CN114636153A - 一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热能与动力工程领域，公开了一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，包括中心风管；中心风管外依次套设一次燃气管道、一次空气套管、二次风套管以及周界风套管；一次燃气管道侧壁上设置若干氨气管道；一次空气套管侧壁上设置循环烟气管道；二次风套管进气端设置二次风蜗壳，二次风套管内部设置轴向旋流叶片；周界风套管进气端设置周界风蜗壳；中心风管出气端设置燃气喷嘴，燃气喷嘴上设置稳燃钝体；燃气喷嘴上开设若干一次燃气喷口，稳燃钝体上开设若干氨气喷口。本发明用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，适用于工业锅炉，可以有效提高掺氨火焰的稳定性以及氮氧化物排放。
Description
技术领域
本发明属于热能与动力工程领域，涉及一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器。
背景技术
近年来，为了减少碳排放，全球各国相继发布相关政策，并大力推行碳排放控制技术。氢气作为一种“零碳”燃料受到学者的广泛关注，但运输和储存成本高等原因而制约其广泛应用。氨气作为无碳燃料，其液化、储存、运输的要求远比氢气简单，通过可再生能源弃电或可再生能源的富余电力制取氨气，氨气替代煤炭、天然气等化石燃料能够在满足经济性的同时减少CO2的排放。氨燃料虽然比固体燃料的反应性要强，但却比大部分气体燃料的反应性要弱，贫燃时还会有大量的氮氧化物排放，还不能单独燃用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，氨燃料虽然比固体燃料的反应性要强，但却比大部分气体燃料的反应性要弱，贫燃时还会有大量的氮氧化物排放，还不能单独燃用的缺点，提供一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，包括中心风管；
中心风管外依次套设一次燃气管道、一次空气套管、二次风套管以及周界风套管；一次燃气管道侧壁上设置若干氨气管道；一次空气套管侧壁上设置循环烟气管道；二次风套管进气端设置二次风蜗壳，二次风套管内部设置轴向旋流叶片；周界风套管进气端设置周界风蜗壳；一次燃气管道出气端设置燃气喷嘴，燃气喷嘴上设置稳燃钝体；燃气喷嘴上开设若干一次燃气喷口，稳燃钝体上开设若干氨气喷口。
可选的，所述一次燃气管道的直径D1、一次空气套管的直径D2、二次风套管的直径D3以及周界风套管的直径D4满足以下关系：D1/D2＝0.3～0.5，D2/D3＝0.5～0.7及D3/D4＝0.7～0.9。
可选的，所述燃气喷嘴上周向开设12～18个直径为8～12mm的一次燃气喷口；所述若干一次燃气喷口中，与中心风管的中心线对称分布的两个一次燃气喷口的中心线之间的角度为α，45°≤α≤90°。
可选的，所述稳燃钝体上周向开设8～12个直径为3～7mm的氨气喷口，所述若干氨气喷口中，与中心风管中心线对称分布的两个氨气喷口的中心线之间的角度为θ，45°≤θ≤90°。
可选的，所述0°≤θ-α≤15°。
可选的，所述轴向旋流叶片沿二次风套管周向设置8～16个，轴向旋流叶片的长度L与二次风套管的直径D3满足以下关系：L/D3＝0.25～0.35。
可选的，所述轴向旋流叶片与二次风套管的半径方向之间的夹角为30°～60°。
可选的，所述轴向旋流叶片通过调节连杆固定在二次风套管中，所述调节连杆用于调节轴向旋流叶片与二次风套管的半径方向之间的夹角。
可选的，所述稳燃钝体出气端端面与一次空气套管出气端端面之间的距离为L1，L1为20～40mm。
可选的，周界风套管伸入炉膛的长度L2与二次风套管伸入炉膛的长度L3之间满足如下关系：0.2m≤L2-L3≤0.5m；
