CN116753520A - 一种工业炉天然气宽比掺氨分级燃烧方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于清洁能源技术领域，公开了一种天然气宽比掺氨分级燃烧方法及系统，通过旋流促混和活性基团促燃稳燃技术实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效燃烧；通过源头分区分级技术实现天然气宽比掺氨条件下的清洁低氮燃烧。包括以下步骤：步骤一，利用旋流促混和活性基团促燃实现燃料的稳燃；步骤二，利用源头分区分级燃烧技术实现氮氧化物的减排。本发明提供的基于旋流促混‑活性基团促燃宽比掺氨分级燃烧技术，采用旋流促混和活性基团促燃稳燃技术，分区分级燃烧源头降氮来实现高效清洁的掺氨燃烧。本发明的天然气宽比掺氨分级燃烧系统结构紧凑，结合多种稳燃和降氮方式，实际效果显著，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源技术领域，尤其涉及一种工业炉天然气宽比掺氨分级燃烧方法。
背景技术
在当前“碳达峰”和“碳中和”的环保背景下，常规化石燃料在我国能源消费中的比例将大幅降低。由于新能源目前还不能完全取代化石燃料成为能源供给的主体，开发新型“低碳”，甚至是“零碳”燃料对我国能源结构转型具有重要意义。其中，氢气是当前最受关注的清洁燃料，但氢气具有极高的生产和存储成本，同时运输过程还存在较高的爆炸风险。鉴于这些问题，氨气作为一种新型的氢能载体及“零碳”燃料，具有存储成本低、安全性能高的优点，近年来受到了国内外广泛的关注。
我国是氨气的生产大国，但近年来氨气持续产能过剩，若能将这些过剩的氨气加以利用，将有助于加速实现我国能源结构转型。此外，近年来随着生产工艺的不断进步，合成氨的成本不断下降，这也为氨气作为燃料被利用提供了极好的技术支持。
然而，氨气的化学活性较差，纯氨燃烧时容易出现火焰不稳定、效率低、甚至熄火的问题；同时由于自身含氮元素，燃烧排放的氮氧化物水平显著升高。因此，为了提高氨气在工业生产中的利用率，必须解决其燃烧稳定性差、效率低以及高氮氧化物排放的技术问题。
目前，掺氨燃烧研究主要集中在日本，沙特，英国等国家，行业以燃气轮机为主。日本东北大学采用旋流与燃烧室分级燃烧技术，可实现功率为50kw，掺氨比0～100％，NOx排放1000ppm的掺氨燃烧；英国卡迪夫大学主要研究H2/NH3的混合燃烧，同样采用旋流与燃烧室分级燃烧技术，已经实现功率为50kw，掺氨比0～100％的掺氨燃烧；国内针对氨燃料直接燃烧的研究还较少，已有的应用研究主要集中于内燃机领域。中国科学院、上海交通大学以及浙江大学均有少量关于NH3火焰传播特性和化学反应动力学的基础研究，但均未涉及燃烧器等应用层面的开发。国内西安交通大学和华中科技大学均采用旋流燃烧，目前已经实现功率5kw，掺氨比0～100％，NOx排放2000ppm的天然气掺氨燃烧。
为了改善氨气燃烧的稳定性，目前普遍采用的方法是与活性更高的可燃气体掺混燃烧，例如甲烷、丙烷及液化石油气等，中国专利CN 110440251 B提供了一种氨气燃烧的控制方法及燃烧装置。该专利的燃烧装置在启动阶段需要额外增加含碳可燃气体的供给，不仅使系统更为复杂，同时也无法实现真正的“零碳”排放，此外该装置还需额外对烟气中的氮氧化物进行处理，增加成本。另外，中国专利CN 107810365 B将氨气和氢气混合，实现了氨气的稳定燃烧，同时通过分级燃烧技术降低氮氧化物排放，但该专利中的燃烧装置包含两个串联的燃烧室，且燃烧需在高温高压条件下(1400～2100K，10～30bar)进行，不仅结构复杂，控制成本也更高，且难以在常规工业加热设备中推广应用。
改善氨气燃烧特性的另外一种有效方式是将氨气进行部分裂解，使燃料成为氨气、氢气及氮气的混合物。由于氢气具有较高的化学活性，能够加快该混合物的燃烧速度，改善燃烧的稳定性。中国专利CN 210656142 U提供了一种辅助氨燃烧的热裂解制氢装置，该专利将氨热裂解制氢装置和氨燃烧装置一体化，能实现氨气的稳定燃烧。但氨气在常压下的热裂解温度极高(>1000℃)，该专利中的氨热裂解制氢装置位于氨燃烧装置的下游，燃烧尾气温度较低，存在难以使氨气充分裂解的问题，影响氨气的稳定燃烧效果。中国专利CN102348504 B提供了一种能够在较低温度下实现氨气高效热分解的催化剂，但该催化剂同时含有氨燃烧催化效果，这将导致氨热解气中含有大量水蒸气和氮气，不仅对氨气的燃烧不利，同时尾部排放烟气的热量也无法回收，将造成能量浪费。
此外，上述专利均未对氨气燃烧尾气中的氮氧化物排放进行控制，也将制约氨气的大规模应用。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有掺氨燃烧技术主要集中于内燃机领域，针对工业锅炉和工业窑炉的氨燃料直接燃烧的相关技术还较少，且现有技术均未涉及燃烧器等应用层面的开发。
(2)现有掺氨燃烧器普遍采用旋流技术强化燃烧，虽能实现0～100％宽掺氨比的燃烧，但在高掺氨比条件下极易发生火焰振荡等不稳定现象，影响设备的安全性。
