CN115371076A

CN115371076A - 氨燃料燃烧室

Info

Publication number: CN115371076A
Application number: CN202211005599.9A
Authority: CN
Inventors: 王昆; 路广; 王君雷; 梁兴雨
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-08-22
Also published as: CN115371076B

Abstract

本发明公开了一种氨燃料燃烧室，包括：管壳，管壳内形成燃烧空间；底盘，安装在管壳下方，适用于将燃料、和空气或氧化剂引入管壳内；裂解装置，环绕安装在管壳的外表面，适用于吸收来自管壳的热量使引入的第一氨气裂解形成氢氮混合气；以及混合装置，设置在底盘的外部，适用于将来自于裂解装置的氢氮混合气与第二氨气混合形成燃料并将燃料经底盘注入到管壳的燃烧空间内燃烧。裂解装置通过吸收来自管壳的热量将氨气部分转化为氢氮混合气可以增强氨气的燃烧反应活性。

Description

氨燃料燃烧室

技术领域

本发明涉及微型燃气轮机领域，特别涉及一种氨燃料燃烧室。

背景技术

氨气(NH₃)作为一种零碳燃料，在储存、运输和物流等方面都有完善、可靠的基础设施。另一方面，氨气NH₃中氢含量较高，质量分数达17.6％，是优良的氢能源载体，因此，氨作为化学储能材料替代化石燃料的应用吸引了关注，尤其是在燃气轮机发电方面。然而，氨气的化学活性总体较低，其燃烧反应过程存在燃烧速率低(其层流火焰燃烧速率大约为7cm/s，相对应的，天然气甲烷的燃烧速率约为35cm/s，汽油、柴油、煤油的燃烧速率约为45-55cm/s，而氢气(H₂)的燃烧速率则高达约295cm/s)和点火能量高等问题，导致其难以像其他碳氢燃料一样在燃烧器中稳定、高效燃烧。

微型燃气轮机以其结构小巧，维护成本低，结构简单以及优良的燃烧特性等优点越来越受到关注，其小型分布式发电及热电联供的方式让能源利用效率进一步提高。微型燃气轮机的主要部件有燃烧室、压缩机和涡轮。其中燃烧室内的燃烧效率直接影响了整个燃气轮机的性能。而氨气自身燃烧的指标并不理想，常规燃气轮机燃烧室内燃烧氨气存在燃烧不稳定、容易吹熄、和氮氧化物NOx排放过高等问题，因此需要设计燃烧强化装置或开发燃烧反应增强技术，提升氨气的稳定燃烧。

目前在氨气燃烧领域，已提出了通过旋流燃烧器和掺混高活性燃料气体(如氢气、天然气甲烷、柴油等)形成二元或多元燃料体系的方式稳定火焰的方法。尤其是氢气掺混氨气二元燃料体系，由于氢气的高活性(层流火焰燃烧速率达291cm/s，远高于氨气和其它碳氢燃料)且非常清洁(燃烧反应仅产生水：2H₂+O₂→2H₂O)。然而，氢气的体积能量密度较低、液化温度接近绝对零度(～20K)，当前氢气的运输、存储和使用存在巨大的挑战，短时间难以克服。

发明内容

为解决现有技术中的上述和其他方面的至少部分技术问题，根据本发明一个方面的实施例，提供一种氨燃料燃烧室，通过将一部分氨气裂解产生氢气并与另一部分氨气混合形成燃料，可以增强氨气燃烧反应活性。

