整合式燃烧装置节能系统的制作方法

本发明涉及一种整合式燃烧装置节能系统，特别是一种针对燃烧装置的废热再利用的整合式燃烧装置节能系统。

背景技术：

依据统计，工业部门能耗占总体能耗的38％，而燃烧装置约占工业能耗70％，因此提升燃烧装置效能，对于减少总能源投入应有最大助益。

工业工艺的能源供给方式可分为(燃料)燃烧式及电热式，例如锅炉、熔解炉、加热炉、热处理炉、锻造炉、高炉、窑炉等，其中以燃烧式较多。燃烧式装置除了燃料使用之外，也有耗用电力的周边元件如鼓风机、液泵、控制电路等，因此燃烧装置里“油”与“电”的需求同时存在。在两种能源型态缺一不可之下，对使用者来说，不论用油或用电，都与其投入成本有关，具体而言即是节油与节电需同时并行，才能将提升经济效益的努力做到最佳化。

就燃烧装置而言，燃烧装置的运作是将石化能源(天然气、柴油、重油)与空气混合进行燃烧，产生大量热能来增加原物料或水的温度，达到工艺所需的融化、沸腾、蒸发或热处理等主要工作。经过这些原物料或水的热能吸收利用后，多余的热能通常会再经过热回收装置来回收部分热能，剩下的废热就以烟气、辐射热方式排放。综看整个燃烧装置的能源使用情形，可知设备的燃烧状况好坏与制造过程的热利用多寡就决定设备大部分的能源利用率，其他剩下的热能则是散失或排放掉。而这些运作过程损失的能源可归因于燃烧器的燃烧不完全、废热的排放、设备壁面和管路经保温后的低温(>70℃)热散失。燃烧装置的燃烧不完全，造成燃料热值无法完全贡献于工艺，还会产生较多的污染物，例如CO、SOx、NOx及粉粒，进一步衍生出设备脏污及空气污染问题。而废热的排放，除了热能浪费外，厂区环境的热污染可能增加空调负担。

以氢气作为碳氢化合物燃料的助燃成分，已有相当多的实证确认其具有减少燃料耗用与降低排气有害污染物浓度等优点。例如在以甲烷为燃料的发电机 组，于特定条件下添加少量的氢气(例如10％vol)，即可有效降低CO₂排放量，同时大幅提升燃烧效率(例如提升20％以上)而节省可观燃料。由于燃料占燃烧设备生命周期内99％的成本，因此些微节约比例都可节省庞大费用，实际产生的经济效益，则需视取得氢气的方式而定。由于在地球的自然界，氢几乎都是以化合物型态存在(例如水)，而甚少存在还原态的氢气，因此必须以人工的方法制造。目前最常见且成熟的氢气制造技术，主要是化石原料裂解、化学工业工艺副产物生成与水电解，其中化石原料裂解的主要作法，是通过称之为重整反应的程序，将碳氢化合物与水的混合物在高温下分解成碳氧化物与氢，而生成物有时也会包括反应不全的积碳以及其他碳链的碳氢化合物等。水电解是以电力驱动，透过电极将水分解成氢与氧，程序与成分都较为单纯。碳氢化合物重整必然排碳，电解技术在系统本身无碳排放，但若电力是来自一般以化石燃料运作的集中式发电厂，等于也会排碳，程度也未必较化石原料重整低。

在作为辅助燃烧的产氢选项上，化石原料重整产氢与电解产氢技术，除了工作能源形式不同之外，最大的差异在于产物成分。化石原料产氢的产物成分主要为氢气与二氧化碳，并视转化效果会有残余反应用以及少量一氧化碳等；水电解产物为氢气与氧气。由于燃烧反应的发生，是基于燃料与氧气共同存在并达一定的浓度比例与温度条件等，因此从燃料输送的安全性来看，以化石原料重整产生的富氢气体，因为其中不含任何氧气，故只要确实做到管路密封良好以及流速控制得宜等措施，并不会在进入燃烧室之前起燃。水电解产生的氢氧混合气，若可同样做好管路密封以及流速控制，并加上严谨的逆止关卡等，一样能实现稳定的混合燃烧应用。然而与化石原料重整相比，只要氧气与氢气同时存在，风险相对就是比较高；或可采用氢氧分离的电解系统，但其单价相对氢氧混合系统高出许多。另一方面，化石原料重整产氢为高温触媒反应，需外加热以促进转化，此时可整合利用燃烧设备所产生的废热作为部分或全部所需的热能，在能量守衡之下实现热能再循环利用，大幅降低产氢成本，此为利用电力产氢的水电解所无法达成的效果。