(3)现有掺氨燃烧低氮排放技术大多采用燃烧室轴向分级，需要破坏炉膛下游墙体；同时由于工业锅炉和工业窑炉内部空间有限，导致燃烧室轴向分级燃烧技术在紧凑的工业炉中难以实现。
(4)现有将氨气和氢气混合燃烧的装置需在高温高压条件下进行，不仅结构复杂，控制成本也更高，且难以在常规工业加热设备中推广应用。
(5)现有氨热裂解制氢装置位于氨燃烧装置的下游，燃烧尾气温度较低，存在产生的热量不足以使氨充分热裂解的问题，影响氨气的稳定燃烧效果。
(6)现有实现氨气高效热分解的催化剂同时含有氨燃烧催化效果，这将导致氨热解气中含有大量水蒸气和氮气，不仅对氨气的燃烧不利，同时尾部排放烟气的热量也无法回收，将造成能量浪费。
(7)现有尾气催化还原和催化降解技术虽能降低掺氨燃烧氮氧化物的排放浓度，但会增加系统的运行成本，因此研发掺氨燃烧源头低氮技术更有市场潜力。
发明内容
针对现有技术存在的问题与不足之处，本发明提供了一种针对工业炉场景下的天然气宽比掺氨分级燃烧方法，尤其涉及一种基于旋流促混-活性基团促燃的天然气宽比掺氨分级燃烧方法，企图实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效及清洁低氮燃烧。
本发明是这样实现的：通过旋流促混和活性基团促燃稳燃技术实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效燃烧；通过源头分区分级技术实现天然气宽比掺氨条件下的清洁低氮燃烧。
具体地，天然气宽比掺氨分级燃烧方法包括以下步骤：
步骤一，利用旋流促混和活性基团促燃实现燃料的稳燃；
步骤二，利用源头分区分级燃烧技术实现氮氧化物的减排。
进一步，步骤一中的旋流促混和活性基团促燃稳燃途径包括：
(1)预燃室壁面涂覆镍基催化剂，在预燃室设置一级天然气；氨气在催化剂和高温作用下分解成H2和N2，同时形成OH基团，进而促进火焰稳燃；
(2)采用旋流器强化空气和一级氨气的混合；
(3)采用可调高度的钝体，产生后部回流区，以适应不同掺氨比工况。
进一步，步骤二中的掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮包括：
(1)在预燃室中，NH3在催化剂和高温的作用下预分解生成N2，减少了源头燃料N的来源；
(2)通过外侧回流区使得烟气回流从而削弱燃烧室中的氧化性气氛，降低NOx的生成速率，从而降低NOx的转化率；
(3)空气分区分级，通过对一级二级空燃比的调控，实现中心富燃-下游贫燃的燃烧区域划分。
进一步，步骤(3)中，在富燃区，利用富燃料燃烧控制NOx的排放，当量比大于1.1的条件下NO的排放接近为零；NH3本身是NOx的高效还原剂，在氧气浓度较低的环境下，高温将强化NH3对NOx的还原作用，使得NOx的生成量降低。在富燃条件下，通过选取特定的当量比抑制NOx的生成同时保证氨气完全转化。在下游的贫燃区域，保证第一阶段产生的H2得以完全燃尽，从而借助空气分级的方法降低NOx的排放；其中，具体的分区份额以及分级燃烧燃/空比通过多尺度湍流燃烧数值模拟优化确定。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的天然气宽比掺氨分级燃烧方法的天然气宽比掺氨分级燃烧系统，天然气宽比掺氨分级燃烧系统包括：
双促分级稳燃模块，用于通过分析天然气掺氨燃烧的稳定机制，提出旋流促混和活性基团促燃稳燃技术；
源头协同降氮模块，用于通过分析天然气宽比掺氨燃烧污染物生成特性，提出“源头分区分级-未端催化降解”协同降氮技术；
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的天然气宽比掺氨分级燃烧方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的天然气宽比掺氨分级燃烧方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的天然气宽比掺氨分级燃烧系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明提供了一种基于旋流促混-活性基团促燃宽比掺氨分级燃烧技术，采用旋流促混和活性基团促燃稳燃技术，分区分级燃烧源头降氮，实现高效清洁的掺氨燃烧。本发明提供的燃烧器可以适用于0～100％掺氨比工况，在双促效应下燃烧稳定性显著增强，不会出现高掺氨比条件下的火焰吹熄或不稳定现象。此外，本发明提供的燃烧器采用分区分级燃烧，通过营造富燃和贫燃的局部氛围，一方面抑制局部NOx的生成，另一方面强化NOx的自还原，因此可以显著抑制NOx的排放。
本发明提供的天然气宽比掺氨分级燃烧系统结构紧凑，结合多种稳燃措施和降氮方法，实际效果显著，适用范围广。
本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
