内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统及方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，具体而言，涉及一种内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统及方法。

背景技术

大型天然气内燃发电机组具有较高的发电效率以及快速变负荷能力，常常作为电网的重要调峰调频电源，然而大型内燃机在运行过程中排气温度高达300～500℃，且排气中包含较高浓度的氮氧化物(NOx)，浓度为500～800mg/m3，因此针对内燃机烟气排放处理尤为重要。

目前，对于内燃机的高温排气一般采用两种方式，一种常见的处理方式是内燃机将高温烟气直接排至大气，该方式造成了严重的能源浪费；第二种处理方式是在内燃机尾部增加余热锅炉和汽轮发电系统，但是受限于内燃机排气的温度，进而余热锅炉产生的蒸汽温度则会较低，导致新建余热发电系统效率较低，而整个余热发电系统的投资较高，经济收益很差；

另一方面，内燃机排气中的NOx的浓度远超国家大气污染物排放标准，不能直接排入大气，目前针对内燃机NOx排气常见的处理方法是采用以尿素或氨水作为还原剂的选择性催化还原方法(SCR)，将排气中的NOx浓度降低到允许排放的标准范围内，但是该处理方法需要额外增加价格昂贵的SCR脱硝催化剂系统，并且在运行过程中消耗大量的尿素或氨水。因此，如何进一步回收内燃机排气余热，提升内燃机排气余热回收效率，降低内燃机排气中高浓度NOx以提升内燃机能源利用效率，减少污染物排放，降低运行成本尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统及方法，用以进一步回收内燃机排气余热，提升内燃机排气余热回收效率，降低内燃机排气中高浓度NOx以提升内燃机能源利用效率，减少污染物排放。

本发明第一方面的技术方案提供了一种内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统，包括内燃机，煤粉锅炉，煤粉燃烧器，高温换热器，低温换热器，高压加热器以及低压加热器；所述内燃机的输出端依次连接有高温换热器、低温换热器和煤粉锅炉；还包括输入该系统的锅炉给水，锅炉给水通过管道分别输入高温换热器、高压加热器、低温换热器、低压加热器。

进一步地，所述高温换热器的输入端设有第一阀门，所述第一阀门用于调节进入高温换热器的高压锅炉给水流量。

进一步地，所述低温换热器的输入端设有第二阀门，所述第二阀门用于调节进入低温换热器的低压锅炉给水流量。

进一步地，所述高压加热器内的锅炉给水由汽轮机排出的高压蒸汽加热，所述低压加热器内的锅炉给水由汽轮机排出的低压蒸汽加热。

进一步地，所述煤粉燃烧器包括一次风管道、排气管、中心管；

所述排气管设有进气口和第一喷口，所述进气口用于输入经余热回收后的内燃机排气，所述第一喷口用于将内燃机排气喷入煤粉锅炉的炉膛内；

所述一次风管道套设于排气管内且与排气管之间设有间隔，所述一次风管道设有进风口和第二喷口，进风口用于输入含有煤粉的一次风，所述第二喷口用于将混合后的一次风、煤粉、内燃机排气喷入煤粉锅炉的炉膛内；所述中心管设于一次风管道内。

进一步地，所述中心管设于一次风管道的中心，所述中心管的一端封闭设置，中心管的另一端贯穿一次风管道的侧壁并与排气管连通。

进一步地，所述中心管靠近中心管封闭端的一侧设有若干个第三喷口，所述第三喷口用于输出预设比例的内燃机排气至一次风管道内。

进一步地，若干个所述第三喷口均匀分布于中心管的侧壁并且分层设置。

进一步地，所述预设比例的内燃机排气为排气管内内燃机排气的10％-20％。

本发明第二方面的技术方案提供了一种内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制方法，采用本发明第一方面的技术方案中任一项所述的内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统，包括如下步骤：

内燃机产生高温排气进入高温换热器，同时锅炉给水通过管道分别输入高温换热器和高压加热器，内燃机高温排气的余热在高温换热器中被锅炉给水吸收，高压加热器内的锅炉给水通过汽轮机排出的高压蒸汽加热；

高温换热器输出一次降温后的内燃机排气至低温换热器中，同时锅炉给水通过管道分别输入低温换热器和低压加热器，经一次降温后的内燃机排气的余热在低温换热器中被锅炉给水二次吸收，低压加热器内的锅炉给水通过汽轮机排出的低压蒸汽加热；

低温换热器输出二次降温后的内燃机排气并通过煤粉燃烧器的多层燃烧器喷口中至少一个燃烧器喷口喷出，其中煤粉燃烧器的工作原理为：

二次降温后的内燃机排气通过煤粉燃烧器的进气口输入排气管，同时含有煤粉的一次风通过进风口输入一次风管道，排气管与一次风管道之间配置有用于形成气体流动的夹层，内燃机排气作为煤粉燃烧器的周界风在夹层内流动，并通过第一喷口喷入煤粉锅炉的炉膛；

