CN119665227B - 一种氢氨混合低氮燃烧器 - Google Patents

一种氢氨混合低氮燃烧器

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Abstract

本发明提出了一种氢氨混合低氮燃烧器,属于燃烧器技术领域。解决了当前氢氨共同作为气体燃料的燃烧技术问题,氨气燃烧反应活性差、氢燃烧速度快导致回火烧坏喷嘴以及NOx排放浓度高等问题。它包括氢气引入管、氨气引入管、混合器、环形集箱、氨气支管以及氨气喷嘴。所述氢气引入管包括中心氢气管以及助燃氢气管,所述中心氢气管的出口端穿过环形集箱位于燃烧器中心位置,所述助燃氢气管的输入端与中心氢气管连接,输出端与混合器连接,所述氨气引入管的输出端与混合器连接,所述混合器的输出端与环形集箱连接,所述环形集箱连接有多支氨气支管,多支氨气支管呈环形布置,氨气支管的出口端设有氨气喷嘴。它主要用于氢氨混合燃烧。

Description

一种氢氨混合低氮燃烧器
技术领域
本发明属于燃烧器技术领域,特别是涉及一种氢氨混合低氮燃烧器。
背景技术
传统化石能源的广泛使用和化石能源不可再生的特点带来了日渐严重的环境污染、温室效应和能源危机问题,能源枯竭和气候恶化已成为21 世纪人类面临的两大难题。为了从根本上解决全社会面临的资源约束和环境问题,在燃烧领域中应用无碳燃料替代传统化石能源是重要的一种技术手段。
氢能被视为是最理想的清洁能源之一,氢燃料具有燃烧性好、点火能量低、燃烧反应速度快等特点,水是氢气完全燃烧的唯一产物。但另一方面,氢燃烧也存在着诸多缺点,如体积能量密度低及由于较高的燃烧温度导致燃烧时产生热力型氮氧化物NOx污染物,氢燃烧反应速度过快可能会导致早燃、回火等问题,这些都限制了纯氢燃料的推广使用。氨是一种成本低廉的化工原料,在完全燃烧的情况下的产物只有氮气和水,氨具有较高体积能量密度,燃烧不产生CO2、便于压缩液化储运、储运成本较低等优点。氨气作为燃料使用也存在一些明显的缺点,纯氨燃料的层流燃烧火焰传播速度较低,具有比较高的自燃温度和需要较高点火能量,氨气可燃极限较窄,在空气中可燃极限体积分数为15.5%-27%,纯氨很难做到完全燃烧,而且由于氨本身含有氮元素,氨的燃烧产物中潜在的氮氧化物NOx排放含量较高。
氨气和氢气这两种燃料单独使用都存在一定的不足和缺点,但将这两种燃料组合使用并且不引入含碳燃料是比较好的技术路线选择,综合了氨与氢两种燃料的优点与缺点,实现高效清洁燃烧同时无碳排放。目前,已知的氨氢燃气燃烧器种类较少,并且未完全解决燃料的高效燃烧与降低氮氧化物NOx排放之间的协调问题,针对氨气燃烧反应活性差的问题,常用的技术方法是在氨气中掺入反应活性更高的可燃性气体,比如天然气、氢气等,现有燃烧器设计偏重于考虑组织燃烧,未能将多种燃烧技术手段相结合,尚未有效控制氮氧化物NOx排放值。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种氢氨混合低氮燃烧器,以解决当前氢氨共同作为气体燃料燃烧一系列技术问题,比如:氨气燃烧反应活性差、氢燃烧反应速度快导致回火烧坏喷嘴,以及NOx排放浓度高等问题。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种氢氨混合低氮燃烧器,包括氢气引入管、氨气引入管、混合器、环形集箱、氨气支管以及氨气喷嘴。所述氢气引入管包括中心氢气管以及助燃氢气管,所述中心氢气管的出口端穿过环形集箱位于燃烧器中心位置,所述助燃氢气管的输入端与中心氢气管连接,输出端与混合器连接,所述氨气引入管的输出端与混合器连接, 所述混合器的输出端与环形集箱连接,所述环形集箱连接有多支氨气支管,多支氨气支管呈环形布置,氨气支管的出口端设有氨气喷嘴,燃烧器的氨气支管外依次设有一次空气环腔和二次空气环腔,所述一次空气环腔与一次空气入口连接,所述二次空气环腔与二次空气入口连接。
更进一步的,所述中心氢气管上安装有中心氢气调节阀,所述助燃氢气管上安装有助燃氢气调节阀。
更进一步的,所述中心氢气管的出口端与多支中心氢气支管连接,中心氢气支管与中心氢气喷嘴连接。
