CN117267716A - 氨燃烧器、燃烧系统和燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种氨燃烧器、燃烧系统和燃烧方法。氨燃烧器包括：一级风筒，用于提供一级风；一级配氨装置，与一级风筒耦合，并向一级风筒内通入一级氨气，使一级氨气与一级风在一级风筒内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体；点火源，用于点燃预混气体；二级风筒，套设在一级风筒外部，并用于向从一级风筒喷出的火焰中喷入二级风；和二级配氨装置，位于二级风筒的径向外侧，以向径向内侧的火焰中喷入二级氨气。基于此，可实现氨燃料的高效低NOx燃烧，促进氨燃料的推广应用。

Description

氨燃烧器、燃烧系统和燃烧方法

技术领域

本申请涉及低碳燃烧技术领域，特别涉及一种氨燃烧器、燃烧系统和燃烧方法。

背景技术

氨(NH₃)是一种零碳燃料，其在燃烧时不产生CO₂，有利于减少CO₂排放，使用氨作为燃料替代化石燃料。

然而，纯氨作为燃料时，存在着火和燃尽困难，以及易产生氮氧化物(NO_x)，污染环境等问题，在实际应用过程中存在一定的难度。因此，相关技术中，鲜有以纯氨为燃料的燃烧器，影响氨燃料的推广应用。

发明内容

本申请旨在提供一种氨燃烧器、燃烧系统和燃烧方法，以促进氨燃料的推广应用。

为了解决上述技术问题，本申请所提供的氨燃烧器，包括：

一级风筒，用于提供一级风；

一级配氨装置，与一级风筒耦合，并向一级风筒内通入一级氨气，使一级氨气与一级风在一级风筒内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体；

点火源，用于点燃预混气体；

二级风筒，套设在一级风筒外部，并用于向从一级风筒喷出的火焰中喷入二级风；和

二级配氨装置，位于二级风筒的径向外侧，以向径向内侧的火焰中喷入二级氨气。

在一些实施例中，一级风筒包括一级筒体和一级扩口，一级扩口连接于一级筒体的出口，且通流面积沿着一级风的流出方向增大；和/或，二级风筒包括二级筒体和二级扩口，二级扩口连接于二级筒体的出口，且通流面积沿着二级风的流出方向增大。

在一些实施例中，一级风筒包括一级筒体和一级扩口，且一级风筒包括过渡段，过渡段连接于一级筒体和一级扩口之间，且过渡段的侧壁沿着一级风筒的径向延伸。

在一些实施例中，氨燃烧器包括以下至少之一：

一级风旋流器，设置于一级风筒中，并使一级风在一级风筒中旋流流动；

二级风旋流器，设置于二级风筒中，并使二级风旋流流动；

一级风调节件，设置于一级风筒的进风流路上，并调节进入一级风筒的一级风的风量；

二级风调节件，设置于二级风筒的进风流路上，并调节进入二级风筒的二级风的风量；

氨量调节件，设置于一级配氨装置和/或二级配氨装置上，并调节流入一级配氨装置和/或二级配氨装置的氨气量。

在一些实施例中，氨燃烧器被构造为以下至少之一：

一级风旋流器和/或二级风旋流器的旋流叶片与一级风筒的轴向之间的夹角为0°～80°；

一级风旋流器和/或二级风旋流器的旋流叶片与一级风筒的轴向之间的夹角大小可调。

在一些实施例中，一级配氨装置包括燃料喷嘴，燃料喷嘴与一级风筒连通，以向一级风筒内通入一级氨气；和/或，二级配氨装置包括二级配氨管和喷头，二级配氨管位于二级风筒的径向外侧，喷头连接于二级配氨管的出口，并与二级配氨管连通。

在一些实施例中，一级配氨装置包括集氨箱，集氨箱用于与供氨源连接，燃料喷嘴与集氨箱连通；和/或，氨燃烧器包括至少两个二级配氨装置，至少两个二级配氨装置沿着二级风筒的周向间隔布置，且至少两个二级配氨装置的喷头朝向相同或不同。

在一些实施例中，至少两个二级配氨装置包括喷头朝向与一级风筒的轴向平行的二级配氨装置和喷头朝向与一级风筒的轴向和/或径向具有夹角的二级配氨装置中的至少之一；和/或，至少两个二级配氨装置包括喷头朝向一级风筒径向内侧的二级配氨装置和喷头朝向一级风筒径向外侧的二级配氨装置中的至少之一。

在一些实施例中，喷头的朝向与一级风筒的轴向之间的角度为0°～90°，和/或，喷头的朝向与一级风筒的径向之间的角度为0°～180°。

在一些实施例中，燃料喷嘴被构造为以下至少之一：

燃料喷嘴设置于一级风筒的侧壁上；

燃料喷嘴的喷气方向与一级风筒的轴向之间的角度为10°～170°；

燃料喷嘴的喷气方向与一级风筒的径向之间的角度为0°～85°。

在一些实施例中，一级风筒中设有中心风筒，中心风筒提供中心风，点火源伸至中心风筒中。

在一些实施例中，中心风筒的进风流路上设有中心风调节件，中心风调节件调节进入中心风筒的中心风的风量。

另外，本申请所提供的燃烧系统，包括锅炉以及本申请实施例的氨燃烧器。

此外，基于本申请实施例的氨燃烧器，本申请所提供的燃烧方法包括：

向一级风筒中通入一级风，并向一级配氨装置中通入一级氨气，使一级氨气与一级风在一级风筒内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体，且利用点火源将预混气体点燃；