同时，二次降温后的内燃机排气中预设比例的内燃机排气还通过设于一次风管道内的中心管上的第三喷口喷入一次风管道与含有煤粉的一次风进行混合，混合后的内燃机排气通过第二喷口喷入煤粉锅炉的炉膛内。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明提供的内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统及方法，通过将内燃机与煤粉锅炉进行结合，内燃机产生高温排气进入高温换热器，同时锅炉给水通过管道分别输入高温换热器和高压加热器，内燃机高温排气的余热在高温换热器中被锅炉给水吸收，高压加热器内的锅炉给水通过汽轮机排出的高压蒸汽加热；高温换热器输出一次降温后的内燃机排气至低温换热器中，同时锅炉给水通过管道分别输入低温换热器和低压加热器，经一次降温后的内燃机排气的余热在低温换热器中被锅炉给水二次吸收，低压加热器内的锅炉给水通过汽轮机排出的低压蒸汽加热；低温换热器输出二次降温后的内燃机排气并通过煤粉燃烧器的多层燃烧器喷口中至少一个燃烧器喷口喷出，二次降温后的内燃机排气通过煤粉燃烧器的进气口输入排气管，同时含有煤粉的一次风通过进风口输入一次风管道，排气管与一次风管道之间配置有用于形成气体流动的夹层，内燃机排气作为煤粉燃烧器的周界风在夹层内流动，并通过第一喷口喷入煤粉锅炉的炉膛；同时，二次降温后的内燃机排气中预设比例的内燃机排气还通过设于一次风管道内的中心管上的第三喷口喷入一次风管道与含有煤粉的一次风进行混合，混合后的内燃机排气通过第二喷口喷入煤粉锅炉的炉膛内；直接将经过两次余热回收后的内燃机排气输入煤粉锅炉为煤粉的燃烧提供助燃，通过在煤粉锅炉炉膛内的还原作用，降低内燃机排气中NOx的浓度，同时抑制煤粉燃烧过程中NOx的生成，进而取消内燃机排气的NOx净化SCR设备，降低系统成本，煤粉锅炉炉膛回收利用内燃机排气的低温余热，进一步提升能源的利用效率，避免了高温排气直接排放对能源的浪费和环境的污染。

附图说明

图1为本发明实施例提供的内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的煤粉燃烧器的整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的煤粉燃烧器的喷口的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制方法的流程示意图。

图标：1-内燃机，2-煤粉锅炉，3-煤粉燃烧器，31-进气口，32-进风口，33-一次风管道，34-排气管，35-中心管，36-第三喷口，37-第一喷口，38-第二喷口，4-高温换热器，5-低温换热器，6-高压加热器，7-第一阀门，8-低压加热器，9-第二阀门。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应当理解，本文使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

本说明书中使用了流程图用来说明根据本说明书的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

请参见图1至图3所示，本发明第一方面的技术方案提供了一种内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统，包括内燃机1，煤粉锅炉2，煤粉燃烧器3，高温换热器4，低温换热器5，高压加热器6以及低压加热器8；所述内燃机1的输出端依次连接有高温换热器4、低温换热器5和煤粉锅炉2；还包括输入该系统的锅炉给水，锅炉给水通过管道分别输入高温换热器4、高压加热器6、低温换热器5、低压加热器8；其中，所述高压加热器6内的锅炉给水由汽轮机排出的高压蒸汽加热，所述低压加热器8内的锅炉给水由汽轮机排出的低压蒸汽加热。本实施例提供的内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统及方法，通过将内燃机1与煤粉锅炉2进行结合，内燃机1产生高温排气进入高温换热器4，同时锅炉给水通过管道分别输入高温换热器4和高压加热器6，内燃机1高温排气的余热在高温换热器4中被锅炉给水吸收，高压加热器6内的锅炉给水通过汽轮机排出的高压蒸汽加热；高温换热器4输出一次降温后的内燃机排气至低温换热器5中，同时锅炉给水通过管道分别输入低温换热器5和低压加热器8，经一次降温后的内燃机排气的余热在低温换热器5中被锅炉给水二次吸收，低压加热器8内的锅炉给水通过汽轮机排出的低压蒸汽加热；低温换热器5输出二次降温后的内燃机排气并通过煤粉燃烧器3的多层燃烧器喷口中至少一个燃烧器喷口喷出，其中，煤粉燃烧器3优选6层喷口，实际运用时内燃气排气优选自下而上的第二层喷口喷出；通过在煤粉锅炉2炉膛内的还原作用，降低内燃机排气中NOx的浓度，同时抑制煤粉燃烧过程中NOx的生成，进而取消内燃机排气的NOx净化SCR设备降低系统成本，煤粉锅炉2炉膛回收利用内燃机排气的低温余热，进一步提升能源的利用效率，避免了高温排气直接排放对能源的浪费和环境的污染。

优选的，如图1所示，所述高温换热器4的输入端设有第一阀门7，所述第一阀门7用于调节进入高温换热器4的高压锅炉给水流量，所述低温换热器5的输入端设有第二阀门9，所述第二阀门9用于调节进入低温换热器5的低压锅炉给水流量；本实施例中，所述第一阀门7和第二阀门9采用现有的给水调节阀，通过设置第一阀门7、第二阀门9，实现根据实际需求对进入高温换热器4和低温换热器5的锅炉给水流量的调节，进而实现调节高温换热器4、低温换热器5回收内燃气排气的热量。

