CN117368398A - 富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氨气的燃烧测试装置，富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，包括氨气裂解室；布朗气输入装置，通过管路连接至氨气裂解室，并向氨气裂解室输送布朗气；氨气输入装置，通过管路连接至氨气裂解室，并向氨气裂解室输送氨气；点火器，设置在氨气裂解室，用于点燃氨气裂解室中的布朗气输入装置；二级气体燃烧装置，其输入端与所述氨气裂解室的输出端连接，二级气体燃烧装置包括燃气输送管。该系统可使用较为简单的反应设备对氨气进行裂解，并对裂解后的氢气燃烧，本系统可实现上述反应的可控实验。
Description
技术领域
本发明涉及氨气的燃烧测试装置，特别是富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统。
背景技术
在全球碳中和形式的驱动下，发展替代传统化石燃料的绿色可再生能源迫在眉睫。氢气被视为最有前景的可再生燃料之一，但其储存和运输等技术问题难以突破。氨(NH3)作为一种富含氢的无碳清洁燃料，其能量密度高、辛烷值高、易于储运等诸多优点逐渐引起了人们的广泛关注，是我国发展储氢的重要手段,在动力输运及热力发电等领域具有极大的研发价值。
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。与常规的碳氢燃料相比，纯氨的层流燃烧速度和热值均比较低，而且点火所需要的能量较高，可燃性极限范围较窄，使得纯氨的燃烧更加困难。
氨气催化裂解是指利用氨气中氢原子的存在,通过一定的催化剂或特定条件来使物质分解,获取氢气和氮气，从而降低氨的点火难度、提高燃烧强度、降低氮氧化物排放。现有技术中氨气的裂解温度通常在800℃以上。其次,反应需要在一定的压力下进行,通常在1-10atm之间。最后,反应需要在催化剂的作用下进行裂解。此种裂解的方式设备通常较为复杂，控制难度较大。
发明内容
为解决上述问题，富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，该系统可使用较为简单的反应设备对氨气进行裂解，并对裂解后的氢气燃烧，本系统可实现上述反应的可控实验。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，包括
氨气裂解室；
布朗气输入装置，通过管路连接至氨气裂解室，并向氨气裂解室输送布朗气；
氨气输入装置，通过管路连接至氨气裂解室，并向氨气裂解室输送氨气；
点火器，设置在氨气裂解室，用于点燃氨气裂解室中的布朗气输入装置；
二级气体燃烧装置，其输入端与所述氨气裂解室的输出端连接，二级气体燃烧装置包括燃气输送管。
作为优选的，所述二级气体燃烧装置还包括
甲烷气体输入装置，其通过管路与所述二级气体燃烧装置的内部腔室连通，并用于可控的向二级气体燃烧装置的内部腔室输送甲烷气体；
空气输出装置，其通过管路与所述二级气体燃烧装置的内部腔室连通，并用于可控的向二级气体燃烧装置的内部腔室输送空气。
作为优选的，所述氨气裂解室包括一级混合气体组件，所述一级混合气体组件包括
氨气充气室，其顶部具有开口；
布朗气输气管，其为布朗气输入装置的输出端口，布朗气输气管由氨气充气室的底部插入到氨气充气室；
所述氨气输入装置的输出端连接到所述氨气裂解室的主体靠近下部。
作为优选的，所述布朗气输气管的输出端口与氨气充气室的顶部开口平齐。
作为优选的，所述氨气充气室的顶部开口直径小于氨气充气室主体的直径。
作为优选的，所述氨气充气室的内部横置有分布过滤网，该分布过滤网设置在氨气输入管和氨气充气室的顶部开口之间。
作为优选的，所述氨气充气室的顶部具有燃烧室，所述氨气充气室的顶部开口设置在燃烧室底部，所述燃烧室顶部敞开。
作为优选的，所述富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统还包括气体检测装置，气体检测装置的检测终端设置在氨气裂解室内。
作为优选的，所述氨气裂解室内还包括透明视窗。
作为优选的，所述二级气体燃烧装置包括与二级气体燃烧装置内部连通的燃气输送管，燃气输送管的输出端外罩玻璃管；