在本发明的一些实施例中，氨燃料燃烧室包括：

管壳，管壳内形成燃烧空间；

底盘，安装在管壳下方，适用于将燃料、和空气或氧化剂引入管壳内；

裂解装置，环绕安装在管壳的外表面，适用于吸收来自管壳的热量使引入的第一氨气裂解形成氢氮混合气；以及

混合装置，设置在底盘的外部，适用于将来自于裂解装置的氢氮混合气与第二氨气混合形成燃料并将燃料经底盘注入到管壳的燃烧空间内燃烧。

在本发明的一些实施例中，其中，裂解装置包括：

进气部，适用于接收第一氨气；

环绕部，与进气部相连接，环绕部以多圈环绕的方式安装在管壳的外壁上，环绕部适用于吸收管壳内燃烧产生的热量以使第一氨气发生裂解反应形成氢氮混合气；以及

排气部，与环绕部相连接，排气部适用于将氢氮混合气输送到混合装置。

在本发明的一些实施例中，其中，底盘包括：

环形部，设置于管壳的底部；

凸台，设置于环形部的中心位置并朝向燃烧空间凸出，凸台设置有多个通孔，适用于将燃料输送到燃烧空间；以及

旋流器，设置于环形部与凸台之间，旋流器适用于将空气或氧化剂以旋流的方式引入管壳内。

在本发明的一些实施例中，其中，旋流器包括：

整流环，在凸台的外围从环形部的内侧边缘朝向燃烧空间延伸；以及

多个叶片，叶片均匀地连接在整流环的内侧和凸台的外壁之间，并且每个叶片的表面与凸台的径向截面和凸台的穿过叶片的内侧边缘的轴向截面都成锐角，使得空气或氧化剂以旋流的方式进入燃烧空间。

在本发明的一些实施例中，其中，混合装置包括：

入口部，适用于引入第二氨气并与排气部连通，以使第二氨气与排气部排出的氢氮混合气混合形成燃料；以及

出口部，与凸台相连接，出口部适用于向通孔释放燃料。

在本发明的一些实施例中，还包括：

通气装置，环绕在混合装置的外围，并与旋流器连通，通气装置适用于将空气或氧化剂输入旋流器中。

在本发明的一些实施例中，其中，凸台包括：

柱形部，与环形部的内侧边缘连接；

圆台部，与柱形部的远离环形部的一端相连接，通孔沿圆台部的周向均匀设置。

在本发明的一些实施例中，其中，圆台部的侧面与水平面的夹角在40°～60°之间。

在本发明的一些实施例中，其中，第一氨气与第二氨气的流量比值为1.5～2.4。

在本发明的一些实施例中，其中，管壳包括：

第一等径部，安装在底盘上，第一等径部适用于为燃料提供燃烧空间；

缩径部，与第一等径部相连接，缩径部的外径在沿远离第一等径部的方向上均匀缩小，缩径部适用于引导管壳内的燃烧气流；

第二等径部，与缩径部相连接，第二等径部适用于排出管壳内的燃烧气流。

本发明的实施例将作为单一原料气的氨气分成两部分，其中一部分氨气通过裂解装置吸收燃烧室释放的热量使氨气发生裂解反应形成氢氮混合气，另一部分氨气与裂解反应后形成的氢氮混合气进行掺混形成燃料并输入到氨燃料燃烧室进行燃烧可以增强氨气燃烧反应活性、降低NOx排放，进而增加氨燃料燃烧室的燃烧效率，同时保持氨燃料燃烧室的装置简便。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的侧视图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的管壳的侧视图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的移除混合装置和通气装置后的侧视图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的底盘的俯视图；

图5示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的底盘的立体示意图；以及

图6示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的凸台的侧视图。

附图标记说明

1-管壳；

11-第一等径部；

12-缩径部；

13-第二等径部；

2-底盘2；

21-环形部；

22-凸台；

221-柱形部；

222-圆台部；

223-通孔；

23-旋流器；

231-叶片；

232-整流环；

3-裂解装置；

31-进气部；

32-环绕部；

33-排气部；

4-混合装置；

41-入口部；

42-出口部；

5-通气装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的侧视图。图2示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的管壳的侧视图。

根据本发明一个方面的实施例，提供一种氨燃料燃烧室，如图1、图2所示，氨燃料燃烧室包括：管壳1，管壳1内形成燃烧空间；底盘2，安装在管壳1下方，适用于将燃料、和空气或氧化剂引入管壳1内；裂解装置3，环绕安装在管壳1的外表面，适用于吸收来自管壳1的热量使引入的第一氨气裂解形成氢氮混合气；以及混合装置4，设置在底盘2的外部，适用于将来自于裂解装置3的氢氮混合气与第二氨气混合形成燃料并将燃料经底盘2注入到管壳1的燃烧空间内燃烧。