以往天然气掺氨燃烧普遍采用燃烧室轴向分级燃烧技术，不仅会造成燃烧效率低，同时还要求在炉膛墙壁上开孔，是炉墙遭受破坏。此外，燃烧室轴向分级技术要求炉膛的轴向长度不能太小，而对于工业锅炉和工业窑炉，炉膛尺寸往往较为紧凑，因此难以实施轴向分级燃烧。因此，工业炉领域急切需要新型的宽掺氨比燃烧器技术。本发明提供的燃烧器采用径向分区分级燃烧技术，将改造区域限定在燃烧器区域，不会对炉体产生破坏。本发明解决了工业炉行业一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题。
本发明的技术方案是否克服了技术偏见：
以往研究普遍认为燃烧效率、燃烧稳定性与氮氧化物排放三者之间难以实现和谐统一，但本发明通过采用旋流促混-活性基团促燃-分区分级降氮的技术方案，实现了燃烧效率、燃烧稳定性与氮氧化物排放的科学调控，克服了传统技术偏见，具有重要的创新性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的天然气宽比掺氨分级燃烧方法流程图；
图2是本发明实施例提供的旋流促混和活性基团促燃稳燃技术示意图；
图3是本发明实施例提供的掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天然气宽比掺氨分级燃烧方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的天然气宽比掺氨分级燃烧方法包括以下步骤：
S101，通过中心旋流促进一级氨气、一级天然气与一级空气的混合，实现中心一级火焰的稳燃；
S102，通过在一级燃烧室壁面负载催化剂涂层，氨气在一级火焰的加热作用下，在催化剂表面发生热分解形成H2，同时一级火焰提供了OH及NH2活性基团，由此进一步促进氨气的稳定着火；
S103，二级旋流空气卷吸外侧热烟气，进一步强化中心一级火焰的稳定性；
S104，通过实施氨气径向分级，使中心区域形成的NO可以进一步与外侧的NH3发生中和还原反应，降低NOx的生成量；
S105，通过控制二级空气流量，调控烟气回流区域大小及内外回流区还原性气氛，使燃烧室上游整体处于富燃状态，而下游处于贫燃状态，实现NOx生成的抑制及可燃物的燃尽。
本发明实施例通过分析天然气掺氨燃烧的稳定机制提供了一种旋流促混和活性基团促燃稳燃技术。
本发明通过以下途径提高氨气燃烧的稳定性：
1.预燃室壁面涂覆镍基催化剂，同时在预燃室设置一级天然气，氨气在催化剂和高温作用下分解成H2，N2，同时形成OH等基团，进而促进火焰稳燃。
2.采用旋流器强化空气和一级氨气的混合。
3.采用可调高度的钝体，产生后部回流区，以适应不同掺氨比工况，达到提高燃烧稳定性的效果。
图2为旋流促混和活性基团促燃稳燃技术示意图。
本发明实施例通过分析天然气宽比掺氨燃烧污染物生成特性提供了一种“源头分区分级”降氮技术。
本发明实施例提供的掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮原理如下：
1.在预燃室中，NH3在催化剂和高温的作用下预分解生成N2，从而在源头上减少了燃料N源。
2.通过外侧回流区使得烟气回流从而削弱燃烧室中的氧化性气氛，降低NOx的成速率，从而降低NOx的排放。
3.空气分区分级，通过对一级二级空燃比的调控，实现中心富燃-下游贫燃的燃烧区域划分。在富燃区，富燃料燃烧能够有效控制NOx的排放，当量比大于1.1的条件下NO的排放接近为零。NH3本身便是NOx的高效还原剂，在氧气浓度较低的环境下，高温将强化NH3对NOx的还原作用，使得NOx的生成量大幅降低。在富燃条件下选取特定的当量比可以抑制NOx的生成同时保证氨气完全转化，但会残留有大量未燃尽的H2。在下游的贫燃区域，保证第一阶段产生的H2得以完全燃尽，从而借助空气分级的方法降低NOx的排放。具体的分区份额以及分级燃烧燃/空比需要通过多尺度湍流燃烧数值模拟优化确定。
图3为掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮原理图。
本发明实施例提供的天然气宽比掺氨分级燃烧系统包括：
双促分级稳燃模块，用于通过分析天然气掺氨燃烧的稳定机制，提出旋流促混和活性基团促燃稳燃技术；
源头协同降氮模块，用于通过分析天然气宽比掺氨燃烧污染物生成特性，提出“源头分区分级”降氮技术；
本发明提供的燃烧器技术已在华中科技大学煤燃烧国家重点实验室100kW燃烧实验炉上开展性能试验。
与现有燃烧器相比，本发明提供的燃烧器不需要破坏燃烧炉墙壁，仅通过燃烧器配风调整即可实现0～100％宽掺氨比条件下燃料的稳定高效燃烧与低氮清洁排放。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，包括：通过旋流促混和活性基团促燃稳燃技术实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效燃烧；通过源头分区分级技术实现天然气宽比掺氨条件下的清洁低氮燃烧。
