基于熔盐储能的等离子体实时裂解氨燃料的氨锅炉的制作方法

1.本发明属于新能源锅炉技术领域，特别是涉及一种基于熔盐储能的等离子体实时裂解氨燃料的氨锅炉，具体为基于磁环增强旋转电弧等离子体实时在线裂解氨燃料、点火与助燃的氨锅炉。


背景技术：

2.目前的民用和工业锅炉大部分都是使用化石燃料进行燃烧，但是化石燃料燃烧过程中产生的co2造成显著的温室效应，无论是煤还是天然气，锅炉的二氧化碳的排放贡献了相当大一部分的温室效应。若要减少温室效应，采用新的燃料来替代或者部分替代现有的化石燃料是必经途径之一，氢能源作为一种清洁能源，燃烧过程稳定，燃烧释放的热值高，但是氢能源的储运问题始终无法得到有效地解决。
3.氨能作为很好的储氢介质，不仅其燃烧过程中不会产生温室气体，而且氨燃料的辛烷值很高，因此其防爆性能优异，有着优异的安全性能，但是目前的氨能也仍然存在一定的问题，由于氨的燃点高和火焰的传播速率慢，因此当锅炉使用纯氨作为燃料时，很容易燃烧不稳定，输出功率小，因此需要寻找新的技术手段对氨锅炉进行优化，提高燃烧稳定性和燃烧充分性。
4.以及在氨锅炉燃烧利用后如何对产生的余热进行回收利用或余热进行热量储能，以进一步的利用燃烧产生的能量，提高能源利用率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于熔盐储能的磁环增强旋转电弧等离子体实时裂解氨燃料的氨锅炉，以提供锅炉使用无碳排放的氨燃料，并解决氨燃料燃烧不稳定、燃烧不充分等问题。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明为一种基于熔盐储能的等离子体实时裂解氨燃料的氨锅炉，包括氨分解箱，所述氨分解箱包含有等离子体发生器、温度传感器、气压力传感器和氢组分传感器；氨燃料源和空气源，所述氨燃料源在与空气源混合燃烧之前，经过氨分解箱实时在线对氨燃料源加热和分解；等离子体点火器，所述等离子体点火器包括电火花等离子体发生器；等离子体助燃器，所述等离子体助燃器包括微波等离子体发生器；其中，所述等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨锅炉的燃烧室内；控制系统，实时控制系统控制的信号包括：气压力传感器的压力信号、氨燃料裂解箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、氨锅炉出口蒸汽压力信号。
8.作为本发明的一种优选技术方案，所述液态氨燃料汽化后或者氨气燃料以气态形式进入氨分解箱即时在线部分分解为氨气和氢气的混合气体；氨气的分解速率由等离子体发生器输入功率、分解温度和催化剂控制；所述氨分解箱的等离子体输入功率由控制系统控制。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述等离子体发生器为磁环增强旋转电弧式等离子体发生器或阵列式等离子体发生器。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述的磁环增强旋转电弧式等离子体发生器总体结构采用同轴结构；磁环增强旋转电弧等离子体发生器包括高压电极、磁环、旋气环、地电极和喷嘴；高压电极为棒状结构，地电极为渐缩管状结构，喷嘴采用圆锥状结构；磁环、高压电极、地电极和喷嘴三者在空间上采用同轴方式固定；高压电极、喷嘴分别与地电极固定连接。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述的喷嘴上设有收缩装置。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述等离子体发生器在等离子体放电区域放置氨分解催化剂。
