專利名稱：高效直接接觸式高溫水加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種NOx排放量極低的高效直接接觸式水加熱器，其中，從加熱器殼體流出的煙氣由第二填料進一步冷卻，從而進一步從中抽取顯熱和潛熱；燃燒空氣在與天然氣混合前在第三填料中預(yù)熱和加濕，從而大大降低NOx排放量，同時提高熱效率而獲取燃料總熱值。
1981年6月29日公告的法國專利No．81 12770涉及一種處理燃燒天然氣的鍋爐的煙氣的系統(tǒng)，1988年9月6日公告的法國專利No．88 11 651涉及用于直接接觸式加熱器的原理。它們是最接近的現(xiàn)有技術(shù)，它們在一系統(tǒng)中設(shè)置第二和第三填料，該系統(tǒng)用作一水蒸氣泵，從而處理一鍋爐出口處的煙氣并進一步處理該鍋爐進口處的燃燒空氣。所述系統(tǒng)用一交換裝置交換熱量和凝結(jié)水，從而加濕、加熱干冷的燃氣。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的燃氣水加熱器，其可大大降低其NOx排放量，并通過提高燃燒產(chǎn)物的露點進一步提高熱效率。
本發(fā)明的一個特征是提供一種其NOx排放量降低的燃氣直接接觸式水加熱器，其中，在主鍋爐殼體的廢氣的下游設(shè)置第二填料進一步降低廢氣的溫度，并在一閉合回路中使用經(jīng)第二填料生成的熱水預(yù)熱和加濕與供應(yīng)給該鍋爐的燃氣混合的周圍空氣。
本發(fā)明的另一個特征是在一鍋爐供氣塔中設(shè)置第三填料，用從第二填料收集的熱水噴射第三填料而預(yù)熱、加濕周圍空氣，從而把NOx排放量大大降低到在3％O2下約為5-10ppm，而燃燒產(chǎn)物的露點大大提高。
按照上述特征，從廣義上說，本發(fā)明提供一種燃氣直接接觸式水加熱系統(tǒng)，包括第一殼體，該殼體包括一圓周側(cè)壁、一閉合底端壁和一與其頂端部連通的煙道。該殼體中有排水裝置與由熱交換元件構(gòu)成的第一填料裝置對應(yīng)。第一殼體的邊上在第一填料裝置的下方有一燃燒器。一燃氣供應(yīng)管與該燃燒器連接而把燃氣供應(yīng)給該燃燒器。一燃燒空氣供應(yīng)管與該燃燒器連接。燃燒器下方有水收集裝置用來收集熱水。另一些殼體中有另一些由熱交換元件構(gòu)成的填料裝置。這另一些填料裝置的上方有排水裝置用作與燃氣混合的濕潤空氣源，以便在燃燒時提高燃燒產(chǎn)物的露點和降低NOx排放量。這些殼體中在填料裝置的下方有水收集裝置收集滲過填料裝置的水。第一管道裝置用來對流從第一殼體的水收集裝置流出的熱水。另一些管道裝置用來對流從其他殼體裝置流出的水。
下面結(jié)合


本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖中圖1為按照本發(fā)明構(gòu)造的一NOx排放量極低的高效直接接觸式水加熱系統(tǒng)的示意圖；圖2為燃燒產(chǎn)物的濕度測量圖，示出使用本發(fā)明燃氣直接接觸式水加熱系統(tǒng)所獲得的效率；圖3為該高效水加熱系統(tǒng)的另一實施例的示意圖；圖4為本發(fā)明高效水加熱系統(tǒng)的又一實施例的示意圖。
各附圖、特別是圖1示出本發(fā)明燃氣直接接觸式水加熱系統(tǒng)的一實施例10。該系統(tǒng)10包括一直接接觸式水加熱器11，該水加熱器包括一細長形直立殼體12，該殼體包括一具有一底端壁13的圓周側(cè)壁，該殼體的頂端的中心有一開口，該開口形成供煙氣流出的出口，這在下文說明。用作排水裝置的噴嘴15在該殼體中位于由熱交換元件17構(gòu)成的主填料16的上方，這些熱交換元件可為公知的一段段空心金屬管。
