CN116336462A - 一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法及装置 - Google Patents

一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法及装置，该方法具体为：(1)将满足富燃工况的氨与增氧气体送入到燃烧器中的主燃区中，进行增氧富燃燃烧，同时，调整主燃区的工况点处于低NOx/NH3排放窗口中央；(2)继续将含氧气体送入到燃烧器的二级燃烧区中，接触到主燃区尾气中的氢气，形成贫燃氛围并发生二级燃烧，即完成。与现有技术相比，本发明通过主燃区氨增氧燃烧一方面可提高燃烧反应活性，拓宽氨稳定燃烧范围；另一方面增氧燃烧产生的高温条件可使富燃区氨分解转化为氢气和氮气，将能够显著拓宽低NOx/NH3排放当量比窗口，有助于实现燃烧活性与污染排放的协同调控。

Description

一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法及 装置
技术领域
本发明属于零碳燃烧技术领域，涉及一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法及装置。
背景技术
氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，但由于其单位体积能量极低、点火能量低和火焰传播速度较高，在大量储运及替代燃烧方面还不成熟，目前较难直接应用于燃气轮机、航空发动机、锅炉等燃烧组件的实际燃烧中。而氨是一种优良的氢载体，安全性高，具有较高的质量能量密度，同时氨易液化，世界范围内已经形成了成熟便捷的输运系统，因此氨能得到越来越多的关注。
然而，氨燃料的直接燃烧应用面临着一些挑战，一是燃烧活性低，燃烧稳定性欠缺；二是燃烧产物中NOx排放高，如不做好氮氧化物的排放控制，可能会造成较大的环境污染。因此，如何最大程度实现氨稳定高效燃烧的同时降低尾气污染排放，是氨工业燃烧应用中亟待解决的问题。
现有的氨燃烧调控方法主要有氨与活性燃料掺烧、等离子体助燃、分级燃烧等策略，但是目前没有专利提出可以进行燃烧活性与污染排放协同调控。例如中国专利申请CN115217622A一种基于反应活性调控的氨氢融合燃料控制系统中通过车载制氢与氨形成氢氨融合燃料，根据发动机负荷和转速的变化，实施调控燃烧比例。这种策略目标是提高内燃机中氨燃烧反应活性、稳定火焰，不涉及低NOx/NH3排放窗口的调控，也未涉及其他燃烧装置。而中国专利申请CN114459033A基于增氧及氢气助燃的氨燃烧控制系统中则公开了通过调节接入第一和第二燃烧区的氨，氢气和氧气流量，使得第一燃烧区富燃，第二燃烧区贫燃，达到燃料稳定燃烧的效果。该专利针对工业窑炉设计，未涉及污染排放调控方法，也未涉及其他燃烧装置。
另外，如中国专利申请CN110375330A公开了一种适用于富氧燃烧燃气轮机的分级供氧燃烧室及分级燃烧方法，其分级供氧燃烧室分为主燃区、次燃区和掺混区。主燃区前端设置主喷嘴，用于喷入燃料、一级氧气和一级二氧化碳。次燃区前部设置次级喷嘴，用于喷入二级氧气和二级二氧化碳。掺混区设置有掺混孔，用于通入三级二氧化碳。低负荷状态下，燃料和氧气全部供应到主燃区，使燃料在主燃区为贫燃燃烧，减少CO排放；高负荷状态下，增加次燃区二级氧气供应，使燃料在主燃区为富燃燃烧，减少NOx排放。但该方法未说明能否达到稳燃效果，其燃烧方式为扩散燃烧，应用在氨气燃烧上容易产生较高NOx排放。而且该方法只是提出分级供氧，没有说明使用氧气浓度是否高于空气中氧浓度。该方法针对传统碳氢燃料提出O2/CO2富氧燃烧，而纯氨气燃烧产物为氮气和水，使用该方法还需要额外加入二氧化碳，成本过高。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法及装置，。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，包括以下步骤：