优选的，如图2和图3所示，所述煤粉燃烧器3包括一次风管道33、排气管34、中心管35；所述排气管34设有进气口31和第一喷口37，所述进气口31用于输入经余热回收后的内燃机排气，所述第一喷口37用于将内燃机排气喷入煤粉锅炉2的炉膛内；所述一次风管道33套设于排气管34内且与排气管34之间设有间隔，所述一次风管道33设有进风口32和第二喷口38，进风口32用于输入含有煤粉的一次风，所述第二喷口38用于将混合后的一次风、煤粉、内燃机排气喷入煤粉锅炉2的炉膛内；所述中心管35设于一次风管道33内，所述中心管35设于一次风管道33的中心，所述中心管35的一端封闭设置，中心管35的另一端贯穿一次风管道33的侧壁并与排气管34连通，所述中心管35靠近中心管35封闭端的一侧设有若干个第三喷口36，所述第三喷口36用于输出预设比例的内燃机排气至一次风管道33内，若干个所述第三喷口36均匀分布于中心管35的侧壁并且分层设置，所述预设比例的内燃机排气为排气管34内内燃机排气的10％-20％，所述第三喷口36优选双层设置，且每层优选设置有6个第三喷口，内燃气排气的输出比例可通过限定上述管件的面积进行配置；本实施例中，煤粉燃烧器3的工作原理为：二次降温后的内燃机排气通过煤粉燃烧器3的进气口31输入排气管34，同时含有煤粉的一次风通过进风口32输入一次风管道33，排气管34与一次风管道33之间配置有用于形成气体流动的夹层，内燃机排气作为煤粉燃烧器3的周界风在夹层内流动，并通过第一喷口37喷入煤粉锅炉2的炉膛；同时，二次降温后的内燃机排气中预设比例的内燃机排气还通过设于一次风管道33内的中心管35上的第三喷口36喷入一次风管道33与含有煤粉的一次风进行混合，混合后的内燃机排气通过第二喷口38喷入煤粉锅炉2的炉膛内；直接将经过两次余热回收后的内燃机排气输入煤粉锅炉2为煤粉的燃烧提供助燃；

具体的，煤粉进入锅炉炉膛后，在煤粉燃烧器3第二喷口38区域内，过量空气系数较低的情况下，煤粉快速热解成可燃挥发分气体和焦炭，可燃挥发分气体主要包含碳氢类物质(CnHm)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)等，可燃挥发分气体和焦炭在炉膛高温下具有很强的还原性，此时，同期送入炉膛的内燃机排气与这些还原性物质充分接触后，其中的NOx会被充分的还原，从而生成无害的N2，主要反应的方程式如下：

煤→焦炭(C)+挥发分气体(CnHm，CO，H2)；

NO+CnHm→CO2+H2O+N2；

NO+C→CO2+N2；

NO+CO→CO2+N2；

NO+H2→H2O+N2；

综上，发明可避免内燃机高温排气的直接排放对于能量的浪费和周围环境的污染，大大提升了整个系统的能量利用效率。另外，由于采用锅炉炉膛内煤粉还原内燃机排气的NOx，进而取消内燃机排气的NOx净化SCR设备，整个系统的结构简单，设备投资、维护小，运行费用大幅度降低，经济效益显著。

请参见图4所示，本发明第二方面的技术方案提供了一种内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制方法，采用本发明第一方面的技术方案中任一项所述的内燃机排气全余热回收及氮氧化物控制系统，包括如下步骤：

步骤S100：内燃机1产生高温排气进入高温换热器4，同时锅炉给水通过管道分别输入高温换热器4和高压加热器6，内燃机1高温排气的余热在高温换热器4中被锅炉给水吸收，高压加热器6内的锅炉给水通过汽轮机排出的高压蒸汽加热；

步骤S200：高温换热器4输出一次降温后的内燃机排气至低温换热器5中，同时锅炉给水通过管道分别输入低温换热器5和低压加热器8，经一次降温后的内燃机排气的余热在低温换热器5中被锅炉给水二次吸收，低压加热器8内的锅炉给水通过汽轮机排出的低压蒸汽加热；

步骤S300：低温换热器5输出二次降温后的内燃机排气并通过煤粉燃烧器3的多层燃烧器喷口中至少一个燃烧器喷口喷出，其中煤粉燃烧器3的工作原理为：

二次降温后的内燃机排气通过煤粉燃烧器3的进气口31输入排气管34，同时含有煤粉的一次风通过进风口32输入一次风管道33，排气管34与一次风管道33之间配置有用于形成气体流动的夹层，内燃机排气作为煤粉燃烧器3的周界风在夹层内流动，并通过第一喷口37喷入煤粉锅炉2的炉膛；

同时，二次降温后的内燃机排气中预设比例的内燃机排气还通过设于一次风管道33内的中心管35上的第三喷口36喷入一次风管道33与含有煤粉的一次风进行混合，混合后的内燃机排气通过第二喷口38喷入煤粉锅炉2的炉膛内。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。