一氣體燃燒器18與圓筒形殼體12的側(cè)壁連接而把火焰引向燃燒室19中填料下方。該燃燒器18最好裝有一供應(yīng)天然氣之類的燃氣和新鮮空氣的輔助噴嘴18’，以便防止燃燒器的火焰由于使用與燃氣混合的水飽和空氣而熄滅。殼體12的底端部有一水收集裝置或水槽20，收集從噴嘴15噴出、在殼體12中下落過程中因滲過被火焰和在填料中上升的煙氣加熱的填料而被加熱的水。
第二圓筒形殼體21中有由熱交換元件構(gòu)成的第二填料22，從出口14流出的高熱燃燒氣體經(jīng)一管道23引入第二填料22下方后流過該第二填料。這些氣體受一位于第二填料上方的噴嘴24噴到第二填料上的冷水的冷卻。受水和填料冷卻的該高熱氣體在第二填料22中上升后從煙道25排出。水被加熱后收集在第二圓筒形殼體21底部的水收集裝置或水槽26中。從煙道25排出的氣體大大冷卻，從而該系統(tǒng)的效率提高。
第二圓筒形殼體21的水槽26的熱水然后經(jīng)一管道27用泵28泵到一由第三圓筒形殼體30構(gòu)成的燃燒空氣處理裝置30，該圓筒形殼體30中有由熱交換件構(gòu)成的第三填料31，第三填料31的上方有第三噴嘴29。一鼓風機32連接到該第三填料的底部，從而把周圍空氣引入第三填料下方而把周圍空氣供應(yīng)給燃燒器。當周圍空氣在第三填料中上升時，它被第二殼體的水槽26所收集、然后用噴嘴29噴到第三填料31上的熱水加熱和加濕。這一濕熱空氣經(jīng)供氣管33傳送到燃燒器18。這提高了燃燒產(chǎn)物的露點并把燃燒器的NOx排放量降低到在3％O2下約為6-8ppm。
當噴嘴29噴出的水滲過第三填料31時，它被引入室34后在該填料中上升的周圍空氣冷卻。這一經(jīng)冷卻的水收集在圓筒形殼體30底部的第三水槽35中作為供應(yīng)給第二殼體21中噴嘴24的冷水。如圖所示，一供水管36和泵37形成第三水槽35與噴嘴24之間的互連流路。一管道42互連第二殼體21的水槽26與燃燒殼體11的主水槽20而把水槽20中的凝結(jié)水引入水槽26。一管道42’互連水槽26與水槽35而只容許水槽35中的水溢出。供水管38供應(yīng)家用或工業(yè)用熱水。這一熱水還可用泵41抽入一熱交換器43，也可以是串聯(lián)的多個熱交換器。如圖所示，與熱交換器43連接的管路45把返回水供應(yīng)給與噴嘴15連接的補給水管44。還用一溢流管39收集水槽35中的凝結(jié)水。
圖2為直接接觸式水加熱器的燃燒產(chǎn)物的濕度測量圖。該圖示出熱效率(％HHV)的值為爐溫的函數(shù)。對于直接接觸式加熱器來說，爐溫比進口處水溫高約5℃。曲線A表示，當煙氣溫度高于60℃時，該系統(tǒng)的效率由于被加熱水的蒸發(fā)而急劇下降。曲線B1、B2和B3示出當空氣在不同溫度下飽和時經(jīng)加濕的燃燒空氣對該系統(tǒng)的熱效率的影響。舉例說，如爐溫為80℃，使用上述水蒸汽空氣供應(yīng)系統(tǒng)的直接接觸式加熱器的效率在使用65℃下的飽和空氣進行燃燒時從約64％提高到84％。
熱效率的提高是由回收燃燒產(chǎn)物的潛熱造成的。引入燃燒空氣中的水蒸氣降低了火焰溫度，影響到燃燒的化學過程，減少NOx的生成。
在標準情況下，直接接觸式水加熱器的進口水溫在約60℃以上，大量水被蒸發(fā)掉。此時，水的硬度增加，補給水需要使用水處理裝置。在某些運行條件下，水蒸氣泵的使用減少了補給水的水量，從而無需使用水處理裝置。
