CN111322610A - 一种氨气的流化床燃烧装置和发电系统及其燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氨气燃烧装置技术领域，一种氨气的流化床燃烧装置和发电系统及其燃烧方法；所述燃烧装置包括流化床燃烧器壳体、流化床床层、布风板、增压室、助燃气体进气口、燃料气进气管和烟气排气口；布风板整体安装在流化床燃烧器壳体的下部，流化床床层布置在布风板的上表面上；增压室位于布风板下方；助燃气体进气口设置在增压室上；燃料气进气管固定在布风板上，且与布风板内腔连通；烟气排气口设置在流化床燃烧器壳体的上部。本发明设计的流化床燃烧装置彻底解决了氨气燃烧面临的着火能高、火焰传播速度低、着火浓度范围窄、不易稳定燃烧的问题。使得发电系统能够成功地使用氨气作为燃料，从而带来显著的二氧化碳减排效果。
Description
技术领域
本发明涉及氨气燃烧装置技术领域，尤其涉及一种氨气的流化床燃烧装置，基于该装置的发电系统以及基于该发电系统的燃烧方法。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
自工业革命以来，大量煤、石油和天然气等化石燃料的燃烧导致大气层二氧化碳浓度升高，造成全球气候变化，带来寒带冰川融化、海平面上升、热带地区林火频发等诸多问题，已经严重影响了人类社会的可持续发展。与化石燃料相比，氨气(NH3)不含碳元素，因此，氨气的燃烧不会释放出二氧化碳。同时，氨气与氢相比具有容易液化的显著优势。此外，氨气是最为常用的化学品之一，储藏及运输设施完善，可以作为替代燃料大规模推广使用，能够有效降低二氧化碳排放。
氨可以完全通过可再生资源来制取，比如用太阳能、风能电解水获取氢气；分离空气获得氮气，然后合成氨气。对于氨气的燃烧技术，申请号为201080004187.2的中国专利文献公开了一种氨气的内燃机燃烧技术，用于为交通运输装置提供动力。但本发明人发现内燃机技术不适用于大规模发电应用。再例如，申请号为201910739277.9的中国专利文献公开了一种氨气的燃烧控制方法和装置，但本发明人发现该方法和装置主要用于为工业生产提供热量，并不不适用于大规模发电应用。
发明内容
本发明的主要目的是解决氨气不易点燃、燃烧速率低、燃烧火焰不稳定，难以用于大规模发电的问题，因为与甲烷等燃气相比，氨气的最小点火能较高，导致氨气不易被点燃，氨气与氧气的反应活性相对较弱，导致其燃烧速率相对较慢。为此，本发明提出了一种氨气的流化床燃烧装置，并基于该燃烧装置提出了一系列不同的发电系统。该发电系统以氨气作为燃料，实现了大规模发电过程的零二氧化碳排放。
为解决上述问题，实现上述目的，本发明公开如下所述的技术方案。
本发明的第一方面，提供一种氨气的流化床燃烧装置，包括：流化床燃烧器壳体、流化床床层、布风板、增压室、助燃气体进气口、燃料气进气管和烟气排气口。所述布风板安装在流化床燃烧器壳体的下部，所述流化床床层布置在布风板的上表面上；所述增压室位于布风板下方；所述助燃气体进气口设置在增压室上；所述燃料气进气管与布风板连通；所述烟气排气口设置在流化床燃烧器壳体的上部。
进一步地，所述布风板包括上平板、下平板、助燃气体通道、燃料气通道和布风板内腔。所述上平板、下平板均固定在流化床燃烧器壳体内壁上，从而围成布风板内腔。助燃气体通道由若干根穿透上平板、下平板的管道组成；所述燃料气通道由若干根穿透上平板的管道组成；所述燃料气进气管固定在下平板上，且与布风板内腔连通。
本发明的布风板使燃料气体和助燃气体分别进入流化床层后再进行混合、燃烧，而不是先预混后再送入流化床层燃烧，能够有效规避预混合带来的回火和爆炸等安全隐患。
进一步地，所述助燃气体通道和/或燃料气通道的上端，即喷嘴处设有风帽结构，且风帽结构的侧壁上开设气孔，防止床料颗粒进入通道造成堵塞。
进一步地，所述烟气排气口的烟气排出管路上设置有氨气逃逸催化器，有利于净化烟气，减小污染。
进一步地，还包括压力容器，所述燃烧装置整体置于压力容器中。即本发明的氨气燃烧装置可以是大气压工况条件下运行的常压流化床燃烧器，也可以是加压流化床燃烧器。
进一步地，所述助燃气体进气口、燃料气进气管、烟气排气口上均设置有用于控制气体输送的阀门。
进一步地，所述流化床燃烧器壳体、布风板、助燃气体通道、燃料气通道、阀门等连接部件的材料应选取不锈钢或碳素钢，如304不锈钢、316不锈钢、310不锈钢、20号钢等；优选为310不锈钢。
