CN114893772A - 氨气燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨气燃烧器，包括氨气加热电离器件、套装于氨气加热电离器件外的第二管道以及套装于第二管道外的第三管道，第二管道和第三管道之间形成一次风道，一次风道内设置有套装于第二管道外的环形燃料管；氨气加热电离器件用于加热电离氨气或氨气混合气体，一次风道输入的空气，与布置于环形燃料管上的燃料喷嘴输出的氨气，在一次风道内形成预混气体。本发明通过等离子点火器实现氨气燃烧器的点火和低负荷稳燃；采用等离子点火器电离氨气有效避免等离子点火器阴级和阳极材料的氧化；多个周向斜孔道在等离子点火器出风口形成的旋转风带动电离出的等离子体产生轴向旋转，受到等离子体内的自由基和高温作用，引发剧烈的燃烧化学反应。

Description

氨气燃烧器
技术领域
本发明涉及燃烧技术领域，尤其涉及一种氨气燃烧器。
背景技术
目前能源消耗80％以上的一次能源利用都是通过燃烧来完成的，燃烧过程是碳排放的主要来源，因此实现CO2零排放的关键是在一次能源中增加可再生、零碳或低碳燃料的利用。氢能是零排放的首选燃料，但氢气单位体积能量极低，储存运输难度大，此外氢还存在着难以解决的安全问题。为了解决H2的经济性和安全性问题，人们积极寻求载氢代氢媒介。
氨(NH3)是一种载氢代氢的零碳燃料，NH3完全燃烧后产物为N2和H2O，具有体积能量密度高，常温下只需0.7～0.8MPa即可液化，方便储存和运输等特点。氨与常规燃料相比，其层流燃烧速度和热值均比较低，点火温度高，燃烧极限范围狭窄，控制不好极容易产生大量氮氧化物排放，因此在使用过程中存在一定的难度，目前使用过程通常均是将氨与其他燃料进行混合燃烧(如氢、甲烷、煤粉等)。现有的氨气燃烧器采用了内燃室和多孔蓄热体提高燃料和空气温度，实现点火稳定燃烧，但现有氨气燃烧器没有考虑如何控制氨燃烧产生大量氮氧化物的问题；其次空气和燃烧通道存在较高压力降，使得风机电耗增大；且当蓄热体温度还没有降低的情况下，燃烧器如果再次点火，容易产生回火，造成燃烧器损坏。
因此目前如何实现氨气燃烧过程中的点火和稳燃，将氮氧化物排放和氨逃逸指标控制在标准范围内，是新型氨燃烧器需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的氨气燃烧器没有考虑氨气燃烧过程中的重新点火爆燃和燃烧不稳定的问题，且现有氨气燃烧器没有将氮氧化物排放和氨逃逸指标控制在标准范围内的措施。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氨气燃烧器，包括氨气加热电离器件、套装于所述氨气加热电离器件外的第二管道以及套装于所述第二管道外的第三管道，所述第二管道和第三管道之间形成一次风道，所述一次风道内设置有套装于所述第二管道外的环形燃料管；
其中，所述氨气加热电离器件用于加热电离氨气或氨气混合气，所述一次风道进风口用于输入空气，所述环形燃料管用于输出氨气，以在所述一次风道内形成预混气体，所述预混气体的当量比范围为1.1-1.5。氨气加热电离器件用于加热电离氨气或氨气混合气，可有效避免氨气加热电离器件阴阳极材料的氧化，大大地延长氨气加热电离器件的使用寿命；且当氨气加热电离器件停止运行时，氨气加热电离器件中心风道中的氨气或氨气混合气形成扩散燃烧，起到值班火焰的作用；设置一次风道内预混气体中的氨气为富燃状态，可有效降低燃烧过程中氮氧化物的排放。
优选地，所述第二管道与所述氨气加热电离器件外壁管道之间形成中心配风通道，所述第二管道末端与所述氨气加热电离器件外壁管道末端连接，以使所述第二管道末端可设置有环绕所述氨气加热电离器件出风口的多个周向斜孔道，多个所述周向斜孔道输出风在所述氨气加热电离器件出风口形成旋转风；多个周向斜孔道的设置可在等离子点火器出风口形成的旋转风带动电离出的等离子体产生轴向旋转，并在等离子体内的自由基和高温作用下，发生剧烈的燃烧化学反应。