圖1所示燃氣直接接觸式水加熱器做成如下規(guī)格。水加熱器12的直徑為18英寸，填料16長約3英尺。該加熱器殼體的△p約為2英寸?？煽醋骼淠骱驼舭l(fā)器殼體的殼體22和30的結(jié)構(gòu)大致相同，其直徑為12英寸，高度為8英尺。其中的主填料長約4英尺，殼體的△p為1．8英寸。水經(jīng)約11／4英寸的管道27和36以約每分鐘25美國加侖的速率在殼體21和30中循環(huán)。泵28和37所生成的水壓約為35英尺，以便在噴嘴24和29處形成10psi的水壓。
圖3示出本發(fā)明第二實施例，其中，該高效直接接觸式水加熱器使用兩個殼體即第一殼體50和第二殼體60。由熱交換元件構(gòu)成的第一填料51裝在第一殼體中燃燒器52的上方。一噴嘴53同樣裝在第一填料51的上方。殼體50中在噴嘴53上方還裝有由熱交換元件構(gòu)成的第二填料54，從而進一步冷卻在填料50中上升的高熱氣體。第二填料54的上方有第二噴嘴55，殼體50的頂壁57上有一煙道56。殼體50的底部形成集水槽58。
在第二殼體60中裝有由熱交換元件構(gòu)成的第三填料59。第三填料59的上方有第三噴嘴60’。在第二填料下方、第二殼體60底部的水槽62的上方有一空間61。一鼓風機63與該空間61連接，從而鼓入其中的周圍空氣在第三填料中經(jīng)預(yù)熱和加濕后從頂室64經(jīng)一管道65流到燃燒器52，因此從第二殼體60流出的濕潤空氣與經(jīng)燃氣管66送入燃燒器52的燃氣混合。由于該空氣經(jīng)加濕，因此如上所述，露點提高，NOx排放量降低。
如圖所示，收集在第一殼體50的水槽58中的熱水以箭頭68所示方向經(jīng)其中連接有一泵70的一供水管69在一熱交換器67或若干串聯(lián)的熱交換器中對流，從而水在熱交換器67中循環(huán)而加熱外部介質(zhì)。從水槽58流出的熱水從進口71流入熱交換器67后從出口72流出，該出口經(jīng)管道73接到填料51上方的第一噴嘴53，因此經(jīng)熱交換器冷卻的水在第一填料51的熱交換元件中循環(huán)、與上升的高熱氣體接觸以及與第一殼體50的燃燒室75的火焰74接觸，從而重新被加熱。
第三填料59上方的噴嘴60’也經(jīng)管道76連接到熱交換器67的出口72，該管道76中的水雖然經(jīng)冷卻，但其溫度足以加熱和加濕用鼓風機63鼓入室61中的周圍空氣。積累在水槽62中的水經(jīng)由管道76’和泵77構(gòu)成的管路送到第二噴嘴55。應(yīng)該看到，噴嘴60’也可直接接到與水槽58連接的供水管69(見虛線管道69’)，從而熱交換器的進口71的溫度最高的水用來加濕有待在燃燒器52中與燃氣混合的周圍空氣。因此可看到，圖3所示系統(tǒng)構(gòu)型提供了另一種布置，其中，只使用兩個直立細長圓筒形殼體50和60實現(xiàn)本發(fā)明所需結(jié)果。
圖4示出本發(fā)明又一實施例。如圖所示，仍只使用兩個殼體即第一殼體80和第二殼體90。第一殼體80中有由熱交換元件構(gòu)成的單個填料81以及該填料上方的噴嘴82。殼體80的側(cè)壁上連接有一燃燒器83，其火焰84竄入燃燒室85中。殼體80的底端有一水槽86。
第二殼體90用一隔板87隔成兩部分而形成一上室88和一下室89。下室89中裝有由熱交換元件構(gòu)成的第三填料91，填料91上方連接有噴水裝置92。該下室的底部有第二水槽93。
上室88中裝有第二熱交換元件填料94及其上方的第二噴嘴95，從而把水噴射到該填料上而冷卻從殼體90頂壁97上的煙道96排出的高熱燃燒產(chǎn)物。第二填料94下方、隔板87上方有一水槽98。如圖所示，水從下室89的第三水槽93經(jīng)由管道99和泵100構(gòu)成的供水管路供應(yīng)給噴嘴95。
