一种氨气低氮浸没燃烧设备及方法与流程

本发明属于热能工程，具体涉及一种氨气低氮浸没燃烧设备及方法。

背景技术：

1、随着温室效应对环境影响的日益严重，工业生产中对可实现节能、减排及降碳技术的需求也愈发迫切，而采用新型环保燃料取代传统的化石原料是其中一项重要措施。氨能被公认为氢能的2.0版本，不仅在环保属性及高热值方面继承了氢能的优异特质；而在能源的储运方面，氨气在-33℃或常温下7~8个大气压下即可液化，突破了氢能源难以储运的难点，因此氨能被认为是当下最具应用潜力的新型能源。

2、而在燃烧技术方面，浸没燃烧技术由于具有极高的燃烧效率而被广泛关注，而且在lng气化及“三废”处理领域已经形成了一些典型的应用。如专利cn 108178214 a公开了一种有机废液的二段式浸没燃烧蒸发一体化处理方式，该专利将蒸发罐分为两个蒸发室，进而实现二段式分级浸没燃烧蒸发。使用该方法可以提升蒸发浓缩效率，节约能源，简化设备及处理流程。

3、然而，浸没燃烧技术虽然燃烧效率较高，产生的烟气温度也较低，但是同时导致对低温烟气中氮氧化物的脱除难度较高，即使采用脱硝催化剂辅助脱除nox仍无法满足温度要求。如专利cn112963857a公布了一种超低nox排放浸没燃烧式气化系统及尾气脱硝余热回收工艺，该专利含有热风炉，通过热风炉内设置的燃烧器产生烟气脱硝所需的热量，烟气脱硝后与水池中液流换热最终排出。该设备虽然可以实现烟气脱硝，但设备比较复杂，维护难度较高。且当浸没燃烧器采用氮气作为燃料时，由于烟气中的nox浓度较高，因此烟气脱硝将消耗更多的额外能量。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种氨气低氮浸没燃烧设备及燃烧方法。

2、根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种氨气低氮浸没燃烧设备。

3、本发明的氨气低氮浸没燃烧设备包括加热池、氨气燃烧器、烟道和换热管束；所述加热池内填充液体，所述的烟道、换热管束浸没于液面以下；

4、其特征在于，所述燃烧设备还包括氨气再生罐，所述氨气再生罐的中下部位于加热池内液面以下，上端伸出加热池顶；所述氨气再生罐内设有两个喷淋设施，上端的喷淋设施ⅰ用于在加热池液面高于喷淋设施ⅰ液体入口时将液体引入并喷淋至氨气再生罐内，下端的喷淋设施ⅱ与曝气混合液泵出液口相连；

5、所述氨气再生罐底端位于于烟道尾端，并利用烟气余热加热氨气再生罐罐底液体，实现气液分离。

6、进一步，所述氨气再生罐上端设有气体引射装置，用于将氨气再生罐顶端再生气体引射带出。所述气体引射装置可以采用本领域的常规结构。一种典型的引射装置包括喷嘴及引射喉管，所述喷嘴出口伸入引射喉管内部。引射器喷嘴入口与助燃风入口相连，引射喉管出口通向增压风机，经增压机加压后通入氨气燃烧器助燃风入口。

