，引射孔(43)的轴线与喉口段(42)的轴线垂直；渐缩段(41)、喉口段(42)和渐扩段(44)的轴线位于同一直线。
4.根据权利要求1中所述的一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，其特征在于：所述燃烧室装有安全阀(91)、观察孔(92)和点火器(93)，安全阀(91)位于外火焰筒中部；观察孔(92)位于外火焰筒中部并伸入内火焰筒内，点火器(93)位于旋流器中部。
5.根据权利要求1中所述的一种利用文丘里管引射天然气与氧气的烟气循环利用燃烧***，其特征在于：所述烟气循环利用燃烧***在点火及运行初期，首先关闭循环烟气流量调节阀(15)，然后打开排出烟气流量控制阀(12)，再依次打开氧气流量控制阀(3)和天然气流量控制阀(7)；正常工作阶段，首先减小排出烟气流量控制阀(12)阀门开度，然后按照需要部分开启循环烟气流量调节阀(15)，再根据燃烧室(9)中的燃烧情况和实际需要调节氧气流量控制阀(3)和天然气流量控制阀(7)开度；在关闭***时，首先关闭天然气流量控制阀(7)，再关闭氧气流量控制阀(3)，之后增加循环烟气流量调节阀(15)阀门的开度，再关闭排出烟气流量控制阀(12)，过一定时间后打开排出烟气流量控制阀(12)同时关闭循环烟气流量调节阀(15)，***关闭。
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