鼓風機101把周圍空氣鼓入第三填料91與第三水槽93之間的室102中。該空氣在填料91中上升，從而被從噴嘴92噴出后經(jīng)過該熱交換元件填料91的熱水加熱和加濕。該濕熱空氣然后經(jīng)管道103流到燃燒器83而與從燃氣管104送入的燃氣混合，從而如上所述提高燃燒產(chǎn)物的露點，減少由火焰84產(chǎn)生的NOx排放量。同樣如上所述，第二水槽98也可經(jīng)管道105連接到第一殼體80中的第一水槽86。這在第二水槽不向第二殼體下室中的噴水裝置92供水時作為一可選特征。
也可把與第一殼體80的第一水槽86連接的熱交換器106的高溫水供應(yīng)給第二殼體下室中的噴水裝置92。由管道107和泵108構(gòu)成的供水管接到熱交換器106的進口109。與其他實施例一樣，該熱交換器的出口110連接到第一殼體80中第一填料81上方的噴嘴82。同樣，第三填料的噴水裝置92可連接到熱交換器的進口109或其出口110。若如此連接，則虛線所示管道105互連第三水槽98和第一水槽86。另一管107’連接水槽86與水槽93，從而冷水水槽93最終可溢流。噴嘴82由熱交換器106的出口管110’供水。
在權(quán)利要求的范圍內(nèi)可對本發(fā)明上述優(yōu)選實施例作出種種改動。
權(quán)利要求
1.一種燃氣直接接觸式水加熱器系統(tǒng)，其特征在于，包括第一殼體，該殼體包括一圓周側(cè)壁、一閉合底端壁和一與所述第一殼體的頂端部連通的煙道；該殼體中與由熱交換元件構(gòu)成的第一填料裝置對應(yīng)的排水裝置；所述第一殼體的邊上在所述第一填料裝置的下方的一燃燒器；與所述燃燒器連接而把燃氣供應(yīng)給所述燃燒器的一燃氣供應(yīng)管；與所述燃燒器連接的一燃燒空氣供應(yīng)管；所述燃燒器下方用來收集熱水的水收集裝置；另一些殼體中另一些由熱交換元件構(gòu)成的填料裝置；所述另一些填料裝置上方的另一些排水裝置，它們用作與所述燃氣混合的濕潤空氣源，以便在燃燒時提高燃燒產(chǎn)物的露點和降低NOx排放量；所述另一些殼體中在所述另一些填料裝置下方用來收集滲過所述另一些填料裝置的水的另一些水收集裝置；用來對流從所述第一殼體的所述水收集裝置流出的熱水的第一管道裝置；和用來對流從所述另一些殼體裝置流出的水的另一些管道裝置。
2.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述填料裝置為由所述熱交換元件構(gòu)成、與在所述第一殼體中上升的燃燒產(chǎn)物換熱的第一填料；所述另一些殼體包括第二和第三殼體；所述另一些填料裝置包括由熱交換元件構(gòu)成、在所述第二和第三殼體中分別與煙氣和上升空氣換熱的第二和第三填料；所述另一些排水裝置包括分別與所述第二和第三填料對應(yīng)的第二和第三排水裝置；所述第二和第三殼體在其所述第二和第三填料下方分別有第二和第三水收集裝置；所述第二填料位于與所述第一殼體連接的煙道的下游而與所述第一殼體的煙氣換熱從而冷卻所述煙氣，所述第三填料位于所述第一殼體的所述燃燒空氣供應(yīng)管的上游而預(yù)熱和加濕周圍空氣從而生成所述濕潤空氣。
3.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述第三排水裝置位于所述第三填料上方，噴射來自所述第二殼體的所述水收集裝置的經(jīng)加熱的水，從而使所述經(jīng)加熱的水滲過所述第三填料而加熱和加濕以與所述經(jīng)加熱水相反方向流動的空氣，從而向所述燃燒器提供所述濕熱空氣。
4.按權(quán)利要求3所述的水加熱器，其特征在于，收集在所述第三水收集裝置中的所述水用一反饋管道和一泵送到所述第二水排放裝置。