虽然氢气辅助燃烧效能已被证实，且产氢技术选项亦存在，但实际上一般产业或因对氢气来源取得了解不足，或对氢气安全的认知问题等，因此甚少实用的案例。而目前投入此领域或氢气燃烧的，至今并未有显著的产业推广实绩出现。

以传统涡轮发电机为手段的工艺废热发电，已是相当成熟的技术，然而其适用的温度条件多在300℃以上，在此温度以下的热源则难以有价值地被利用。由于工业废热多在300℃以下，占比远超过以上者，加上电力需求逐渐提升的影响，近年来300℃以内的低温废热发电已逐渐受到各国重视。目前工业上已被证实能够在经济性之下有效利用低温废热的发电技术，仅有有机朗肯循环(Organic rankine cycle，ORC)及其衍生技术，或是热电发电技术(Thermoelectric power generation，TEG)。有机朗肯循环技术是利用低沸点流体驱动发电机，与传统发电机工作原理类似，占地较大，适合较高(例如100kW以上)的发电规模；热电发电技术是由特定固体材料在本体存在温差下，内部产生载子移动与能量输送的特性，直接将热能转为电能，过程中无任何动件，可从很小的发电量任意模块化放大至所需量，因此空间限制小，适合相对较低(例如100kW以内)的发电规模。由于工业废热规模种类多，此两种技术皆有相对适合的条件，因此在工业燃烧装置废热利用的情境上，这两种技术都有应用的空间与价值。

综上所述可知，由于现有燃烧装置的现况：燃烧装置排烟中仍有大量废热、液态/固态燃料不易完全燃烧且污染性高、常见燃料的空燃比有一定限制、燃烧装置周边用电量高、技术改进缓慢等，因此现有燃烧装置存在的问题包括：能源浪费、损害后端热回收装置、烟气对环境造成污染、容易有高NOx(氮氧化物)且热损高(并容易随使用期增加而提升)。若能提供一种可利用废热进行化石原料产氢(能源回收)、以氢气辅助燃烧提高燃烧效率的技术、或再将废热转换成电力(温差发电)后直接回馈设备使用的装置，则可达成总燃料用量减少、烟气品质提升、使后端热回收设备寿命增加、可自发电以减少电网电力消耗等效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种针对燃烧装置的废热再利用的整合式燃烧装置节能系统，以实现总燃料用量减少、烟气品质提升、使后端热回收设备寿命增加及可自发电以减少电网电力消耗等效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种整合式燃烧装置节能系统，其包含：

一产氢装置，用以产生富氢气体；

一燃烧装置，连接产氢装置以接收富氢气体用以燃烧并产生热能及烟气；

一烟气分配装置，连接燃烧装置及产氢装置，用以控制将烟气送入产氢装置或排至大气；

一产氢进料预热装置，连接烟气分配装置，用以撷取该烟气分配装置中的烟气废热以预热该产氢装置的产氢进料；以及

一发电装置，连接产氢进料预热装置，用以接收通过产氢进料预热装置的烟气并回收烟气的余热以产生电力，并将电力送至产氢装置或燃烧装置至少其中之一。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种整合式燃烧装置节能系统，其包含：

一产氢装置，用以产生富氢气体；

一燃烧装置，连接该产氢装置以接收该富氢气体用以燃烧并产生热能及烟气；

一烟气分配装置，连接该燃烧装置及该产氢装置，用以控制将该烟气送入该产氢装置或排至大气；以及

一产氢进料预热装置，连接该烟气分配装置，用以撷取该烟气分配装置中的烟气废热以预热该产氢装置产氢的产氢进料。

本发明的技术效果在于：

本发明的整合式燃烧装置节能系统，其主要包含上游端的产氢装置及下游端的发电装置，产氢装置利用燃烧装置的废热为热源(全部或部分)，以供给富氢气体予燃烧装置和原燃料混烧，达到更高效率和洁净的燃烧品质。其次，由发电装置将烟气废热转换为电力，供给燃烧装置或产氢装置上各类电力驱动装置使用，或现场其他用途。本发明可通过此组合使燃烧装置同时达到节约燃料与降低电网用电量的效果，或是在单独使用富氢气体辅助燃烧的下，达到节约燃料的效果。导入富氢气体辅助燃烧的主要目的，在于使燃烧装置可取得更好的燃烧效率而降低总燃料需求，同时也能降低烟气的污染性，使后端采用烟气热回收技术时，皆可因为烟气较为干净而降低对于取热界面的损害；导入发电装置的主要目的，在于试图减少燃烧装置对于电网电力的需求，因此利用其烟气废热产电并回馈制燃烧装置所使用的周边用电元件。本发明能使燃烧装置排放的废热大幅减少，并以回收的废热以及燃烧效率的提升，使改善后的燃烧装 置能比改善前呈现显著的节能成效。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为图1实施例设有燃烧器的结构示意图；