向二级风筒中通入二级风，以将二级风喷入从一级风筒喷出的火焰中，使从一级风筒中喷出的一级氨气在富氧氛围下进行燃烧；

向二级配氨装置中通入二级氨气，以将二级氨气喷入径向内侧的火焰中，使二级氨气在还原性氛围中进行燃烧。

本申请所提供的氨燃烧器可基于较简单的结构，组织一定比例的分级氨燃料与分级空气进行提前混合和分级燃烧，实现纯氨气的快速着火、稳定燃烧和燃尽，并减少NO_x的排放，因此，可促进氨燃料的推广应用。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例进行详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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为本申请实施例中氨燃烧器的结构示意图。

图2为本申请实施例中不同二级配氨装置的喷头的布置示意图。

图3为本申请实施例中氨燃烧器的工作原理示意图。

附图标记说明：

10、氨燃烧器；

1、配风系统；11、一级风筒；111、一级筒体；112、一级扩口；113、过渡段；12、二级风筒；121、二级筒体；122、二级扩口；14、中心风筒；141、中心风道；142、中心风调节件；15、风箱；16、一级风道；171、一级风调节件；172、二级风调节件；181、一级风旋流器；182、二级风旋流器；1b、筒体；1c、扩口；

2、配氨系统；21、一级配氨装置；211、一级配氨管；212、集氨箱；213、燃料喷嘴；22、二级配氨装置；221、二级配氨管；222、喷头；223、喷嘴；224、第一喷头；225、第二喷头；226、第三喷头；24、供氨管；241、供氨母管；242、供氨管道；25、氨量调节件；251、一级氨调节件；252、二级氨调节件；26、供氨调节件；

3、点火源；

41、富氧预混区；42、局部回流燃尽区；43、中心富氧主燃区；44、分级燃烧降氮区；45、烟气回流燃尽区。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

传统燃用煤炭等化石燃料的火力发电机组，会排放大量的CO₂，影响全球气候，例如，据统计，在中国，火力发电机组CO₂排放量占全国总CO₂排放量的45％左右，因此，减少火力发电机组的CO₂排放，成为热门话题。

实现火力发电机组CO₂减排目标的关键之一是改变传统的高碳排放的燃用化石燃料的发电方式，增加低碳或零碳燃料的利用。

氨(NH₃)作为一种零碳燃料，与传统的化石燃料相比，燃烧时不产生CO₂，在火电机组中烧氨，能够大幅削减火电机组的CO₂排放量，是实现火电机组大规模CO₂减排的潜在发展方向。

然而，在火力发电机组中，氨作为燃料燃烧主要存在两方面的问题。一方面，NH₃的着火温度高，火焰传播速度慢，可燃极限范围窄，着火和燃尽相对困难，因此，NH₃燃烧时存在着火困难、火焰稳定性差和燃尽率低的问题。另一方面，NH₃分子中含有氮原子，燃烧中控制不当容易生成大量的污染物NO_x(氮氧化物)，因此存在NO_x污染问题。

由于存在上述困难，因此，目前，对于氨燃料的应用研究还比较少，尤其，纯氨在锅炉中的研究应用更是少见。

相关技术中，氨燃料燃烧的实现方式主要有两种，一是直接在氨燃料中掺混可燃性燃料，如H₂、含碳燃料(如CH₄)或煤粉；二是将氨燃料提前裂解为含H₂的燃料，再与空气混合进行燃烧。

上述两种方式，虽然能在一定程度上，减少碳排放，但均存在一定的问题。

例如，采用上述通过在氨燃料中掺混氢气燃烧的方式时，掺混氢气的燃烧装置需配备氢气供应设备，而且，由于氢气存在成本高，储存运输难度大，以及难以解决的安全问题，因此，这种方式还需要考虑氢气的经济性与安全性，存在结构较复杂，成本较高，以及安全性较差等问题。

再例如，采用上述通过在氨燃料中掺混含碳可燃性燃料(如甲烷、丙烷、液化石油气等)进行燃烧的方式时，无法真正实现零碳排放，需新增处理燃烧过程中生成的CO₂的设备，成本大幅增加，因此，存在结构较复杂，成本较高等问题。

又例如，采用上述通过在氨燃料中掺混煤粉进行燃烧的方式时，无法真正实现零碳排放，且只能将原燃煤锅炉上燃烧器按照掺烧比例更换为氨煤混燃低氮燃烧器，改造成本高且对改造的锅炉型式有限制，不能实现对化石燃料的全部替代，因此，存在成本较高，以及降碳排放效果较差等问题。

再例如，采用上述通过将氨提前裂解为含氢燃料再进行燃烧的方式时，需配备高温(大于1000℃)裂解装置或催化剂，成本增加，安全性要求较高，且无法保证裂解过程中生成物具体含量及成分，不能有效控制氨气稳定燃烧和燃尽，难以在发电和石化等领域中的工业应用和推广。

可见，相关技术中掺混或提前裂解这两种氨燃料燃烧方式，并不能很好地解决氨，尤其是纯氨燃烧过程中存在的着火难、燃尽率低和NO_x排放高的问题，同时，这两种氨燃料燃烧方式还存在成本高以及安全性低等问题，这些均影响氨燃料的推广应用，制约低碳燃烧技术的进一步发展。

针对上述情况，本申请提供一种氨燃烧器、燃烧系统和燃烧方法。

图1-图3示例性地示出了本申请氨燃烧器的结构和工作原理。

参见图1-图3，本申请所提供的氨燃烧器10，包括一级风筒11、一级配氨装置21、点火源3、二级风筒12和二级配氨装置22。一级风筒11用于提供一级风。一级配氨装置21与一级风筒11耦合，并向一级风筒11内通入一级氨气，使一级氨气与一级风在一级风筒11内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体。点火源3用于点燃预混气体。二级风筒12套设在一级风筒11外部，并用于向从一级风筒11喷出的火焰中喷入二级风。二级配氨装置22位于二级风筒12的径向外侧，以向径向内侧的火焰中喷入二级氨气。

