TWM668196U

TWM668196U - 降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統

Info

Publication number: TWM668196U
Application number: TW113213707U
Authority: TW
Inventors: 邱灯松; 洪文承
Original assignee: 泰鋒染化工業股份有限公司
Priority date: 2024-12-12
Filing date: 2024-12-12
Publication date: 2025-03-21

Abstract

一種降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統，包括：鍋爐本體、供油槽、供水槽、煙氣偵測器、鍋爐溫度計及蒸氣噴嘴。鍋爐本體燃燒液體燃料以將水加熱並產生水蒸氣，煙氣偵測器、鍋爐溫度計監測鍋爐本體內至少一種燃燒煙氣的濃度及燃燒溫度，蒸氣噴嘴用於將一燃燒改進劑注入該鍋爐本體，以降低燃燒時產生的燃燒煙氣的濃度，解決現有技術的鍋爐燃燒煙氣中氮氧化物的濃度過高的缺點。

Description

降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統

本創作係有關於一種燃燒產生蒸氣的鍋爐結構技術領域，尤指一種降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統。

鍋爐主要係藉由燃燒燃料的過程，穩定且連續地將燃料中的化學能轉變為熱能，利用此熱能再將水或熱媒加熱，以作為乾燥或加熱的熱源，或是動力來源。

然而，雖然鍋爐的使用帶來廠務運作的便利，但也伴隨環境問題的產生。舉例來說，於燃料的燃燒過程中鍋爐所排放出的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)及二氧化碳(CO₂)等廢氣，造成環境的嚴重污染，增加溫室效應導致全球暖化，且燃燒後產生的細懸浮微粒(PM2.5)使得空氣品質下降，同時會危害人體健康。最早期的方式是在排氣的出口加上布袋，盡量去吸收燃燒後所排放懸浮微粒。然而，在環保的要求下，氮氧化物的排放要求是愈趨嚴格，而這類使用布袋去吸附廢氣的方式是無法降低氮氧化物的濃度。

再者，目前工業上燃燒鍋爐使用之燃料油種類包含：重油、柴油、低硫燃料油等，燃料油的成分變化將影響鍋爐之燃燒效率及燃燒煙氣中的有害物質的成分及含量。因此，燃燒上述燃料油的鍋爐將會使得包括氮氧化物的燃燒煙氣的大量排放，造成空氣汙染，增加空氣中氮氧化物氣體(NOx)的含量。為達到降低燃燒設備使用石化燃料所產生的排氣污染，如何控制鍋爐燃燒煙氣的濃度比例，同時避免燃燒煙氣中氮氧化物的濃度過高的缺點，為現行亟欲解決之重要問題。

再者，現有技術中，去除燃燒煙氣中的氮氧化物需要依賴額外的廢氣處理設備或洗滌裝置，廢氣處理設備或洗滌裝置會產生大量廢液，除了會造成廢水處理成本增加外，還會致使大量水資源的浪費。

另一方面，現有技術的鍋爐，其基本構造包括有一爐體及在內部設有一燃燒室，該燃燒室可置入燃料進行燃燒，加熱後產生的熱水或水蒸氣可提供做為各種用途，在現有的鍋爐系統中尚未發展出回受鍋爐本身燃燒產生的水蒸氣並應用在降低燃燒煙氣濃度的技術。

因此，發展出符合環保法規且能控制鍋爐燃燒煙氣的濃度的鍋爐系統成為當要之務。

有鑑於此，本創作提供了可降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統，藉由將燃燒改進劑通入鍋爐本體內，降低鍋爐燃燒產生的煙氣，即使得NOx濃度得以減少，並可以同步避免一氧化碳(CO)的產生。