图3为图1实施例设有内预热器的结构示意图；

图4为图1实施例设有烟气温度控制热交换器的结构示意图；

图5为本发明另一实施例的结构示意图；

图6为图5实施例设有燃烧器的结构示意图；

图7为图5实施例设有内预热器的结构示意图。

其中，附图标记

100、100A、100B、100C、100D、100E、100F 整合式燃烧装置节能系统

110 产氢装置

111 第一温度感测器

120 燃烧装置

121 燃烧装置用燃料

130 烟气分配装置

140 产氢进料预热装置

141 产氢进料

142 残余烟气

150 发电装置

151 预热冷流体

160 余热回收装置

161 残余烟气

170A 燃烧器

170B 内预热器

180 烟气温度控制热交换器

181 第二温度感测器

182 流体流向控制阀

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请参阅图1所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140、一发电装置150以及一余热回收装置160。

产氢装置110是用以产生包含H₂、CO₂、CO、其他副产物和残余未反应物的富氢气体。关于产氢装置110的形状结构不限，例如蒸汽重整(steam reforming)产氢装置或等离子体重整产氢装置，蒸汽重整产氢装置是利用化石原料(例如甲烷、液化石油气、甲醇，或甚至重油、柴油等)与水混合后，经过高温触媒反应以产生富氢气体。与蒸汽重整产氢装置类似者包括自热重整(auto-thermal reforming)产氢装置、部分氧化重整(partial-oxidation reforming)产氢装置等也适用。而等离子体重整(plasma reforming)产氢装置则是采用等离子体将化石原料裂解方式而产生富氢气体。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作。必须说明的是，由于产氢反应属于吸热反应，因此必须在高温下操作，亦即，必须不断地供热给产氢装置110并使产氢装置110维持在一定标准的高温，才能确保产氢反应持续进行。

燃烧装置120的形式不限，例如锅炉、熔解炉、加热炉、热处理炉、锻造炉、高炉、窑炉，使用燃烧装置用燃料121作为燃烧进料。燃烧装置120连接产氢装置110，燃烧装置120可接收由产氢装置110产生的富氢气体，将富氢气体与燃烧装置120的原燃料混烧，于燃烧过程中即可产生热能及烟气。

烟气分配装置130连接于燃烧装置120及产氢装置110，烟气分配装置130设置于燃烧装置120的烟气出口处，燃烧装置120燃烧所产生的烟气进入烟气分配装置130后，可通过第一温度感测器111的信号，调整该烟气分配装置130而控制将烟气送入产氢装置110或排至大气。为达成上述控制烟气流向的目的，可将烟气分配装置130设计为一多向阀的形式，将多向阀连接燃烧装置120、产氢装置110及大气，即可控制使燃烧装置120与产氢装置110连通，或使燃烧装置120与大气连通。

值得强调说明的是，现有燃烧装置的烟气排放管道为单向管道，亦即所产生的烟气直接排放至大气，然由于烟气仍具有高温，亦即具有热能，因此本发明于燃烧装置120的烟气出口处设置一烟气分配装置130，并将烟气送至产氢装置110，由烟气供热给产氢装置110，可使得烟气的热能得到充分利用。而操作人员可按照对于产氢装置110加热的需求程度，通过调整烟气分配装置130而控制烟气的流量，以上述多通阀的形式而言，若需要产氢装置110快速加热，则将阀开度放大，且原本排烟管的开度缩小，迫使烟气流向产氢装置110；当产氢装置110过度加热时，则关闭阀门，使烟气回到原本排向大气的路径。以此即可调整对产氢装置110的加热强度。

请续参阅图1所示，产氢进料预热装置140连接于烟气分配装置130，用以撷取烟气分配装置130中的烟气的废热以预热供产氢装置110产氢的产氢进料141(例如，水与化石原料的混合物)。由于产氢反应需高温，因此通过产氢进料预热装置140利用烟气的废热预热产氢进料141，为最佳能源使用方案。

发电装置150连接于产氢进料预热装置140，用以接收通过产氢进料预热装置140的烟气并回收烟气的余热以产生电力，并将电力送至产氢装置110或燃烧装置120至少其中之一。发电装置150可为热电发电装置或有机朗肯循环装置其中之一。无论热电发电装置或有机朗肯循环装置，由于皆是靠温度差发电，因此需要一冷流体151，如图1所示，例如可采用燃烧用空气或进料水(例如当燃烧装置120为锅炉时)等作为冷流体151，同时该冷流体151也可因此获得预热后再进入燃烧装置120。