当氨气热值比例低于25％时，氨气管道关闭，所有的氨气均从中心风管通入，当氨气热值比例超过25％时，25％的氨气从中心风管通入，一次燃气管道打开，剩余的氨气通过氨气管道通入，总过量空气系数范围为1.05～1.15，一次空气套管中的空气量占总空气量的20～30％，二次风套管中的空气量占总空气量的45～65％，周界风套管中的空气量占总空气量的10～20％，一次空气与二次空气区域的总过量空气系数为0.9～0.96。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，二次风蜗壳和周界风蜗壳的设计能够获得更均匀的进风，利用旋流钝体和烟气再循环技术促进了天然气与氨气的着火，通过在二次风套管上布置轴向旋流叶片，获得了更大的卷吸动量，促进了二次空气与天然气、氨气的混合，通过周界风套管向炉膛内部布置的设计为二次空气与天然气、氨气的混合燃烧有效创造了弱还原性气氛，能够在不存在氨逃逸的前提下有效控制燃烧时产生的氮氧化物和一氧化碳，可以在燃气锅炉中实现氨气的大比例掺烧，降低燃气锅炉的碳排放。
附图说明
图1为本发明实施例的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器结构示意图；
图2为本发明实施例的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器侧视图；
图3为本发明实施例的稳燃钝体和燃气喷嘴的结构示意图。
其中：1-中心风管；2-一次燃气管道；3-氨气管道；4-燃气喷嘴；5-稳燃钝体；6-一次空气套管；7-循环烟气管道；8-轴向旋流叶片；9-二次风蜗壳；10-二次风套管；11-周界风蜗壳；12-周界风套管；13-氨气喷口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
首先，介绍本发明实施例中涉及的相关术语：
一次风指的是一次空气和一次燃气的混合气。
二次风指的是二次空气和二次燃气的混合气。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
针对上述背景技术中的问题，发明人在实际工作中发现，使用天然气能明显改善氨气的燃烧特性，加快氨气的火焰燃烧速度。通过将天然气和氨气混燃，一方面氨气取代一部分天然气，降低了燃烧过程中生成的CO2，另一方面天然气可以改善氨的燃烧特性，改善氨气的燃烧特性，但是，截止目前为止还没有设备能够同时燃用天然气和氨气。同时，使用烟气再循环技术能够减少燃烧中的热点，使温度分布更均匀，有助于氮氧化物排放的控制。因此，开发一种用于燃气锅炉的，适用于氨气及天然气的双燃料低氮燃烧器，对控制天然气燃烧过程中的碳排放以及氨燃烧过程中的氮氧化物排放具有重要的意义。
参见图1至3，本发明实施例中，提供一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，以控制天然气燃烧过程中的碳排放以及氨燃烧过程中的氮氧化物排放，用于燃气锅炉，可以实现天然气和氨气的稳定着火和低氮燃烧，可以在燃气锅炉中实现氨气的大比例掺烧，降低燃气锅炉的碳排放。
具体的，该用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器包括中心风管1；中心风管1全部通氨气，中心风管1外依次套设一次燃气管道2、一次空气套管6、二次风套管10以及周界风套管12；一次燃气管道2侧壁上设置若干氨气管道3；一次空气套管6侧壁上设置循环烟气管道7；二次风套管10进气端设置二次风蜗壳9，二次风套管10内部设置轴向旋流叶片8；周界风套管12进气端设置周界风蜗壳11；中心风管1出气端设置燃气喷嘴4，燃气喷嘴4上设置稳燃钝体5；燃气喷嘴4上开设若干一次燃气喷口，稳燃钝体5上开设若干氨气喷口13。