所述富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统还包括火焰拍摄装置和激光诊断系统，火焰拍摄装置和激光诊断系统的图形获取端朝向燃气输送管的输出末端。
使用本发明的有益效果是：
本富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，可将布朗气点燃并催化分解氨气，将氨气分解为氢气和氮气，不分氨气未分解。上述混合气体可与甲烷和空气的混合气体第二次混合，然后进入到二级气体燃烧装置，经过二级气体燃烧装置燃烧，最终通过火焰拍摄装置和激光诊断系统测试燃烧的火焰的物理特性，分析火焰的燃烧成分。最终测定氨气是否完全分解，以及各个比例各个组分其他在不同条件下的燃烧特性，可推测氨气的分解率。
附图说明
图1为富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统的示意图。
图2为图1中一级混合气体组件的结构示意图。
附图标记包括：
10-氨气裂解室，11-视窗，12-一级混合气体组件，121-氨气充气室，1211-缩径段，1212-聚气端口，122-氨气输入管，123-布朗气输气管，124-燃烧室，1241-排气口，125-点火器，126-分布过滤网，13-布朗气输出装置；
20-二级气体燃烧装置，21-甲烷气体输入管，22-燃气输送管，23-玻璃管；
31-第一氨气输出装置，32-第二氨气输出装置，33-甲烷输出装置，34-空气输出装置，
40-气体检测装置，50-火焰拍摄装置，60-激光诊断系统。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
本实施例提出富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其解决了常规的氨气裂解装置复杂的问题，同时可提供一种可控制多种变量的实验装置。
为解决上述问题，本实施例提出的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统包括氨气裂解相关装置、二级气体燃烧装置20、供气设备、气体检测装置40和气体燃烧火焰的测试装置。具体如下。
本装置中的氨气裂解相关装置主体为一个氨气裂解室10，氨气裂解室10的主体为金属管状体，氨气裂解室10的顶部和底部分别通过法兰封闭，氨气裂解室10的下端部设置有一级混合气体组件12，一级混合气体组件12的作用是提供布朗气作为第一次燃烧原理，并在布朗气燃烧环境中提供氨气，通过布朗气燃烧在氨气中的方式使氨气裂解。
如图2所示，一级混合气体组件12中，一级混合气体组件12的下部为氨气充气室121，氨气充气室121为瓶状结构，氨气充气室121的下底中部设置有一个布朗气输气管123，氨气充气室121的顶部敞开，布朗气输气管123穿过氨气充气室121的下底中部，布朗气输气管123的顶部为布朗气的输出端，布朗气输气管123设置在氨气充气室121的顶部敞口的中部。氨气充气室121的底部直接较大，氨气充气室121的中部形成缩径段1211，缩径段1211的直径由下至上逐渐缩小，缩径段1211的上端直径最小并形成直径较小的聚气端口1212。在氨气充气室121环形壁下部直径最大的位置设置有多个氨气输入管122，本实施例中的布朗气输气管123的输入端连接布朗气输出装置13。
使用时，首先通过布朗气输出装置13向氨气输入管122输出氨气，氨气通过氨气输入管122向氨气充气室121输送氨气，氨气最终充满氨气充气室121和气上部的燃烧室124，在燃烧室124的侧面设置有点火器125，当氨气充满氨气充气室121和气上部的燃烧室124之后，布朗气输出装置13向布朗气输气管123输送布朗气，布朗气输入至燃烧室124，然后点火器125点燃氨气和布朗气的混合气体。在此过程中，布朗气燃烧形成湿润且高温的环境，使得氨气在湿润高温的环境下部分分裂成氮气和氢气，上述的未分解的氨气、以及氨气分解后形成的氮气和氢气，共同组合形成一级混合气体。
上述一级混合气体中氨气的含量与多种变量有关，第一个是氨气分解环境的问题，其主要是布朗气的输出速率；第二变量为氨气与布朗气接触的时间，此变量主要是通过燃烧室124的高度相关。作为优选的，聚气端口1212的内壁具有螺纹结构，螺纹结构可将直流的氨气转变为螺旋上升的气体，使得氨气和布朗气燃烧的火焰接触的时间边长。另外，本装置中缩径段1211还具有加速流体流动速度的管体，类似文丘里管的作用；第三个变量为氨气输入管122输入氨气的总合流量，氨气输入的过快可能导致布朗气燃烧与氨气的接触的时间过短，氨气没有充分加热就流出了布朗气燃烧火焰的加热阶段，如果氨气输入的慢，可能导致布朗气燃烧但氨气输入不足，造成布朗气的浪费。上述混合气体，包括氨气、氮气和氢气，最终由燃烧室124顶部的排气口1241流出。