為了解決上述問題，本創作提供一種降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統，包括：一鍋爐本體，該鍋爐本體由下往上依序包括一燃燒室、一液態水層與一水蒸氣層，該燃燒室設置於該鍋爐本體的底部，該水蒸氣層形成於該鍋爐本體的頂部，該液態水層形成於該燃燒室與該水蒸氣層之間，該燃燒室用於燃燒一液體燃料以加熱液態水產生水蒸氣，其中該鍋爐本體內的蒸氣壓力在3至5Kg/cm²的範圍內；一供油槽，包括一供油管路與一噴油嘴，該供油管路設置於該噴油嘴與該供油槽之間，用於將該液體燃料供應至該噴油嘴，該噴油嘴設置於該燃燒室，用於將該液體燃料噴射至該燃燒室內；一供水槽，經由一供水管路將液態水供應至該液態水層內；一煙氣偵測器，設置用於監測該鍋爐本體內至少一種燃燒煙氣的濃度；一蒸氣噴嘴，設置用於在燃燒該液體燃料的狀態下將一燃燒改進劑注入該燃燒室，以控制燃燒時產生的燃燒煙氣的濃度；以及至少一主蒸氣供應管路，與該鍋爐本體的水蒸氣層連通，並且設置用於傳輸燃燒時產生的水蒸氣。

在本創作一實施例中，該鍋爐系統更包括：一集管箱，與該主蒸氣供應管路連接，用以收集該主蒸氣供應管路傳輸的水蒸氣，該集管箱並連接至少一生產用蒸氣管路，用於傳輸該水蒸氣供加熱之用；一鼓風機，連接該燃燒室，並通過一送風管路由一送風口提供空氣進入該鍋爐本體的燃燒室，使得該空氣與由該噴油嘴流出的液體燃料均勻混合燃燒；一煙氣排放管，與該燃燒室連通設置，用於排放燃燒時產生的燃燒煙氣。

在本創作一實施例中，該集管箱更包括一蒸氣回受管路，該集管箱通過該蒸氣回受管路與該蒸氣噴嘴連接，用於將被收集的水蒸氣經由該蒸氣噴嘴注入該燃燒室。

在本創作一實施例中，該蒸氣噴嘴設置於該噴油嘴的一燃燒火焰的一中心位置，使得該蒸氣噴嘴將該水蒸氣注入該燃燒室並且使該水蒸氣自該噴油嘴的該燃燒火焰的該中心位置噴出，以將該水蒸氣汽化完全，以及增加該水蒸氣與噴油嘴周圍的燃燒火焰的接觸面積。

在本創作一實施例中，該蒸氣噴嘴包括一蒸氣調整閥，設置用於控制由該蒸氣噴嘴進入該燃燒室的燃燒改進劑的流量及/或流速。

在本創作一實施例中，該供水管路自該鍋爐本體頂部的水蒸氣層延伸至該液態水層處。

在本創作一實施例中，該煙氣偵測器監測該鍋爐本體中一第一燃燒煙氣的一初始濃度，並在該燃燒改進劑注入該燃燒室後監測該鍋爐本體中一第二燃燒煙氣的生成。

在本創作一實施例中，該第一燃燒煙氣為氮氧化物(NOx)氣體，該第二燃燒煙氣為一氧化碳(CO)。

在本創作一實施例中，該鍋爐系統更包括一鍋爐溫度計，用於量測該鍋爐本體內至少一燃燒溫度，該鍋爐溫度計設置用於量測該鍋爐本體內產生該第一燃燒煙氣時對應的一第一燃燒溫度，並設置用於量測該鍋爐本體內產生該第二燃燒煙氣時對應的一第二燃燒溫度。

在本創作一實施例中，該燃燒改進劑為水蒸氣。

在本創作一實施例中，該液體燃料為一植物性燃料，該植物性燃料選自於棕櫚油、椰子油、玉米油、米糠油、棉籽油、橄欖油、花生油、菜籽油、紅花籽油、芝麻油、大豆油、向日葵油、痳瘋樹油、大麻油、黃連木油、松油所組成的群組中的至少一種。