具体的，所述的一次燃气管道2安装于中心风管1外壁，一次燃气管道2与二次风套管10中间布置有一次空气套管6，循环烟气管道7从一次空气套管6中进入炉膛，周界风套管12布置于二次风套管10外壁。所述的中心风管1用于输送氨气，氨气最终通过氨气喷口13斜向进入炉膛；所述的一次燃气管道2用于输送天然气以及氨气；所述的燃气喷嘴4用于混合天然气和氨气，并将二者斜向喷入炉膛；一次空气套管6、二次风套管10以及周界风套管12用于输送氨气以及天然气所需的空气，构成分级燃烧，除了供应所需的氧气以外，一次空气还可以实现氨气与天然气的着火，二次风则能实现对氨气与天然气的卷吸，周界风还可以拉长火焰，防止火焰刷墙。
二次风蜗壳9和周界风蜗壳11的设计能够获得更均匀的进风，但在二次风套管10中还布置有轴向旋流叶片8，轴向旋流叶片8的存在可能会造成二次风在周向分布上的不均匀，风速存在差异，造成火焰发生变形、偏斜，引起火焰刷墙，进而通过周界风套管12的设计，周界风套管12的垂直进风可以将火焰拉长，从而防止火焰出现刷墙。通过中心风氨气喷嘴以及燃气喷嘴的设计实现了氨气、天然气与一次风和二次风的均匀混合。通过稳燃钝体5以及循环烟气管道7的设计实现了燃气的稳定着火，空气分级以及烟气再循环的设计实现了天然气和氨气的低氮燃烧，周界风的设计还减少了CO的排放。
在一种可能的实施方式中，所述一次燃气管道2的直径D1、一次空气套管6的直径D2、二次风套管10的直径D3以及周界风套管12的直径D4满足以下关系：D1/D2＝0.3～0.5，D2/D3＝0.5～0.7及D3/D4＝0.7～0.9。
具体的，中心风管1和一次燃气管道2的直径根据掺氨比例以及燃料的喷射速度得到，一次空气套管6的直径过高时一次空气流速过低，会导致天然气与氨气着火位置更接近燃烧器，容易导致燃烧器烧毁，直径过高时一次空气流速过低，天然气与氨气不易着火，合适的空气套管直径能够促进燃烧器的着火以及提高使用寿命；二次风套管10的直径影响二次风中空气对天然气与氨气卷吸程度，二次风套管10的直径过大会降低二次空气的流速，使得天然气与氨气射流会穿透二次空气到达周界风区域，燃烧气氛也由弱还原性气氛变为了氧化性气氛，这会使得未燃尽的氨气向氮氧化物的路径转化，而非氮气路径，造成氮氧化物排放升高。二次风套管10的直径太低会使得火焰拉长，影响炉膛容积热负荷分布，造成主燃区温度过低，CO排放升高。周界风套管12的直径最大(流速最低)需要保证火焰不刷墙，最小(流速最高)需要保证氨气以及天然气的燃尽。
在一种可能的实施方式中，所述燃气喷嘴4上周向开设12～18个直径为8～12mm的一次燃气喷口；所述若干一次燃气喷口中，与中心风管1的中心线对称分布的两个一次燃气喷口的中心线之间的角度为α，45°≤α≤90°。
具体的，一次燃气喷口的角度与喷口直径决定了燃气喷射的距离，一次燃气喷口的角度过高以及喷口直径过小时会穿透二次风到达周界风区域，氧化性气氛下会造成氮氧化物排放升高。
在一种可能的实施方式中，所述稳燃钝体5上周向开设8～12个直径为3～7mm的氨气喷口13，所述若干氨气喷口13中，与中心风管1中心线对称分布的两个氨气喷口13的中心线之间的角度为θ，45°≤θ≤90°。
具体的，氨气喷口的角度以及喷口直径同样对氮氧化物排放的影响原理与一次燃气喷口相似。
在一种可能的实施方式中，θ-α＝0°～15°，这一设计的原理在于：中心风管1中的氨气需要不小于燃气喷口的角度，以保证其能一定可以接触到一次空气和二次风中的空气，以实现其充分燃尽。
在一种可能的实施方式中，所述轴向旋流叶片8沿二次风套管10周向设置8～16个，轴向旋流叶片8的长度L与二次风套管10的直径D3满足以下关系：L/D3＝0.25～0.35。
具体的，轴向旋流叶片8使二次空气带有切向速度，加强了二次空气与燃气的混合以及卷吸，轴向旋流叶片8的角度与长度越大，切向速度也越大，同时也使得氨气与天然气更快的燃尽。