另外，由于氨气裂解室10的顶部和底部均通过法兰连接，有利于其内部结构的安装和调试。氨气裂解室10的侧面安装有石英玻璃或者是蓝宝石材料制成的视窗11，视窗11可以方便工作人员观察其内部火焰燃烧的效果，类似的，燃烧室124也为透明材料制成的杯状体。另外，氨气充气室121的内部设置有分布过滤网126，其作用是分布氨气，使氨气均匀的分布在氨气充气室121内，并有序的向上流动。
氨气裂解室10和二级气体燃烧装置20之间的法兰连通，氨气、氮气和氢气的混合气体可穿过法兰进入二级气体燃烧装置20内部的空腔。
在氨气裂解室10的上部连接的法兰上安装有二级气体燃烧装置20，二级气体燃烧装置20的底部为锥形管结构，二级气体燃烧装置20的中部为主体，二级气体燃烧装置20的主体为一般硬质管，二级气体燃烧装置20的顶部封顶，二级气体燃烧装置20的顶部连接有燃气输送管22，燃气输送管22的下端与二级气体燃烧装置20内部腔室连通，燃气输送管22的上端为喇叭状的开口，燃气输送管22的上端外罩有玻璃管23，玻璃管23为透明的管体。在二级气体燃烧装置20的底部为锥形管结构的顶部与二级气体燃烧装置20的中部为主体的连接处设置有甲烷气体输入管21，甲烷气体输入管21可输入甲烷气体和空气的混合气体。
气体检测装置40包括第一氨气输出装置31、第二氨气输出装置32、甲烷输出装置33和空气输出装置34，第一氨气输出装置31和第二氨气输出装置32通过管路与氨气输入管122的输入端连接，可对氨气输入管122输送氨气。甲烷输出装置33和空气输出装置34通过三通管汇集后连接甲烷气体输入管21。第一氨气输出装置31、第二氨气输出装置32、甲烷输出装置33和空气输出装置34的输出管路上均设置有流量调节阀，流量调节阀的作用是调节第一氨气输出装置31、第二氨气输出装置32、甲烷输出装置33和空气输出装置34的输出流量。特别是甲烷输出装置33和空气输出装置34，甲烷输出装置33和空气输出装置34可调节甲烷和空气的混合量，使得甲烷和空气的输出流量成为可调节的变量，流量调节阀为线性调节的可控电磁流量调节阀，可远程电子控制，控制精准并可记录通过调节流量调节阀的开度，记录甲烷和空气的输出变量。
气体燃烧火焰的测试装置包括三个主要设备，第一个主要设备为气体检测装置40，气体检测装置40的检测终端设置在氨气裂解室10内。气体检测装置40的作用是通过其检测终端检测到氨气裂解室10内氨气、氢气和氮气的含量，使进入二级气体燃烧装置20内部的气体的组分可直接通过气体检测装置40检测，并可获得氨气的分解效率。
在玻璃管23的周围设置有火焰拍摄装置50和激光诊断系统60，其中火焰拍摄装置50可以拍摄火焰的实时点燃效果，为红色火焰、蓝色火焰或是其他颜色火焰，可通过火焰拍摄装置50拍摄火焰的外轮廓形状和颜色，通过火焰的外轮廓形状和颜色判断火焰是否充分燃烧。激光诊断系统60获取火焰的发出光线的组成，进一步分析火焰的燃烧质量。
本富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，可点燃氢氧预混气产生高温火焰与水蒸气，为氨气提供富氢加湿预热条件。在此基础上，拟开展不同预热温度、水蒸气浓度、燃料流量、当量比等条件下的NH3/H2/CH4燃烧实验和数值模拟研究，分析新型富氢加湿预热复合模式对氨燃料燃烧性能强化与NOx排放特性的影响机制。
本测试系统研究不同加湿预热条件下的氨气受热分解性能，分析发热电阻、高温水蒸气、富氢加湿三种预热模式对氨气受热作用时间、分解产物及分解率的作用效果；探究温度、水蒸气浓度、OH自由基对氨预热分解的影响规律。研究富氢加湿预热氨分解条件下的NH3/H2/CH4空气预混燃烧性能，分析不同燃料流量、稀释浓度、当量比对预混火焰结构形态、火焰中OH及NO基团荧光强度的影响；明晰预热温度、水蒸气浓度、火焰OH自由基对氨预混气燃烧强度、NOx排放的影响规律。开展富氢加湿预热模式下的氨预混气燃烧化学反应动力学研究，分析不同预热温度、水蒸气浓度、火焰OH自由基对NH3/H2/CH4空气预混燃烧速度、关键自由基分布的影响；获取反应贡献率和燃烧化学反应路径，揭示富氢加湿预热模式下的氨预混气燃烧增燃减排机制。