本創作產生的技術效果如下：

1)通過設置蒸氣噴嘴，將燃燒改進劑通入鍋爐本體，有效降低燃燒煙氣(特別是氮氧化物(NOx))的濃度，並可以同步避免一氧化碳(CO)的產生。

2)通過將蒸氣噴嘴設置於該噴油嘴的燃燒火焰的該中心位置，使燃燒改進劑自燃燒火焰的該中心位置被噴出，燃燒改進劑得以被完全汽化成更小的氣體分子，當燃燒煙氣中的氮原子與氧原子產生有效碰撞而生成氮氧化物分子(如一氧化氮、二氧化氮)時，汽化的燃燒改進劑能夠阻擋氮原子與氧原子之間的有效碰撞，藉以減少氮原子與氧原子間因發生有效碰撞形成氮氧化物的機率，進而減少所排放出的煙氣中氮氧化物的濃度，並可以同步避免一氧化碳(CO)的產生。

3)通過設置集管箱與蒸氣回受管路，鍋爐燃燒過程中將加熱液態水所產生的水蒸氣由集管箱收集，將部分收集的水蒸氣經由蒸氣回受管路傳輸至蒸氣噴嘴，再通過蒸氣噴嘴通入鍋爐本體的燃燒室，形成一鍋爐本體內部水蒸氣循環，如此可以省略由外部通入水蒸氣/燃燒改進劑的步驟，並進一步降低燃燒煙氣(特別是氮氧化物(NOx))的濃度。

1:鍋爐系統

10:鍋爐本體

11:燃燒室

111:視窗

12:液態水層

13:水蒸氣層

20:供油槽

21:供油管路

22:噴油嘴

23:供油泵

24:供油調整閥

30:供水槽

31:供水管路

32:供水泵浦

40:煙氣偵測器

50:蒸氣噴嘴

51:蒸氣調整閥

60:主蒸氣供應管路

61:集管箱

611:蒸氣回受管路

612:蒸氣流量計

62:生產用蒸氣管路

70:鼓風機

71:送風管路

72:送風口

80:煙氣排放管

90:鍋爐溫度計

200:燃燒火焰

300:汽化的燃燒改進劑

圖1為本創作一實施例的一種降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統方塊示意圖。

圖2為本創作一實施例的的鍋爐系統的噴油嘴及蒸氣噴嘴配置示意圖。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，現配合圖式說明如下：請參閱圖1，為依據本創作一實施例的一種降低燃燒煙氣排放的鍋爐系統方塊示意圖。本創作的鍋爐系統1包括：鍋爐本體10、供油槽20、供水槽30、煙氣偵測器40、蒸氣噴嘴50、主蒸氣供應管路60、集管箱61、鼓風機70、以及煙氣排放管80。

鍋爐本體10內部形成燃燒室11，該燃燒室11用於燃燒液體燃料，其中該鍋爐本體10由下往上依序包括該燃燒室11、一液態水層12與一水蒸氣層13，該燃燒室11設置於該鍋爐本體10的底部，該水蒸氣層13形成於該鍋爐本體10的頂部，該液態水層12形成於該燃燒室11與該水蒸氣層13之間。燃燒室11旁側設有一點火器(未圖示)，並通過一視窗111(見於圖2)供使用者觀看鍋爐本體10內部的燃燒狀態。燃燒液體燃料產生的熱能則用於將液態水加熱，液態水加熱汽化產生的水蒸氣則用於乾燥、加溫用途，燃燒過程中維持該鍋爐本體內的蒸氣壓力在3至5Kg/cm²的範圍內，在較佳的實施例中，將鍋爐本體內的蒸氣壓力維持在約5Kg/cm²。

供油槽20通過供油管路21連接噴油嘴22，該供油管路21設置於該噴油嘴22與該供油槽20之間，用於將該液體燃料供應至該噴油嘴22，並且該噴油嘴22設置於該燃燒室11，用於將該液體燃料噴射至該燃燒室11內。一供油泵23和一供油調整閥24分別設於該供油管路21，供油泵23將該液體燃料自該供油槽20泵送至該噴油嘴，供油調整閥24用以控制液體燃料經由該供油管路21噴射至該燃燒室11的流量。

