一种氨气的旋流MILD燃烧装置

技术领域

本发明属于碳氢燃料燃烧装置技术领域，尤其涉及一种氨气的旋流MILD燃烧装置。

背景技术

目前，氨(NH3)作为最具吸引力的氢载体之一和优良的无碳替代燃料，具有能量密度高、存储和运输安全、单位储能成本低等特点，国际能源署(IEA)在2017年将氨认定为可再生能源。现有的氨储存与输运的工业体系已经非常成熟和可靠，而高效的能源储存方式有助于解决可再生能源利用中的不确定性和难以程序化等问题。因此，研究高效清洁的氨燃烧技术作为一个极具吸引力的推广可再生能源利用、实现“双碳目标”的方案，目前已经成为了国际和国内燃烧领域的研究热点。

与常规的碳氢燃料相比，氨的燃烧特性不利于其作为燃料的推广使用，例如低层流火焰传播速度、弱点火特性会导致氨气燃烧稳定性差；氨的低热值特性会导致其燃烧温度较低，易出现氨泄露的风险；而由于氨气含氮会导致其燃烧后产生高NOx排放。目前已有许多研究采用掺混高反应性燃料来解决氨燃烧不稳定的问题。合成气(主要的燃料组分为H2和CO)是实现碳基燃料向无碳燃料过渡的一种有前景的替代燃料。然而由于合成气热值较低，氨气掺混合成气燃烧稳定性差，NOx排放和NH3泄漏的情况更为严重。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)低层流火焰传播速度、弱点火特性会导致氨气燃烧稳定性差。

(2)氨的低热值特性会导致其燃烧温度较低，易出现氨泄露的风险。

(3)氨气含氮会导致其燃烧后产生高NOx排放，合成气热值较低，氨气掺混合成气燃烧稳定性差，NOx排放和NH3泄漏的情况更为严重。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种氨气的旋流MILD燃烧装置。氨气合成气的混合气体可通过旋流燃烧器在燃烧室底部实现高稀燃烧，利用观察窗可观测底部燃料的燃烧情况。底部高稀燃烧产生高温稀释空气在燃烧室中形成高温低氧环境。在燃烧室中部设置有环绕燃烧室分布的氨气喷嘴，氨气通过喷嘴进入燃烧室，在高温低氧环境中氨气表现出均匀燃烧的特性，避免了局部热区的形成，实现了良好的MILD燃烧状态，能够有效降低氮氧化物的排放。燃烧产生的高温烟气一方面通过换热器对外输送能量，另一方面能将氨气预热到500-800℃的温度范围，促进氨气部分热解为氮气和氢气，有利于提高燃烧稳定性，拓宽底部的稳燃范围，提高燃烧效率。

本发明是这样实现的，一种氨气的旋流MILD燃烧装置，所述包括静态预混腔、旋流器、燃烧室、氨气喷嘴、换热室和氨气预热区；

所述静态预混腔的底部连接合成气进口、空气进口和底部氨气进口，所述静态预混腔的上侧连接引流装置，引流装置上侧连接旋流器；旋流器由引流装置固定在燃烧室下方；燃烧室中部安装若干排氨气喷嘴，与侧面氨气进口连接；燃烧室上部与换热室连接；换热室中部设置有氨气预热区，氨气管道通过氨气预热区后连接底部和侧面氨气进口。

进一步，该装置设置有气体输送组件，其包括合成气进口、空气进口、底部及侧面氨气进口；

合成气、空气和部分预热氨气在静态预混腔中形成的预混气体经引流装置通过旋流器后进入燃烧室；底部的预混气体进入燃烧室后，被脉冲点火器引燃后发生高稀燃烧并产生高温稀释空气；部分预热氨气通过侧面氨气进口，通过所述氨气喷嘴喷入燃烧室，在燃烧室内的高温低氧环境中发生MILD燃烧。

进一步，底部预混气体在燃烧室中燃烧产生高温低氧环境，通过调整工况获得合适的氧浓度和温度范围以确保侧面通入的氨气能够发生MILD燃烧并实现低NOx排放和零NH3泄露。

所述旋流器结构能够有效提高底部燃料的燃烧稳定性，有助于扩宽底部燃料的稳燃当量比范围(尤其是贫燃程度)，在总当量比小于1的工况下能够实现同功率下更高流量的氨气MILD燃烧，旋流器采用预混燃烧结构，能够确保底部燃料得到充分燃烧并为氨气燃烧提供高温稀释空气。