本系统可完成的实验，提出完整的富氢加湿预热复合模式下氨燃烧实施方法与反应动力学模型，阐明预热温度、水蒸气浓度、OH自由基对氨分解影响机制，揭示富氢加湿预热气氛NH3/H2/CH4空气预混燃烧过程中的氨热分解率、火焰稳定性、氮氧化物排放特性。开发设计预热加湿与预混燃烧为一体的新型氨预热加湿燃烧器，形成富氢加湿预热模式下的氨预混气燃烧系统设计方法、关键性准则，新的预热燃烧系统性能高于常规氨直燃系统，保证氨预混气高效稳定、低排放燃烧。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：包括
氨气裂解室；
布朗气输入装置，通过管路连接至氨气裂解室，并向氨气裂解室输送布朗气；
氨气输入装置，通过管路连接至氨气裂解室，并向氨气裂解室输送氨气；
点火器，设置在氨气裂解室，用于点燃氨气裂解室中的布朗气输入装置；
二级气体燃烧装置，其输入端与所述氨气裂解室的输出端连接，二级气体燃烧装置包括燃气输送管。
2.根据权利要求1所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述二级气体燃烧装置还包括
甲烷气体输入装置，其通过管路与所述二级气体燃烧装置的内部腔室连通，并用于可控的向二级气体燃烧装置的内部腔室输送甲烷气体；
空气输出装置，其通过管路与所述二级气体燃烧装置的内部腔室连通，并用于可控的向二级气体燃烧装置的内部腔室输送空气。
3.根据权利要求1所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述氨气裂解室包括一级混合气体组件，所述一级混合气体组件包括
氨气充气室，其顶部具有开口；
布朗气输气管，其为布朗气输入装置的输出端口，布朗气输气管由氨气充气室的底部插入到氨气充气室；
所述氨气输入装置的输出端连接到所述氨气裂解室的主体靠近下部。
4.根据权利要求3所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述布朗气输气管的输出端口与氨气充气室的顶部开口平齐。
5.根据权利要求3所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述氨气充气室的顶部开口直径小于氨气充气室主体的直径。
6.根据权利要求3所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述氨气充气室的内部横置有分布过滤网，该分布过滤网设置在氨气输入管和氨气充气室的顶部开口之间。
7.根据权利要求3所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述氨气充气室的顶部具有燃烧室，所述氨气充气室的顶部开口设置在燃烧室底部，所述燃烧室顶部敞开。
8.根据权利要求1所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统还包括气体检测装置，气体检测装置的检测终端设置在氨气裂解室内。
9.根据权利要求1所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述氨气裂解室内还包括透明视窗。
10.根据权利要求1所述的富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统，其特征在于：所述二级气体燃烧装置包括与二级气体燃烧装置内部连通的燃气输送管，燃气输送管的输出端外罩玻璃管；
所述富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统还包括火焰拍摄装置和激光诊断系统，火焰拍摄装置和激光诊断系统的图形获取端朝向燃气输送管的输出末端。
Priority Applications (1)
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| CN202311384916.7A CN117368398A (zh) | 2023-10-23 | 2023-10-23 | 富氢加湿预热复合模式下的氨预混气燃烧性能测试系统 |
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