供水槽30經由一供水管路31將液態水供應至該鍋爐本體10的液態水層12內，更詳細地說，供水槽30包括一供水泵浦32，供水泵浦32將該液態水自該供水槽30通過供水管路31泵送至該鍋爐本體10的液態水層12內。

煙氣偵測器40設置於該鍋爐本體10，選擇性地包括一個或多個氣體感測器(未圖示)，用於在燃燒液體燃料時監測該鍋爐本體10內產生的至少一種燃燒煙氣的濃度。

該蒸氣噴嘴50設置於該鍋爐本體10的燃燒室11內，用於將燃燒改進劑注入/噴發至該燃燒室11內。該燃燒改進劑用於降低該燃燒室11內火焰溫度，藉以減少燃燒過程中氮氧化物(NOx)的生成。在一些實施例中，該蒸氣噴嘴50為氣體噴嘴、液體噴嘴或汽化噴嘴中所組成的群組中的至少一種噴嘴結構。

至少一主蒸氣供應管路60與該鍋爐本體10的水蒸氣層13連通，鍋爐本體10於燃燒狀態產生的水蒸氣通過該主蒸氣供應管路60傳輸至集管箱61，即該主蒸氣供應管路60設置於該鍋爐本體10的水蒸氣層13，並延伸至鍋爐本體10外並連通該集管箱61。集管箱61與該主蒸氣供應管路60連接，用以收集該主蒸氣供應管路60傳輸的水蒸氣，該集管箱61並連接至少一生產用蒸氣管路62，用於傳輸該水蒸氣供其他加熱用途。

鼓風機70連接該鍋爐本體10，提供空氣進入該鍋爐本體10的燃燒室11，並通過一送風管路71由一送風口72提供空氣進入該鍋爐本體10的燃燒室 11，該送風口72設置於該燃燒室11，使得該空氣與由該噴油嘴22流出的液體燃料均勻混合燃燒，藉以燃燒該液體燃料，並控制該送風管路71的一風門(未圖示)以調整空氣通過的流量。

煙氣排放管80設置於該鍋爐本體10頂部，與該燃燒室11連通設置，用於排放燃燒時產生的燃燒煙氣。

基本上，鍋爐本體10由下往上依序包括燃燒室11的空間、一液態水層12與一水蒸氣層13，該燃燒室11設置於該鍋爐本體10的底部對應視窗111處，該供水管路31自該鍋爐本體10的頂部延伸進入該鍋爐本體10的液態水層12處。

一鍋爐溫度計90設置於該鍋爐本體10，選擇性地包括一個或多個溫度偵測器(未圖示)，用於在燃燒液體燃料時量測該鍋爐本體10內至少一燃燒溫度。此外，該集管箱61更包括一蒸氣回受管路611，該集管箱61通過該蒸氣回受管路611與該蒸氣噴嘴50連接，用於將被收集的水蒸氣經由該蒸氣噴嘴50注入該燃燒室11。該鍋爐系統1的燃燒室11、主蒸氣供應管路60、集管箱61、蒸氣回受管路611與該蒸氣噴嘴50形成一鍋爐本體水蒸氣循環迴路，主蒸氣供應管路60將燃燒產生的水蒸氣回收集中至集管箱61，部分回收集中的水蒸氣從集管箱61流經蒸氣回受管路611從蒸氣噴嘴50噴射至該燃燒室11內，以控制燃燒時產生的燃燒煙氣的濃度。在這個水蒸氣循環迴路中將可不需要再由外部額外提供水蒸氣。另外該蒸氣回受管路611另包括一蒸氣流量計612，用以供使用者可以清楚得知當下經由該蒸氣噴嘴50噴射至該燃燒室11的燃燒改進劑流量。