本发明的第二方面，公开一种发电系统，包括流化床燃烧器、燃气轮机、燃气轮机发电机。所述流化床燃烧器为本发明公开的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、燃气轮机、燃气轮机发电机依次连通，且燃烧装置置于压力容器中；即本发电系统是由加压流化床燃烧器产生的高温高压烟气通过燃气轮机发电机组发电。
进一步地，上述第二方面的发电系统中，还包括燃料气体气泵、空气压缩机、燃料气预热器、助燃气体预热器、SCR(选择性催化还原脱硝)装置和氨气逃逸催化器。所述燃料气体气泵、燃料气预热器、燃料气进气管依次连通；所述空气压缩机、助燃气体预热器、助燃气体进气口依次连通。所述燃气轮机的烟气出口、SCR装置、燃料气预热器、助燃气体预热器、氨气逃逸催化器依次连通；或者燃气轮机的烟气出口、SCR装置、助燃气体预热器、燃料气预热器、氨气逃逸催化器依次连通。
流化床燃烧器置于压力容器中实现加压燃烧提供高温高压烟气,同时有助于对助燃气体和燃料气体进一步预热，有强化燃烧稳定性和燃烧强度、拓宽可燃极限的作用。
本发明的第三方面，公开一种发电系统，包括流化床燃烧器、过热器、汽轮机和汽轮机发电机。所述流化床燃烧器为本发明公开的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、过热器、汽轮机、汽轮机发电机依次连通。即本发电系统是由常压流化床燃烧器产生的高温烟气通过过热器生产蒸汽，进入蒸汽轮机发电机组发电。
本发明的第四方面，公开一种发电系统，包括流化床燃烧器、过热器、汽轮机和汽轮机发电机、燃气轮机和燃气轮机发电机。所述流化床燃烧器为本发明公开的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、燃气轮机、燃气轮机发电机、过热器、汽轮机、汽轮机发电机依次连通；且流化床燃烧器置于压力容器中，即本发电系统是由加压流化床燃烧器产生的高温高压烟气通过燃气-蒸汽联合循环发电机组发电。
进一步地，上述第三、四方面的发电系统中，还包括燃料气体气泵、空气压缩机、燃料气预热器、助燃气体预热器、SCR装置和氨气逃逸催化器。所述燃料气体气泵、燃料气预热器、燃料气进气管依次连通；所述空气压缩机、助燃气体预热器、助燃气体进气口依次连通。所述过热器的烟气出口、SCR装置、燃料气预热器、助燃气体预热器、氨气逃逸催化器依次连通；或者过热器的烟气出口、SCR装置、助燃气体预热器、燃料气预热器、氨气逃逸催化器依次连通。
本发明的第五方面，公开一种发电系统，包括流化床燃烧器、过热器、汽轮机、汽轮机发电机、NO氧化反应器和硝酸生产反应器。所述流化床燃烧器为本发明公开的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、过热器、汽轮机、汽轮机发电机依次连通。所述过热器的烟气出口、NO氧化反应器、硝酸生产反应器依次连通。
进一步地，上述第五方面的发电系统中，所述硝酸生产反应器的排气口还与NO氧化反应器的烟气进口连通，以对未被氧化的NO再次氧化利用。
进一步地，上述第五方面的发电系统中，还包括燃料气体气泵、空气压缩机、燃料气预热器和助燃气体预热器。所述燃料气体气泵、燃料气预热器、燃料气进气管依次连通；所述空气压缩机、助燃气体预热器、助燃气体进气口依次连通。所述汽轮机的蒸汽出口、燃料气预热器、助燃气体预热器、氨气逃逸催化器依次连通；或者所述汽轮机的蒸汽出口、助燃气体预热器、燃料气预热器、氨气逃逸催化器依次连通。
本发明的第六方面，公开基于所述发电系统的氨气燃烧方法，步骤为：首先，通入助燃气体，并在空床条件下利用辅助燃料将空床烧热，当温度不低于设定值后逐渐加入床料至设定量，在加入床料的同时增大辅助燃料流量保证床层温度保持在设定值以上。然后，通入燃料气体，并逐渐增大燃料气体流量，同时逐渐减小辅助燃料气体流量至零，最终使床层温度升高到设计运行值。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，辅助燃料包括天然气、液化石油气等中的至少一种。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，燃料气体包括但不限于：氨气、氨气与其他可燃气体(包括氢气、甲烷、二甲醚等)的混合气，氨气与其他低热值、低氧化反应活性气体燃料(高炉焦炉煤气、石油化工冶炼尾气、煤生物质气化气、合成气、沼气、垃圾填埋气、煤矿瓦斯气体等)的混合气。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，助燃气体包括但不限于纯氧气或含氧混合气，当使用含有较高氧浓度的助燃气体时可实现富氧燃烧。