CN108700288A - 用于氨气燃烧的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于氨气燃烧的方法，其中第一燃烧室(2)接收具有受控比例的氨气(4)和氢气(5)、以及含氧气体。氨气和氢气的燃烧产生NH2 ‑离子以及其它燃烧产物(22)。第二燃烧室(3)接收来自第一燃烧室的燃烧产物(22)，并且接收具有受控比例的另外的氨气(4)和另外的氢气(5)，其中第二燃烧室中的燃烧产生多种氮氧化物以及其它燃烧产物(24)。第三燃烧室(14)接收该多种氮氧化物、具有另外的受控比例的另外的氨气和另外的氢气、以及另外的含氧气体，从而使该多种氮氧化物被燃烧成为氮气和水。

Description

用于氨气燃烧的方法和设备
氨气可以用作储能材料。氨气可以被合成并且被储存以供后续燃烧。氨气在燃气轮机中的燃烧可以允许化学储存的能量被释放成为机械能。然而，氨气的燃烧会产生氮氧化物NOx，这些氮氧化物应该从废气中被清除，以达到排放目标。
本发明提供一种用于氨气燃烧的系统和方法，可以减少或消除氮氧化物NOx的排放。
相应地，本发明提供如所附权利要求中所提出的装置和方法。
通过以下结合附图仅以非限定性示例方式给出的本发明的某些实施例的描述，本发明的上述以及进一步的目的、特征和优势将变得更加明显，其中：
图1至图4示意性地示出了本发明的各个实施例。
在本发明的一个特定实施例中，如图1所示，氨气燃烧系统包括压缩机1，该压缩机1压缩空气或其它含氧气体，并且将空气或其它含氧气体输送至相对高压并且高温的第一燃烧室2中。氨气4和氢气5的第一混合物被添加至第一燃烧室2，在此发生燃烧，产生热量和废气流22。例如，第一燃烧室2内的工作压力可以在8bar至30bar的范围内，典型的工作压力在12bar至25bar的范围内。
废气22从第一燃烧室的排出温度可以在1400K至2100K的范围内，典型地在1500K至1800K的范围内。
对于供应至第一燃烧室2的氨气与氢气比率的控制是由控制器180通过流量控制器8和11来实现的。
以增强当量比来提供氨气，该增强当量比例如在1.0至1.2的范围内。由于这一增强当量比，来自第一燃烧室2的废气22含有很大比例的NH2 -离子。
来自第一燃烧室的废气22与额外的氨气4和氢气5一起被提供至第二燃烧室3。
对于供应至第二燃烧室3的氨气和氢气的比率控制是由控制器180通过流量控制器9和12来实现的。由于废气流24被提供至涡轮6以产生机械输出(例如轴的旋转)，因此气体混合物被优化，以通过燃烧来输送最大功率。
例如，第二燃烧室3内的工作压力可以在10bar至30bar的范围内，典型的工作压力在12bar至25bar的范围内。废气24从第二燃烧室3的排出温度可以在1400K至2100K的范围内，典型地在1500K至1800K的范围内。燃烧可以以相对恒定的压力进行，例如燃烧压力的下降可以小于5％，以维持循环效率，因此在整个燃烧室内仅有少量的压力下降。
然而，由于燃烧温度较高并且氨气燃料中氮含量较高，所以来自第二燃烧室3的废气流24会具有较高水平的氮氧化物NOx。
离开第一涡轮6的废气26是很热的，该废气26被引导至以相对低的压力并且相对低的温度状况运行的第三燃烧室14。例如，第三燃烧室14内的工作压力可以在1bar至10bar的范围内，典型的工作压力在1bar至5bar的范围内。废气从第三燃烧室的排出温度可以在300K至1300K的范围内，典型地在750K至880K的范围内。
在进入该第三燃烧室之前，来自第二燃烧室3和涡轮6的含有氮氧化物NOx的废气26可以利用原位气体分析传感器13来测量。
此时，氨气4与氢气5的第三混合物连同所添加的空气20，以氨气的增强当量比(典型地为1.0-1.2)而被注入第三燃烧室14，即，氨气的量超过与所供应的氢气和氧气反应以仅产生N2和H2O所需要的量。上述混合物被燃烧。这一增强当量比会确保燃烧产生大比例的NH2 -离子，该NH2 -离子与废气26中的氮氧化物NOx结合以产生N2和H2O，由此从废气流26中清除NOx，并且产生来自第三燃烧室14的废气流28，该废气流28具有较低含量的氮氧化物NOx。
被供应至第三燃烧室14的氨气4与氢气5的精确燃料比由控制器180如下设置：该控制器180使用流量设备17、18以及流量传感器15、16，并且可选地使用用于空气或其它含氧气体的流量控制器19、结合原位气体分析传感器21，来控制氨气与氢气的比率，并且可选地控制被供应至第三燃烧室14的气体混合物中的含氧气体(例如空气)的比例。