基于上述设置，本申请所提供的氨燃烧器10能够组织一定比例的分级氨燃料与分级空气进行提前混合和分级燃烧，从而实现纯氨气的快速着火、稳定燃烧和燃尽，且能够有效控制NO_x(氮氧化物)的生成，减少NO_x的排放。

工作时，将一定比例的氨气(即一级氨气)通入一级风筒11中，与一级风筒11中的一级风混合，形成过量空气系数大于或等于1的预混气体，营造富氧贫燃氛围，并在相应富氧贫燃氛围下，利用点火源3将预混气体点燃，相应点燃过程中，由于所点燃的是一级氨气与一级风混合形成的预混气体，而非纯氨气，因此，着火相对容易，可以降低着火难度，而且由于处于富氧贫燃氛围中，因此，能够快速着火，且氨燃料的反应速度较快，有利于实现一级氨气的充分燃烧；之后，预混气体燃烧形成的火焰从一级风筒11喷出，并汇入从二级风筒12喷出的二级风中，使得火焰中剩余的一级氨气能够在二级风所营造的富氧贫燃氛围下进一步燃烧，实现一级氨气的快速燃尽和燃烧火焰的快速传播，同时，二级氨气从二级配氨装置22中喷出，汇入内部火焰中，所喷入的二级氨气被内部火焰加热和点燃，可以在自身贫氧燃烧的同时，还原内部火焰所形成的NO_x，降低NO_x排放。

由上述工作过程可知，在一级风筒11、二级风筒12、一级配氨装置21、二级配氨装置22和点火源3的配合下，氨燃烧器10可以通过在燃烧初期营造富氧贫燃的燃烧氛围，来加快着火和提高燃尽率，并通过在火焰稳定后，向火焰中喷入二级风，营造剩余一级氨气的富氧燃烧氛围，来进一步促进一级氨气的燃尽，且通过向二级风与剩余一级氨气的混合气体中送入二级氨气，来还原前期燃烧所生成的NO_x，并营造自身燃烧的还原性氛围，抑制自身燃烧过程中NO_x的生成，使得氨燃烧器10能够实现分级氨燃料与分级空气的提前混合及分级燃烧，有效降低氨气的着火难度，提高氨气的燃尽率，并减少NO_x的生成和排放。

而且，上述氨燃烧器10，是一种纯氨燃烧器，其无需对氨气进行掺混，且无需对氨气进行提前裂解，因此，结构较简单，成本较低，且安全性较高，降碳效果较好。

可见，本申请所提供的氨燃烧器10，能够基于较简单的结构，较低的成本和较高的安全性，实现纯氨气的快速着火和燃尽，以及NO_x的减排，有效解决纯氨气的点火和燃尽困难以及NO_x排放量高的难题，这对于氨燃料的推广应用具有促进作用，有利于低碳燃烧技术的进一步发展。

参见图1，无论是一级风筒11，还是二级风筒12，均可以被构造为包括筒体1b和扩口1c，扩口1c连接于筒体1b的出口，且通流面积沿着风的流出方向增大。

所设置的扩口1c，有利于进一步改善燃烧效果。

例如，参见图1，一些实施例中，一级风筒11包括筒体1b和扩口1c，分别称为一级筒体111和一级扩口112。一级扩口112连接于一级筒体111的出口，且流通面积沿着一级风的流出方向增大。基于此，一级扩口111(即一级风筒11的扩口1c)可以延长被点燃的预混气体的流出路径，并引导被点燃的预混气体朝二级风所在的径向外侧流动，这样，可以延迟一级氨气与外层二级氨气的混合，扩大富氧燃烧气氛的范围，促进一级氨气的完全燃烧，而且可以引导被点燃的预混气体可以在一级扩口112内部及下游附近区域进行涡流流动，形成负压区，使预混气体燃烧所生成的高温烟气回流，对未燃烧的预混气体进行加热，并迅速卷吸后补入的二级风，从而强化一级氨气的着火与燃尽。

再例如，参见图1，一些实施例中，二级风筒12包括筒体1b和扩口1c，分别称为二级筒体121和二级扩口122。二级扩口122连接于二级筒体121的出口，且通流面积沿着二级风的流出方向增大。基于此，二级扩口122(即二级风筒12的扩口1c)可以引导二级风向径向外侧流动，使二级风尽可能多地包裹一级氨燃料，为一级氨气完全反应提供空间和时间条件，促进一级氨气的燃尽。

可见，将一级风筒11和二级风筒12中的至少之一设置为具有扩口1c，有利于一级氨气的着火和燃尽，因此，可以有效改善氨燃烧器10的燃烧效果。

其中，在一级风筒11具有扩口1c时，参见图1，一些实施例中，一级风筒11的筒体1b和扩口1c之间还设有过渡段113，即，一级筒体111和一级扩口112之间设有过渡段113，换句话说，过渡段113连接于一级筒体111和一级扩口112之间。过渡段113的侧壁沿着一级风筒11的径向延伸。

由于所设置的过渡段113可以进一步延长被点燃的预混气体的流出路径，并引导被点燃的预混气体朝二级氨气所在的径向外侧流动，因此，过渡段113可以进一步强化回流作用，与一级扩口112一起，更有效地强化一级氨气的着火与燃尽。

另外，参见图1，无论是一级风筒11，还是二级风筒12，内部均可以设置风旋流器，以通过使风旋流流动，来促进气流间的相互混合，进而改善燃烧效果。

例如，参见图1，一些实施例中，一级风筒11内设有一级风旋流器181，一级风旋流器181使一级风在一级风筒11中旋流流动。这样，可以增加一级风的扰动，使一级风在一级风筒11中边扩散前进，边旋转，促进一级风与一级氨气之间的混合，使得一级风与一级氨气能够更快速、充分且均匀地混合，以促进一级氨气的着火和燃尽。

