一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统和方法

1.本发明属于氨分解产氢燃烧技术领域，具体涉及一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统和方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.氢气作为一种高反应特性燃料，被认为是未来最重要的绿色清洁能源之一。h2燃烧速率快，热释放速率高，燃烧产物仅为h2o，无co2排放。开发以氢为燃料的新型燃烧技术和装备，已成为缓解全球温室效应以及能源紧缺的突破口。由于氢较高的扩散特性以及较高的反应活性，在其运输、存储以及燃烧过程存在易泄漏、易爆炸和回火等一系列的安全问题，这也是研发氢燃料利用技术的关键瓶颈。
4.氨分子中含有三个氢原子，单位质量氨含氢17.6％。氨的能量密度达到13.6gj/m3，是氢的3倍之多，而具体能量成本仅为13.3$/gj，仅是氢的三分之一。氨能量密度大、易液化、便于存储及携带，是一种优质的h2能源载体。此外，nh3燃烧的理想产物为n2和h2o，燃烧过程无co2排放。利用nh3作为燃料也是目前降低碳排放的途径之一。氨利用过程中无co2排放，且国内成熟的氨生产工艺为氨燃料的来源提供保证，若生产过程中实现无co2排放，如利用风能、太阳能等新能源合成氨，则氨的整个生命周期链就能实现co2零排放。但是氨气作为一种燃料，其可燃范围窄，火焰传播速度低，实际在空气中进行燃烧时会产生较多的氮氧化物，对空气产生污染。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统和方法。
6.为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
7.第一方面，一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统，包括氨气分解装置、空气源、燃烧装置，燃烧装置包括第一燃烧区、第二燃烧区，氨气分解装置内部设置除氮气装置，氨气分解装置的分解气出口分别与第一燃烧区、第二燃烧区的气体入口连接，空气源分别与第一燃烧区、第二燃烧区的气体入口连接，另有未进入氨气分解装置的部分新鲜氨气与第二燃烧区的尾部连接，第一燃烧区为富燃区，第二燃烧区为贫燃区。
8.提供了一种氨气作为氢气载体，氨气分解气作为燃烧气体，空气作为供氧体的低氮燃烧系统。通过氨载氢解决了氢气的运输问题，通过调节氨分解制氢和配风解决了提高燃烧热释放速率和燃烧稳定性的问题，通过燃烧初期欠氧和燃烧后期氨还原解决了降低氮氧化物排放的问题。
9.在本发明的一些实施方式中，第一燃烧区的内部设置燃烧器与燃气喷嘴。
10.在本发明的一些实施方式中，第二燃烧区设置二次风进口和氨气进口，氨气进口与氨气分解装置的出口连接。
11.在本发明的一些实施方式中，还包括换热器，氨气分解装置设置换热夹套，燃烧装置的烟气出口分别与换热器、氨气分解装置的换热夹套连接。
12.在本发明的一些实施方式中，还包括供氨气装置，供氨气装置与换热装置连接，换热装置与氨气分解装置连接。
13.第二方面，利用上述的基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
14.部分氨气分解气与空气组成一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气仅为氢气和氨气的混合气；
15.剩余氨气分解气与空气组成二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
16.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，第二燃烧区的氨气进口位于燃烧室后段，最后得到烟气。
17.未分解的氨气是指未进入氨气分解装置的氨气。未分解氨气的通入量与第二燃烧区内的氮氧化物的含量有关。
18.燃烧装置设置两个燃烧区，分别为第一燃烧区和第二燃烧区，第一燃烧区采用富燃，第二燃烧区采用贫燃，第一燃烧区产生的气体进入第二燃烧区进行进一步燃烧，同时第二燃烧区给入燃料和过量空气进行燃烧，使燃料完全燃烧，整体的燃烧效果更好，提高燃烧的热释放量和热释放速率。
19.在本发明的一些实施方式中，氨气分解后的氨气分解气分别通入第一燃烧区和第二燃烧区，第一燃烧区和第二燃烧区通入的氨气分解气的比例为3
‑