优选地，所述环形燃料管上设置有多个燃料喷嘴，多个所述燃料喷嘴用于输出氨气。在环形燃料管上设置多个燃料喷嘴，可使燃料与空气充分均匀混合，且将燃料采用喷嘴形式输出，可有效避免燃烧过程中的回火现象。
优选地，所述燃料喷嘴出风方向与所述一次风道内预混气体传输方向之间夹角小于90度。
优选地，所述一次风道内还设置有多个燃料入口管，所有所述燃料入口管均与所述环形燃料管连通；多个燃料入口管的设置可保证环形燃料管上的燃料喷嘴喷出氨气的流量分布均匀。
优选地，所述一次风道内还设置有旋转叶片。
优选地，所述氨气燃烧器还包括套装于所述第三管道外的第四管道，所述第三管道与所述第四管道之间形成二次风道，所述第三管道末端超出所述第二管道末端向外延伸，所述第四管道末端超出所述第三管道末端向外延伸。
优选地，所述二次风道内设置有旋转叶片，二次风道主要用于在燃烧过程中补充空气，并通过控制空气流量来控制燃烧器的排烟温度。
优选地，氨气加热电离器件为等离子点火器，采用等离子点火器可实现燃烧器的点火和低负荷稳燃。
优选地，所述等离子点火器包括阴极棒以及套装于所述阴极棒外的阳极管道，所述阴极棒和所述阳极管道之间形成中心风道，所述阳极管道内设置有渐缩部，以使得所述等离子点火器点火时所述阳极管道渐缩部与所述阴极棒末端形成电弧，所述阳极管道即为所述等离子点火器外壁管道。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明实施例提供的氨气燃烧器，通过等离子点火器实现氨气燃烧器的点火和低负荷稳燃；且采用等离子点火器电离氨气或氨气混合气，可有效避免等离子点火器阴极和阳极材料的氧化，大大地延长等离子点火器的使用寿命；多个周向斜孔道在等离子点火器出风口形成的旋转风带动电离出的等离子体产生轴向旋转，并在等离子体内的自由基和高温作用下，引发剧烈的燃烧化学反应；设置一次风道预混气体中的氨气为富燃状态，可降低燃烧过程中氮氧化物的排放；一次风道和二次风道内均设置有旋转叶片，可有效控制旋流数，以保证氨气的分级稳定燃烧；且还可通过控制各个燃料或空气通道内气体流速，以对燃烧区壁进行冷却，确保燃烧器不被烧毁。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明实施例一氨气燃烧器的剖面结构示意图；
图2示出了本发明实施例一中周向斜孔道的剖面结构示意图；
图3示出了本发明实施例一中环形燃料管的结构示意图；
其中，1为阴极棒，2为阳极管道，3为中心风道，4为中心配风通道，5为燃料入口管，6为燃料喷嘴，7为一次风道，8为二次风道，9为旋转叶片，10为周向斜孔道，11为第二管道，12为第三管道，13为第四管道，14为环形燃料管。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种氨气燃烧器。
图1示出了本发明实施例一氨气燃烧器的剖面结构示意图；参考图1所示，本发明实施例氨气燃烧器包括氨气加热电离器件、第二管道11、第三管道12和第四管道13。其中氨气加热电离器件优选为等离子点火器，进一步等离子点火器外壁管道与第二管道11之间形成中心配风通道4，第二管道11和第三管道12之间形成一次风道7，第三管道12和第四管道13之间形成二次风道8。
进一步，等离子点火器具体包括阴极棒1、阳极管道2和中心风道，其中阳极管道2套装于阴极棒1外，阴极棒1和阳极管道2之间形成中心风道。阳极管道2内靠近阴极棒1末端处设置有渐缩部，阳极管道2内渐缩部处直径小于阳极管道2内未渐缩部分直径，以拉进阴极棒1末端与阳极管道2之间的距离，使得等离子点火器点火时阳极管道2渐缩部与阴极棒1末端可形成电弧，进而实现对中心风道内气体的电离。阳极管道2末端出口即为等离子点火器出风口，同时为了便于电离气体的输出且为燃烧化学反应提供更多的反应空间，阳极管道2末端出口设置为渐扩状。优选地，阳极管道2为圆筒状。且需要说明的是，阳极管道2即为等离子点火器外壁管道。