再例如，参见图1，一些实施例中，二级风筒12内设有二级风旋流器182，二级风旋流器182使二级风旋流流动。这样，可以增加二级风的扰动，使二级风从二级风筒12喷出时旋转射流，促进二级风与氨燃料之间的混合，促使氨燃料的燃尽。

而且，参见图3，设置各级风旋流器，有利于在氨燃烧器10前方形成较大的烟气回流燃尽区45，卷吸回流的大量高温烟气，与分级氨气的燃烧火焰充分混合，利用锅炉炉膛中心的高温烟气回流加热和燃烧未燃尽的氨燃料，并进一步补充氨燃料所需的空气，实现所有氨燃料的完全燃尽。

在一些实施例中，一级风旋流器181和二级风旋流器182中的至少一个的旋流叶片与一级风筒11的轴向之间的夹角为0°～80°(即大于或等于0°，并小于或等于80°)，以实现较好的旋流效果。

此外，一些实施例中，一级风旋流器181和二级风旋流器182中的至少一个的旋流叶片与一级风筒11的轴向之间的夹角大小可调。这样，便于根据实际情况，调节旋流效果，实现更好的燃烧效果。

作为前述各实施例中一级配氨装置21的示例，参见图1，一级配氨装置21包括燃料喷嘴213，燃料喷嘴213与一级风筒11连通，以向一级风筒11内通入一级氨气。如此，燃料喷嘴213可以将一级氨气喷入一级风筒11内，与一级风混合。而且，方便通过调节燃料喷嘴213的角度，来调节一级氨气的喷入方向，实现较好的混合效果。

一些实施例中，燃料喷嘴213的喷气方向与一级风筒11的轴向之间的角度为10°～170°(即大于或等于10°，并小于或等于170°)，和/或，燃料喷嘴213的喷气方向与一级风筒11的径向之间的角度为0°～85°(即大于或等于0°，并小于或等于85°)。这样设置的燃料喷嘴213，可以强化一级氨气与一级风的混合效率，改善一级氨气与一级风的混合效果。

在一级配氨装置21包括燃料喷嘴213时，参见图1，一些实施例中，一级配氨装置21还包括集氨箱212，集氨箱212用于与供氨源(图中未示出)连接，燃料喷嘴213与集氨箱212连通。基于此，供氨源所提供的氨气，可以先进入集氨箱212，之后，再经由燃料喷嘴213喷至一级风筒11中。由于集氨箱212可以对氨气进行存储和缓存，使一级氨气的压力较为稳定，因此，有利于提高一级氨气的压力稳定性，进而改善氨燃烧器10的燃烧效果。

另外，作为前述各实施例中二级配氨装置22的示例，二级配氨装置22包括二级配氨管221和喷头222，二级配氨管221位于二级风筒12的径向外侧，喷头222连接于二级配氨管221的出口，并与二级配氨管221连通。这样，方便二级配氨装置22将二级氨气喷入内层火焰中，利用氨可还原NOx的特性，同时配合二级风营造还原性燃烧氛围，有效降低主燃区生成的NOx。而且，方便通过调整喷头222的朝向(也是二级氨气的喷出方向)，来实现更好的燃烧效果。

例如，参见图1和图2，在一些实施例中，氨燃烧器10包括至少两个二级配氨装置22，这至少两个二级配氨装置22沿着二级风筒12的周向间隔布置，且这至少两个二级配氨装置22的喷头222朝向相同或不同。设置至少两个二级配氨装置22，可以实现二级氨气的两点或多点喷入，二级氨气的混入效果更好。喷头222朝向相同时，结构简单。喷头222朝向不同时，二级氨气可以沿不同方向喷出，有利于实现更好的燃烧效果。

其中，喷头222的朝向，与喷头222与氨燃烧器10轴向和径向之间的夹角有关，同时也与喷头222是朝径向内侧，还是朝径向外侧有关。

在一些实施例中，喷头222的朝向与一级风筒11的轴向之间的角度为0°～90°(即大于或等于0°，并小于或等于90°)，和/或，喷头222的朝向与一级风筒11的径向之间的角度为0°～180°(即大于或等于0°，并小于或等于180°)。

当氨燃烧器10中设有喷头朝向不同的二级配氨装置22时，所设置的至少两个二级配氨装置22包括：喷头朝向与一级风筒11的轴向平行的二级配氨装置22和喷头朝向与一级风筒11的轴向和/或径向具有夹角的二级配氨装置22中的至少之一；和/或，喷头朝向一级风筒11径向内侧的二级配氨装置22和喷头朝向一级风筒11径向外侧的二级配氨装置22中的至少之一。

此外，参见图1，一些实施例中，一级风筒11中设有中心风筒14。中心风筒14提供中心风。点火源3伸至中心风筒14中。中心风筒14内的中心风可以为点火源3提供燃烧所需空气，并可以冷却点火源3，防止点火源3过热。而且，从中心风筒14流入一级风筒11中的中心风，可以为预混气体的燃烧提供助燃空气，从而促进一级氨气的着火或燃尽。

在前述各实施例中，为了方便控制实现各燃烧区域的氧化还原性氛围，可以设置风量调节件和/或氨气调节件，以通过对氨气和各级风的比例进行调节，来满足不同燃烧区域的要求。

例如，参见图1，一些实施例中，氨燃烧器10包括一级风调节件171，一级风调节件171设置于一级风筒11的进风流路上，并调节进入一级风筒11的一级风的风量。如此，方便控制一级风筒11内形成富氧贫燃的燃烧氛围。

再例如，参见图1，一些实施例中，氨燃烧器10包括二级风调节件172，二级风调节件172设置于二级风筒12的进风流路上，并调节进入二级风筒12的二级风的风量。如此，方便提供适量的二级风，供一级氨气进一步燃烧以及后补入的二级氨气燃烧使用，在提高氨气燃尽率的同时，控制氮氧化物的生成。

