CN116792779A - 耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，涉及燃烧技术领域，包括：裂解器将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成混合物；氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴将裂解器输出的混合物与从液氨罐泵出的液氨喷射至燃烧室壳体，即将氨燃料喷射至燃烧室壳体；压缩机将目标空气输送至燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过燃烧室壳体内的多股气流通道实现混合燃料分级，实现燃料稳定燃烧的基础上改善燃烧的组织，降低燃料燃烧后产生的NOx等污染物排放；等离子体助燃器将在氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与顶端入口之间的目标空气形成等离子体，实现稳定地点火与燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧技术领域，特别是涉及一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统。
背景技术
全球气候变化已经对人类的生存环境和经济社会发展形成了严峻挑战。提高太阳能、风能、潮汐能等绿色可再生能源利用比例，实现低碳化、零碳化能源转型已经成为世界经济发展的必然趋势。
太阳能、风能等可再生能源具有地域性和间歇性的特点，以制氢大规模消纳可再生能源，以制氨储氢、储能解决氢能储运瓶颈，在应用端以氨/氢替代天然气、石油等传统化石燃料，将对保障国家能源安全、降低环境污染和碳排放有着重大意义，得到日益广泛的关注和重视。与氢相比，氨的优点是能量密度大、易液化、易储运，与汽油相比，氨的优点是辛烷值较高、抗爆性能好，但氨的燃点高(651度)、点火能量高(8mJ)、火焰燃烧速度低(10cm/s)、热值低(18.8MJ/kg)，使用时需要较高压缩比或外点火触发才能保证混合气被点燃。最初氨在许多此类用途中被视为氢能的载体和提供者，在这种情况下，供应链涉及在输送点处将NH3裂解为H2和N2的步骤，再进行分配使用。氨与氢均不含碳和硫，使用氨燃料或氢燃料将彻底消除与碳相关的黑碳、烟灰、HC、CO、CO2等空气污染物，越来越受到全球关注，将在全球脱碳行动中扮演重要角色。
氨燃料与氢燃料均可以由太阳能、风能、水力发电等可再生能源制备，均可作为重要的储能介质。其中，氨作为燃料具有更明显的优势，具体体现为：(1)氨燃料更具安全性；氨气有刺鼻性气味，爆炸极限是15～25％；(2)氨燃料更易存储；氨仅需-33度或常温9-17个大气压即可液化；(3)氨燃料的储能密度更高；液氢的储能密度为8.5GJ/m3(120MJ/kg)，压缩氢的储能密度为7.5GJ/m3，液氨的储能密度为12.7GJ/m3(18.6MJ/kg)；燃料箱存储1000m3轻柴油等效为2756m3液氨或4117m3液氢或4667m3压缩氢。(4)氨燃料的运输成本和储存成本更低；液氢在液化能耗、蒸发能耗和运输能耗方面的能量损失率达到34.1％，而液氨是13.7％，低压储氨则仅为6.5％。(5)发动机工作稳定性更高；氨燃料层流燃烧速度较低(8cm/s)，燃烧时不会出现异常情况。尽管氨燃料易液化、储氢密度高、辛烷值高、抗爆性能好，然而氨的点火能量高、火焰传播速度慢，燃烧后存在NH3逃逸和燃料型NOx排放，成为限制氨燃料大规模应用的主要瓶颈。
使用氢气(氢气或氨裂解制氢)、天然气、柴油等碳氢燃料对氨燃烧特性进行增强，比如掺氢40％时在空气中燃烧时的层流火焰速度与甲烷相当，但这种方式需要另外增加一种燃料，或是仍然需要添加使用一种含碳燃料，或者仍然存在氢的存储和运输的困境。另一种提高氨层流火焰速度的方法是富氧燃烧，在纯氧中氨的火焰传播速度达到1.09米/s，火焰厚度则仅有0.2mm。在氧气浓度达到30％时，层流火焰速度可以达到38.6cm/s，主要是因为氧气浓度的增加提高了反应区羟基、氢原子、氧原子和氨基的反应速率，但是这种方式需要对自然界的空气进行富氧化处理，其产生富氧的设备成本高，而且制出的氧气并不能增加燃烧体系的热值。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，解决氨燃料输运能量密度低、点火能量高、火焰传播速度慢、热值低、NOx排放高等关键问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，至少包括：
裂解器，用于将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成包含氢、氮和氨的混合物；
压缩机，用于提供目标空气；所述目标空气为经过压缩升温后的空气；
燃烧室；所述燃烧室至少包括氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴、燃烧室壳体、火焰筒、点火装置和等离子体助燃器；其中，所述燃烧室壳体包括内壳体和外壳体；所述内壳体和所述外壳体均开设顶端入口和底部出口，且所述内壳体和所述外壳体共用一个顶端入口和一个底部出口，所述内壳体还开设有侧壁入口，以使所述燃烧室壳体能够构成多股气流通道；
所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，用于将所述裂解器输出的混合物与从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；
所述压缩机用于通过空气导流管将目标空气输送至所述燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过多股气流通道实现混合燃料分级，以使所述火焰筒分为主燃烧区域和次燃烧区域；所述底部出口用于输出燃烧尾气；