图3示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的移除混合装置和通气装置后的侧视图。

在本发明的一些实施例中，其中，裂解装置3包括：进气部31，适用于接收第一氨气；环绕部32，与进气部31相连接，环绕部32以多圈环绕的方式安装在管壳1的外壁上，环绕部32适用于吸收管壳1内燃烧产生的热量以使第一氨气发生裂解反应形成氢氮混合气；以及排气部33，与环绕部32相连接，排气部33适用于将氢氮混合气输送到混合装置4。通过预裂解装置3产生高活性氢气，能够使燃烧室稳定燃烧并降低排放，氢气与氨气组合的燃烧效率高、热利用率高、工况适应性强。

在本发明的一些实施例中，环绕部32采用盘管的形式绕设在管壳1的外壁上，第一氨气沿着盘管流动，吸收来自管壳1外壁的热量，发生裂解反应(2NH₃→3H₂+N₂)，将大部分氨气转化为包含大量高活性氢气的裂解气，然后通过混合装置4与第二氨气混合再被输入管壳1内燃烧。

图4示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的底盘的俯视图。图5示意性示出了根据本发明实施例的氨燃料燃烧室的底盘的立体示意图。

在本发明的一些实施例中，其中，如图4、图5所示，底盘2包括：环形部21，设置于管壳1的底部；凸台22，设置于环形部21的中心位置并朝向燃烧空间凸出，凸台22设置有多个通孔223，适用于将燃料输送到燃烧空间；以及旋流器23，设置于环形部21与凸台22之间，旋流器23适用于将空气或氧化剂以旋流的方式引入管壳1内。本发明的实施例通过设置凸台22可以使燃料能够更通畅的被输送到燃烧空间中。

在本发明的一些实施例中，其中，旋流器23包括：整流环232，在凸台22的外围从环形部21的内侧边缘朝向燃烧空间延伸；以及多个叶片231，叶片231均匀地连接在整流环232的内侧和凸台22的外壁之间，并且每个叶片231的表面与凸台22的径向截面和凸台22的穿过叶片231的内侧边缘的轴向截面都成锐角，使得空气或氧化剂以旋流的方式进入燃烧空间。旋流器23可以使燃料和空气或氧化剂更好的混合，使燃烧更充分。

在本发明的一些实施例中，其中，混合装置4包括：入口部41，适用于引入第二氨气并与排气部33连通，以使第二氨气与排气部33排出的氢氮混合气混合形成燃料；以及出口部42，与凸台22相连接，出口部42适用于向通孔223释放燃料。

在本发明的一些实施例中，还包括：通气装置5，环绕在混合装置4的外围，并与旋流器23连通，通气装置5适用于将空气或氧化剂输入旋流器23中。

在本发明的一些实施例中，管壳1和底盘2使用耐高温合金材料，裂解装置3、混合装置4使用不锈钢材料，通气装置5使用铜合金材料。

在本发明的一些实施例中，其中，如图6所示，凸台22包括：柱形部221，与环形部21的内侧边缘连接；圆台部222，与柱形部221的远离环形部21的一端相连接，通孔223沿圆台部222的周向均匀设置。

在本发明的一些实施例中，其中，圆台部222的侧面与水平面的夹角在40°～60°之间，第一氨气与第二氨气的流量比值为1.5～2.4。两股氨气的分配比例可根据燃料掺混需求和燃烧室温度调整。富当量比时，燃烧室温度较高，可适当减少裂解装置3中的氨气分配比例；贫当量比时，燃烧室温度低于富当量比，可适当提高裂解装置3中的氨气分配比例。当燃料中氢气掺混比达到约30％时，其层流火焰燃烧速度可与甲烷相当(约35cm/s)。在本发明的实施例中，燃烧室温度稳定在1600K时，将氨气总流量的65％通入裂解装置3裂解后，再与混合装置4中的氨气掺混，可使燃料中氢气掺混比例达到30％。