又例如，参见图1，在一些实施例中，氨燃烧器10包括中心风调节件142，中心风调节件142设置于中心风筒14的进风流路上，并调节进入中心风筒14的中心风的风量。如此，方便提供适量的中心风，以兼顾点火、冷却以及一级氨气的燃烧效果。

又例如，参见图1，一些实施例中，氨燃烧器10包括氨量调节件25，氨量调节件25设置于一级配氨装置21和/或二级配氨装置22上，并调节流入一级配氨装置21和/或二级配氨装置22的氨气量。如此，方便控制一级氨气和二级氨气的比例，满足不同区域的燃烧需求，实现既降低氨着火难度和NO_x生成量，又提氨高燃尽率的目的。

另外，可以在一级配氨装置21和二级配氨装置22共用的与供氨源连接的流路上设置供氨调节件26，以调节进入氨燃烧器10的氨气总量。

接下来进一步介绍图1-图3所示的实施例。

如图1-图3所示，在该实施例中，氨燃烧器10包括配风系统1、配氨系统2和点火源3。

其中，配风系统1用于提供一级风、二级风和中心风。如图1所示，在该实施例中，配风系统1包括一级风筒11、二级风筒12、风箱15、一级风道16、一级风调节件171、二级风调节件172、中心风筒14、中心风道141和中心风调节件142。一级风筒11和二级风筒12由内至外地依次同轴套设。二级风筒12与风箱15连接。风箱15内设有二级风调节件172，以调节进入二级风筒12的二级风的风量；一级风筒11通过一级风道16与气源(风箱15与其他供气装置)连接，一级风调节件171设置于一级风道16上，以调节进入一级风筒11的一级风的风量。在一级风调节件171和二级风调节件172的作用下，能够调节一级风和二级风的比例以及两级风与两级氨气的比例，满足分级燃烧过程所需。

具体地，如图1所示，在该实施例中，一级风筒11包括沿轴向依次连接的一级筒体111、过渡段113和一级扩口112。二级风筒12包括沿轴向依次连接的二级筒体121和二级扩口122。一级筒体111和二级筒体121由内至外地依次同轴套设，且二者的出口在轴向上大致平齐。一级扩口112和二级扩口122分别连接于一级筒体111和二级筒体121的出口，并均呈沿出风方向渐扩的锥形。一级扩口112和二级扩口122与一级风筒11轴向之间的角度为0°～90°(即大于或等于0°，并小于或等于90°)。一级扩口112和二级扩口122的出口分别构成一级风筒11和二级风筒12的出口。二级扩口122的出口位于一级扩口112出口的下游，使得一级风筒11和二级风筒12的出口沿着出风方向依次间隔布置。过渡段113连接于一级筒体111与一级扩口112之间，并沿着一级风筒11的径向延伸。

一级扩口112和过渡段113可使气流在过渡段113处形成局部回流燃尽区42，在一定范围内隔绝中心富氧主燃区43(剩余一级氨气与二级风的混合燃烧区域)和分级燃烧降氮区44(二级氨气与二级风的混合燃烧区域)，一方面卷吸高温烟气，强化一级氨气的充分燃烧和燃尽，另一方面可延迟预混气体与外层分级氨燃料(即二级氨气)的混合，扩大富氧燃烧气氛的范围，促进一级氨气的充分燃尽。

二级扩口122则使二级风向外流动，与所有氨燃料充分混合，给予氨燃料完全反应的区域，促进氨燃料的完全燃尽。

一级筒体111和二级筒体121内分别设有一级风旋流器181和二级风旋流器182，以使一级风和二级风分别旋流流动。其中，一级风旋流器181与一级配氨装置21的燃料喷嘴213配合，可以实现一级氨气与一级风的充分混合，形成预混气体，尤其，一级风旋流器181可使一级风和一级氨气混合形成的预混气体形成旋转射流，在一级风筒11的出口处形成涡流区，卷吸炉内高温烟气，促进预混气体的着火和稳定燃烧。而二级风旋流器182可使二级风旋转射流，增加二级风的扰动，强化二级风与内层剩余氨气及外层分级氨气的混合，促进所有氨燃料的完全燃尽。

一级风旋流器181和二级风旋流器182均包括沿氨燃烧器10的周向(也是一级风筒11和二级风筒12的周向)布置的多个旋流叶片，这些旋流叶片与氨燃烧器10的轴向(也是一级风筒11和二级风筒12的轴向)之间的夹角为0°～80°，且角度可调，以更灵活地调节一级风和二级风的旋转射流，增加气流扰动，改善燃烧效果。

其中，设置不同的二级风旋流器182的旋流叶片角度，并配合二级风筒12进风流路上的二级风调节件172，一方面可使二级风形成旋转射流，增加气流扰动，强化二级风与一级氨气燃烧火焰及二级氨气的混合，促进所有氨燃料完全燃尽，另一方面可组织形成不同的火焰形态，调节出适应于不同氨燃料量的最佳氧化还原区段，在实现氨燃料燃尽的同时，控制NO_x的生成。