5:1；优选为4:1。通入第一燃烧区和第二燃烧区的氨气分解气的总量是一定的，其中通入第一燃烧区和第二燃烧区的体积流量比不同。
20.在本发明的一些实施方式中，第一燃烧区的过量空气系数为0.5
‑
1，优选为0.8
‑
1。过量空气系数为实际供应的空气量比上燃料完全燃烧所需的理论空气量。提供的氧气与完全燃烧所需的氧气量比。
21.在本发明的一些实施方式中，氨气分解气中氨气的分解比例为0.2
‑
0.8；优选为0.4
‑
0.5。分解的氨气与总的氨气的体积流量比。
22.在本发明的一些实施方式中，第二燃烧区的过量空气系数为2
‑
2.8。
23.第一燃烧区和第二燃烧区分别为富燃和贫燃，通过上述参数的调整，进行调整富燃和贫燃的燃烧热释放速率，以及尾部烟气nox排放量，使整体的燃烧热释放速率、燃烧稳定性(火焰脉动的情况更好)以及nox排放最低最优。
24.未分解的氨气为未进入氨气分解装置的氨气。
25.通过调节通过氨气分解室的氨气分解量，即氨气分解气中的h2含量，调控第一燃烧区的富燃程度和第二燃烧区的贫燃程度，以及第二燃烧区的新鲜氨气喷入量，保证燃烧的稳定性和热释放速率，同时减少氮氧化物的排放。
26.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
27.提供了一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧的系统和方法，利用氨分解气为燃料，空气提供氧气，进入燃烧装置中进行燃烧，进而提供能量；通过燃烧方法的控制和装置结构的
设计，使燃烧的热释放速率达到高点，充分利用燃烧调控手段，减少氮氧化物的生成，且利用初始燃料对烟气已生成的氮氧化物进行还原，保证较低的氮氧化物排放。
28.利用氨气作为氢气的载体，有利于氢能的运输和存储，空气污染少，成本较低。
29.利用氢气的强燃烧特性，改善氨气的可燃范围窄，火焰传播速度低等不足，提高燃烧过程的稳定性。
附图说明
30.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，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。
31.图1为基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统的结构图；
32.其中，1
‑
供氨气装置；2
‑
流量控制阀；3
‑
换热器；4
‑
氨气分解装置；5
‑
空气泵；6
‑
燃烧装置；7
‑
燃烧器；8二次风进口；9
‑
新鲜氨气喷嘴；第一燃烧区a
‑
b
‑
c
‑
d；第二燃烧区b
‑
e
‑
f
‑
c。
具体实施方式
33.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统，包括氨气分解装置、空气源、燃烧装置，燃烧装置包括第一燃烧区、第二燃烧区，氨气分解装置内部设置除氮气装置，氨气分解装置的分解气出口分别与第一燃烧区、第二燃烧区的气体入口连接，空气源分别与第一燃烧区、第二燃烧区的气体入口连接，氨气分解装置的氨气入口与第二燃烧区的尾部连接，第一燃烧区为富燃区，第二燃烧区为贫燃区。
36.在本发明的一些实施方式中，第一燃烧区的内部设置燃烧器。
37.在本发明的一些实施方式中，第二燃烧区设置二次风进口和氨气进口，氨气进口与氨气分解装置的氨气入口连接。
38.在本发明的一些实施方式中，还包括换热器，氨气分解装置设置换热夹套，燃烧装置的烟气出口分别与换热器、氨气分解装置的换热夹套连接。
39.在本发明的一些实施方式中，还包括供氨气装置，供氨气装置与换热装置连接，换热装置与氨气分解装置连接。
40.氨气分解装置4，氨气在高温或催化剂的作用下，部分分解，产生h2、n2和nh3混气。氨气分解装置内部设置除氮气装置，所以氨气分解气为h2和nh3混合气。燃烧装置6提供燃烧的场所。
41.氨气分解气分别进入第一燃烧区和第二燃烧区，第一燃烧区为富燃区，第二燃烧区为贫燃区，第一燃烧区为主要燃烧区，第二燃烧区是副燃烧区，第二燃烧区是辅助第一燃
烧区的作用，第一燃烧区未燃烧完全的气体继续燃烧，同时进行新进入的氨分解气的燃烧，使燃烧更充分，同时提高热量的总释放速率。
42.空气源分别与第一燃烧区和第二燃烧区连接，新鲜空气与部分氨气分解气在第一燃烧区发生富燃料燃烧，与剩余氨气分解气在第二燃烧区进行贫燃料燃烧。氨气分解装置的氨气入口与第二燃烧区的后段连接，在第二燃烧区的尾部，通入未分解的氨气，用于还原燃烧产生的氮氧化物，主要是no。空气源可以通过空气泵5提供动力。