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，流化床床层包括但不限于：砂子、石英砂和氧化铝等惰性材质中的至少一种。选用较大密度的床料可以提高临界流化气速，有助于实现稳定燃烧。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，流化床床层包括但不限于：负载矾基/钨基/钼基等催化剂的砂子、石英砂中的至少一种；用于直接在床层内控制氮氧化物(NOx)的生成，实现氨的低NOx燃烧。即这类催化剂适宜用在第二、三、四方面所述的发电系统中。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，流化床床层包括但不限于：负载钴基/镍基/铂或铂合金基等催化剂的砂子、石英砂中的至少一种；以便于催化氧化生成高浓度一氧化氮，进而用于制取硝酸。这类催化剂适宜用在第五方面所述的发电系统中。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，气体气速应高于临界流化气速。临界流化气速为气体向上运动所产生的曳力与床料颗粒所受重力达到平衡时的表观气速。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，床料颗粒的粒径为0.1mm-2.0mm，选用较大粒径的颗粒作为床料，可以提高临界流化气速，从而能够在较高的燃料气流量和助燃气体流量条件下实现稳定燃烧，从而提高燃烧强度、锅炉负荷和机组容量。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，过量空气系数范围为1.05-1.3。通过过量空气系数的改变可以实现对燃烧强度和效率以及NOx生成的控制。
进一步地，所述氨气燃烧方法中，设计运行值温度保持在800-1000℃之间较为适宜。燃烧温度、床层压力可以实时监控；燃料气以及助燃气体进气量可以根据实际需要调节，从而控制燃烧强度和效率、NOx生成及燃烧功率等参数。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明设计的流化床燃烧装置彻底解决了氨气燃烧面临的着火能高、火焰传播速度低、着火浓度范围窄、不易稳定燃烧的问题。这是因为氨气和助燃气体分别经布风板进入流化床，在床层内混合燃烧，由于流化床内床料颗粒具有远高于气体的比热容且床层温度均匀，高温床料可以确保氨气的着火、实现稳定燃烧，并能够显著提高燃烧强度和效率。
(2)本发明设计的布风板使燃料气体和助燃气体分别进入流化床层后再进行混合、燃烧，而不是先预混后再送入流化床层燃烧，能够有效规避预混合带来的回火和爆炸等安全隐患。
(3)通过本发明的流化床燃烧装置，使得发电系统能够成功地使用氨气作为燃料，而该发电系统的大规模应用和推广不仅会带来显著的二氧化碳减排效果，还能够通过流化床加压燃烧实现燃气、蒸汽联合循环发电。
(4)通过采用特定催化剂还可以实现低氮氧化物排放或者富氧燃烧生成高浓度氮氧化物制硝酸。因此，本发明对于降低碳排放有重要意义和应用价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中氨气的流化床燃烧装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中氨气的流化床燃烧装置的布风板结构示意图。
图3为本发明实施例中氨气的流化床燃烧装置的喷嘴结构示意图。
图4为本发明实施例中一种基于所述燃烧装置的发电系统结构示意图。
图5为本发明实施例中另一种基于所述燃烧装置的发电系统结构示意图。
图6为本发明实施例中再一种基于所述燃烧装置的发电系统结构示意图。
图7为本发明实施例中再一种基于所述燃烧装置的发电系统结构示意图。
上述说明书附图1-7中的标记分别代表如下部件：
1-流化床燃烧器壳体 16-空气压缩机
2-流化床床层 17-燃料气预热器
3-布风板 18-助燃气体预热器
4-增压室 19-流化床燃烧器
5-助燃气体进气口 20-过热器
6-燃料气进气管 21-汽轮机
7-烟气排气口 22-汽轮机发电机
8-上平板 23-SCR装置
9-下平板 24-氨气逃逸催化器
10-助燃气体通道 25-压力容器
11-燃料气通道 26-燃气轮机
12-布风板内腔 27-燃气轮机发电机
13-风帽结构 28-NO氧化反应器
14-气孔 29-硝酸生产反应器
15-燃料气体气泵