配氨系统2用于提供一级氨气和二级氨气。如图1所示，在该实施例中，配氨系统2包括一级配氨装置21、二级配氨装置22、供氨管24、氨量调节件25和供氨调节件26。一级配氨装置21包括一级配氨管211、集氨箱212和燃料喷嘴213。二级配氨装置22包括二级配氨管221和喷头222。其中，燃料喷嘴213设置于一级风筒11的侧壁上，并位于通过一级配氨管211和供氨管24与供氨源连接的集氨箱212内，与一级风筒11的内部连通，以将一级氨气喷入一级风筒11中。二级配氨管221布置在二级风筒12的径向外侧。一级配氨管211和二级配氨管221均连接于与供氨源连接的供氨管24，使得供氨源所提供的氨气能够分为两股，分别流至一级配氨装置21和二级配氨装置22中。一级配氨管211和二级配氨装置221上均设有氨量调节件25，分别为一级氨调节件251和二级氨调节件252，且供氨管24上设有供氨调节件26，以控制进入氨燃烧器10的氨气总量，并控制一级氨气和二级氨气的比例，满足燃烧所需。并且，一级氨调节件251和二级氨调节件252，还可以与一级风调节件171和二级风调节件172配合，调节一级氨气与一级风的混合比例，以及二级风与两级氨气的比例，形成所需的富氧贫燃点火氛围、中心富氧燃烧氛围以及外层还原燃烧氛围，在方便着火的同时，降低NO_x生成量，提高纯氨燃尽率。

具体地，如图1所示，在该实施例中，供氨管24包括供氨母管241和供氨管道242。供氨母管241通过供氨管道242与供氨源连接。供氨调节件26设置于供氨管道242上。

一级配氨管211从供氨母管241引出，并连接至集氨箱212。集氨箱212套在一级筒体111的外部。一组或至少两组燃料喷嘴213设置于集氨箱212中，并位于一级筒体111的外壁上，相对于一级筒体111的外壁朝外凸出，并与一级筒体111的内部连通，以将一级氨气喷入一级风筒11中。不同组燃料喷嘴213可沿着一级风筒11的轴向间隔布置。同一组燃料喷嘴213可包括一个或沿着一级风筒11周向间隔布置的至少两个燃料喷嘴213。燃料喷嘴213可呈圆形、椭圆形、方形或多边形等多种形状。

在该实施例中，燃料喷嘴213与一级风筒11的轴向之间的角度为10°～170°，以组织一级氨气与一级风呈顺流、逆流或垂直交叉等状态混合，强化混合效率，改善混合效果。而且，燃料喷嘴213与一级风筒11的径向之间的角度左右各为0°～85°，以使一级氨气射流喷出后形成一面旋转，一面扩散前进的状态，增加与一级风的接触面积，从而加强扰动，促进一级氨气与一级风的混合。

所设置的燃料喷嘴213，可以将一级氨气高速喷入一级风筒11中，实现一级氨气与一级风的充分混合，且可通过设置燃料喷嘴213的喷射角度，来强化一级氨气与一级风的混合，使得无需另外设置氨旋流器，即可实现一级氨气与一级风的充分混合。而且，燃料喷嘴213与一级风旋流器181配合，可进一步改善一级氨气与一级风的混合效果。

一级风筒11内同轴布置有中心风筒14，且点火源3设置于中心风筒14内。点火源3为高能点火枪、燃气枪、油枪或等离子体点火枪等各种形式的点火设备，其末端从中心风筒14的出口伸出，并位于一级风旋流器181的下游，使得点火源3能够在一级氨气与一级风混合形成预混气体后，将预混气体点燃。

中心风筒14通过中心风道141与气源连接，以向中心风筒14内通入中心风，为点火源3提供燃烧所需空气，并冷却点火源3，及促进一级氨气的点火或燃烧。中心风道141上设有中心风调节件142，以控制中心风风量。

多根二级配氨管221从供氨管24引出，并沿着二级风筒12的周向彼此间隔地布置于二级风筒12的径向外侧。每根二级配氨管221的出口端均设有喷头222，且每个喷头222的端面上均布置有若干喷嘴223(例如喷孔)，以喷出二级氨气，使二级氨气进入径向内侧的燃烧区域。喷嘴223的喷射方向与喷头222的端面呈0°～90°，喷射出的氨燃料速度高于火焰传播速度，可与内层的二级风和中心火焰风快速混合，迅速反应。喷嘴223可呈圆形、椭圆形、方形或多边形等多种形状。不同喷头222上喷嘴223的数量和/或大小可以相同或不同。

如图1所示，在该实施例中，喷头222的末端在轴向上至少部分地位于二级扩口122的下游，但应当理解，喷头222的末端也可以在轴向上位于二级扩口122的上游。当喷头222的末端在轴向上至少部分地位于二级扩口122的下游时，更方便实现二级氨气与内层二级风的混合。

在该实施例中，喷头222与氨燃烧器10的轴向夹角为0°～90°，且与氨燃烧器10的径向夹角为0°～180°。具体地，如图2所示，在该实施例中，二级风筒12中设有八个二级配氨装置22，这八个二级配氨装置22的喷头222的朝向均不同，其中包括喷头朝向沿着二级风筒12轴向的第一喷头224和第二喷头225，以及喷头朝向与二级风筒12的轴向和径向均存在夹角的第三喷头226。第一喷头224和第二喷头225的朝向虽然均沿着二级风筒12的轴向，但二者一个朝向二级风筒12的径向内侧，另一个朝向二级风筒12的径向外侧，所以，第一喷头224和第二喷头225的朝向仍然不同。由于朝向不同的喷头222，可以向不同方向喷出二级氨气，因此，有利于实现二级氨气与内层二级风和内层火焰更充分地混合。

该实施例的氨燃烧器10，可以组织一定比例的分级氨燃料与分级空气进行提前混合及分级燃烧，使整个氨燃烧区域形成如图3所示的富氧预混区41、局部回流燃尽区42、中心富氧主燃区43、分级燃烧降氮区44和烟气回流燃尽区45。

工作时，将纯氨燃料分两级送入氨燃烧器10中，并将空气分三级送入氨燃烧器10中。其中，两级氨燃料分别为一级氨气和二级氨气，二者均来自供氨母管241。三级助燃空气分别为中心风、一级风和二级风。二级风来自风箱15。一级风和中心风来自风箱15，或来自其他气源。

具体地，供氨母管241中的氨气分为两部分，一部分占比较大(例如占比为60％～70％)，流至一级配氨管211中，用作一级氨气，另一部分占比较少，流至各二级配氨管221中，用作二级氨气。