43.氨气分解气是氨气经过分解之后的气体，空气源中主要含有氮气和氧气，所以通入空气源燃烧，产生大量的氮氧化物。氮氧化物经过氨气的还原作用，大大减少了氮氧化物的排放。
44.第一燃烧区的内部设置燃烧器。第一燃烧区进行富燃烧。
45.第二燃烧区设置二次风进口8和氨气进口9，氨气进口9与氨气分解装置的氨气入口连接。二次风进口8为空气和氨分解气的进口，氨气进口9为未分解氨气的进口，氨气进口位于第二燃烧区的尾部，这个位置的氮氧化物的浓度最大，温度较高，氨气和较高温度的氮氧化物反应，减少氮氧化物的排放。
46.还包括换热器3，氨气分解装置4设置换热夹套，燃烧装置的烟气出口分别与换热器、氨气分解装置4的换热夹套连接。燃烧装置的烟气出口排出的烟气进入到换热器中与氨气分解装置及换热器中的氨气进行换热，提高氨气的温度，同时为氨气分解提供热量。
47.还包括供氨气装置1，供氨气装置1与换热装置连3接，换热装置3与氨气分解装置4连接。供氨气装置与换热装置、氨气分解装置4连接，提供氨气源。供氨气装置与换热装置连接的管路上可以设置流量控制阀2，方便控制流量。供氨气装置1可以为液氨罐。
48.hn3以液态形式存储于供氨气装置1中，经减压后由流量控制阀2控制流量，在换热器3中与高温烟气换热温度升高，而后进入hn3分解室，在高温或催化剂的作用下，部分分解，产生h2、n2和hn3混气。一部分hn3分解气与由空气泵泵入的空气混合(该过程也可混合传统化石燃料，如煤粉、ch4等)，形成一次风，一次风由燃烧器7射入燃烧装置6中，发生点火燃烧，燃烧器7可以是旋流结构或设置有钝体，以强化流场促进燃烧。燃烧室分两个区域，第一燃烧区a
‑
b
‑
c
‑
d，该区域内采用富燃料燃烧，空气不足，hn3燃烧不充分，第二燃烧区b
‑
e
‑
f
‑
c，该区域采用稀燃料燃烧，由hn3分解气和空气组成的二次风，由二次风喷喷嘴喷入第二燃烧区内。第一燃烧区内未燃烧的hn3与所生成的nox反应，将nox还原为n2。根据第二燃烧区内nox的还原情况，选择性的由sncr hn3喷嘴喷入燃烧室尾部，将nox排放控制在较低水平。高温烟气返回换热器3加热hn3，当hn3采用高温分解方式，部分高温烟气流经氨气分解装置4中提供热源。
49.下面结合实施例对本发明进一步说明
50.下述实施例中设定氨气的总量为100sccm。
51.实施例1
52.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
53.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
54.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
55.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到较低nox含量
的烟气。
56.氨气的分解比例为0.5，一次风与二次风氨气分解气的体积流量比为4:1，氨气分解气中氨气和氢气的体积比为2:3，第一燃烧区过量空气系数为0.8，第二燃烧区过量空气系数为2.8。
57.实施例2
58.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
59.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
60.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
61.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到烟气。
62.氨气的分解比例为0.5，一次风与二次风氨气分解气的体积流量比为4:1，氨气分解气中氨气和氢气的体积比为2:3，第一燃烧区过量空气系数为0.9，第二燃烧区过量空气系数为2.4。
63.实施例3
64.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
65.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
66.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
67.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到烟气。