(1)将满足富燃工况的氨与增氧气体送入到燃烧器中的主燃区中，进行增氧富燃燃烧，同时，调整主燃区的工况点处于低NOx/NH3排放窗口中央；
(2)继续将含氧气体送入到燃烧器的二级燃烧区中，接触到主燃区尾气中的氢气，形成贫燃氛围并发生二级燃烧，即完成。
进一步的，步骤(1)中，增氧气体氧气浓度较高，大于空气中氧气浓度，可以提高氨燃烧稳定性。
进一步的，步骤(1)中，通入的氨与增氧气体所形成的混合气体燃烧时当量比大于1.0，且位于低NOx/NH3排放窗口中央(即NOx排放和NH3排放均低于100ppm的当量比范围)。
进一步的，步骤(1)中，氨增氧燃烧提高了主燃区温度，使得氨更多地转化为氢气和氮气,从而拓宽了低NO/NH3排放窗口。
进一步的，步骤(1)中，所述增氧气体为氧气与空气、二氧化碳、水蒸气或氮气中的一种或几种混合而成。同时，氨气可以是液氨直接喷入，也可以是汽化后通入，氨汽化后既可以和空气和氧气预混好通入燃烧装置中，也可以单独通入燃烧装置中。
进一步的，步骤(2)中，含氧气体的通入量能够使得二级燃烧区当量比小于1.0，发生贫燃燃烧。
进一步的，步骤(2)中，二级燃烧区发生氢气贫燃燃烧，燃烧温度低，产生NOx排放浓度低。
进一步的，步骤(2)中，所述含氧气体为空气、或氧气与空气、二氧化碳、水蒸气或氮气中一种或几种的混合。
本发明的技术方案之二提供了一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧装置，其用于实施如上所述的氨增氧分级燃烧装置，该装置包括：
具有主燃区与二级燃烧区的燃烧器，其设有分别与主燃区和二级燃烧区相连通的主燃区入口和二级燃烧区入口；
用于通过管路向所述主燃区入口供给氨气与氧气的氨氧供给系统；
用于产生含氧气体的含氧气体供给系统，其分别通过管路一和管路二连接所述主燃区入口和二级燃烧区入口。
进一步的，燃烧器可以为燃气锅炉、内燃机、燃气轮机或者航空发动机等实际燃烧装置的一种或组合，其内部的燃烧区可以分为主燃区和二级燃烧区，主燃区与二级燃烧区可以采用轴向分级燃烧或径向分级燃烧的策略。
进一步的，氨氧供应系统可通过化石燃料或者可再生能源例如太阳能、水能和风能等制备氨，氨制备所需的氮气是从空气中分离的，因而制备过程中会产生大量氧气，因此，氨和氧气可以通过同一管路被输送至燃烧器中，也可以分开送入燃烧器中。此处，产生氨氮的设备均属于本领域的常规市售设备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明实现了氨燃烧的火焰稳定和低NOx/NH3排放窗口的同步拓宽，即燃烧活性与污染排放协同调控。
(2)本发明将增氧燃烧与分级燃烧策略结合，提高燃烧效率，经济性更高。
(3)本发明整体结构简单，易于实施，可以使得氨燃烧满足现有的排放要求，具有良好的应用前景
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记说明：
1-氨氮供应系统，2-空气压缩系统，3-管路一，4-管路二，5-燃烧器，6-主燃区入口，7-二级燃烧入口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“周向”、“径向”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、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。
以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
为实现氨燃烧时反应活性和污染排放协同调控，同时结合径向分级或者轴向分级燃烧策略确保高燃烧效率，本发明提供了一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，可参见图1所示，包括以下步骤：