具体实施方式
应该指出，除非另有指明，本发明中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，本发明中所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如前文所述，尽管氨气作为一种零碳燃料可以完全利用可再生资源来制取，可以用作液体交通动力燃料，也可以用作移动和固定热力发电设备的燃料。但是氨气着火能高、火焰传播速度低、着火浓度范围窄、不易稳定燃烧。为此，本发明公开了一种氨气的流化床燃烧装置和发电系统及其燃烧方法。现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参考图1和2，示例一种本发明设计的氨气的流化床燃烧装置，包括：流化床燃烧器壳体1、流化床床层2、布风板3、增压室4、助燃气体进气口5、燃料气进气管6和烟气排气口7。所述布风板3包括上平板8、下平板9、助燃气体通道10、燃料气通道11和布风板内腔12。
所述上平板8、下平板9相互平行地固定在流化床燃烧器壳体1内壁上，从而围成封闭的布风板内腔12。所述助燃气体通道10由若干根穿透上、下平板的管道组成。所述燃料气通道11由若干根仅需穿透上平板8的管道组成，所述燃料气进气管6固定在下平板9上，且与布风板内腔12连通，以便于向布风板内腔12中输送燃料气体。所述助燃气体通道10、燃料气通道11在对应平板上均匀排布且具有相同的尺寸规格，保证气速的分布均匀。
所述布风板3作为一个整体，安装在流化床燃烧器壳体1内的下部，所述流化床床层2堆积在布风板3的上表面上，助燃气体通道10和燃料气通道11的上端(作为气体喷嘴)被床料所覆盖。所述增压室4位于布风板3下方；所述助燃气体进气口5设置在增压室4的底面上，以便于在增压室中对助燃气体进行增压。助燃气体由助燃气体进气口5进入增压室4，再经布风板3上设置的助燃气体通道10进入流化床床层2；燃料气由燃料气进气管6进入布风板内腔12，再由上平板上的燃料气通道11进入流化床床层2。所述助燃气体进气口5、燃料气进气管6、烟气排气口7上均设置有用于控制气体输送的阀门。所述烟气排气口7设置在流化床燃烧器壳体1的上部，燃烧后的烟气由该排气口排出后进一步利用，如用于发电。
本实施例的用于氨气燃烧的装置有效解决了氨气不易点燃、燃烧速率低、燃烧火焰不稳定的问题：氨气和助燃气体分别经布风板3进入流化床，在床层内混合燃烧并将高温床料颗粒流化，而床料具有远高于气体的比热容且温度均匀，保证氨气成功着火，实现氨气的稳定燃烧，并能够显著提高燃烧速率。
在本实施例中，由于燃料气体是先送入布风板内腔12后经过燃料气体通道11送入流化床床层2；即本实施例的布风板内腔12同时还充当了燃料气体的增压气室。因此，不需要在燃烧装置中设置专门的燃料气体的增压气室。
在本实施例中，由于燃料气体和助燃气体是分别经布风板3进入流化床床层，然后在床层内充分混合燃烧并使床料颗粒流化；即燃料气体和助燃气体并未预混，从而能够有效规避预混带来的回火和爆炸等安全隐患。
另外，由于氨气的催化氧化属于强放热反应，流化床床层的良好的传热性能使得床层内部温度均匀，而且易于控制，并进一步提高流化床锅炉的放热强度和热效率。因此，本实施例采用流化床的方式解决氨气燃烧存在的问题时还具有额外的技术效果。
可以理解的是，在上述具体实施例的基础上，还可衍生出包括但不限于以下的技术方案，以解决不同的技术问题，实现不同的发明目的，具体示例如下：
进一步地，参考图3，在一些实施例中，所述助燃气体通道10和/或燃料气通道11的上端，即喷嘴处设有风帽结构13，且风帽结构的侧壁上开设气孔14。风帽结构13以及开设在侧壁上的气孔14可以有效防止床料颗粒进入通道造成堵塞。
进一步地，在一些实施例中，上述气孔14的数量选择为4个，直径选择为2.0mm。需要说明的是，气孔14的直径太小容易造成堵塞，而太大容易造成气流分布不均、影响流化效果，综合考虑，所述气孔14的数量选用2-6个为宜；气孔直径范围选用0.5mm-4.0mm为宜；因此，在一些实施例中气孔14的数量也选择为6个，直径选择为0.5mm；而在另一些实施例中，气孔14的数量也选择为2个，直径选择为4mm。另外，通过改变布风板3上助燃气体通道10和/或燃料气通道11的数量、气孔14的数量及直径，可以适应不同燃烧功率工况。
进一步地，在一些实施例中，所述烟气排气口7的烟气排出管路上设置有氨气逃逸催化器。氨气是一种具有强烈刺激性气味的气体，氨气逃逸催化器有助于防止烟气中未燃烧的氨气逃逸后对环境造成污染。