更进一步的,所述中心氢气喷嘴与氨气喷嘴的末端设有面板。
更进一步的,所述面板的外部设有稳焰器,所述稳焰器的径向扩展角为15°-25°。
更进一步的,所述氨气引入管上安装有氨气调节阀。
更进一步的,所述一次空气环腔内安装有一次空气旋流叶片,所述一次空气旋流叶片的叶片与轴向偏转30°-60°。
更进一步的,所述二次空气环腔内设有二次空气旋流叶片,所述二次空气旋流叶片的叶片与轴向偏转30°-60°,所述二次空气旋流叶片与旋流叶片调节机构连接。
更进一步的,所述二次空气环腔的前端设有扳边,对应的径向扩展角为15°-25°,所述二次空气环腔侧端设有碹口。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明燃烧组织方式促进了氨气的燃烧,在氨气中加入适量氢气能够提高氨燃料燃烧反应速度,射流外层为氨与氢混合气体,混合气体燃料的可燃性高于纯氨燃料,燃烧组织在燃烧器喷口外部形成回流区,回流区可以卷吸高温烟气回流到氨氢混合气射流的根部,加热氨氢混合气,高温条件可以促进氨氢混合气体燃料着火与燃烧,最终,氨气的燃尽率高,无氨逃逸现象。
2、本发明有效地降低了氨气燃烧的燃料型NOx污染物生成量,氨气在低氧的环境下燃烧,并且高温火焰环境可以促进氨气热解反应速率,氨气被快速地消耗,在低氧的环境下由氨气燃烧所产生的燃料型氮氧化物NOx生成量被抑制。氨也可以作为NOx的还原剂,将已生成的氮氧化物NOx还原为氮气,解决了氨气燃烧过程中具有较高浓度燃料型NOx排放潜值的技术难题。
3、本发明结构设计简便,燃烧过程可调节可控制,使用阀组可以调节外层气体燃料的氨氢掺混比例,二次空气的旋流叶片调节机构可以调整二次空气的旋流强度,进而可以改变流场形态。
4、本发明控制了氢气的燃烧过程,不会出现燃烧器烧损的问题。由于氢燃烧反应速度过快可能会导致早燃、回火等问题,本发明采用扩散燃烧方式,将氢气设置在气体燃料射流的内层,延迟氢气的配风,控制氢气燃烧区域与燃烧器保持适当距离。
5、本发明将氨与氢两种燃料组合使用并且不引入含碳燃料,综合利用了氨与氢两种燃料的优点与缺点,实现高效清洁燃烧同时无碳排放。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明所述的一种氢氨混合低氮燃烧器的结构示意图;
图2为燃烧器流场与燃烧组织方案图。
1-氢气引入管,2-中心氢气管,3-中心氢气调节阀,4-助燃氢气管,5-助燃氢气调节阀,6-中心氢气支管,7-中心氢气喷嘴,8-面板,9-稳焰器,10-氨气引入管,11-氨气调节阀,12-混合器,13-环形集箱,14-氨气支管,15-氨气喷嘴,16-一次空气入口,17-一次空气环腔,18-一次空气旋流叶片,19-扳边,20-二次空气入口,21-二次空气环腔,22-二次空气旋流叶片,23-旋流叶片调节机构,24-碹口。
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、完整地阐述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
参见图1-2说明本实施方式,一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:氢气引入管1、氨气引入管10、混合器12、环形集箱13、氨气支管14以及氨气喷嘴15,所述氢气引入管1包括中心氢气管2以及助燃氢气管4,所述中心氢气管2的出口端位于燃烧器中心位置,所述助燃氢气管4的输入端与中心氢气管2连接,输出端与混合器12连接,所述氨气引入管10的输出端与混合器12连接, 所述混合器12的输出端与环形集箱13连接,所述环形集箱13连接有多支氨气支管14,多支氨气支管14呈环形布置,氨气支管14的出口端设有氨气喷嘴15,所述中心氢气管2上安装有中心氢气调节阀3,所述助燃氢气管4上安装有助燃氢气调节阀5,所述氨气引入管10上安装有氨气调节阀11,燃烧器的氨气支管14外依次设有一次空气环腔17和二次空气环腔21,所述一次空气环腔17与一次空气入口16连接,所述二次空气环腔21与二次空气入口20连接。