所述等离子体助燃器设置在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间；所述等离子体助燃器用于将在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间的目标空气形成等离子体。
可选地，该系统还包括液氨罐和液氨泵；
所述液氨罐通过耐氨腐蚀管路依次连接到所述液氨泵和所述裂解器。
可选地，所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴包括液氨导流管、设置在所述液氨导流管出口处的第一喷嘴、混合物导流管以及设置在所述混合物导流管出口处的第二喷嘴；
所述液氨泵的第一输出端与所述裂解器的第一输入端连接；所述液氨泵的第二输出端通过液氨导流管与所述第一喷嘴连接；所述裂解器的输出端通过混合物导流管与所述第二喷嘴连接；
所述第一喷嘴用于将从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；所述第二喷嘴用于将所述裂解器输出的混合物喷射至所述燃烧室壳体。
可选地，该系统还包括尾气余热回收器；
所述液氨泵的第三输出端与所述尾气预热回收器的输入端连接；所述尾气余热回收器的输出端与所述裂解器的第二输入端连接；
所述尾气预热回收器用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对从液氨罐泵出的液氨进行加热，形成气态氨，然后将气态氨输送至所述裂解器。
可选地，该系统还包括回热器；
所述回热器，布置于燃烧室的外侧，用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对空气进行加热，然后将加热后的空气输送至所述压缩机。
可选地，该系统还包括透平、润滑单元、SCR处理单元和控制单元；
其中，所述SCR处理单元用于消除所述燃料尾气中的NOx；
所述控制单元用于对燃机进行参数化自动控制。
可选地，所述第一喷嘴喷射的液氨与所述第二喷嘴喷射的混合物之间的等效功率比为0％至100％的范围。
可选地，所述等离子体助燃器为介质阻挡放电结构、滑动电弧结构、直流电弧结构、微波激励、激光激励或者超声波激励。
可选地，液氨、氨氢混合气、气氨根据燃机启动顺序和运行阶段与状态切换。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过在空气进气端(即氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与顶端入口之间)电离部分空气产生高浓度、高活性氧化成分，实现液氨、气氨和氨/氢混合物的稳定地点火与燃烧，降低系统复杂程度并提升燃料燃烧效率；通过对空气进行分级在实现燃料稳定燃烧的基础上改善燃烧的组织，降低燃料燃烧后产生的NOx等污染物排放，最终实现以液氨直喷燃料供应、等离子体点火与稳燃、NOx等污染物低值排放的燃机燃烧组织系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的燃烧室的工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的回热器的工作原理示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在以氨为燃料的燃烧体系中存在两个难点，其一是氨燃烧效率低，其二是氨燃烧会增加燃料型NOx的生成。为了解决氨燃烧效率低的问题，通常使用助燃剂的方式(例如天然气、柴油、汽油、氢气等)；而为了降低氨燃烧燃料型NOx的生成，学者提出使用空气分级燃烧的方式，然而对于氨燃料燃烧和燃料型NOx生成并未能有效控制。氨气体积能量密度较低，而液氨则具有较高的能量密度，在高温环境下直接闪蒸成为气体，将可以大幅提高能量的输运密度、降低管道尺寸。尽管液氨具有较高的汽化潜热(约为氨热值的6％)，但在高温环境下直接燃烧仍可以实现气化、燃烧同步。在高压力环境下氨燃料燃烧速率和燃料型NOx会有所改善，但程度有限。为了解决这一技术难题，本发明提出使用耦合等离子体技术、液氨喷射闪蒸和燃料/空气分级燃烧技术，以同时解决氨燃料输运能量密度低、点火能量高、火焰传播速度慢、热值低、NOx排放高等关键问题。
如图1、图2和图3所示，本发明提供的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，用于以氨为燃料的发电或动力用燃气轮机、涡喷/涡轴/涡桨发动机。
该燃机燃烧组织系统，主要包括：裂解器、压缩机和燃烧室。
裂解器用于将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成包含氢、氮和氨的混合物；其中，经过裂解后的混合物中氢浓度可以是1％-75％，经所述裂解器裂解后的混合物通入所述燃烧室进行燃烧做功。优选地，经过裂解后的混合物中氢浓度是30％。
压缩机用于提供目标空气；该目标空气为经过压缩升温后的空气。
燃烧室；所述燃烧室至少包括氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴、燃烧室壳体、火焰筒、点火装置和等离子体助燃器；其中，所述燃烧室壳体包括内壳体和外壳体；所述内壳体和所述外壳体均开设顶端入口和底部出口，且所述内壳体和所述外壳体共用一个顶端入口和一个底部出口，所述内壳体还开设有侧壁入口，以使所述燃烧室壳体能够构成多股气流通道。