进一步地，所述流化床燃烧器壳体1、布风板3、助燃气体通道10、燃料气通道11、以及阀门等连接部件的材料应选取不锈钢或碳素钢。例如，在一些实施例中，上述部件的材质选择为304不锈钢，或者316不锈钢，或者310不锈钢，或者20号钢。另外，优先推荐具有良好耐高温、耐氧化性能的310不锈钢作为上述部件的材料。但是，由于氨气对铜具有很强的腐蚀作用，不推荐上述部件的材质选用铜质或含铜材料。除此之外，也应当理解的是，所述燃烧装置中涉及的一些其他部件，如压力表等监测仪表也应使用氨气专用压力表。
进一步地，在上述实施例中所展示的氨气的流化床燃烧装置的基础上，本发明还示例以下几种发电系统，实现以氨气这种零排燃料进行发电的目的。
首先，参考图4，本实施例中，公开一种由常压流化床燃烧器产生的高温烟气通过过热器生产蒸汽进入蒸汽轮机发电机组进行发电的系统，包括：燃料气体气泵15、空气压缩机16、燃料气预热器17、助燃气体预热器18、流化床燃烧器19、过热器20、汽轮机21、汽轮机发电机22、SCR装置23和氨气逃逸催化器24；所述流化床燃烧器19为上述实施例(参考附图1-3)公开的氨气的流化床燃烧装置。
进一步地，所述氨气的流化床燃烧装置的烟气排气口7、过热器20、汽轮机21、汽轮机发电机22依次连通。燃烧器产生的高温烟气通过过热器20将水加热，生成的高温高压蒸汽进入蒸汽轮机21和发电机22利用朗肯循环发电。所述燃料气体气泵15、燃料气预热器17、燃料气进气管6依次连通；所述空气压缩机16、助燃气体预热器18、助燃气体进气口5依次连通。所述过热器20的烟气出口、SCR装置23、助燃气体预热器18、燃料气预热器17、氨气逃逸催化器24依次连通。
其次，参考图5，本实施例中，公开一种由加压流化床燃烧器产生的高温高压烟气通过燃气轮机发电机组进行发电的系统，包括：燃料气体气泵15、空气压缩机16、燃料气预热器17、助燃气体预热器18、流化床燃烧器19、SCR(选择性催化还原脱硝)装置23、氨气逃逸催化器24、压力容器25、燃气轮机26和燃气轮机发电机27；所述流化床燃烧器19为上述实施例中(参考附图1-3)公开的氨气的流化床燃烧装置。
进一步地，所述氨气的流化床燃烧器的烟气排气口7、燃气轮机26、燃气轮机发电机27依次连通，且流化床燃烧器19整体上置于压力容器25中，燃烧器产生的高温高压烟气进入燃气轮机26和发电机27后利用布雷顿循环发电。所述燃气轮机26的烟气出口、SCR(选择性催化还原脱硝)装置23、助燃气体预热器18、燃料气预热器17、氨气逃逸催化器24依次连通。所述燃料气体气泵15、燃料气预热器17、燃料气进气管6依次连通；所述空气压缩机16、助燃气体预热器18、助燃气体进气口5依次连通。
再次，参考图6，本实施例中，公开一种由加压流化床燃烧器产生的高温高压烟气通过燃气-蒸汽联合循环发电机组进行发电的系统，包括：燃料气体气泵15、空气压缩机16、燃料气预热器17、助燃气体预热器18、流化床燃烧器19、过热器20、汽轮机21和汽轮机发电机22、SCR装置23和氨气逃逸催化器24、压力容器25、燃气轮机26和燃气轮机发电机27。所述流化床燃烧器19为上述实施例(参考附图1-3)公开的氨气的流化床燃烧装置。
进一步地，所述氨气的流化床燃烧装置的烟气排气口7、燃气轮机26、燃气轮机发电机27、过热器20、汽轮机21、汽轮机发电机22依次连通；且流化床燃烧器19置于压力容器25中，即发电机组为燃气轮机发电或燃气-蒸汽轮机联合循环发电时，流化床燃烧器19为加压燃烧器；发电机组为蒸汽轮机发电时，流化床燃烧器19为大气压工况条件下运行的常压燃烧器。所述过热器20的烟气出口、SCR装置23、助燃气体预热器18、燃料气预热器17、氨气逃逸催化器24依次连通。所述燃料气体气泵15、燃料气预热器17、燃料气进气管6依次连通；所述空气压缩机16、助燃气体预热器18、助燃气体进气口5依次连通。
除此之外，应当理解的是，图4-6所述的三种发电系统中，所述燃料气预热器17和助燃气体预热器18的连接顺序可以任意调整，其并不实质性影响对两种气体的预热。因此，预热路线还可以为过热器20的烟气出口、SCR装置23、燃料气预热器17、助燃气体预热器18、氨气逃逸催化器24依次连通。或者：燃气轮机26的烟气出口、SCR装置23、燃料气预热器17、助燃气体预热器18、氨气逃逸催化器24依次连通。
需要说明的是，利用燃烧烟气的余热对气体进行预热，不仅可以利用烟气中余热资源，而且可以起到进一步强化燃烧稳定性和燃烧强度、拓宽可燃极限的作用。除此之外，通过设置压力容器25，已经预热的助燃气体通过压力容器25后可以得到进一步加热，从而起到进一步强化燃烧稳定性和燃烧强度、拓宽可燃极限的作用。