余热回收装置160连接发电装置150，用以回收发电装置150中的烟气的余热。由于在通过发电装置150、或烟气温度控制热交换器之后的冷流体151，其温度仍可能不高，而通过发电装置150后的烟气仍可能有一定的温度，因此可将冷流体151再导入此处的余热回收装置160，进一步回收废热，如图1粗线箭头所示路径。余热回收装置160的残余烟气161则排放至大气。除此之外，可依实际所需而决定是否设置该余热回收装置160，亦即，若通过发电装置150或烟气温度控制热交换器之后的冷流体151的温度可达所需高温，则可不设置余热回收装置160，而是直接将冷流体151导入燃烧装置120即可。

就图1所示实施例而言，尤适用于当燃烧装置120所产生的烟气温度足够产氢装置110所需(例如，金属加热炉烟气温度通常在600℃以上)时，因此可 直接利用烟气分配装置130让烟气往产氢装置110流动，在产氢装置110到达工作温度后，通过第一温度感测器111发出一信号，以控制烟气分配装置130保持一定(较少)流量的烟气进入产氢装置110，其余烟气则流至原排气管道，亦即排放至大气。

请参阅图2所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100A包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140、一发电装置150以及一余热回收装置160。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作。产氢进料预热装置140用以预热产氢进料141。发电装置150用以预热冷流体151。上述构件的关联性及工作方式与图1所示实施例相同，本实施例与图1实施例的差异在于本实施例于产氢装置110中设有一燃烧器170A，利用燃烧器170A提供产氢装置110热能，以提升产氢装置110的温度。燃烧器170A的燃料可与燃烧装置120相同，使用燃烧装置用燃料121作为燃烧进料，也可以取用部分产氢进料141做为燃料。

请参阅图3所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100A包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140、一发电装置150以及一余热回收装置160。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作。产氢进料预热装置140用以预热产氢进料141。发电装置150用以预热冷流体151。上述构件的关联性及工作方式与图1所示实施例相同，本实施例与图1实施例的差异在于本实施例于燃烧装置120中设有一内预热器170B，利用内预热器170B撷取燃烧装置120的热能，以提升产氢进料141进入产氢装置110的温度。本实施例也可以结合图2的实施例，在产氢装置当中加装一燃烧器，同样采用燃烧器170A的燃料，或部分产氢进料141做为燃料，如此一来，当结合内预热器170B后，可更加快提升产氢装置140的温度。

如前所述，图1实施例尤适用于当燃烧装置120所产生的烟气温度足够产氢装置110所需的状况，然由于许多因素影响，可能导致燃烧装置120所产生的烟气温度不足以支撑产氢装置110所需，因此需要图2及图3所示实施例，通过于产氢装置110中设置一燃烧器170A，或是于燃烧装置120中设置一内 预热器170B，以弥补温度缺口。换言之，图2的燃烧器170A的作用与图3的内预热器170B的作用相同，都是作为一额外加热单元，通过燃烧燃料或从燃烧装置取得热能，以供产氢装置110使用。

请参阅图3所示，说明其工作原理：

(1)燃烧装置120启动至稳定，此时产氢装置110尚未启动。以烟气分配装置130将大部分烟气导通至产氢装置110，使产氢装置110升温。烟气经过产氢装置110后，可回到烟气分配装置130、产氢进料预热装置140或发电装置150的下游。

(2)产氢装置110被烟气升温到平衡温度，也就是约略为烟气的温度时，因该温度不足驱动产氢反应，因此可通过使产氢进料141于通过产氢进料预热装置140后进入内预热器170B，使产氢进料的温度大幅提升至超过产氢反应所需温度，使其在进入产氢装置110后，可以逐步拉高产氢装置110的温度。

(3)当烟气不再扮演提高产氢装置110的温度的角色时，则会在产氢装置110的腔体外侧作为保温层，此时烟气分配装置130会让大部分的烟气直接往下游前进，而只剩少量烟气会导引至烟气分配装置130处。上述过程是通过产氢装置110上的第一温度感测器111感测温度并传输信号给烟气分配装置130来调控。

(4)发电装置150在开机后接收到烟气时，即会开始发电，于发电初期，由于发电装置150本身尚未上升到目标工作温度，因此发电量较小，但会逐渐提升。发电装置150以燃烧装置120所需的燃烧用空气或是水作为冷流体151。发电装置150所产生的电力可供应给燃烧装置120、产氢装置110周边元件或其他用电装置使用。