进一步，所述旋流器结构包含旋流叶片，旋流叶片围绕直径为13mm的中心管均匀分布，每个所述叶片呈现弯扭段结构，弯扭段结构相对于中轴线安装角度为45°，以有利于气流的充分混合。旋流器总直径约为35mm。

进一步，所述旋流器的上方设有脉冲点火器，用于点燃预混气体。

进一步，所述氨气喷嘴为均匀环绕布置方式，每排氨气喷嘴数量为12个，两排氨气喷嘴与底部旋流器的上表面垂直距离分别为50mm和100mm。

进一步，所述燃烧室一侧的壳体上设置观察窗，观察窗为耐高温石英玻璃，可通过观察窗观测燃烧室底部和内部的燃烧状况，便于调整燃料功率及当量比。

进一步，所述燃烧室内部设置若干热电偶，热电偶可测量燃烧室内不同高度位置的温度，得到燃烧室温度分布情况；选择测温热电偶型号为B分度号，取烟气最先通过的热电偶为1号热电偶，则其与底部旋流器的垂直距离为30mm，各热电偶间距离为50mm。

进一步，所述燃烧室周围需采取保温措施，减少燃烧室周围壁面的热损失，燃烧室上侧设置换热室，利用换热管与烟气进行逆流换热，同时避免燃烧室局部高温，进一步减少热力型NOx的生成。

进一步，所述换热室中部设置有氨气预热区，氨气在通入旋流器或燃烧室前需经过氨气预热区预热到500-800℃，促进氨气部分热解为氮气和氢气，有利于提高燃烧稳定性，拓宽底部的稳燃范围，提高燃烧效率。

进一步，所述燃烧室顶部设置集烟罩，集烟罩可收集燃烧产生的烟气并通过烟气分析仪测量烟气组分，进一步探究氨气的燃烧状态。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

使用预混腔和旋流器能够确保高过量的空气与底部燃料能够得到充分混合，并能够迅速发生高稀燃烧并产生高温稀释空气，为氨气的MILD燃烧提供了良好的高温低氧环境；氨气的热值低，可燃性极限范围窄，采用合成气掺混氨气进行高稀燃烧并提供高温稀释空气，氨气在高温低氧环境中发生MILD燃烧，有效地提高了氨气的燃烧稳定性，能够确保氨气完全燃烧且显著降低了NOx的排放。具体表现为氨气在燃烧室内能够均匀燃烧，热流分布均匀，燃烧室内温度场均匀且峰值温度相对较低，噪音极小。底部预混气体通过旋流器进入燃烧室中发生旋流燃烧，能够确保底部燃料得到充分燃烧并有效提高燃烧稳定性，扩宽底部燃料的稳燃当量比范围。在燃烧室侧面设置若干排均匀环绕布置的氨气喷嘴，氨气通过侧面氨气喷嘴进入燃烧室中发生MILD燃烧。燃烧室周围需采取保温措施，减少燃烧室周围壁面的热损失，燃烧室上侧设置换热室，利用换热管与烟气进行逆流换热，同时避免燃烧室局部高温。换热室中部设置氨气预热区，氨气预热到500-800℃后通入旋流器和燃烧室中发生燃烧，促进氨气部分热解为氮气和氢气，有利于提高燃烧稳定性，拓宽底部的稳燃范围，提高燃烧效率。通过观测窗、热电偶测量燃烧室温度和烟气分析仪分析烟气组分等手段监测氨气燃烧状况，调整底部燃料的功率及当量比和氨气流量，在确保燃烧状态良好的条件下能够实现更高氨气流量的燃烧，提高了装置了经济和环境效益。

预混腔和旋流器能够确保高过量的空气与底部燃料能够得到充分混合，并能够迅速发生高稀燃烧并产生高温稀释空气，为氨气的MILD燃烧提供了良好的高温低氧环境；氨气在燃烧室内能够均匀燃烧，热流分布均匀，燃烧室内温度场均匀且峰值温度相对较低，噪音极小；利用观测窗、热电偶测量燃烧室温度和烟气分析仪分析烟气组分等手段监测氨气燃烧状况，调整底部燃料的功率及当量比和氨气流量，在确保燃烧状态良好的条件下能够实现更高氨气流量的燃烧；换热室中部设置氨气预热区，氨气经过预热后再通入旋流器和燃烧室中发生燃烧，促进氨气部分热解为氮气和氢气。