第二管道11套装于等离子点火器外侧，等离子点火器外壁管道与第二管道11之间形成中心配风通道4。第二管道11末端与等离子点火器外壁管道末端连接，以使得第二管道11末端环绕等离子点火器出风口设置。图2示出了本发明实施例一中周向斜孔道的剖面结构示意图；参考图2所示，第二管道11末端还设置有多个周向斜孔道10，多个周向斜孔道10环绕等离子点火器出风口设置。且周向斜孔道10并不向等离子点火器出风口轴向方向出风，而需设置与等离子点火器出风口轴向呈一定角度方向进行出风，以使得所有周向斜孔道10输出风在等离子点火器出风口形成旋转风。多个周向斜孔道10在等离子点火器出风口形成的旋转风带动电离出的等离子体产生轴向旋转，并在等离子体内的自由基和高温作用下，发生剧烈的燃烧化学反应。
在本实施例中，中心风道3主要用于通氨气或氨气混合气体(氨气混合气体为氨气和氧气的混合气体或氨气与空气的混合气体，但两种混合气体中均是以氨气为主)，中心配风通道4主要用于通空气。本发明实施例中采用等离子点火器电离的气体为氨气，而不是空气，从而避免了阴、阳极的材料氧化，大大地延长了阴阳极的使用寿命。
第三管道12套装于第二管道11外侧，第二管道11与第三管道12之间形成一次风道7，一次风道7内还设置有环形燃料管14，环形燃料管14套装于第二管道外。图3示出了本发明实施例一中环形燃料管的结构示意图；参考图3所示，环形燃料管14上设置有多个燃料喷嘴6，以用于在一次风道7内输出燃料气体。进一步，一次风道7内还设置有多个燃料入口管5，所有燃料入口管5均与环形燃料管14连通，以将燃料传输给环形燃料管14。在一次风道7内，一次风道7的进风口主要用于输入空气，而环形燃料管14的多个燃料喷嘴6则主要用于输出氨气，在一次风道7内混合以形成预混气体。为了避免燃烧过程中氮氧化物的产生，需将预混气体设置为富燃状态。具体地，预混气体的当量比可设置在1.1-1.5范围之间。优选地，预混气体的当量比(equivalence ratio)设置在1.1-1.3范围之间。
需要是说明的是，为了使燃料在燃烧时得到充分燃烧，设置第三管道12末端超出第二管道11末端向外延伸。为了能够使氨气燃料和一次风道7内空气充分均匀混合，我们需设置燃料喷嘴6出风方向与一次风道7内预混气体传输方向之间的夹角小于90度。且为了进一步使得一次风道7内的预混气体得到充分混合并稳定燃烧，一次风道7内还设置有旋转叶片9，同时旋转叶片9设置有较高的旋流数。
第四管道13套装于第三管道12外侧，第三管道12与第四管道13之间形成二次风道8，且二次风道8内也设置有旋转叶片9，该处旋转叶片9也设置有较高的旋流数。且为了使一次风道7内多余燃料进一步得到充分完全燃烧，设置第四管道13末端超出第三管道12末端向外延伸。
本发明实施例氨气燃烧器的工作过程为：
当本实施例氨气燃烧器点火时，启动等离子发生器，阳极和阴极之间产生电场；氨气或氨气混合气进入中心风道3后，经过阴极和阳极之间时，在电场作用下氨气或氨气混合气分子发生电离形成高能量的等离子体，此时来自中心配风通道的空气在点火器出风口形成旋转风，带动等离子体产生周向旋转，并在等离子体内的自由基和高温作用下，发生剧烈的燃烧化学反应。其中等离子体温度比较高，且主要由电子和带电粒子组成。
一次风道7中环形燃料管14内的氨气通过多个燃料喷嘴与流动的空气充分混合形成预混气体，经过一次风道7中的旋转叶片9，产生向内聚集的旋流预混富燃气体，与内侧已经开始燃烧的高温气体相遇并被点燃，进而持续燃烧，氨气的富燃燃烧有利于避免氮氧化物的产生。且在燃烧过程中，一次风道7内气体的流速可对燃烧区壁实现气流冷却，确保燃烧器不被烧毁。
二次风道8内空气经过旋转叶片产生旋流空气，与内侧富燃燃烧的多余氨气相遇，为燃烧提供过量空气，使得氨气完全燃烧。且在燃烧过程中通过控制二次风道8内空气流量来控制燃烧器的排烟温度，满足燃烧器的性能要求。
在燃烧器正常额定工况运行时，等离子点火器停用，中心风道3仅为氨气或氨气混合气燃料通道，所占整个燃料比例较低，中心配风通道4提供相应空气，维持扩散燃烧状态，作为值班火焰，起到稳定燃烧的作用。一次风道7的预混气体以旋流状态维持燃烧，同时受到不断回流的高温烟气卷吸，从而保证持续燃烧，二次风道8的空气则起到补充空气，保证氨气的完全燃烧，控制燃烧器排烟温度的作用，同时旋流燃烧，也起到回流高温烟气，维持燃烧所需的温度。