在一种可能的实施方式中，轴向旋流叶片8合适的叶片角度与长度也是控制二次空气与燃料流场的关键，本实施方式中，所述轴向旋流叶片8与二次风套管10的半径方向之间的夹角为30°～60°，可选的，所述轴向旋流叶片8通过调节连杆固定在二次风套管10中，所述调节连杆用于调节轴向旋流叶片8与二次风套管10的半径方向之间的夹角。
具体的，目前，大部分燃烧器均是将轴向旋流叶片8布置于一次空气套管6中，将轴向旋流叶片8布置于一次空气套管6中则会促进天然气、氨气与一次空气的混合，但二次空气与一次风之间的混合会相对较弱，一次风带来的卷吸动量也小于二次空气。但氨气火焰本身较长(天然气火焰长度的2～3倍)，较小的卷吸动量会影响后续氨气与二次风的混合效果。本发明中的轴向旋流叶片8通过调节连杆固定在二次风套管10中，通过调节连杆可以调整轴向旋流叶片8与二次风套管10的半径方向的角度，调节范围为30～60°。二次空气通过轴向旋流叶片8产生了切向速度，天然气和氨气会在火焰方向上不断地被更大动量的二次空气卷吸，从而使得更长的掺氨火焰获得更好的混合效果，能使二次空气不断卷吸燃气，使燃气在弱还原性气氛下燃烧，有效抑制氮氧化物的产生。
在一种可能的实施方式中，所述稳燃钝体5出气端端面与一次空气套管6出气端端面之间的距离为L1，L1为20～40mm。
具体的，稳燃钝体5能够促进燃料的着火，但稳燃钝体5的长度不宜过长，要防止一次风区域温度过高烧坏稳燃钝体5。
在一种可能的实施方式中，周界风套管12伸入炉膛的长度L2与二次风套管10伸入炉膛的长度L3之间满足如下关系：0.2m≤L2-L3≤0.5m。
具体的，其原理在于周界风不仅对燃烧火焰具有约束作用，还会影响炉内的燃烧气氛，将周界风向炉膛内布置，一方面可以给二次风区域创造出不受周界风干扰的弱还原性气氛区域，另一方面更长的掺氨火焰也使得炉内气氛变化的临界点更远离燃烧器，在同样的周界风道尺寸下，过长的距离会导致周界风道容易烧变形，因此周界风道伸入炉膛的距离在满足以上关系的条件下具有较好的效果。
在一种可能的实施方式中，当氨气热值比例低于25％时，氨气管道3关闭，所有的氨气均从中心风管1通入，当氨气热值比例超过25％时，25％的氨气从中心风管1通入，氨气管道3打开，剩余的氨气从氨气管道3通入，总过量空气系数范围为1.05～1.15，一次空气套管6中的空气量占总空气量的20～30％，二次风套管10中的空气量占总空气量的45～65％，周界风套管12中的空气量占总空气量的10～20％，一次空气与二次空气区域的总过量空气系数为0.9～0.96，烟气再循环率为5～30％。
具体的，这样分配的原理在于：一次空气和再循环烟气创造出低氧稀释的强还原性气氛，充分抑制氨气中燃料氮向氮氧化物的转化，二次空气创造出弱还原性气氛，在这一阶段，天然气和氨气基本燃尽，还原性气氛下尽管几乎不会产生氮氧化物，但会产生大量的CO，最后通过周界风的弱氧化性气氛将CO转化为CO2，少量的未燃尽氨气会转化为氮氧化物，即使存在少量的氨气未燃尽，通过加装SCR装置也可以实现氮氧化物与氨气的同步脱除。
综上所述，本发明针对现有技术的不足，公开了一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，是一种能够高比例掺氨的氨气/天然气双燃料燃烧器，利用旋流钝体和烟气再循环技术促进了天然气与氨气的着火，通过在二次风套管10上布置轴向旋流叶片8，获得了更大的卷吸动量，促进了二次空气与天然气、氨气的混合，通过周界风套管12向炉膛内部布置的设计，为二次空气与天然气、氨气的混合燃烧有效创造了弱还原性气氛，能够在不存在氨逃逸的前提下有效控制燃烧时产生的氮氧化物和一氧化碳，适用于工业锅炉，可以有效提高掺氨火焰的稳定性以及氮氧化物排放。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，包括中心风管(1)；