氢气引入管1将氢气引入至燃烧器前,氨气引入管10将氨气引入至燃烧器前,氢气引入管1分为中心氢气管2与助燃氢气管4,中心氢气管2由中心氢气调节阀3调节管道内流量,助燃氢气管4由助燃氢气调节阀5调节管道内流量。氨气调节阀11的作是用调节氨气引入管10内氨气流量,经过调节流量的助燃氢气管4内氢气与氨气引入管10内氨气共同进入到混合器12,将氢气与氨气实现充分的混合,混合后的氨氢混合气体进入到环形集箱13,环形集箱13连接有多支氨气支管14,氨气支管14形成环形布置形式,氨气支管14的前端设置有氨气喷嘴15,将氨氢混合气体喷入到炉膛内组织燃烧。
将氢气与氨气作为燃料由燃烧器组织燃烧,既控制气体燃料的化学反应速率,抑制燃烧产物氮氧化物NOx生成浓度,燃烧器结构简便稳定不烧喷嘴,同时又保证气体燃料的高效率燃烧。在氨气中加入氢气是提高氨燃料燃烧反应速度的有效技术方法,射流外层为氨与氢混合气体,混合气体燃料的可燃性高于纯氨燃料,燃烧组织在燃烧器外部形成回流区,回流区可以卷吸高温烟气回流到氨氢混合气射流的根部,加热氨氢混合气,高温条件可以促进氨氢混合气着火与燃烧。最终,氨气的燃尽率高,无氨逃逸现象,效地降低了氨气燃烧的燃料型NOx污染物生成量,氨气在低氧的环境下燃烧,并且高温火焰环境可以促进氨气热解反应速率,氨气被快速地消耗,在低氧的环境下由氨气燃烧所产生的燃料型氮氧化物NOx生成量被抑制,氨也可以作为NOx的还原剂,将已生成的氮氧化物NOx还原为氮气,解决了氨气燃烧过程中具有较高浓度燃料型NOx排放潜值的技术难题。控制了氢气的燃烧过程,不会出现燃烧器烧损的问题。氢燃烧反应速度过快可能会导致早燃、回火等问题,采用扩散燃烧方式,将氢气设置在气体燃料射流的内层,延迟氢气的配风,控制氢气燃烧区域与燃烧器保持适当距离。
进一步的,所述中心氢气管2的出口端与多支中心氢气支管6连接,中心氢气支管6与中心氢气喷嘴7连接,中心氢气管2在其前端连接多支中心氢气支管6,中心氢气支管6的前端设置有中心氢气喷嘴7,将纯氢气喷入到炉膛内组织燃烧。气体燃料射流形成中心纯氢,外圈氨氢混合气的气体燃料分布形态。
进一步的,所述中心氢气喷嘴7与氨气喷嘴15的末端设有面板8,面板8连接于氨气喷嘴15与中心氢气喷嘴7的末端,面板8用于中心氢气喷嘴7与氨气喷嘴15定位与固定,同时,可以保护氨气支管14与中心氢气支管6不受到炉内火焰高温辐射。
进一步的,所述面板8的外部设有稳焰器9,所述稳焰器9的径向扩展角为15°-25°。稳焰器9设置在面板8外部,材质为耐热铸钢,在高温使用环境下不会烧损,稳焰器9的径向扩展角为15°-25°,可以对一次空气导流,组织流场有助于形成燃烧火焰的回流区。
进一步的,所述一次空气环腔17内安装有一次空气旋流叶片18,所述一次空气旋流叶片18的叶片与轴向偏转30°-60°,一次空气经过后形成旋流,进入炉膛后组织流场形态。
进一步的,所述二次空气环腔21内设有二次空气旋流叶片22,所述二次空气旋流叶片22的叶片与轴向偏转30°-60°,所述二次空气旋流叶片22与旋流叶片调节机构23连接,所述二次空气环腔21的前端设有扳边19,对应的径向扩展角为15°-25°,所述二次空气环腔21侧端设有碹口24。通过二次空气入口20将二次空气引入到二次空气环腔21,二次空气环腔20内装设有二次空气旋流叶片22,叶片与轴向偏转30°-60°,二次空气旋流叶片22是可移动式的,使用旋流叶片调节机构23可以调整二次空气的旋流强度。二次空气环腔20前端设置有扳边19,对应的径向扩展角为15°-25°,可以对二次空气导流,组织流场有助于形成燃烧火焰的回流区。