针对当前研究存在的问题，本装置采用氨气旋流MILD燃烧装置：针对氨气掺混合成气的燃烧稳定性低的问题，本装置采用预混旋流装置有助于提高燃烧稳定性，拓宽底部稳燃当量比范围；针对高NOx排放的问题，本装置在燃烧室中部采用MILD燃烧方式，避免了局部热区的形成，同时氨气将NOx还原为N2，能够显著降低氨气燃烧产生的NOx排放；针对高NH3泄露的问题，本装置可通过调控底部当量比和掺混比有效控制燃烧室中高温稀释空气的温度及稀释程度，在合适的工况范围下能够实现低NH3泄露。

附图说明

图1是本发明实施例提供的氨气的旋流MILD燃烧装置实验台架结构图。

图2是本发明实施例提供的氨气的旋流MILD燃烧装置旋流器结构图。

图3是本发明实施例提供的旋流叶片结构示意图。

图4是本发明实施例提供的合成气、空气及底部氨气进口结构示意图。

图5是本发明实施例提供的侧面氨气进口结构示意图。

图1中：1、合成气进口；2、空气进口；3、底部氨气进口；4、静态预混腔；5、引流装置；6、旋流器；7、燃烧室；8、脉冲点火器；9、观察窗；10、热电偶；11、氨气喷嘴；12、侧面氨气进口；13、换热室；14、换热管；15、氨气预热区；16、集烟罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

氨(NH3)作为最具吸引力的氢载体之一和优良的无碳替代燃料，具有能量密度高、存储和运输安全、单位储能成本低等特点。然而氨的弱点火、低热值、含氮等特性会带来氨气燃烧稳定性差、氨泄露风险高及NOx排放高等问题。目前已有许多研究采用掺混高反应性燃料来解决氨燃烧不稳定的问题，但研究局限在氨气掺混CH4/H2/CO，对于氨气掺混实际合成气的实验研究较少。合成气(主要燃料组分为H2和CO)是实现碳基燃料向无碳燃料过渡的一种有前景的替代燃料。然而由于合成气热值较低，氨气掺混合成气燃烧稳定性差，NOx排放和NH3泄漏的情况更为严重。

本发明实施例包括气体输送组件、静态预混腔、旋流器、燃烧室、氨气喷嘴、换热室和氨气预热区。所述气体输送组件包括合成气进口、空气进口、底部及侧面氨气进口。所述静态预混腔的底部连接合成气进口、空气进口和底部氨气进口，所述静态预混腔的上侧连接引流装置，引流装置上侧连接旋流器。所述合成气进口、空气进口和底部氨气进口连接静态预混腔的底部，静态预混腔的上侧连接引流装置，引流装置上侧连接旋流器，旋流器通过引流装置固定在燃烧室的下方。燃烧室中部安装若干排氨气喷嘴，氨气喷嘴与侧面氨气进口连接；燃烧室上部与换热室连接；换热室中部设置有氨气预热区，氨气管道通过氨气预热区后连接底部和侧面氨气进口。

合成气、空气和部分预热氨气在静态预混腔中形成的预混气体经引流装置通过旋流器后进入燃烧室。底部的预混气体进入燃烧室后，被脉冲点火器引燃后发生高稀燃烧并产生高温稀释空气。同时，部分预热氨气通过侧面氨气进口，通过所述氨气喷嘴喷入燃烧室，在燃烧室内的高温低氧环境中发生MILD燃烧。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

本发明提供了如图1所示的一种氨气的旋流MILD燃烧装置，包括气体输送组件、静态预混腔4、旋流器6、燃烧室7、氨气喷嘴11、换热室13和氨气预热区15。所述气体输送组件包括合成气进口1、空气进口2、底部氨气进口3及侧面氨气进口12。所述静态预混腔4的底部连接合成气进口1、空气进口2和底部氨气进口3，所述静态预混腔4的上侧连接引流装置5，引流装置5上侧连接旋流器6。合成气、空气和预热氨气在静态预混腔4中形成的预混气体经引流装置5通过旋流器6后进入燃烧室7。底部的预混气体进入燃烧室7后，被脉冲点火器8引燃后发生高稀燃烧并产生高温稀释空气。所述氨气喷嘴11连接侧面氨气进口12，氨气经过氨气预热区15预热后从侧面氨气进口12通过所述氨气喷嘴11喷入燃烧室7，在燃烧室内的高温低氧环境中发生MILD燃烧。