7、进一步，所述氨气再生罐底端设有排水口并与液泵连接，用于将氨气再生罐底端液体排出并引回加热池或排放。

8、所述氨气燃烧器以氨气为燃料，并在贫氧工况下燃烧。所述氨气燃烧器下游出口连通烟道，所述烟道的烟道壁上设置烟气分布器，用于将燃烧后气体排入加热池液体内。

9、进一步，所述氨气燃烧器可以采用本领域的常规顶烧式燃烧器。本发明中推荐采用顶烧引射扩散燃烧形式。所述的氨气燃烧器主体分为内外两层，外层为燃烧器外壳体，内层套有燃烧器喷嘴；燃烧器外壳体顶端与燃料氨气管线相连接（连通）。所述的燃烧器喷嘴具有内外两层结构，内层围绕垂直轴线设有蓄热催化裂解体，蓄热催化体从顶端入口至中段为逐渐收缩的倒置圆台结构，从中段至底端出口为圆柱体结构，所述蓄热催化裂解体内由陶瓷蓄热球及氨气裂解催化剂均匀混合填充，外围由透气性较好的金属纤维网包裹。燃烧器喷嘴内围绕内层蓄热催化裂解体设有外层结构，喷嘴外层侧面设有助燃风入口，并与助燃风管线相连通。喷嘴外层上半部分为通径的圆柱形结构，从中部至底端出口逐渐缩径，这样的设计可以加速助燃风射出速度，增强对内部燃气的引射强度。

10、进一步，所述燃烧器的外壳体内侧与燃烧器喷嘴外侧之间留有烟气回流通道，用于使高温烟气回流至燃烧器喷嘴加热蓄热催化裂解体，使氨气裂解催化剂保持活性。

11、进一步，所述燃烧设备还设有曝气混合液泵，用于充分混合吸收气相中的氨气。所述曝气混合液泵的气相入口位于曝气混合液泵的空心传动轴外端，与加热池上部的排烟管连通；所述混合液泵的液体进口位于曝气混合液泵混合腔的侧壁，与加热池侧壁的出液管连通；所述混合液泵的混合液出口与氨气再生罐下部的进液口相连通。

12、进一步，所述曝气混合液泵可以采用本领域的常规两相流液泵，也可以采用本发明中推荐的液泵。本发明中推荐的曝气混合液泵包括：壳体、电机、传动轴、凸轮圆盘、伸缩杆及弹簧单向阀。所述电机位于曝气混和液泵壳体外侧，用于为曝气混和液泵提供动力。电机通过传动轴固定连接位于曝气混合液泵壳体内部的凸轮圆盘，凸轮圆盘与伸缩杆非固定接触，且凸轮圆盘与伸缩杆接触一侧为凸面，随着凸轮圆盘的转动凹凸面推动或拉回伸缩杆进行往复活塞运动。

13、进一步，所述曝气混合液泵壳体内下游位置设有分区阻隔体，分区阻隔体上游（左侧）为曝气混合区，下游（右侧）为出液区。所述分区阻隔体中心开有圆柱型凹槽用于固定传动轴，分区阻隔体对应伸缩杆的位置留有若干通道用于固定伸缩杆并与伸缩杆内部的空心结构共同构成密闭腔体用以将溶液排出。伸缩杆的一端与凸轮圆盘非固定接触，另一端连接弹簧单向阀；弹簧单向阀出液口各设置一个反向的弹簧单向阀用于液体止回。

14、进一步，所述伸缩杆中段设有进液口，右侧为中间窄两端宽的空心结构，当电机带动凸轮圆盘转动时，伸缩杆将由凸轮圆盘推动进行往复伸缩运动，当伸缩杆伸入时，伸缩杆内部的弹簧单向阀将进液口密封，出液口处的弹簧单向阀开启，伸缩杆内部空腔容纳的溶液由出液口排出；当伸缩杆回缩时，出液口外设置的弹簧单向阀闭合阻止出液区的溶液回流，伸缩杆内部的弹簧单向阀则开启，伸缩杆空腔开始补充吸入曝气混合区的溶液。伸缩杆的数量为两个以上，并在凸轮圆盘圆周方向均匀分布。

15、进一步，传动轴为空心结构，且传动轴在曝气混和液泵内半段开有通孔，用于将气体曝入曝气混和液泵内腔中实现气液混合。

16、进一步，所述曝气混和液泵右侧出液区下端设有液体输出端口，输出端口通过混合液输出管线与氨气再生罐联通。进一步，所述曝气混和液泵上端设备有泄压口，用于不溶气体排出。

17、进一步，所述加热池为封闭结构，即加热池的上端设置上盖，烟气仅由加热池侧壁的烟气出口排出，顶端无烟气逃逸。

18、进一步，所述换热管束的入口和出口分别为lng（液化天然气）进口和ng（天然气）出口。

19、进一步，所述lng冷流入口端贴近加热池右侧出液口，用于降低由加热池出液口输出液的温度，进而提升曝气混和液泵内液体对氨气的吸收能力。

20、根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种氨气低氮浸没燃烧方法，其中应用了上述的氨气低氮浸没燃烧设备。