13.作为本发明的一种优选技术方案，所述氨分解催化剂包括ru、rh、ni、co、ir、fe、pt、cr、pd中的一种或两种或两种以上。
14.作为本发明的一种优选技术方案，所述空气源在入气口还设有用于提高空气和燃料混合比例的空压机。
15.作为本发明的一种优选技术方案，所述氨锅炉燃烧后的余热连接到储热设备或发电设备中。
16.作为本发明的一种优选技术方案，所述的控制系统，控制步骤如下：
17.ss01燃料分解设定步骤：在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢组分传感器信号，或者预先设定的氨燃料氢气比例设定等离子体射频功率；
18.ss02锅炉燃烧室微波功率优化步骤：在氨锅炉燃烧时，控制系统根据所设定的燃料组分以及进气压力传感器、进气温度传感器、蒸汽出口压力的数值来控制微波等离子体输入功率。
19.作为本发明的一种优选技术方案，所述所述储热设备包括冷熔盐储罐、低温熔盐泵、热熔盐储罐、高温熔盐泵、第一换热器、第二换热器、蒸汽汽包、第三换热器和第四换热器组成；所述氨锅炉燃烧后的余热与冷熔盐储罐中的熔盐通过热传导的方式进行加热熔盐，在冷熔盐储罐的周侧贯穿有若干管道，管道一端通入氨锅炉燃烧后的余热，管道另一端汇聚成尾气。
20.所述尾气处理工艺为：
21.首先通入氨水中去除酸性气体co2和no2，随后经过配置有检测no
x
浓度的no
x
传感器和nh3浓度的nh3传感器；
22.如果氨的浓度较高，则将尾气导入线路a中通过选择性催化还原催化剂净化no
x
，处理后的含有较高浓度nh3的尾气导入氨锅炉进行再利用，部分经过净化的nh3通入氨水中保持氨水浓度处于吸收酸性气体的最佳值；
23.如果氨的浓度较低，则进入配置有适宜催化剂的线路b中通过nh3+no
x
→
n2+h2o反应进行nh3和no
x
净化，随后处理净化co可利用高温水煤气变换、低温水煤气变换和选择氧化(pt催化剂)；
24.处理后再进行尾气检测，如果污染物浓度达到排放要求则直接排放，如果未达排放要求，则将尾气再送入线路b中再净化，直到达到排放要求。
25.为了解决实时在线裂解氨燃料制氢问题，利用滑动电弧等离子体或者其他等离子
体对氨燃料进行快速重整，等离子体放电产生的高能电子能够打破氨分子的化学键，使其分解为原子态的氢原子和氮原子，两个氢原子结合产生氢气。为了解决氨燃料燃烧不充分问题，采用电火花等离子体对燃烧室燃料进行点火，电火花放电电极上加载的电压在空载时可达两万伏特以上，即使燃烧室内的气压达到了十个大气压，也可以稳定地产生电火花等离子体，采用微波等离子体对燃料燃烧进行助燃，对电火花等离子体产生的种子电子和离子可进一步地吸收微波，碰撞、激发、电离产生更多的自由电子和离子，进而产生微波等离子体。
26.本发明具有以下有益效果：
27.1、本发明通过在氨燃料的进料管道内引入滑动电弧等离子体的方式，对氨燃料进行快速重整，并且可以通过调节等离子体放电功率可以精确调节氨气/氢气的比例以使得氨/氢混合燃料能够在锅炉燃烧室内稳定地燃烧。
28.2、本发明通过在燃烧室内安装等离子体点火器和等离子体助燃器，实现氨/氢混合物稳定地点火与助燃，有效地提升燃料燃烧效率和燃烧充分度。
29.3、本发明通过等离子体改变锅炉的工作气体成分和在锅炉内产生等离子体，将会有效提高氨燃料锅炉的稳定性。
30.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为一种基于熔盐储能的等离子体实时裂解氨燃料的氨锅炉的系统示意图；
33.图2为磁环增强旋转电弧式等离子体发生器结构示意图；
34.图3为磁环增强旋转电弧式等离子体电源原理示意图；
35.图4为分离式等离子体点火器与助燃器结构示意图；
36.图5为集成式等离子体点火器与助燃器结构示意图；
37.图6为氨燃料锅炉的供电系统示意图；
38.图7为氨锅炉尾气处理工艺流程图；