作为进一步优选地，所述旋流器6结构能够有效提高底部燃料的燃烧稳定性，有助于扩宽底部燃料的稳燃当量比范围(尤其是贫燃程度，能够实现当量比为0.4工况下的稳定燃烧)，在总当量比小于1的工况下能够实现同功率下更高流量的氨气MILD燃烧，旋流器6采用预混燃烧结构，能够确保底部燃料得到充分燃烧并为氨气燃烧提供高温稀释空气。

作为进一步优选地，旋流器6结构包含12个旋流叶片，旋流叶片围绕直径为13mm的中心管均匀分布，每个所述叶片呈现弯扭段结构，弯扭段结构相对于中轴线安装角度为45°，以有利于气流的充分混合。旋流器总直径约为35mm。

作为进一步优选地，旋流器6的上方设有脉冲点火器8，用于点燃预混气体。

作为进一步优选地，氨气喷嘴11为均匀环绕布置方式，每排氨气喷嘴11数量为12个，两排氨气喷嘴11与底部旋流器6的上表面垂直距离分别为50mm和100mm。

作为进一步优选地，燃烧室7一侧的壳体上设置观察窗9，观察窗9为耐高温石英玻璃，可通过观察窗9观测燃烧室底部和内部的燃烧状况，便于调整燃料功率及当量比。

作为进一步优选地，燃烧室7内部设置若干热电偶10，热电偶10可测量燃烧室内不同高度位置的温度，得到燃烧室温度分布情况；选择测温热电偶型号为B分度号，取烟气最先通过的热电偶为1号热电偶，则其与底部旋流器的垂直距离为30mm，各热电偶间距离为50mm。

作为进一步优选地，所述燃烧室7周围需采取保温措施，减少燃烧室周围壁面的热损失，燃烧室7上侧设置换热室13，利用换热管14与烟气进行逆流换热，同时避免燃烧室局部高温，进一步减少热力型NOx的生成。

作为进一步优选地，所述换热室13中部设置有氨气预热区15，氨气在通入旋流器或燃烧室前需经过氨气预热区15预热到500-800℃，促进氨气部分热解为氮气和氢气，有利于提高燃烧稳定性，拓宽底部的稳燃范围，提高燃烧效率。

作为进一步优选地，所述燃烧室顶部设置集烟罩16，集烟罩可收集燃烧产生的烟气并通过烟气分析仪测量烟气组分，进一步探究氨气的燃烧状态。

合成气通入底部合成气进口1，压缩空气通入空气进口2，氨气经氨气预热区15预热通入底部氨气进口3，合成气、空气和预热氨气进入静态预混腔4进行充分预混，预混气体通过引流装置5进入旋流器6后被脉冲点火器8引燃后发生高稀燃烧，在燃烧室7内产生高温低氧环境。旋流器6能有效提高底部燃料的燃烧稳定性，有助于扩宽底部燃料的稳燃当量比范围(尤其是贫燃程度)，在总当量比小于1的工况下能够实现同功率下更高流量的氨气MILD燃烧；氨气由侧面氨气进口11进入，经过氨气预热区15预热后部分分解为氮气和氢气，有效改善氨气的燃烧不稳定的问题，提高氨气的稳燃范围。预热氨气一部分通过底部旋流器6进入燃烧室7中发生高稀燃烧；另一部分通过氨气喷嘴11喷入燃烧室7，在燃烧室内高温低氧环境中氨气表现出均匀燃烧的特性，避免了局部热区的形成，实现了良好的MILD燃烧状态，能够有效降低氮氧化物的排放。

表1合成气的组分比例和热值

表2实验工况

初步试验结果表明，在纯预混工况下(即侧面不通氨，如case1-1、case2-1……case5-1)，氨气/合成气预混旋流燃烧状况稳定，无氨气泄露情况，但NOx排放较高(均大于5000ppm)；在侧面通入少量氨气后，NOx排放显著下降，且没有明显氨气泄露的情况；进一步升高侧面氨气流量，尤其在当量比升高趋近富燃工况时，燃烧烟气中出现显著的氨气泄露情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。