68.氨气的分解比例为0.5，一次风与二次风氨气分解气的体积流量比为4:1，氨气分解气中氨气和氢气的体积比为2:3，第一燃烧区过量空气系数为1.0，第二燃烧区过量空气系数为2.0。
69.对比例1
70.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
71.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
72.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
73.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到烟气。
74.氨气的分解比例为0.5，一次风与二次风氨气分解气的体积流量比为4:1，氨气分解气中氨气和氢气的体积比为2:3，第一燃烧区过量空气系数为1.1，第二燃烧区过量空气系数为1.6。
75.对比例2
76.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
77.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
78.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
79.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到烟气。
80.氨气的分解比例为0.5，一次风与二次风氨气分解气的体积流量比为4:1，氨气分解气中氨气和氢气的体积比为2:3，第一燃烧区过量空气系数为1.2，第二燃烧区过量空气
系数为1.2。
81.对比例3
82.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
83.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
84.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
85.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到烟气。
86.氨气的分解比例为0.5，一次风与二次风氨气分解气的体积流量比为4:1，氨气分解气中氨气和氢气的体积比为2:3，第一燃烧区过量空气系数为1.3，第二燃烧区过量空气系数为0.8。
87.实施例4
88.利用基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统进行低氮燃烧的方法，具体步骤为：
89.氨气分解气与空气一次风进入第一燃烧区进行燃烧，氨气分解气为氢气和氨气的混合气；
90.剩余氨气分解气与空气二次风进入第二燃烧区进行燃烧；
91.未分解的氨气进入第二燃烧区的氨气进口进行还原反应，最后得到烟气。
92.与实施例1不同的是，氨气的分解比例为0.2。
93.实施例5
94.与实施例1不同的是，氨气的分解比例为0.4。
95.实施例6
96.与实施例1不同的是，氨气的分解比例为0.6。
97.实施例7
98.与实施例1不同的是，氨气的分解比例为0.8。
99.实施例1
‑
6的分解比例x＝0.5，一次风中燃料占总燃料的体积百分比为80％，二次风中燃料占总燃料的体积百分比为20％，在不同的空气过量系数的条件下得到的燃烧热释放速率如表1所示。实施例1和实施例7
‑
实施例10是氨气的分解比例不同，no的排放量如表2所示，下述数据在室温下测量，总氨气体积流量为100sccm(即进入氨气分解装置的总氨气)，进入第二燃烧区尾部参与还原氮氧化物的未分解氨气体积流量为5sccm。
100.表1氨气分解比例x＝0.5时平均燃烧热释放速率和no排放量
101.[0102][0103][0104]
表2第一燃烧区过量空气系数0.8第二燃烧区过量空气系数2.8时平均燃烧热释放速率和no排放量
[0105][0106]
总结：通过上述数据可以得到，在忽略误差的情况下，随着第一燃烧区过量空气系数的增加，no产量增加，第一燃烧区平均热释放速率增加，由于第二燃烧区过量空气系数相应的降低，第二燃烧区平均热释放速率降低，但整个燃烧装置的平均热释放速率增加；整体上，随着分解比例的增加，no产量增加，两个燃烧区平均热释放速率增加，但当分解比例达到0.6之后，第一燃烧区平均热释放速率稍微降低。
[0107]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。