2.如权利要求1所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，具体包括：
S101，通过中心旋流促进一级氨气、一级天然气与一级空气的混合，实现中心一级火焰的稳燃；
S102，通过在一级燃烧室壁面负载催化剂涂层，氨气在一级火焰的加热作用下，在催化剂表面发生热分解形成H2，同时一级火焰提供了OH及NH2活性基团，由此进一步促进氨气的稳定着火；
S103，二级旋流空气卷吸外侧热烟气，进一步强化中心一级火焰的稳定性；
S104，通过实施氨气径向分级，使中心区域形成的NO可以进一步与外侧的NH3发生中和还原反应，降低NOx的生成量；
S105，通过控制二级空气流量，调控烟气回流区域大小及内外回流区还原性气氛，使燃烧室上游整体处于富燃状态，而下游处于贫燃状态，实现NOx生成的抑制及可燃物的燃尽。
3.如权利要求1所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，天然气宽比掺氨分级燃烧方法进一步包括以下步骤：
步骤一，分析天然气掺氨燃烧稳定机制实现旋流促混和活性基团促燃稳燃；
步骤二，通过分析天然气宽比掺氨燃烧污染物生成特性，实现深度协同降氮。
4.如权利要求3所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，步骤一中的旋流促混和活性基团促燃稳燃途径包括：
(1)预燃室壁面涂覆镍基催化剂，在预燃室设置一级天然气；氨气在催化剂和高温作用下分解成H2和N2，同时形成OH基团，进而促进火焰稳燃；
(2)采用旋流器强化空气和一级氨气的混合；
(3)采用可调高度的钝体，产生后部回流区，以适应不同掺氨比工况。
5.如权利要求3所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，步骤二中的掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮包括：
(1)在预燃室中，NH3在催化剂和高温的作用下预分解生成N2；
(2)通过外侧回流区使得烟气回流从而削弱燃烧室中的氧化性气氛，降低NOx的成速率，从而降低NOx的排放；
(3)空气分区分级，通过对一级二级空燃比的调控，实现中心富燃-下游贫燃的燃烧区域划分。
6.如权利要求5所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，步骤(3)中，在富燃区，利用富燃料燃烧控制NOx的排放，当量比大于1.1的条件下NO的排放接近为零；NH3本身是NOx的高效还原剂，在氧气浓度较低的环境下，高温将强化NH3对NOx的还原作用，使得NOx的生成量降低；在富燃条件下，通过选取特定的当量比抑制NOx的生成同时保证氨气完全转化；在下游的贫燃区域，保证第一阶段产生的H2得以完全燃尽，从而借助空气分级的方法降低NOx的排放；其中，具体的分区份额以及分级燃烧燃/空比通过多尺度湍流燃烧数值模拟优化确定。
7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法的天然气宽比掺氨分级燃烧系统，其特征在于，天然气宽比掺氨分级燃烧系统，包括：
双促分级稳燃模块，用于通过分析天然气掺氨燃烧的稳定机制，提出旋流促混和活性基团促燃稳燃技术；
源头协同降氮模块，用于通过分析天然气宽比掺氨燃烧污染物生成特性，提出“源头分区分级”协同降氮技术。
8.一种计算机设备，其特征在于，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～6任意一项所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～6任意一项所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述天然气宽比掺氨分级燃烧系统。
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|---|---|---|---|
| CN202310860493.5A CN116753520A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种工业炉天然气宽比掺氨分级燃烧方法及系统 |
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| CN116753520A true CN116753520A (zh) | 2023-09-15 |
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- 2023-07-13 CN CN202310860493.5A patent/CN116753520A/zh active Pending
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