(1)将满足富燃工况的氨与增氧气体送入到燃烧器中的主燃区中，进行增氧富燃燃烧，同时，调整主燃区的工况点处于低NOx/NH3排放窗口中央；
(2)继续将含氧气体送入到燃烧器的二级燃烧区中，接触到主燃区尾气中的氢气，形成贫燃氛围并发生二级燃烧，即完成。
在一些具体的实施方式中，步骤(1)中，增氧气体氧气浓度较高，大于空气中氧气浓度，可以提高氨燃烧稳定性。
在一些具体的实施方式中，步骤(1)中，通入的氨与增氧气体所形成的混合气体燃烧时当量比大于1.0，且位于低NOx/NH3排放窗口中央(即NOx排放和NH3排放均低于100ppm的当量比范围)。
在一些具体的实施方式中，步骤(1)中，氨增氧燃烧提高了主燃区温度，使得氨更多地转化为氢气和氮气,从而拓宽了低NO/NH3排放窗口。
在一些具体的实施方式中，步骤(1)中，所述增氧气体为氧气与空气、二氧化碳、水蒸气或氮气中的一种或几种混合而成。同时，氨气可以是液氨直接喷入，也可以是汽化后通入，氨汽化后既可以和空气和氧气预混好通入燃烧装置中，也可以单独通入燃烧装置中。
在一些具体的实施方式中，步骤(2)中，含氧气体的通入量能够使得二级燃烧区当量比小于1.0，发生贫燃燃烧。
在一些具体的实施方式中，步骤(2)中，二级燃烧区发生氢气贫燃燃烧，燃烧温度低，产生NOx排放浓度低。
在一些具体的实施方式中，步骤(2)中，所述含氧气体为空气、或氧气与空气、二氧化碳、水蒸气或氮气中的一种或几种的混合。
另外，本发明还提供了一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧装置，其用于实施如上所述的氨增氧分级燃烧装置，可参见图1所示，该装置包括：
具有主燃区与二级燃烧区的燃烧器，其设有分别与主燃区和二级燃烧区相连通的主燃区入口和二级燃烧区入口；
用于通过管路向所述主燃区入口供给氨气与氧气的氨氧供给系统；
用于产生含氧气体的含氧气体供给系统，其分别通过管路一和管路二连接所述主燃区入口和二级燃烧区入口。
在一些具体的实施方式中，燃烧器可以为燃气锅炉、内燃机、燃气轮机或者航空发动机等实际燃烧装置的一种或组合，其内部的燃烧区可以分为主燃区和二级燃烧区，主燃区与二级燃烧区可以采用轴向分级燃烧或径向分级燃烧的策略。
进一步的，氨氧供应系统可通过化石燃料或者可再生能源例如太阳能、水能和风能等制备氨，氨制备所需的氮气是从空气中分离的，因而制备过程中会产生大量氧气，因此，氨和氧气可以通过同一管路被输送至燃烧器中，也可以分开送入燃烧器中。此处，产生氨氮的设备均属于本领域的常规市售设备。
进一步的，此处的含氧气体供给系统用于供给空气等含氧气体。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
本实施例提供了一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧装置，其包括燃烧器5，并配套有氨氧供应系统1、空气压缩系统2和气路系统，气路系统包括管路一3和管路二4，燃烧器5具有两个反应物入口，包括主燃区入口6、二级燃烧区入口7。
氨氧供应系统1通过管路一3与燃烧器主燃区入口6连接，用于向燃烧器主燃区输入氨和氧气。
空气压缩系统2也通过管路一3与燃烧器主燃区入口6连接，用于向燃烧器主燃区输入空气，同时，还通过管路二4与二级燃烧区入口7连接，向燃烧器5输送空气可进行轴向或者径向分级燃烧。
燃烧器主燃区用黑色虚线表示，显示为虚线椭圆区域灰色区域，火焰为氨增氧富燃火焰。二级燃烧区火焰为氢气贫燃火焰，主要在二级燃烧区入口附近，显示为淡蓝色火焰。
具体包括如下实施步骤：
步骤1：开启氨氧供应系统1，通过化石燃料或者可再生能源例如太阳能、风能、地热能等制备并供应氨气，并将氨气送入管路一3中。在氨制备过程中需要分离空气中的氮气，剩余的氧气也被分离，同时输送至管路一3中。
步骤2：开启空气压缩系统2，直接输送大气中的空气进入管路一3中，同时输送空气进入管路二4中。