需要注意的是，請參閱圖2，為本創作一實施例的鍋爐系統的噴油嘴及蒸氣噴嘴配置示意圖。在圖2的實施例中，該蒸氣噴嘴50設置於該噴油嘴22的燃燒火焰200的一中心位置，即該蒸氣噴嘴50設置於燃燒火焰200範圍的中心位置處。上述的設置使得該蒸氣噴嘴50將該燃燒改進劑注入該燃燒室11時能夠使該燃燒改進劑自燃燒火焰200的中心位置處噴出，以將該燃燒改進劑汽化完全，增加汽化的燃燒改進劑300與燃燒火焰200的接觸面積。燃燒改進劑的汽化(小分子化)程度越高，就可以生成更多小分子阻隔燃燒煙氣中的氮原子與氧原子的結合，減少氮原子與氧原子之間因有效碰撞生成氮氧化物的機率，如此將可避免燃燒煙氣中的氮氧化物(NOx)的濃度上升，藉此可以在燃燒該液體燃料時控制燃燒時產生的燃燒煙氣的濃度，並達到使燃燒過程穩定的效果。

在一些實施例中，該燃燒改進劑為水蒸氣，另外，該液體燃料為一植物性燃料，該植物性燃料選自於棕櫚油、椰子油、玉米油、米糠油、棉籽油、橄欖油、花生油、菜籽油、紅花籽油、芝麻油、大豆油、向日葵油、痳瘋樹油、大麻油、黃連木油、松油所組成的群組中的至少一種。在一較佳實施例中，該植物性燃料為植物油，採用植物油作為供應鍋爐系統1燃燒的燃料的優點在於：1)植物油具有高熱值(Heating Value)，熱值為一單位數量的燃料完全燃燒時產生的熱量，植物油的熱值約為9400Kcal/Kg以上，燃燒植物油產生的熱值較燃燒煤炭產生的熱值高，並且燃燒植物油產生的二氧化碳排放遠低於燃燒煤炭產生的二氧化碳排放；2)植物油燃燒後不會有硫化物、重金屬顆粒產生的疑慮，植物油燃燒後產生的懸浮顆粒少，氮氧化物及碳排放量相對較低。

需要注意的是，該蒸氣噴嘴50包括一蒸氣調整閥51，用於控制由該蒸氣噴嘴50進入該燃燒室11的燃燒改進劑的流量及/或流速。蒸氣噴嘴50可以根據鍋爐本體10內產生的至少一種燃燒煙氣的濃度及/或鍋爐本體10內至少一燃燒溫度等燃燒條件來調整燃燒改進劑加入該燃燒室11的流量及/或流速。例如，該煙氣偵測器40監測該鍋爐本體10中一第一燃燒煙氣的一初始濃度，並在燃燒改進劑注入該燃燒室11後監測該鍋爐本體10中一第二燃燒煙氣的生成；或例如該鍋爐溫度計90用於量測該鍋爐本體10內產生該第一燃燒煙氣時對應的一第一燃燒溫度，並用於量測該鍋爐本體10內產生該第二燃燒煙氣時對應的一第二燃燒溫度。此處該第一燃燒煙氣為氮氧化物(NOx)氣體，該第二燃燒煙氣為一氧化碳(CO)。更詳細地說，將燃燒改進劑加入該燃燒室11內後，監測該鍋爐本體10中的第一燃燒煙氣的一濃度，直到該鍋爐本體10內產生一第二燃燒煙氣時，量測該鍋爐本體10內的溫度為一第二燃燒溫度，並降低加入該燃燒改進劑的速率至一臨界速率，以避免產生第二燃燒煙氣。其中該臨界速率為使該燃燒改進劑以大於或等於20公斤/小時並小於40公斤/小時的速率提供。因此，監測燃燒改進劑加入的量、鍋爐本體10內燃燒溫度以及燃燒煙氣的濃度三者間的關係，使得燃燒改進劑確實逐步降低鍋爐本體10內燃燒產生的煙氣，所排放的NOx濃度得以減少，並控制水蒸氣加入鍋爐本體10的量，即當鍋爐本體10內產生第二燃燒煙氣(一氧化碳(CO))時即降低水蒸氣通入鍋爐本體10內的量，同步避免一氧化碳(CO)的產生。因此通過控制加入鍋爐本體10內的水蒸氣的量，並監測鍋爐本體10內對應不同水蒸氣的量的對應溫度，使得鍋爐本體10內可以達到一個將氮氧化物(NOx)的排放量降低至最少並且不會伴隨有一氧化碳(CO)產生的理想燃燒狀態。