再其次，参考图7，本实施例中，公开一种由常压流化床燃烧器产生的高温烟气通过过热器生产蒸汽进入蒸汽轮机发电机组进行发电的同时实现氮元素回收的系统，包括：燃料气体气泵15、空气压缩机16、燃料气预热器17、助燃气体预热器18、流化床燃烧器19、过热器20、汽轮机21、汽轮机发电机22、NO氧化反应器28和硝酸生产反应器29。所述流化床燃烧器19为上述实施例(参考附图1-3)公开的氨气的流化床燃烧装置。
进一步地，所述氨气的流化床燃烧装置的烟气排气口7、过热器20、汽轮机21、汽轮机发电机22依次连通。所述过热器20的烟气出口、NO氧化反应器28、硝酸生产反应器29依次连通。所述燃料气体气泵15、燃料气预热器17、燃料气进气管6依次连通；所述空气压缩机16、助燃气体预热器18、助燃气体进气口5依次连通。所述汽轮机21的蒸汽出口、助燃气体预热器18、燃料气预热器17依次连通。
进一步地，对于图7所示的发电系统，同样可以调整对助燃气体和燃料气体的预热顺序。因此，在一些实施例中，所述汽轮机21的蒸汽出口、燃料气预热器17、助燃气体预热器18依次连通。
应当理解的是，由于图7所示的发电系统在氨气燃烧发电的同时，通过制取硝酸实现了氮元素的回收，因此，可以省略SCR装置23和氨气逃逸催化器24。另外，由于烟气被用于制备硝酸，本发电系统采用汽轮机21排出的蒸汽对燃烧气体和助燃气体进行预热，然后再送入流化床燃烧器中燃烧。
进一步地，继续参考图7，本实施例中的发电系统中，硝酸生产反应器29的排气口与NO氧化反应器28的烟气进口连通，以对未被氧化的NO循环利用，一是可以提高对NO的利用率，二是可以降低NO的排出量，降低对环境的影响。
继续地，对于上述实施例所述的发电系统(参考图4-7)，启动步骤包括：
首先，通过助燃气体进气口5向燃烧器中通入助燃气体，在空床条件下利用辅助燃料和助燃气体将空床烧热。当温度达到600℃后逐渐加入床料颗粒形成流化床床层2，同时逐渐增大辅助燃料流量保证床层温度保持在600℃以上，随着床层温度逐渐升高的同时，逐渐加入床料至设计量。
然后，通过燃料气进气管6开始向燃烧器中通入燃料气体，并逐渐增大燃料气体流量，同时逐渐减小辅助燃料流量至零，最终使床层温度升高到设计运行值(800-1000℃之间)。
当燃烧器内形成高温流化态以后，燃料气体进入流化床将被高温的床层颗粒迅速点燃，这是因为床层的固体颗粒具有远高于气体的比热容、且流化床床层中气固对流换热充分，因此，流化床有促进点火的效果，解决了氨气最小点火能高、不易点燃的难题。
而且，由于床层颗粒吸收了气体燃烧放出的热量，因此，流化床又有蓄热的功能。当床层平均温度显著高于氨气的着火温度(约650℃)时，床层温度分布均匀，可以实现安全稳定燃烧。
接着，氨气燃烧产生的高温烟气通过烟气排气口7后进入相应的蒸汽轮机或者燃气轮机，利用烟气携带的热能进行发电；做功后的烟气温度降低，进入SCR装置23进行脱硝处理(将NOx还原为N2)，然后进入预热器中进一步对烟气余热进行利用，最后由氨气逃逸催化器处理后排出，氨气逃逸催化器24可以将烟气中可能存在的少量氨气催化分解为N2和H2，避免氨气泄露造成环境污染和安全隐患。
进一步地，在一些具体的实施例中，选择了天然气或者液化石油气作为辅助燃料对流化床进行升温至预定温度，从而为后续氨气的燃烧提供温度条件。
进一步地，在一些具体的实施例中，所述燃料气选择为氨气与其他可燃气体的混合气；包括氨气与氢气、甲烷、二甲醚中的任意一种的混合气体。
进一步地，在一些具体的实施例中，所述燃料气选择为氨气与其他低热值、低氧化反应活性气体燃料的混合气；包括氨气与高炉焦炉煤气、石油化工冶炼尾气、煤生物质气化气、合成气、沼气、垃圾填埋气、煤矿瓦斯气体中的任意一种的混合气体。
通过上述的举例，应当理解的是，在本发明中，燃料气体可以全部为氨气，亦可根据实际需求适当降低氨气的占比而采用混合类型的燃料气体。因此，本发明的燃烧器并不局限于氨气的燃烧，还具有可以利用更广范围内的燃料气体进行发电的特点。另外，当选择混合气体时，不同的燃料气体可以均匀混合后送入床层进行燃烧，亦可以分别送入床层燃烧。
进一步地，在一些具体的实施例中，所述助燃气体选择为空气，空气作为最常用的助燃气体，具有成本低、易获取的特点。