其中，所述扩压器用于降低所述压缩机提供的目标空气流速，利于所述燃烧室内氨燃料的稳定和高效燃烧；所述点火装置用于点燃燃烧室内氨燃料与空气的混合物，即点燃燃烧室内的混合燃料；所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，用于将所述裂解器输出的混合物与直接从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；所述压缩机用于通过空气导流管将目标空气输送至所述燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过多股气流通道实现混合燃料分级，以使所述火焰筒分为主燃烧区域和次燃烧区域；所述底部出口用于输出燃烧尾气；所述氨燃料为所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴喷射的燃料；所述等离子体助燃器设置在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间；所述等离子体助燃器用于将在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间的目标空气被用于等离子体工作气体，从而形成等离子体。
由于所述燃烧室壳体能够构成多股气流通道，从而能够组织空气分流，为火焰筒提供燃烧一次风、燃烧二次风和冷却风，使火焰筒分为主燃烧区域和次燃烧区域，从而实现火焰筒内混合燃料分级燃烧，其作用在于是混合燃料在燃烧室内有组织燃烧，降低燃烧产物中NOx的成分。
所述压缩机用于将空气压缩，并将具有一定压力和温度的空气进入所述燃烧室，即为所述燃烧室提供空气源，所述空气源经空气分流，并在控制在氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴与燃烧室壳体之间形成气体压力和流速适当的条件，形成稳定等离子体，提高氨燃料燃烧稳定性。优选地，将具有压力为5atm和温度为室温的空气进入所述燃烧室。
其中，液氨、氨氢混合气、气氨根据燃机启动顺序和运行阶段与状态切换。
进一步地，该燃机燃烧组织系统还包括液氨罐、液氨泵、尾气余热回收器。具体地，所述液氨罐通过耐氨腐蚀管路依次连接到所述液氨泵和所述裂解器。所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴包括液氨导流管、设置在所述液氨导流管出口处的第一喷嘴、混合物导流管以及设置在所述混合物导流管出口处的第二喷嘴；所述液氨泵的第一输出端与所述裂解器的第一输入端连接；所述液氨泵的第二输出端通过液氨导流管与所述第一喷嘴连接；所述裂解器的输出端通过混合物导流管与所述第二喷嘴连接。所述液氨泵的第三输出端与所述尾气预热回收器的输入端连接；所述尾气余热回收器的输出端与所述裂解器的第二输入端连接。
所述液氨罐为燃机燃烧组织系统提供燃料，所述液氨泵将氨燃料从液氨罐泵出并加压输送至所述裂解器，或输送至尾气余热回收器。所述尾气预热回收器用于对所述燃烧尾气中的余热能量通过换热的方式进行进一步回收，并利用所述燃烧尾气的余热能量对从液氨罐泵出的液氨进行加热，形成气态氨，然后将气态氨输送至所述裂解器，提高燃机整体热效率。
所述第一喷嘴用于从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；所述第二喷嘴用于将所述裂解器输出的混合物喷射至所述燃烧室壳体。所述第一喷嘴喷射的液氨与所述第二喷嘴喷射的混合物之间的等效功率比为0％至100％的范围，即通过所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴的燃料可以完全是氢、氮和氨混合物，也可以完全是液氨，也可以是具有一定比例的两者混合物。优选地，所述第二喷嘴喷射的混合物与所述第一喷嘴喷射的液氨之间的等效功率比为20％。
进一步地，该燃机燃烧组织系统还包括回热器、透平、润滑单元、SCR处理单元和控制单元。其中，所述压缩机、所述燃烧室、所述回热器、所述透平通过高速轴连接依次安装。所述润滑单元布置在所述燃机外围，通过管道将润滑油导入透平、压缩机等快速转动连接部件。
所述回热器，布置于燃烧室的外侧，用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对压缩机来流空气进行加热，然后将加热后的空气输送至所述压缩机。
所述透平用于向外输出机械功；所述润滑单元用于通过管道将润滑油导入所述透平、轴承、联轴器、顶轴和发电机密封系统、压缩机等快速转动连接部件；所述SCR处理单元用于消除通过管路导出的燃机尾气中的NOx；所述控制单元用于通过信号线对燃机进行参数化自动控制，提高其工作效率和安全性。
进一步地，所述等离子体助燃器可以是介质阻挡放电结构，或是滑动电弧结构，或是直流电弧结构，或是微波激励，或是激光激励，或是超声波激励，产生的等离子体可以实现氨燃料的稳定燃烧；等离子体工作气体可以是常规空气，或是富氧空气，或是具有300K-1000K(例如500K)温度的高温空气，或是燃料气体，如氨气、天然气、氢气或是其两种或三种混合气；所述等离子体助燃器的放电气体工作压力可以是常压、10Pa-1atm低气压，或是1atm-10atm高气压气体，或是10atm-1000atm超高压气体(例如5atm高气压气体)；所述等离子体助燃器的工作模式可以是连续式或是脉冲式，所述脉冲式是指放电按间歇式模式，所述间歇式模式的脉冲频率可以是1Hz-1kHz，或是1kHz-1000kHz(例如1kHz)。
本发明还提供了一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织方法，包括：
(1)将压缩空气进行分解，得到等离子体气体、主燃烧气体和冷却气体；所述等离子体气体是在所述等离子体助燃器的作用下产生高浓度活性自由基的气体，来促进燃料燃烧过程，所述主燃烧气体是部分空气进入燃烧室内并参与氨燃料充分燃烧，所述冷却气体是部分空气用于冷却燃烧室壳体。