5.按權(quán)利要求3所述的水加熱器，其特征在于，所述第一殼體的所述煙道連接到所述第二殼體的所述第二熱交換元件填料的下方，所述第二排水裝置使得水滲過所述第二填料，從而被所述煙氣加熱后收集在由所述第二殼體底端部的一水槽構(gòu)成的所述第二水收集裝置中。
6.按權(quán)利要求5所述的水加熱器，其特征在于，所述第二水槽中的熱水在滲過所述第三填料冷卻后經(jīng)一反饋管道和一泵返回所述第二水排放裝置。
7.按權(quán)利要求2所述的水加熱器，其特征在于，所述第三水收集裝置由所述第三殼體的底端部構(gòu)成。
8.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述煙道為一位于所述第一殼體的頂壁中心的縮頸煙道。
9.按權(quán)利要求5所述的水加熱器，其特征在于，所述第二水槽與所述第三水收集裝置之間還有一溢流管，把所述第二水槽中溢出的熱水送到所述第三水收集裝置。
10.按權(quán)利要求2所述的水加熱器，其特征在于，所述待送到所述供應(yīng)管的空氣為周圍空氣，所述周圍空氣由所述第三填料加熱，送入所述燃燒器的所述空氣的溫度約為45℃-75℃，在此溫度下在水蒸氣中大致飽和，所述第三排水裝置連接到一溫度約為50℃-60℃的熱水水源，所述第一殼體的所述水收集裝置中的所述熱水的溫度約為80℃-90℃。
11.按權(quán)利要求2所述的水加熱器，其特征在于，所述第三填料下方的所述第三水收集裝置中的所述水被在所述第三填料中上升的所述空氣冷卻到約30℃-35℃后用一反饋管送到所述第二水排放裝置，然后被所述第二填料重新加熱到約為50℃-60℃的溫度。
12.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述經(jīng)預(yù)熱和加濕的空氣與天然氣混合而提高燃燒產(chǎn)物的露點，降低由所述燃燒器所生成的所述煙氣的NOx排放量，所述第一殼體的所述水收集裝置中的所述熱水的溫度約為80℃-90℃。
13.按權(quán)利要求2所述的水加熱器，其特征在于，還包括連接在所述第一殼體的所述水收集裝置與所述第二殼體的所述第二水排放裝置之間的熱交換裝置和供水管，所述熱交換裝置抽取所述水收集裝置中的水中的熱量而用于加熱，該供水管向所述熱交換器和所述第二排水裝置供水。
14.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述另一些填料裝置包括第二殼體中的第二熱交換元件填料，所述第二殼體構(gòu)成所述另一些殼體裝置，其中有空氣對流裝置供空氣在所述第二填料中對流；和一管道，該管道連接到所述第二殼體的所述第二填料的上方把所述濕潤空氣供應(yīng)給所述燃燒器，以便與所述燃氣混合；所述另一些填料裝置還包括位于所述第一殼體中所述第一填料裝置上方的第三填料；所述另一些水排放裝置包括分別位于所述第二和第三填料上方的第二和第三水排放裝置；所述另一些水收集裝置包括所述第二殼體的底部上的第三水收集裝置，以及把所述第二水收集裝置的水供應(yīng)給所述第二水排放裝置、以便進一步冷卻第一殼體中向所述煙道上升的煙氣的管道裝置。
15.按權(quán)利要求14所述的水加熱器，其特征在于，所述管道裝置包括互連所述第二殼體的所述底部與用作所述第三排水裝置的一噴嘴的一管和一泵。
16.按權(quán)利要求14所述的水加熱器，其特征在于，還包括連接在所述第一殼體的所述水收集裝置與所述第一殼體中位于所述第一填料裝置上方的所述水排放裝置之間的熱交換裝置和供水管裝置，所述熱交換裝置抽取所述水收集裝置中的熱水中的熱量而用于加熱，該供水管裝置向所述熱交換器和所述排水裝置供水，所述第二排水裝置在所述熱交換器的出口處連接到所述供水管裝置上。