应当理解的是，基于助燃气体的基本作用，其明显不局限于空气这类含氧混合气，还可以采用纯氧气。因此，在一些实施例中，使用纯氧气作为助燃气体，高氧浓度的助燃气体可实现富氧燃烧，而通过提高助燃气体的氧浓度实现氨气的富氧燃烧可以进一步提高燃烧烟气中一氧化氮的浓度，一氧化氮通过一氧化氮氧化反应器28氧化成二氧化氮后与水在硝酸生产反应器29中进一步反应制得硝酸。因此，这种燃烧方式更适合于图7所示的发电系统；而且，在氨气燃烧发电的同时，通过制取硝酸实现了氮元素的回收。
进一步地，还可以通过在特定的催化剂下燃烧提高烟气中一氧化氮的含量，因此，在一些实施例中，选择负载钴基/镍基/铂或铂合金基等催化剂的砂子或者石英砂作为床料；以便于催化氧化生成高浓度的一氧化氮，进而用于制取硝酸。
与此相反的是，在不需要制备硝酸时，则适宜降低氨气燃烧后的烟气中NOx的浓度，降低对环境的影响。因此，在一些实施例中，选择了负载矾基/钨基/钼基等催化剂的砂子或者石英砂；用于直接在床层内控制氮氧化物(NOx)的生成，实现氨的低NOx燃烧。因此，可以理解的是，所述低NOx的燃烧方式适合于图4-6所示的发电系统。
除此之外，还可以通过控制燃料气体与助燃气体的流量比，实现对燃烧过量空气系数的自由调节。在本发明中，在一些实施例中过量空气系数选择为1.05。另一些实施例中过量空气系数选择为1.3。通过选择不同的过量空气系数可以对燃烧强度和效率以及NOx生成进行自由控制。
进一步地，在一些实施例中，所述床料颗粒选用砂子床料颗粒的粒径在0.1mm-2.0mm之间。砂子的密度较大，而较大密度、粒径的床料颗粒可以提高临界流化气速，从而能够在较高的燃料气流量和助燃气体流量条件下实现稳定燃烧，进而提高燃烧强度、锅炉负荷和机组容量。因此，可以理解的是，在一些实施例中，还选择为石英砂或氧化铝等惰性材质中的一种作为床料颗粒。
对于给定床料颗粒，通过控制气速，可使燃烧器在流化床的不同流化态和固定床之间自由切换，以适应不同的燃料气体、燃烧强度和锅炉功率、床层高度以及燃烧工况的要求。特别是当气速低于临界流化气速时，燃烧模式变为准流化或固定床燃烧，这样在保证稳定燃烧的同时，实现低负荷运作，使得整个燃烧装置和发电机组可以更加灵活地适应多变的电网负荷需求。
因此，为了实现流化态，在一些实施例中，助燃气体和燃料气体的气速设定为高于临界流化气速。临界流化气速为气体向上运动所产生的曳力与床料颗粒所受重力达到平衡时的表观气速。临界流化气速主要取决于所选床料颗粒的密度和粒径，对于临界流化气速参照下列公式计算，对于较小的颗粒，参考公式(1)计算；对于较大的颗粒，参考公式(2)计算。
上述公式(1)和(2)中，V临界为临界流化气速(m/s)，d颗粒为床料颗粒粒径(m)，ρ颗粒为床料颗粒密度(kg/m3)，ρ燃气为气流密度(kg/m3)，g为重力加速度(m/s2)，μ燃气为气流的粘度(Pa·s)。
综上，尽管氨气是一种零碳燃料，但将其用于发电时仍然需要相应的装置，满足一定的条件才能实现，尤其是氨气燃烧面临的着火能高、火焰传播速度低、着火浓度范围窄、不易稳定燃烧等问题制约这氨气作为燃料的推广应用。本发明针对上述问题设计的氨气的流化床燃烧装置、发电系统和燃烧方法彻底解决氨气作为发电燃料时面临的问题，因此，本发明对于降低碳排放有重要意义和应用价值，能够带来显著的二氧化碳减排效果。
应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氨气的流化床燃烧装置，其特征在于，包括：流化床燃烧器壳体、流化床床层、布风板、增压室、助燃气体进气口、燃料气进气管和烟气排气口；
布风板包括上平板、下平板、助燃气体通道、燃料气通道和布风板内腔；上平板、下平板均固定在流化床燃烧器壳体内壁上，从而围成布风板内腔；助燃气体通道由若干根穿透上平板、下平板的管道组成；燃料气通道由若干根穿透上平板的管道组成；燃料气进气管固定在下平板上，且与布风板内腔连通；
布风板整体安装在流化床燃烧器壳体的下部，流化床床层布置在布风板的上表面上；增压室位于布风板下方；助燃气体进气口设置在增压室上；烟气排气口设置在流化床燃烧器壳体的上部。
2.如权利要求1所述的氨气的流化床燃烧装置，其特征在于，所述助燃气体通道和/或燃料气通道的上端口设风帽结构，风帽结构的侧壁上设气孔；
或者，所述烟气排气口的烟气排出管路上设置有氨气逃逸催化器；
优选地，所述气孔的数量为2-6个，更优选为4个；
优选地，所述气孔直径范围为0.5mm-4.0mm，更优选为2.0mm。
3.如权利要求1或2所述的氨气的流化床燃烧装置，其特征在于，还包括压力容器，所述燃烧装置整体置于压力容器中；
或者，所述助燃气体进气口、燃料气进气管、烟气排气口上均设置有阀门；