所需的当量比由气体传感器13测量的输入NOx比例以及原位气体传感器21测量的输出NOx排放来确定。控制器180接收来自传感器13、21的数据，并且向流量设备17、18以及可选地向流量设备19发送适当的指令。控制器180可以是与关联于流量设备8、9、11、12的控制器相同的控制器，也可以是独立的控制器。
可选地，在所示实施例中，热交换器30可以用于消除废热并且从来自第三燃烧室的废气28回收能量。
在所示实例中，这可以通过在热交换器30中回收热量并且将该热量用于驱动蒸汽涡轮32来实现，但是也可以提供其它适当的机构以从废热中回收能量。
在本发明的另一实施例中，如图2所示，可以引导来自第一燃烧室2的废气22通过第二涡轮34，以将废弃的能量回收为机械转动。
图3示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，第三燃烧室14具有集成的热交换器。这样的热交换器可以类似于具有补充燃烧的热回收蒸汽发生器。这样的热交换器可以用于驱动蒸汽涡轮32，但是也可以提供其它适当的机构以从废热中回收能量。
热回收蒸汽发生器(HRSG)是一种热交换器，被设计为从发电厂原动机(例如燃气轮机或者大型往复式发动机)回收排放的“废”热，从而提高整体能效。补充燃烧(或者“管道”燃烧)使用热气涡轮废气作为氧气源，从而在需要时提供额外的能量以产生更多蒸汽。这是一种提高系统输出和灵活性的在经济上很有吸引力的方法。补充燃烧可以以较低的资金成本提供额外的电输出，并且适用于调峰。燃烧器通常但不总是位于通向HRSG的废气流中。如果有必要，可以添加额外的氧气(或空气)。在高环境温度下，小型管道燃烧器可以补充燃气轮机的废气能量，以维持所设计的、流向蒸汽涡轮的节流流。
在本发明的另一实施例中，如图4所示，可以提供再循环管线40，以将来自第三燃烧室14的废气的一部分再循环回到第一燃烧室2中。再循环的废气可以与输入气体流结合，例如，通过在混合器36处与进入的含氧气体混合。这样的优点在于，废气中未燃烧的NH3得以回收并且燃烧。根据来自第三燃烧室的废气中未燃烧的NH3比例、以及来自系统的废气中的NH3的可接受比例，废气的比例例如可以在0％-80％之间变化。
相应地，本发明旨在提供以下一个或多个优点：
(1)——废气中的氮氧化物NOx含量得以减少或者从废气中被清除；
(2)——由于所有的氨气和氢气均转化为能量、氮气和水，系统的整体效率被最大化；
(3)——根据三个燃烧室各自被分配的功能，可以优化三个燃烧室中的每一个的气体混合物、温度和压力，从而提供系统的良好整体效率；
(4)——燃烧室2、3、14可以位于与涡轮6、32、34不同的位置，从而实现多种可能的布局以适应环境约束；以及
(5)——废气中的NH3含量被最小化。
有利于实现上述优点的各个技术特征如下。
使用三个燃烧室2、3、4能够实现适当的当量比下的燃烧，以允许形成第一燃烧室2中的NH2 -离子，在第二燃烧室3中高效地产生功率，并且有效清除第三燃烧室14中的NOx。NH2 -离子与废气中的NOx的后续结合会形成N2和H2O，这降低了废气的氨气含量。
以下各项允许当量比能够根据废气26、28各自的NOx含量而被精确设置：在输入到第三燃烧室之前，对来自涡轮6的废气26中的NOx含量的测量13；对流入每个燃烧室的NH3/H2的气体质量的控制；以及对第三燃烧室输出的NOx废气的测量21。
这是必要的，因为第一燃烧室2和第二燃烧室3中的燃烧条件将决定废气26的NOx含量。这些条件可以动态地并且随系统不同而改变。
热交换器30的使用使得与第三燃烧室14中的第三燃烧相关的能量损失最小化。
来自第三燃烧室14的废气再循环回到第一燃烧室2，这起到最小化NH3排放的作用。
相应地，本发明提供一种用于氨气燃烧的方法，其中第一燃烧室接收具有受控比例的氨气和氢气、以及含氧气体(例如空气)，其中执行氨气和氢气的燃烧以产生NH2 -离子以及其它燃烧产物。第二燃烧室接收NH2 -离子和其它燃烧产物、以及具有另外的受控比例的另外的氨气和氢气，并且产生氮氧化物以及其它燃烧产物。第三燃烧室接收包括氮氧化物的第二燃烧室的燃烧产物、具有另外的受控比例的另外的氨气和氢气、以及另外的含氧气体(例如空气)，从而使氮氧化物被燃烧成为氮气和水。
来自第一燃烧室2中的燃烧的能量可以通过涡轮34的运行而被回收，以将第一燃烧室中的燃烧所释放的能量转化为机械能。
来自第二燃烧室3中的燃烧的能量可以通过涡轮6的运行而被回收，以将第二燃烧室中的燃烧所释放的能量转化为机械能。
来自第三燃烧室14中的燃烧的能量可以通过涡轮32的运行而被回收，以将第三燃烧室中的燃烧所释放的能量转化为机械能。可以通过来自第三燃烧室14的废气直接作用在涡轮32上而使涡轮32运行，或者通过加热热交换器30中的水从而由蒸汽驱动第三涡轮32。