(2)所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴可以允许纯氨气、所述裂解器产生的氨氢氮混合气、液态氨气其中的一种或多种耦合喷入，在保障所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴喷出燃料稳定燃烧的前提下，尽可能提高所述耦合喷嘴功率体积密度。
(3)所述压缩机产生的压缩空气在所述等离子体助燃器启动后，产生等离子体，同时由所述液氨罐提供液氨或由所述裂解器提供的氨或氨氢氮混合气作为燃料，所述燃料在所述等离子体作用下点燃并与所述二次风充分燃烧，完成系统启动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，至少包括：
裂解器，用于将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成包含氢、氮和氨的混合物；
压缩机，用于提供目标空气；所述目标空气为经过压缩升温后的空气；
燃烧室；所述燃烧室至少包括氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴、燃烧室壳体、火焰筒、点火装置和等离子体助燃器；其中，所述燃烧室壳体包括内壳体和外壳体；所述内壳体和所述外壳体均开设顶端入口和底部出口，且所述内壳体和所述外壳体共用一个顶端入口和一个底部出口，所述内壳体还开设有侧壁入口，以使所述燃烧室壳体能够构成多股气流通道；
所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，用于将所述裂解器输出的混合物与从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；
所述压缩机用于通过空气导流管将目标空气输送至所述燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过多股气流通道实现混合燃料分级，以使所述火焰筒分为主燃烧区域和次燃烧区域；所述底部出口用于输出燃烧尾气；所述氨燃料为所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴喷射的燃料；
所述等离子体助燃器设置在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间；所述等离子体助燃器用于将在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间的目标空气形成等离子体。
2.根据权利要求1所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，还包括液氨罐和液氨泵；
所述液氨罐通过耐氨腐蚀管路依次连接到所述液氨泵和所述裂解器。
3.根据权利要求2所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴包括液氨导流管、设置在所述液氨导流管出口处的第一喷嘴、混合物导流管以及设置在所述混合物导流管出口处的第二喷嘴；
所述液氨泵的第一输出端与所述裂解器的第一输入端连接；所述液氨泵的第二输出端通过液氨导流管与所述第一喷嘴连接；所述裂解器的输出端通过混合物导流管与所述第二喷嘴连接；
所述第一喷嘴用于将从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；所述第二喷嘴用于将所述裂解器输出的混合物喷射至所述燃烧室壳体。
4.根据权利要求3所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，还包括尾气余热回收器；
所述液氨泵的第三输出端与所述尾气预热回收器的输入端连接；所述尾气余热回收器的输出端与所述裂解器的第二输入端连接；
所述尾气预热回收器用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对从液氨罐泵出的液氨进行加热，形成气态氨，然后将气态氨输送至所述裂解器。
5.根据权利要求1所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，还包括回热器；
所述回热器，布置于燃烧室的外侧，用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对空气进行加热，然后将加热后的空气输送至所述压缩机。
6.根据权利要求1所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，还包括透平、润滑单元、SCR处理单元和控制单元；
其中，所述SCR处理单元用于消除所述燃料尾气中的NOx；
所述控制单元用于对燃机进行参数化自动控制。
7.根据权利要求3所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，所述第一喷嘴喷射的液氨与所述第二喷嘴喷射的混合物之间的等效功率比为0％至100％的范围。
8.根据权利要求1所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，所述等离子体助燃器为介质阻挡放电结构、滑动电弧结构、直流电弧结构、微波激励、激光激励或者超声波激励。
9.根据权利要求1所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，液氨、氨氢混合气、气氨根据燃机启动顺序和运行阶段与状态切换。
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