或者，所述流化床燃烧器壳体、布风板、助燃气体通道、燃料气通道、阀门连接部件的材料包括不锈钢或碳素钢，如304不锈钢、316不锈钢、310不锈钢、20号钢中的任意一种；优选为310不锈钢。
4.一种发电系统，其特征在于，包括：流化床燃烧器、燃气轮机、燃气轮机发电机；所述流化床燃烧器为权利要求1-3任一项所述的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、燃气轮机、燃气轮机发电机依次连通，且流化床燃烧装置置于压力容器中；
优选地，所述发电系统还包括燃料气体气泵、空气压缩机、燃料气预热器、助燃气体预热器、SCR装置和氨气逃逸催化器；所述燃料气体气泵、燃料气预热器、燃料气进气管依次连通；所述空气压缩机、助燃气体预热器、助燃气体进气口依次连通；所述燃气轮机的烟气出口、SCR装置、燃料气预热器、助燃气体预热器、氨气逃逸催化器依次连通；或者燃气轮机的烟气出口、SCR装置、助燃气体预热器、燃料气预热器、氨气逃逸催化器依次连接。
5.一种发电系统，其特征在于，包括：流化床燃烧器、过热器、汽轮机和汽轮机发电机；所述流化床燃烧器为权利要求1-3任一项所述的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、过热器、汽轮机、汽轮机发电机依次连接。
6.一种发电系统，其特征在于，包括：流化床燃烧器、过热器、汽轮机和汽轮机发电机、燃气轮机和燃气轮机发电机；所述流化床燃烧器为权利要求1-3任一项所述的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、燃气轮机、燃气轮机发电机、过热器、汽轮机、汽轮机发电机依次连通；且燃烧装置置于压力容器中。
7.如权利要求5或6所述的发电系统，其特征在于，还包括燃料气体气泵、空气压缩机、燃料气预热器、助燃气体预热器、SCR装置和氨气逃逸催化器；所述燃料气体气泵、燃料气预热器、燃料气进气管依次连通；所述空气压缩机、助燃气体预热器、助燃气体进气口依次连通；所述过热器的烟气出口、SCR装置、燃料气预热器、助燃气体预热器、氨气逃逸催化器依次连通；或者过热器的烟气出口、SCR装置、助燃气体预热器、燃料气预热器、氨气逃逸催化器依次连接。
8.一种发电系统，其特征在于，包括：流化床燃烧器、过热器、汽轮机、汽轮机发电机、NO氧化反应器和硝酸生产反应器；所述流化床燃烧器为权利要求1-3任一项所述的氨气的流化床燃烧装置，该燃烧装置的烟气排气口、过热器、汽轮机、汽轮机发电机依次连通；所述过热器的烟气出口、NO氧化反应器、硝酸生产反应器依次连接；
或者，所述发电系统还包括燃料气体气泵、空气压缩机、燃料气预热器和助燃气体预热器；所述燃料气体气泵、燃料气预热器、燃料气进气管依次连通；所述空气压缩机、助燃气体预热器、助燃气体进气口依次连通；所述汽轮机的蒸汽出口、助燃气体预热器、燃料气预热器依次连通；或者所述汽轮机的蒸汽出口、燃料气预热器、助燃气体预热器依次连接；
优选地，所述发电系统中，硝酸生产反应器的排气口还与NO氧化反应器的烟气进口连通。
9.权利要求4-8任一项所述的发电系统的氨气燃烧方法，其特征在于，
通入助燃气体，并在空床条件下利用辅助燃料将空床烧热，当温度不低于设定值后逐渐加入床料至设定量，在加入床料的同时增大辅助燃料流量保证床层温度保持在设定值以上；
通入燃料气体，并逐渐增大燃料气体流量，同时逐渐减小辅助燃料气体流量至零，最终使床层温度升高到设计运行值。
10.如权利要求9所述的发电系统的氨气燃烧方法，其特征在于，所述辅助燃料包括天然气、液化石油气中的至少一种；
或者，所述燃料气体包括：氨气，或者氨气与氢气、甲烷、二甲醚中至少一种的混合气，或者氨气与高炉焦炉煤气、石油化工冶炼尾气、煤生物质气化气、合成气、沼气、垃圾填埋气、煤矿瓦斯气体中至少一种的混合气；
或者，所述助燃气体包括纯氧气或含氧混合气，优选地，所述含氧混合气为空气；
或者，所述流化床床层包括：砂子、石英砂、氧化铝中的至少一种；
或者，所述流化床床层包括：负载矾基、钨基、钼基催化剂中任意一种的砂子或石英砂；
或者，所述流化床床层包括：负载钴基、镍基、铂或铂合金基催化剂中任意一种的砂子或石英砂；
或者，所述气体的气速设定为高于临界流化气速；
或者，所述床料颗粒的粒径为0.1mm-2.0mm；
或者，所述过量空气系数范围为1.05-1.3；
或者，所述床层温度的设定值为不低于600℃；
或者，所述设计运行值温度保持在800-1000℃之间。
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