具体的如图2所示,中心氢气喷嘴7和氨气喷嘴15喷出的气体燃料在燃烧燃烧器外部炉膛内形成射流,射流外层气体为氨氢混合气,射流中心气体为纯氢,一次空气与二次空气以旋转射流的方式从燃烧器前端供入炉膛,并且经过稳焰器9和扳边19的导流作用,在燃烧器外流场形成回流区。回流区可以卷吸高温烟气回流到氨氢混合气射流的根部,加热氨氢混合气,高温条件可以促进氨氢混合气着火与燃烧。在氨气中加入氢气是提高氨燃料燃烧反应速度的有效技术方法,射流外层为氨氢混合气体燃料,混合气体燃料的可燃性高于纯氨燃料。回流区的设计,以及氨气中混入氢气燃烧,两种技术手段的配合可以有效地为氨气燃烧创造适宜条件。回流区内氧气浓度较低,一次空气与二次空气逐级地为气体燃料燃烧混合配风,为气体燃料燃烧供应氧气,氨气在低氧的环境下燃烧,并且高温火焰环境可以促进氨气热解反应速率,氨气被快速地消耗,在低氧的环境下由氨气燃烧所产生的燃料型氮氧化物NOx生成量被抑制。氨也可以作为NOx的还原剂,将已生成的氮氧化物NOx还原为氮气。本设计的燃烧组织有效地降低了氨气燃烧的燃料型NOx污染物生成量,随着外层氨氢混合燃气被消耗,二次空气逐惭地与气体燃料射流中心的纯氢接触,氢的燃烧反应速率快,形成氢气燃烧区。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (9)

1.一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:氢气引入管(1)、氨气引入管(10)、混合器(12)、环形集箱(13)、氨气支管(14)以及氨气喷嘴(15),所述氢气引入管(1)包括中心氢气管(2)以及助燃氢气管(4),所述中心氢气管(2)的出口端穿过环形集箱(13)位于燃烧器中心位置,所述助燃氢气管(4)的输入端与中心氢气管(2)连接,输出端与混合器(12)连接,所述氨气引入管(10)的输出端与混合器(12)连接, 所述混合器(12)的输出端与环形集箱(13)连接,所述环形集箱(13)连接有多支氨气支管(14),多支氨气支管(14)呈环形布置,氨气支管(14)的出口端设有氨气喷嘴(15),燃烧器的氨气支管(14)外依次设有一次空气环腔(17)和二次空气环腔(21),所述一次空气环腔(17)与一次空气入口(16)连接,所述二次空气环腔(21)与二次空气入口(20)连接。
2.根据权利要求1所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述中心氢气管(2)上安装有中心氢气调节阀(3),所述助燃氢气管(4)上安装有助燃氢气调节阀(5)。
3.根据权利要求2所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述中心氢气管(2)的出口端与多支中心氢气支管(6),中心氢气支管(6)与中心氢气喷嘴(7)连接。
4.根据权利要求3所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述中心氢气喷嘴(7)与氨气喷嘴(15)的末端设有面板(8)。
5.根据权利要求4所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述面板(8)的外部设有稳焰器(9),所述稳焰器(9)的径向扩展角为15°-25°。
6.根据权利要求1所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述氨气引入管(10)上安装有氨气调节阀(11)。
7.根据权利要求1所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述一次空气环腔(17)内安装有一次空气旋流叶片(18),所述一次空气旋流叶片(18)的叶片与轴向偏转30°-60°。
8.根据权利要求1所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述二次空气环腔(21)内设有二次空气旋流叶片(22),所述二次空气旋流叶片(22)的叶片与轴向偏转30°-60°,所述二次空气旋流叶片(22)与旋流叶片调节机构(23)连接。
9.根据权利要求1所述的一种氢氨混合低氮燃烧器,其特征在于:所述二次空气环腔(21)的前端设有扳边(19),对应的径向扩展角为15°-25°,所述二次空气环腔(21)侧端设有碹口(24)。
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