第三燃烧室14可以包括热交换器，用于从来自第三燃烧室的废气回收热量。热交换器可以用于加热蒸汽以回收能量。
来自第三燃烧室14的废气的一部分可以被再循环至第一燃烧室2中，以便提供废气28中残余氨气的燃烧。
虽然已经结合数量有限的特定实施例描述了本发明，但许多修改和变型对于本领域技术人员来说将是显而易见的，这些修改和变型落入所附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于氨气燃烧的方法，其中一个第一燃烧室(2)接收具有受控比例的氨气(4)和氢气(5)、以及含氧气体，其中所述氨气和氢气的燃烧产生NH2 -离子以及其它燃烧产物(22)；并且其中一个第二燃烧室(3)接收来自所述第一燃烧室的所述燃烧产物(22)，并且接收具有受控比例的另外的氨气(4)和另外的氢气(5)，其中所述第二燃烧室中的燃烧产生多种氮氧化物以及其它燃烧产物(24)；并且其中一个第三燃烧室(14)接收包括多种氮氧化物的所述第二燃烧室的燃烧产物(24)、具有另外的受控比例的另外的氨气和另外的氢气、以及另外的含氧气体，从而使所述多种氮氧化物被燃烧成为氮气和水。
2.根据权利要求1所述的用于氨气燃烧的方法，其中来自所述第二燃烧室(3)中的燃烧的能量通过一个第一涡轮(6)的运行而被回收，以将所述第二燃烧室中的燃烧所释放的能量转化为机械能，所述第一涡轮(6)通过来自所述第二燃烧室的废气(24)而运行。
3.根据权利要求2所述的用于氨气燃烧的方法，其中来自所述第一燃烧室(2)中的燃烧的能量通过一个第二涡轮(34)的运行而被回收，以将所述第一燃烧室中的燃烧所释放的能量转化为机械能，所述第二涡轮(34)通过来自所述第一燃烧室(2)的废气(24)而运行。
4.根据任一项前述权利要求所述的用于氨气燃烧的方法，其中来自所述第三燃烧室(14)中的燃烧的能量通过一个第三涡轮(32)的运行而被回收，以将所述第三燃烧室中的燃烧所释放的能量转化为机械能。
5.根据权利要求4所述的用于氨气燃烧的方法，其中所述第三涡轮(32)的运行是通过加热一个热交换器(30)中的水以通过蒸汽来驱动所述第三涡轮(32)。
6.根据任一项前述权利要求所述的用于氨气燃烧的方法，其中热量通过一个集成的热交换器而从所述第三燃烧室(14)被回收。
7.根据任一项前述权利要求所述的用于氨气燃烧的方法，其中来自所述第三燃烧室的废气的一部分被再循环(40)至所述第一燃烧室(2)中，以便提供所述废气中残余氨气的燃烧。
8.一种用于氨气燃烧的系统，包括：一个第一燃烧室(2)，被连接以接收具有受控比例的氨气(4)和氢气(5)，并且接收含氧气体；以及一个第二燃烧室(3)，被连接以接收来自所述第一燃烧室的废气(22)、以及具有另外的受控比例的另外的氨气和另外的氢气；以及一个第三燃烧室(14)，被连接以接收来自所述第二燃烧室的废气(26)、具有另外的受控比例的另外的氨气和另外的氢气、以及另外的含氧气体。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括一个第一涡轮(6)，被连接以接收来自所述第二燃烧室的废气(24)，以生成机械输出并且向所述第三燃烧室(13)提供所述废气。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的系统，还包括一个第二涡轮(34)，被连接以接收来自所述第一燃烧室(2)的废气(22)，并且向所述第二燃烧室(3)提供所述废气。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括连接至一个热交换器(30)的一个第三涡轮(32)，所述热交换器(30)被连接以接收来自所述第三燃烧室(14)的废气(28)，由此加热水并且生成蒸汽以驱动所述第三涡轮(32)。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述热交换器被集成到所述第三燃烧室中。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的一种用于氨气燃烧的系统，还包括一个再循环管线(40)，所述再循环管线(40)被布置为将来自所述第三燃烧室(14)的废气(28)的一部分再循环回到所述第一燃烧室(2)中。
14.根据权利要求13所述的用于氨气燃烧的系统，其中所述再循环管线连接至一个混合器(36)，以将再循环的所述废气的所述部分与进入的含氧气体混合。
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