17.按權(quán)利要求16所述的水加熱器，其特征在于，所述第三排水裝置也連接到所述熱交換器的所述出口。
18.按權(quán)利要求16所述的水加熱器，其特征在于，所述第三排水裝置連接到所述熱交換器的進口而接受所述第一殼體的所述水收集裝置中的所述熱水。
19.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述另一些填料裝置包括第二殼體中互相間距、隔開的第二和第三熱交換元件填料；所述第二殼體中的一隔板把所述第二殼體隔成一下室和一上室，所述第二殼體構(gòu)成所述另一些殼體裝置，且具有與所述下室連接的鼓風裝置，使得空氣流過其中的第三填料；所述另一些水收集裝置包括所述下室的底部中的第三水槽和所述上室中所述隔板上方的第二水槽，所述第二填料相間距地位于所述第二水槽上方，一煙道與所述第二室連通；所述另一些排水裝置包括分別位于所述第二和第三填料上方空間中的第二和第三排水裝置；供水管裝置把水從所述第三水槽供應(yīng)給所述第二排水裝置，空氣對流裝置把所述第三填料上方所述空間中的經(jīng)加熱濕潤的空氣對流到所述燃燒器，以便和所述燃氣混合。
20.按權(quán)利要求19所述的水加熱器，其特征在于，還包括連接所述第二水槽與所述第一殼體的所述水槽的管道裝置，所述第一殼體的所述水槽經(jīng)供水管裝置與熱交換裝置連接，從而抽取所述水收集裝置中的熱水的熱量用于加熱。
21.按權(quán)利要求20所述的水加熱器，其特征在于，所述熱交換裝置包括一與所述第一殼體的所述水槽連接的進口和一與所述第一殼體的所述排水裝置連接、向所述排水裝置供應(yīng)經(jīng)冷卻的水的出口。
22.按權(quán)利要求21所述的水加熱器，其特征在于，所述第三排水裝置連接到所述熱交換器的所述出口。
23.按權(quán)利要求21所述的水加熱器，其特征在于，所述第三排水裝置連接到所述第一殼體的所述水槽。
24.按權(quán)利要求19所述的水加熱器，其特征在于，所述第三排水裝置連接到所述第二殼體的所述上室中的所述第二水槽。
25.按權(quán)利要求2所述的水加熱器，其特征在于，所述第一和另一些殼體裝置都為直立細長圓筒形殼體。
26.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述燃燒器還裝有一防止其火焰熄滅的輔助閥。
27.按權(quán)利要求1所述的水加熱器，其特征在于，所述燃氣為天然氣。
全文摘要
一種燃氣直接接觸式水加熱系統(tǒng),包括第一殼體,殼體中裝有一填料,水噴射到填料上。該殼體有一燃燒器。一燃氣供應(yīng)管與該燃燒器連接。該燃燒器下方有一水槽。還包括另一些殼體,其中有另一些填料,也受水的噴射。用一鼓風機把空氣鼓入該填料下方,空氣經(jīng)加熱和加濕后供應(yīng)給燃燒器與燃氣混合。另一些殼體中有另一些水槽收集滲過另一些填料的水。第一殼體的水槽中的熱水從第一管道流出。另一些殼體中的水從另一些管道流出。第一填料中的煙氣在釋放到大氣之前在第三填料中冷卻。
文檔編號F24H8/00GK1204754SQ9810095
公開日1999年1月13日 申請日期1998年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月25日
發(fā)明者雷米·皮埃爾·吉耶, 呂克·芒德維爾, 帕斯卡爾·博謝爾, 斯特凡娜·布呂內(nèi), 喬治·瓦布爾, 丹尼爾·比利 申請人:城市燃氣兩合公司, 索費姆公司, 布魯克林聯(lián)合燃氣公司, 謝卡舍鍋爐廠, 法國燃氣公司