21、具体的，所述的一种氨气低氮浸没燃烧方法，包括如下内容：

22、（1）氨气燃烧器在贫氧状态下持续燃烧，燃烧产生的高温烟气在扩口段形成回流区，部分高温烟气经烟气回流通道流入蓄热催化裂解体，加热内部填塞的蓄热体并使氨气裂解催化剂始终保持活性，氨气裂解催化剂将部分通过的氨气裂解为氮气与氢气，使燃烧得以稳定进行；

23、（2）步骤（1）燃烧产生的高温烟气经烟道后由烟气分布器排入加热池内，大部分烟气的热量经由加热池内液体传导到换热管束并加热换热管束内的物质；小部分热量传导到烟道末端并加热氨气再生罐底部液体；

24、（3）过量的未燃氨气一部分在高温烟道流动过程中将燃烧产生的nox还原为n2，另外未反应的氨一部分溶于加热池内的水中，另一部分以气相形式存在于在加热池的上端；而燃烧产生的水完全转为液态混入加热池的水中，而氮气则与氨气存在于加热池上端的气体域中；

25、（4）加热池内的液体与气体分别通过出液管与排烟管输入曝气混和液泵内，并在内部充分混合，而不溶于水的氮气则通过上端的泄压口排出；充分混合后的氨溶液通过混合液输出管线通入氨气再生罐中；

26、（5）分别来自加热池与曝气混和液泵的氨溶液通过氨气再生罐的侧线入口注入氨气再生罐内，氨溶液在氨气再生罐底部经加热后使氨的溶解度降低并使氨气分离再生，再生的氨气由氨气再生罐顶端的引射器被助燃风气流抽吸，并随助燃风气流返回燃烧器重复燃烧。

27、进一步，所述氨气燃烧器的当量比为1.05~1.2。

28、进一步，所述水池中传热液体液面处的温度优选为25~35℃。

29、进一步，所述氨气再生罐内液体温度为75~95℃，优选为80~85℃。

30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

31、1、本发明的氨气低氮浸没燃烧设备及方法中，氨气在贫氧工况燃烧产生的nox在烟气从烟道通向烟气分布器的过程中可以被过量的燃料氨还原，从而实现高效低氮燃烧，简化了传统燃烧系统必备的脱硝设备。

32、2、本发明的氨气低氮浸没燃烧设备，通过在燃烧器内设置烟气回流结构，利用浸没式燃烧器高背压的特点实现了高效的烟气内回流作用；并通过在燃料通道内设置蓄热催化裂解体，将部分燃料氨气裂解形成氢气，可以改善燃气的燃烧效果，提升了燃料的燃烧速度并拓宽了可燃极限，解决了氨气燃烧稳定性不足的问题。

33、3、本发明的氨气低氮浸没燃烧设备，以氨气为燃料，充分利用浸没燃烧的特殊形式并辅以曝气混合器，既实现了过量氨气的循环利用，最大限度避免氨逃逸现象的产生，整体燃烧取热过程安全可靠、设备及操作简单，能源利用率较高、节能效果明显等特点。

34、4、本发明的氨气低氮浸没燃烧设备，充分利用lng的冷能与烟气余热的热能，配合曝气混和液泵与氨气再生罐实现了过量氨气的循环利用，抑制了氨逃逸现象的发生。

35、5、本发明中优选采用特殊结构的曝气混合液泵。通过分区阻隔体将混合腔分为曝气混和区与出液区并通过伸缩杆内部的空腔实现周期性连通。曝气混和区内的溶液含氨浓度较低，而出液区排出的溶液含氨浓度较高，提升排出液的氨浓度将有助于减少液泵排液量并降低驱动电机运行功率；此外，较高的氨浓度也利于提升氨气再生罐中氨气的分离效率。