另外需要說明的是，將鍋爐本體10內的蒸氣壓力維持在約3Kg/cm²至5Kg/cm²的作用是當鍋爐本體10內的蒸氣壓力在低於3Kg/cm²的時候，水蒸氣中液態水的含量高，即水蒸氣中的水分子可能未完全汽化而呈現半霧化的液滴狀態，或是半液化半汽化的液滴狀態，由以上描述可以得知，水蒸氣分子汽化的程度越高，與燃燒煙氣的接觸面積就越大，當燃燒煙氣中的氮原子與氧原子產生有效碰撞而生成氮氧化物分子(如一氧化氮、二氧化氮)時，水分子在蒸氣狀態(小分子狀態)下會阻隔燃燒煙氣中的氮原子與氧原子的結合，汽化的水蒸氣能夠阻擋氮原子與氧原子之間的有效碰撞，進而減少氮原子與氧原子之間因有效碰撞生成氮氧化物的機率，因此將鍋爐本體10內的蒸氣壓力維持在約3Kg/cm²至5Kg/cm²左右的狀態下有助於使水蒸氣中水分子的氣化程度越高而提升阻隔燃燒煙氣中氮原子與氧原子的結合而生成氮氧化物的能力。

綜上所述，本創作產生的技術效果如下：

1)通過設置蒸氣噴嘴，在鍋爐系統燃燒時，將燃燒改進劑通入鍋爐本體，有效降低燃燒煙氣(特別是氮氧化物(NOx))的濃度。原理在於該燃燒改進劑為水蒸氣，水蒸氣可以降低該燃燒室內火焰溫度，藉以減少燃燒過程中氮氧化物(NOx)的生成。

2)通過將蒸氣噴嘴設置於該噴油嘴的燃燒火焰的中心位置，使燃燒改進劑自燃燒火焰的中心位置處被噴出，燃燒改進劑得以被完全汽化成更小的氣體分子，即得到完全汽化的水蒸氣，當燃燒煙氣中的氮原子與氧原子產生有效碰撞而生成氮氧化物分子(如一氧化氮、二氧化氮)時，汽化的水蒸氣能夠阻擋氮原子與氧原子之間的有效碰撞，即汽化的水蒸氣分子阻隔燃燒煙氣中氮原子與氧原子的結合而生成氮氧化物的能力，進而減少所排放出的煙氣中氮氧化物的濃度，並可以同步避免一氧化碳(CO)的產生。並且可以以低成本設備和簡單的方式去除氮氧化物，無須依賴額外的廢氣處理設備或洗滌裝置。

3)通過將燃燒室、主蒸氣供應管路、集管箱、蒸氣回受管路與該蒸氣噴嘴50設置為一鍋爐本體水蒸氣循環迴路，燃燒過程中液態水加熱產生的水蒸氣被回收集中，並將部分回收集中至集管箱的水蒸氣通過蒸氣噴嘴再注入鍋爐本體，形成該鍋爐本體水蒸氣循環迴路，如此可以省略由外部通入水蒸氣/燃燒改進劑的步驟，並進一步降低燃燒煙氣(特別是氮氧化物(NOx)氣體)的濃度。

綜上所述，雖然本創作已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，本創作所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。