39.图8为利用氨锅炉燃烧后的余热产生的高温蒸汽熔盐储能系统示意图
具体实施方式
40.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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例一
42.请参阅图1
‑
7所示，本发明为一种基于熔盐储能的等离子体实时裂解氨燃料的氨锅炉。其中氨分解箱包含有等离子体发生器、温度传感器、气压力传感器和氢组分传感器；
等离子体点火器包括电火花等离子体发生器；等离子体助燃器包括微波等离子体发生器；等离子体点火器和等离子体助燃器安装在氨锅炉的燃烧室内。
43.氨燃料源在与空气源混合燃烧之前，经过氨分解箱实时在线对氨燃料源加热和分解；液态氨燃料汽化后或者氨气燃料以气态形式进入氨分解箱即时在线部分分解为氨气和氢气的混合气体；氨气的分解速率由等离子体发生器输入功率、分解温度和催化剂控制；氨分解箱的等离子体输入功率由控制系统控制。
44.控制系统，实时控制系统控制的信号包括：气压力传感器的压力信号、氨燃料裂解箱氢组分传感器信号、进气温度传感器的温度信号、氨锅炉出口蒸汽压力信号。
45.如图3所示，控制系统的控制步骤如下：
46.ss01燃料分解设定步骤：在控制系统的设定单元中根据氨分解箱中氢组分传感器信号，或者预先设定的氨燃料氢气比例设定等离子体射频功率；
47.ss02锅炉燃烧室微波功率优化步骤：在氨锅炉燃烧时，控制系统根据所设定的燃料组分以及进气压力传感器、进气温度传感器、蒸汽出口压力的数值来控制微波等离子体输入功率。
48.实施例二
49.如图2所示，等离子体发生器采用为滑动电弧式等离子体发生器，该滑动电弧等离子体发生器总体结构采用同轴结构；
50.氨分解箱中的滑动电弧等离子体发生器包括高压电极、旋气环、地电极和喷嘴；高压电极为棒状结构，地电极为渐缩管状结构，喷嘴采用圆锥状结构；高压电极、地电极和喷嘴三者在空间上采用同轴方式固定；高压电极、喷嘴分别与地电极固定连接。并且在喷嘴上设有收缩装置。
51.滑动电弧等离子体电源的原理框图如图3所示，滑动电弧等离子体电源的供电由市电或者发电机提供，电源包括有整流电路、滤波电路、逆变电路和谐振电路，谐振电路的输出端连接到滑动电弧等离子体发生器的高压电极和地电极。
52.电火花等离子体发生器和微波等离子体发生器既可以独立分布于锅炉燃烧室内，即分离式点火塞，也可以集成在一起，即集成式点火塞，分别如图4和图5所示，电火花等离子体发生器采用针板状的电晕放电结构，微波等离子体发生器采用环状天线结构。
53.锅炉的供电系统来源于市电或者发电机，给四个子系统或部件供电，如图6所示，分别是等离子体点火器的点火塞、等离子体助燃器的助燃塞、滑动电弧等离子体发生器和负载。
54.等离子体发生器在等离子体放电区域放置氨分解催化剂。氨分解催化剂包括ru、rh、ni、co、ir、fe、pt、cr、pd中的一种或两种或两种以上。
55.实施例三
56.氨锅炉的尾气处理工艺流程如图7所示，氨锅炉产生的尾气首先通入氨水中去除酸性气体co2和no2，随后经过配置有检测no
x
浓度的no
x
传感器和nh3浓度的nh3传感器，如果氨的浓度较高，则将尾气导入线路a中通过选择性催化还原催化剂(含有fe离子且主要成分为si、o、al的沸石或钒催化剂等)净化no
x
，处理后的含有较高浓度nh3的尾气导入氨锅炉进行再利用，部分经过净化的nh3通入氨水中保持氨水浓度处于吸收酸性气体的最佳值；如果氨的浓度较低，则进入配置有适宜催化剂的线路b中通过nh3+no
x
→
n2+h2o反应进行nh3和no
x
净化，随后处理净化co可利用高温水煤气变换(350
‑
550℃，fe
‑
cr
‑
o催化剂)、低温水煤气变换(200
‑
300℃，cu
‑
zn
‑
al
‑