其中，结合图1和图3可知，进入一级配氨管211的一级氨气流入集氨箱212中，并经由燃料喷嘴213喷至一级风筒11中，与一级风筒11中的一级风混合，形成预混气体，并营造过量空气系数大于或等于1的富氧贫燃氛围，使得一级风筒11内成为富氧预混区41。二者反向旋流，快速且充分地混合，形成预混气体。

预混气体继续沿轴向朝下游流动，流经一级风旋流器181，进行旋转射流。点火源3在富氧预混区41将进行旋转射流的预混气体点着，使预混气体燃烧，产生的火焰依次流经过渡段113和一级扩口112后，从一级风筒11喷出。相应着火过程中，由于处于富氧的燃烧氛围中，因此，可快速着火，且一级氨气可充分燃烧。

喷出的气流在过渡段113和一级扩口112的作用下，进行回流，使得一级风筒11出口附近形成局部回流燃尽区42，可在一定范围内隔绝中心富氧主燃区43和分级燃烧降氮区44，在实现一级氨气充分燃烧、燃尽的同时，促进外层分级风与后喷入的分级氨燃料的充分交叉混合，为分级燃烧降氮区域44的充分反应奠定基础。

而且，喷出的气流继续向前流动，与从二级风筒12旋流射出的二级风相遇，使从一级风筒11流出的一级氨气继续燃烧。加入的二级风，可以营造出富氧贫燃的燃烧氛围，使得局部回流燃尽区42下游和内侧形成中心富氧主燃区43。中心富氧主燃区43为一级氨气的主要燃烧区域，其内部为富氧贫燃的气氛，有利于一级氨气的迅速燃尽以及燃烧火焰的快速传播，同时，可通过调节分级风(即二级风)的配比，来实现中心富氧主燃区43内NO_x生成量的有效控制。

同时，多个二级配氨装置22补入二级氨气，在中心富氧主燃区43径向外侧和下游形成较大的分级燃烧降氮区44，利用中心富氧主燃区43的稳定火焰加热和点燃喷入的分级氨燃料(即二级氨气)，在分级氨燃料自身贫氧燃烧的同时，还原中心富氧区域生成的NO_x，降低氨燃烧器10的NOx排放。

另外，在一级风、分级风和分级氨燃料的旋转射流等作用下，中心富氧主燃区43和分级燃烧降氮区44下游形成烟气回流燃尽区45，卷吸回流的大量高温烟气，与分级燃烧降氮区44的燃烧火焰充分混合，利用锅炉炉膛中心的高温烟气回流加热和燃烧未燃尽的氨燃料，并进一步补充氨燃烧所需的空气，实现氨的完全燃尽。

可见，该实施例的氨燃烧器10，可以将一定比例的氨与部分空气进行预混后点燃，并在外层补入二级风，使一级氨气在富氧条件下稳定着火并充分燃烧，然后通过调节二级氨气与分级空气的具体比例，营造外层还原性燃烧氛围，有效抑制燃烧过程中的NO_x生成量，并实现纯氨在空气中的充分燃尽。

因此，该实施例的氨燃烧器10，可以在实现氨的稳定着火、燃烧和完全燃尽的前提下，控制NO_x生成量，有效解决纯氨作为燃料燃烧时存在的两个主要技术问题。其中，在点火时采用富氧的燃烧方式，有利于氨的着火和稳燃，可加快一级氨气燃烧的反应速度，增大燃烧火焰的传播速度，进而促进一级氨气的稳定燃烧。待火焰稳定后再汇入二级风进行混合燃烧，形成氧化性燃烧氛围，可实现一级氨气的充分燃烧。而后喷入的二级氨气可与分级风以及一级氨气燃烧火焰快速混合并迅速反应，降低NO_x的生成量，并实现氨燃料的燃尽。

而且，该实施例的氨燃烧器10，为纯氨燃烧器，无需对氨气进行掺混，且无需对氨气进行提前裂解，因此，结构较简单，成本较低，且安全性较高，降碳效果较好。

可见，该实施例的氨燃烧器10，能够基于较简单的结构，较低的成本和较高的安全性，实现纯氨气的快速着火和燃尽，以及NO_x的减排，这有利于氨燃料的推广应用，可以促进低碳燃烧技术的进一步发展。

由于该实施例的氨燃烧器10，结构简单，功能齐全，且燃烧效果好，因此，可广泛应用于发电领域和石化领域的不同型式锅炉上。只需对现有锅炉进行低成本的燃烧改造，即可以氨气这一零碳燃料部分替代或全部替代化石燃料，实现火力发电机组的大幅度CO₂减排。

据此，本申请还提供一种燃烧系统，其包括锅炉以及本申请实施例的氨燃烧器10。

另外，基于本申请实施例的氨燃烧器10，本申请还提供一种燃烧方法，其包括：

向一级风筒11中通入一级风，并向一级配氨装置21中通入一级氨气，使一级氨气与一级风在一级风筒11内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体，且利用点火源3将预混气体点燃；

向二级风筒12中通入二级风，以将二级风喷入从一级风筒11喷出的火焰中，使从一级风筒11中喷出的一级氨气在富氧氛围下进行燃烧；

向二级配氨装置22中通入二级氨气，以将二级氨气喷入径向内侧的火焰中，使二级氨气在还原性氛围中进行燃烧。

可以理解，上述三个步骤并不需要严格地先后执行，例如，其中，一级风、一级氨气、二级风和二级氨气的通入，可以同时执行。

以上所述仅为本申请的示例性实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种氨燃烧器(10)，其特征在于，包括：

一级风筒(11)，用于提供一级风；

一级配氨装置(21)，与所述一级风筒(11)耦合，并向所述一级风筒(11)内通入一级氨气，使所述一级氨气与所述一级风在所述一级风筒(11)内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体；