本发明实施例提供的氨气燃烧器，通过等离子点火器实现氨气燃烧器的点火和低负荷稳燃；且采用等离子点火器电离氨气或氨气混合气，可有效避免等离子点火器阴阳极材料的氧化，大大地延长等离子点火器的使用寿命；多个周向斜孔道在等离子点火器出风口形成的旋转风带动电离出的等离子体产生轴向旋转，并在等离子体内的自由基和高温作用下，引发剧烈的燃烧化学反应；设置一次风道预混气体中的氨气为富燃状态，可降低燃烧过程中氮氧化物的排放；一次风道和二次风道内均设置有旋转叶片，可有效控制旋流数，以保证氨气的分级稳定燃烧；且还可通过各个燃料或空气通道内气体流速，以对燃烧器壁面进行冷却，确保燃烧器不被烧毁。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种氨气燃烧器，其特征在于，包括氨气加热电离器件、套装于所述氨气加热电离器件外的第二管道以及套装于所述第二管道外的第三管道，所述第二管道和第三管道之间形成一次风道，所述一次风道内设置有套装于所述第二管道外的环形燃料管；
其中，所述氨气加热电离器件用于加热电离氨气或氨气混合气，所述一次风道进风口用于输入空气，所述环形燃料管用于输出氨气，以在所述一次风道内形成预混气体，所述预混气体的当量比范围为1.1-1.5。
2.根据权利要求1所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述第二管道与所述氨气加热电离器件外壁管道之间形成中心配风通道，所述第二管道末端与所述氨气加热电离器件外壁管道末端连接，以使所述第二管道末端可设置有环绕所述氨气加热电离器件出风口的多个周向斜孔道，多个所述周向斜孔道输出风在所述氨气加热电离器件出风口形成旋转风。
3.根据权利要求1所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述环形燃料管上设置有多个燃料喷嘴，多个所述燃料喷嘴用于输出氨气。
4.根据权利要求3所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述燃料喷嘴出风方向与所述一次风道内预混气体传输方向之间夹角小于90度。
5.根据权利要求3所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述一次风道内还设置有多个燃料入口管，所有所述燃料入口管均与所述环形燃料管连通。
6.根据权利要求1所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述一次风道内还设置有旋转叶片。
7.根据权利要求1所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述氨气燃烧器还包括套装于所述第三管道外的第四管道，所述第三管道与所述第四管道之间形成二次风道，所述第三管道末端超出所述第二管道末端向外延伸，所述第四管道末端超出所述第三管道末端向外延伸。
8.根据权利要求7所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述二次风道内设置有旋转叶片。
9.根据权利要求1所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述氨气加热电离器件为等离子点火器。
10.根据权利要求9所述的氨气燃烧器，其特征在于，所述等离子点火器包括阴极棒以及套装于所述阴极棒外的阳极管道，所述阴极棒和所述阳极管道之间形成中心风道，所述阳极管道内设置有渐缩部，以使得所述等离子点火器点火时所述阳极管道渐缩部与所述阴极棒末端形成电弧，所述阳极管道即为所述等离子点火器外壁管道。
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