o催化剂)和选择氧化(pt催化剂)，也可自己开发催化剂，处理后再进行尾气检测，如果污染物浓度达到排放要求则直接排放，如果未达排放要求，则将尾气再送入线路b中再净化，直到达到排放要求。该步统称为尾气处理装置。
57.实施例四
58.等离子体发生器采用阵列式等离子体发生器。等离子体发生器在等离子体放电区域放置氨分解催化剂。氨分解催化剂包括ru、rh、ni、co、ir、fe、pt、cr、pd中的一种或两种或两种以上。
59.实施例五
60.基于实施例一至实施例四中，空气源在入气口还设有用于提高空气和燃料混合比例的空压机，通过空压机增加压力的方式来提高空气和燃料混合比例。
61.实施例六
62.基于实施例一至实施例五中，氨锅炉燃烧后的余热连接到储热设备或发电设备中，该储热设备可以选用现有的熔盐储热，通过将氨锅炉燃烧后的余热加热熔盐存储热量，存储的热量可以用于发电或供热。
63.如图8所示,一种利用氨锅炉燃烧后的余热产生的高温蒸汽熔盐储能系统，主要由冷熔盐储罐1、低温熔盐泵2、热熔盐储罐3、高温熔盐泵4、第一换热器5、第二换热器6、蒸汽汽包7、第三换热器8和第四换热器9组成，所述氨锅炉燃烧后的余热与冷熔盐储罐1中的熔盐通过热传导的方式进行加热熔盐，在冷熔盐储罐1的周侧贯穿有若干管道，管道一端通入氨锅炉燃烧后的余热，管道另一端汇聚成尾气。
64.低温熔盐泵2和高温熔盐泵4分别安装于冷熔盐储罐1和热熔盐储罐3顶部；第一换热器5与低温熔盐泵2和热熔盐储罐3相连形成一条熔盐流动通道，且第一换热器设置有外部高温蒸汽进口al和出口a2；第二换热器6、第三换热器8、第四换热器9依次串联并与高温熔盐泵4、冷熔盐储罐1相连也构成一条熔盐流动通道；第四换热器9、第三换热器8、蒸汽汽包7和第二换热器6形成一条水/蒸汽流动通道，且第四换热器9上设置有外部过冷水入口bl,第二换热器6上设置有高温蒸汽出口b2。
65.主要包括储热和放热两种工作模式。储热时,通过低温熔盐泵2将冷熔盐储罐1中的250℃低温熔盐输送至第一换热器5,470℃、50bar的高温高压蒸汽从al口流入对低温熔盐进行加热，得到的450℃高温熔盐流入热熔盐储罐3中进行存储，同时高温高压蒸汽被冷却为260℃、50bar的冷凝水,该冷凝水可作为热电厂锅炉给水回收利用。放热时，高温熔盐泵4将高温熔盐储罐3中的450℃高温熔盐依次输送至第二换热器6、第三换热器8和第四换热器9,实现高温熔盐与蒸汽/水的换热,放热后得到的250℃低温熔盐流入冷熔盐储罐1中储存；熔盐放热过程中，200℃、50bar的过冷水从bl口依次流入第四换热器9、第三换热器8、蒸汽汽包7和第二换热器6,分别经过预热、蒸发和过热三个过程最终变为440℃、50bar蒸汽从第二换热器6的b2口流出，并被输送到热电厂汽轮机发电系统进行热电联供。
66.实施例七
67.基于实施例一至实施例五中，氨锅炉燃烧后的余热连接到储热设备或发电设备中，该储热设备可以选用现有的蒸汽发电机，通过将氨锅炉燃烧后的余热加热水蒸汽推动汽轮机发电，锅炉的供电系统来源于市电或者发电机，给四个子系统或部件供电，如图6所
示，分别是等离子体点火器的点火塞、等离子体助燃器的助燃塞、滑动电弧等离子体发生器和负载；余热可以用于供热。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
69.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选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。显然，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。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。