步骤3：开启燃烧器5的主燃区入口6，使氨与空气、氧气，通过管路一进入燃烧装置主燃区中进行燃烧，调节三者比例使主燃区中的燃烧为增氧富燃燃烧。富燃条件下的氨增氧燃烧一方面可提高燃烧反应活性和增强燃烧稳定性，另一方面氧气含量的增加可促进氨更多的转化为氢气和氮气，从而同步拓宽氨燃烧的火焰稳定和低NOx/NH3排放窗口，实现燃烧活性与污染排放协同调控。调节工况点处于低NOx/NH3排放窗口中央，此时燃烧产物中NOx和氨排放均低于100ppm，但是含有大量未燃氢气。
步骤4：开启燃烧器5的二级燃烧区入口7，适量的空气从管路二4通过二级燃烧区入口7通入燃烧器5中，使其接触主燃区燃烧产生的尾气。由于主燃区的尾气中含有大量高温氢气，因此发生二级燃烧。此时，由于空气相比于氢气来说是过量的，因此二级燃烧区发生的是贫燃燃烧，产生淡蓝色氢气贫燃火焰，可将残留的氢气充分燃烧而不易产生污染物，从而可进一步提高燃烧效率。而根据二级燃烧区入口位置的不同，可进行轴向分级或者径向分级燃烧，只需实施其一即可。
该实例装置的具体使用方法可根据前述的一种氨增氧分级清洁高效燃烧方法实施步骤来展开，此处不再一一赘述。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将满足富燃工况的氨与增氧气体送入到燃烧器中的主燃区中，进行增氧燃烧，同时，调整主燃区的工况点处于低NOx/NH3排放窗口中央；
(2)继续将含氧气体送入到燃烧器的二级燃烧区中，接触到主燃区尾气中的氢气，形成贫燃氛围并发生二级燃烧，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(1)中，增氧气体中的氧气浓度大于空气中氧气浓度，以提高氨燃烧稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(1)中，通入的氨与增氧气体所形成的混合气体燃烧时当量比大于1.0，且位于低NOx/NH3排放窗口中央。
4.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(1)中，氨通过增氧燃烧提高主燃区温度，使得氨更多地转化为氢气和氮气，从而拓宽低NO/NH3排放窗口。
5.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(1)中，经过增氧燃烧的燃烧尾气中富含氢气，且其所含污染物NO和NH3排放均低于100ppm。
6.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(1)中，所述增氧气体为氧气与空气、二氧化碳、水蒸气和氮气中的一种或几种混合而成。
7.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(2)中，含氧气体的通入量使得二级燃烧区当量比小于1.0，发生贫燃燃烧。
8.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(2)中，二级燃烧区内发生氢气贫燃燃烧，其燃烧温度低，产生NOx排放浓度低。
9.根据权利要求1所述的一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧方法，其特征在于，步骤(2)中，所述含氧气体为空气、或氧气与空气、二氧化碳、水蒸气或氮气中的一种或几种混合。
10.一种燃烧活性与污染排放协同调控的氨增氧分级燃烧装置，其用于实施如权利要求1-9任一所述的氨增氧分级燃烧装置，其特征在于，该装置包括：
具有主燃区与二级燃烧区的燃烧器，其设有分别与主燃区和二级燃烧区相连通的主燃区入口和二级燃烧区入口；
用于通过管路向所述主燃区入口供给氨气与氧气的氨氧供给系统；
用于产生含氧气体的含氧气体供给系统，其分别通过管路一和管路二连接所述主燃区入口和二级燃烧区入口。
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