在本发明的一些实施例中，其中，管壳1包括：第一等径部11，安装在底盘2上，第一等径部11适用于为燃料提供燃烧空间；缩径部12，与第一等径部11相连接，缩径部12的外径在沿远离第一等径部11的方向上均匀缩小，缩径部12适用于引导管壳1内的燃烧气流；第二等径部13，与缩径部12相连接，第二等径部13适用于排出管壳1内的燃烧气流。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本发明的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氨燃料燃烧室，包括：

管壳，所述管壳内形成燃烧空间；

底盘，安装在所述管壳下方，适用于将燃料、和空气或氧化剂引入所述管壳内；

裂解装置，环绕安装在所述管壳的外表面，适用于吸收来自所述管壳的热量使引入的第一氨气裂解形成氢氮混合气；以及

混合装置，设置在所述底盘的外部，适用于将来自于所述裂解装置的所述氢氮混合气与第二氨气混合形成所述燃料并将所述燃料经所述底盘注入到所述管壳的燃烧空间内燃烧。

2.根据权利要求1所述的氨燃料燃烧室，其中，所述裂解装置包括：

进气部，适用于接收所述第一氨气；

环绕部，与所述进气部相连接，所述环绕部以多圈环绕的方式安装在所述管壳的外壁上，所述环绕部适用于吸收所述管壳内燃烧产生的热量以使所述第一氨气发生裂解反应形成所述氢氮混合气；以及

排气部，与所述环绕部相连接，所述排气部适用于将所述氢氮混合气输送到所述混合装置。

3.根据权利要求2所述的氨燃料燃烧室，其中，所述底盘包括：

环形部，设置于所述管壳的底部；

凸台，设置于所述环形部的中心位置并朝向所述燃烧空间凸出，所述凸台设置有多个通孔，适用于将所述燃料输送到所述燃烧空间；以及

旋流器，设置于所述环形部与凸台之间，所述旋流器适用于将空气或氧化剂以旋流的方式引入所述管壳内。

4.根据权利要求3所述的氨燃料燃烧室，其中，所述旋流器包括：

整流环，在所述凸台的外围从所述环形部的内侧边缘朝向所述燃烧空间延伸；以及

多个叶片，所述叶片均匀地连接在所述整流环的内侧和所述凸台的外壁之间，并且每个叶片的表面与所述凸台的径向截面和所述凸台的穿过所述叶片的内侧边缘的轴向截面都成锐角，使得所述空气或氧化剂以旋流的方式进入所述燃烧空间。

5.根据权利要求3所述的氨燃料燃烧室，其中，所述混合装置包括：

入口部，适用于引入所述第二氨气并与所述排气部连通，以使所述第二氨气与所述排气部排出的氢氮混合气混合形成燃料；以及

出口部，与所述凸台相连接，所述出口部适用于向所述通孔释放所述燃料。

6.根据权利要求5所述的氨燃料燃烧室，还包括：

通气装置，环绕在所述混合装置的外围，并与所述旋流器连通，所述通气装置适用于将所述空气或氧化剂输入所述旋流器中。

7.根据权利要求3所述的氨燃料燃烧室，其中，所述凸台包括：

柱形部，与所述环形部的内侧边缘连接；

圆台部，与所述柱形部的远离所述环形部的一端相连接，所述通孔沿所述圆台部的周向均匀设置。

8.根据权利要求7所述的氨燃料燃烧室，其中，所述圆台部的侧面与水平面的夹角在40°～60°之间。

9.根据权利要求1所述的氨燃料燃烧室，其中，所述第一氨气与第二氨气的流量比值为1.5～2.4。

10.根据权利要求1所述的氨燃料燃烧室，其中，所述管壳包括：

第一等径部，安装在所述底盘上，所述第一等径部适用于为所述燃料提供燃烧空间；

缩径部，与所述第一等径部相连接，所述缩径部的外径在沿远离所述第一等径部的方向上均匀缩小，所述缩径部适用于引导所述管壳内的燃烧气流；

第二等径部，与所述缩径部相连接，所述第二等径部适用于排出所述管壳内的燃烧气流。