点火源(3)，用于点燃所述预混气体；

二级风筒(12)，套设在所述一级风筒(11)外部，并用于向从所述一级风筒(11)喷出的火焰中喷入二级风；和

二级配氨装置(22)，位于所述二级风筒(12)的径向外侧，以向径向内侧的火焰中喷入二级氨气。

2.根据权利要求1所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述一级风筒(11)包括一级筒体(111)和一级扩口(112)，所述一级扩口(112)连接于所述一级筒体(111)的出口，且通流面积沿着所述一级风的流出方向增大；和/或，所述二级风筒(12)包括二级筒体(121)和二级扩口(122)，所述二级扩口(122)连接于所述二级筒体(121)的出口，且通流面积沿着所述二级风的流出方向增大。

3.根据权利要求2所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述一级风筒(11)包括所述一级筒体(111)和所述一级扩口(112)，且所述一级风筒(11)包括过渡段(113)，所述过渡段(113)连接于所述一级筒体(111)和所述一级扩口(112)之间，且所述过渡段(113)的侧壁沿着所述一级风筒(11)的径向延伸。

4.根据权利要求1所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述氨燃烧器(10)包括以下至少之一：

一级风旋流器(181)，设置于所述一级风筒(11)中，并使所述一级风在所述一级风筒(11)中旋流流动；

二级风旋流器(182)，设置于所述二级风筒(12)中，并使所述二级风旋流流动；

一级风调节件(171)，设置于所述一级风筒(11)的进风流路上，并调节进入所述一级风筒(11)的一级风的风量；

二级风调节件(172)，设置于所述二级风筒(12)的进风流路上，并调节进入所述二级风筒(12)的二级风的风量；

氨量调节件(25)，设置于所述一级配氨装置(21)和/或所述二级配氨装置(22)上，并调节流入所述一级配氨装置(21)和/或所述二级配氨装置(22)的氨气量。

5.根据权利要求4所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述氨燃烧器(10)被构造为以下至少之一：

所述一级风旋流器(181)和/或所述二级风旋流器(182)的旋流叶片与所述一级风筒(11)的轴向之间的夹角为0°～80°；

所述一级风旋流器(181)和/或所述二级风旋流器(182)的旋流叶片与所述一级风筒(11)的轴向之间的夹角大小可调。

6.根据权利要求1-5任一所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述一级配氨装置(21)包括燃料喷嘴(213)，所述燃料喷嘴(213)与所述一级风筒(11)连通，以向所述一级风筒(11)内通入所述一级氨气；和/或，所述二级配氨装置(22)包括二级配氨管(221)和喷头(222)，所述二级配氨管(221)位于所述二级风筒(12)的径向外侧，所述喷头(222)连接于所述二级配氨管(221)的出口，并与所述二级配氨管(221)连通。

7.根据权利要求6所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述一级配氨装置(21)包括集氨箱(212)，所述集氨箱(212)用于与供氨源连接，所述燃料喷嘴(213)与所述集氨箱(212)连通；和/或，所述氨燃烧器(10)包括至少两个二级配氨装置(22)，所述至少两个二级配氨装置(22)沿着所述二级风筒(12)的周向间隔布置，且所述至少两个二级配氨装置(22)的喷头(222)朝向相同或不同。

8.根据权利要求7所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述至少两个二级配氨装置(22)包括喷头朝向与所述一级风筒(11)的轴向平行的二级配氨装置(22)和喷头朝向与所述一级风筒(11)的轴向和/或径向具有夹角的二级配氨装置(22)的至少之一；和/或，所述至少两个二级配氨装置(22)包括喷头朝向所述一级风筒(11)径向内侧的二级配氨装置(22)和喷头朝向所述一级风筒(11)径向外侧的二级配氨装置(22)中的至少之一。

9.根据权利要求7所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述喷头(222)的朝向与所述一级风筒(11)的轴向之间的角度为0°～90°，和/或，所述喷头(222)的朝向与所述一级风筒(11)的径向之间的角度为0°～180°。

10.根据权利要求6所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述燃料喷嘴(213)被构造为以下至少之一：

所述燃料喷嘴(213)设置于所述一级风筒(11)的侧壁上；

所述燃料喷嘴(213)的喷气方向与所述一级风筒(11)的轴向之间的角度为10°～170°；

所述燃料喷嘴(213)的喷气方向与所述一级风筒(11)的径向之间的角度为0°～85°。

11.根据权利要求1-5任一所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述一级风筒(11)中设有中心风筒(14)，所述中心风筒(14)提供中心风，所述点火源(3)伸至所述中心风筒(14)中。

12.根据权利要求11所述的氨燃烧器(10)，其特征在于，所述中心风筒(14)的进风流路上设有中心风调节件(142)，所述中心风调节件(142)调节进入所述中心风筒(14)的中心风的风量。

13.一种燃烧系统，包括锅炉，其特征在于，包括如权利要求1-12任一所述的氨燃烧器(10)。

14.一种基于如权利要求1-13任一所述的氨燃烧器(10)的燃烧方法，其特征在于，包括：

向所述一级风筒(11)中通入一级风，并向所述一级配氨装置(21)中通入一级氨气，使所述一级氨气与所述一级风在所述一级风筒(11)内混合形成过量空气系数大于或等于1的预混气体，且利用所述点火源(3)将所述预混气体点燃；

向所述二级风筒(12)中通入二级风，以将所述二级风喷入从所述一级风筒(11)喷出的火焰中，使从所述一级风筒(11)中喷出的一级氨气在富氧氛围下进行燃烧；

向所述二级配氨装置(22)中通入二级氨气，以将所述二级氨气喷入径向内侧的火焰中，使所述二级氨气在还原性氛围中进行燃烧。