(5)经过发电装置150的冷流体151可再进入发电装置150下游的余热回收装置160获得进一步升温后，再进入燃烧装置150，或也可选择直接进入燃烧装置120。

请参阅图4所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100C包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140、一发电装置150以及一余热回收装置160。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作。产氢进料预热装置140用以预热产氢进料 141。发电装置150用以预热冷流体151。上述构件的关联性及工作方式与图1所示实施例相同，本实施例与图1实施例的差异在于本实施例于产氢进料预热装置140与发电装置150之间设有一烟气温度控制热交换器180，用以接收由产氢进料预热装置140送出的烟气以及通过发电装置150的冷流体151。冷流体151流入烟气温度控制热交换器180(如图4粗线箭头路径)后，可于烟气温度控制热交换器180中降低烟气的温度。

烟气温度控制热交换器180的作用在于，当发电装置150为热电发电装置时，其适用温度在300℃以内，然而，当发电装置150为有机朗肯循环装置时，其适用温度为200℃，温度过高会导致使发电装置150损坏。因此，若烟气温度太高(例如，金属热处理炉排烟温度常在500℃以上)，则必须在烟气进入发电装置150前将烟气的温度降低。本实施的烟气温度控制热交换器180利用先通过发电装置150做散热用的燃烧用空气、进料水(当燃烧设备为锅炉时)作为冷流体，同时该冷流体也可进一步获得预热。此外，烟气温度控制热交换器180具有一第二温度感测器181，用以感测冷流体151在通过烟气温度控制热交换器180后的温度，若冷流体151在通过烟气温度控制热交换器180后的温度低于通过热发电装置150后的烟气的温度，则可将感测信号传送至一流体流向控制阀182，由流体流向控制阀182进一步将冷流体151导至余热回收装置160。

本发明在其他的实施例上，可不包含与发电相关的程序，而仅实施与富氢气体辅助燃烧相关的程序，如此亦可达到单纯节约燃料的目的。

请参阅图5所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100D包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作；使用燃烧装置用燃料121作为燃烧装置120的燃烧进料，通过产氢进料预热装置140利用烟气的废热预热产氢进料141，产氢进料预热装置140的残余烟气142则排放至大气。本实施例的实施方法与图1相似，但不包含发电装置150与余热回收装置160相关的程序。

请参阅图6所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100E包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140，一 燃烧器170A。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作；使用燃烧装置用燃料121作为燃烧装置120的燃烧进料，通过产氢进料预热装置140利用烟气的废热预热产氢进料141，产氢进料预热装置140的残余烟气142则排放至大气。本实施例的实施方法与图2相似，但不包含发电装置150与余热回收装置160相关的程序。

请参阅图7所示实施例，该整合式燃烧装置节能系统100F包含一产氢装置110、一燃烧装置120、一烟气分配装置130、一产氢进料预热装置140，一内预热器170B。产氢装置110具有一第一温度感测器111，用以感测产氢装置110的工作温度，并传输信号至烟气分配装置130，以控制烟气分配装置130的动作；使用燃烧装置用燃料121作为燃烧装置120的燃烧进料，通过产氢进料预热装置140利用烟气的废热预热产氢进料141，产氢进料预热装置140的残余烟气142则排放至大气。本实施例的实施方法与图3相似，但不包含发电装置150与余热回收装置160相关的程序。

综上所述，本发明所提供的整合式燃烧装置节能系统，其主要包含上游端的产氢装置及下游端的发电装置，产氢装置利用燃烧装置的废热为热源(全部或部分)，以供给富氢气体予燃烧装置和原燃料混烧，达到更高效率和洁净的燃烧品质。其次，由发电装置将烟气废热转换为电力，供给燃烧装置或产氢装置上各类电力驱动装置使用，或现场其他用途。本发明可通过此组合使燃烧装置同时达到节约燃料与降低电网用电量的效果，或是在单独使用富氢气体辅助燃烧之下，达到节约燃料的效果。导入富氢气体辅助燃烧的主要目的，在于使燃烧装置可取得更好的燃烧效率而降低总燃料需求，同时也能降低烟气的污染性，使后端而论采用何种烟气热回收技术时，皆可因为烟气较为干净而降低对于取热界面的损害；导入发电装置的主要目的，在于试图减少燃烧装置对于电网电力的需求，因此利用其烟气废热产电并回馈制燃烧装置所使用的周边用电元件。透过本发明，期望能使燃烧装置排放的废热大幅减少，并以回收的废热以及燃烧效率的提升，使改善后的燃烧装置能比改善前呈现显著的节能成效。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。