中心风管(1)外依次套设一次燃气管道(2)、一次空气套管(6)、二次风套管(10)以及周界风套管(12)；一次燃气管道(2)侧壁上设置若干氨气管道(3)；一次空气套管(6)侧壁上设置循环烟气管道(7)；二次风套管(10)进气端设置二次风蜗壳(9)，二次风套管(10)内部设置轴向旋流叶片(8)；周界风套管(12)进气端设置周界风蜗壳(11)；一次燃气管道(2)出气端设置燃气喷嘴(4)，燃气喷嘴(4)上设置稳燃钝体(5)；燃气喷嘴(4)上开设若干一次燃气喷口，稳燃钝体(5)上开设若干氨气喷口(13)。
2.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述一次燃气管道(2)的直径D1、一次空气套管(6)的直径D2、二次风套管(10)的直径D3以及周界风套管(12)的直径D4满足以下关系：D1/D2＝0.3～0.5，D2/D3＝0.5～0.7及D3/D4＝0.7～0.9。
3.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述燃气喷嘴(4)上周向开设12～18个直径为8～12mm的一次燃气喷口；所述若干一次燃气喷口中，与中心风管(1)的中心线对称分布的两个一次燃气喷口的中心线之间的角度为α，45°≤α≤90°。
4.根据权利要求3所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述稳燃钝体(5)上周向开设8～12个直径为3～7mm的氨气喷口(13)，所述若干氨气喷口(13)中，与中心风管(1)中心线对称分布的两个氨气喷口(13)的中心线之间的角度为θ，45°≤θ≤90°。
5.根据权利要求4所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述0°≤θ-α≤15°。
6.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流叶片(8)沿二次风套管(10)周向设置8～16个，轴向旋流叶片(8)的长度L与二次风套管(10)的直径D3满足以下关系：L/D3＝0.25～0.35。
7.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流叶片(8)与二次风套管(10)的半径方向之间的夹角为30°～60°。
8.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述轴向旋流叶片(8)通过调节连杆固定在二次风套管(10)中，所述调节连杆用于调节轴向旋流叶片(8)与二次风套管(10)的半径方向之间的夹角。
9.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，所述稳燃钝体(5)出气端端面与一次空气套管(6)出气端端面之间的距离为L1，L1为20～40mm。
10.根据权利要求1所述的用于燃气锅炉的氨气和天然气双燃料燃烧器，其特征在于，周界风套管(12)伸入炉膛的长度L2与二次风套管(10)伸入炉膛的长度L3之间满足如下关系：0.2m≤L2-L3≤0.5m；
当氨气热值比例低于25％时，氨气管道(3)关闭，所有的氨气均从中心风管(1)通入，当氨气热值比例超过25％时，25％的氨气从中心风管(1)通入，一次燃气管道(3)打开，剩余的氨气通过氨气管道(3)通入，总过量空气系数范围为1.05～1.15，一次空气套管(6)中的空气量占总空气量的20～30％，二次风套管(10)中的空气量占总空气量的45～65％，周界风套管(12)中的空气量占总空气量的10～20％，一次空气与二次空气区域的总过量空气系数为0.9～0.96。
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