一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低NOx氨气燃烧器

本发明属于氨气燃烧设备，具体是一种采用dbd（介质阻挡放电等离子体）与空气分级相结合的氨气低nox旋流燃烧器。

背景技术：

1、氨气是无碳载氢燃料，直接燃烧无二氧化碳排放，且其极易液化，生产、运输系统比较完善，有望成为一种新型的绿色燃料，其对于二氧化碳减排具有极其重要的作用与意义。但是在目前的技术背景下，氨气燃烧存在燃烧不稳定，火焰传播速度慢，点火困难、存在高nox排放风险的问题，其限制了氨气作为燃料的推广。

2、介质阻挡放电等离子体是一种低温等离子体，表观温度较低，其具有强动力学效应、弱温度效应的特点，其在助燃方面有相当应用，并且在nox减排方面也存在潜在效应。

3、空气分级燃烧是一种常见的低nox燃烧技术，空气分级通入使燃烧总体呈现富-贫分级燃烧的特点。其作为一种碳氢燃料中常见的低nox燃烧技术，也可以有效应用在氨气燃烧中。

4、目前针对氨气燃烧火焰稳定性差、nox排放浓度高的问题，要求氨燃烧器能够较好地保证氨气燃烧稳定性，并能够使氨气燃烧nox排放浓度降低到较低水平。

技术实现思路

1、本发明针对氨气燃烧稳定性差、高浓度nox排放的缺点，提供了一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，通过介质阻挡放电提升氨气燃烧稳定性，并采用空气分级和介质阻挡放电共同作用克服氨气燃烧nox排放浓度过高的问题。其中介质阻挡放电采用氨气燃料单独放电的形式，比起氨/空气混合气共同电离，既可以避免小部分的氨气燃料在电离过程中提前反应生成水的可能性，又在一定程度上降低能耗。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其采用介质阻挡放电与空气分级相耦合的模式，并且采用介质阻挡放电装置与旋流燃烧器相分离的结构设计，介质阻挡放电装置采用同轴圆结构，平行固定于旋流燃烧器外侧。其中介质阻挡放电采用氨气燃料单独放电的模式。

4、作为进一步的技术方案，所述介质阻挡放电模块采用同轴圆放电结构，其包括放电进气弯管、低压电极、绝缘介质层、高压电极、中心钝体、放电出气弯管；放电出气弯管和放电进气弯管分别与绝缘介质层圆管上下面配合连接，放电区域整体呈现同轴圆式结构，由里向外分别为低压电极、绝缘介质层、高压电极，低压电极设置在绝缘介质层圆管的中心处，高压电极贴紧设置在绝缘介质层外侧，放电工作气体为氨气。

5、作为进一步的技术方案，所述介质阻挡放电模块，外侧高压电极为紫铜网，绝缘介质层为石英玻璃，其余部分均为耐高温不锈钢合金。

6、作为进一步的技术方案，所述介质阻挡放电模块，绝缘介质层厚度为1mm，放电间隙为1-8mm。

7、作为进一步的技术方案，所述介质阻挡放电模块，放电进气弯管与放电出气弯管内侧均设置有凸台，以固定绝缘介质层。

8、作为进一步的技术方案，所述介质阻挡放电模块，中心低压电极在放电出口处有一中心钝体，该中心钝体对于放电氨气起到拖拽作用，一定程度上降低气体流速，强化了等离子体放电作用，更好稳定地产生nh2、nh、n、h等活性自由基，提升火焰稳定性，降低燃烧nox浓度。

9、作为进一步的技术方案，所述空气分级燃烧模块以旋流燃烧器为主体，包括一次空气进气口、二次空气进气口、混合气体通道、二次空气通道、主旋流器、次旋流器、一级燃烧区、二级燃烧区，各部分均采用耐高温不锈钢合金材料，整体呈现空气分级燃烧的特点；所述旋流燃烧器的内部为混合气体通道，旋流燃烧器的外侧为二次空气通道，一次空气进气口设置在旋流燃烧器的底部，并与混合气体通道相连通，二次空气进气口设置在旋流燃烧器的外侧部并与二次空气通道相连通，在混合气体通道的上部依次设置有主旋转器、一次燃烧区、次旋转器和二次燃烧区，二次空气通道的上端与次旋转器连通，所述介电阻挡放电模块的放电出气弯管设置于旋流燃烧器侧部，并与混合气体通道相连接。

10、作为进一步的技术方案，所述空气分级燃烧模块，主旋流器、次旋流器均采用叶片式结构，叶片数量为8-12片，叶片厚度为0.4-1mm，旋流角度为45度。

11、作为进一步的技术方案，所述空气分级燃烧模块，混合气体通道出气口内侧设置有凸台，并与旋流器采用过盈配合，以固定主旋流器。

12、作为进一步的技术方案，所述空气分级燃烧模块，空气通路分为两路，一路通入中心混合气体通道，另一路通入外侧二次空气通道。

13、综上，本发明的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，所述燃烧器由介质阻挡放电模块与空气分级燃烧模块组成，所述介质阻挡放电模块由高压电极、低压电极、绝缘介质层、进气与出气弯管组成，其采用同轴圆结构，氨气燃料在此区域内被电离，产生大量活性自由基等，具有较强动力学效应；所述空气分级燃烧模块由一次空气进气口、二次空气进气口、混合气体通道、二次空气通道、主旋流器、次旋流器、一级燃烧区、二级燃烧区组成。放电氨气燃料与一次空气在混合气体通道内混合，其当量比控制在1.1-1.2之间，通过主旋流器后产生旋流运动，在微富燃的状态下受到介质阻挡放电的强动力学效应、弱温度效应的综合作用，在主燃烧区（即一次燃烧区）内保证火焰稳定性的同时大大降低nox的排放浓度；二次空气通过外侧二次空气通道，在经过次旋流器后产生旋流运动，在二次燃烧区内与少量未燃氨气混合燃烧，保证燃料的完全利用。

14、本发明燃烧器通过介质阻挡放电与空气分级相耦合，并同时采用氨气燃料单独电离的方式，提高氨气燃烧稳定性，实现氨气燃烧的低nox排放，改善氨气燃烧缺陷，降低装置能耗。此设计有望推广氨气这一无碳燃料。

技术特征：

1.一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述低nox氨气燃烧器主体分为介质阻挡放电模块与空气分级燃烧模块，所述介质阻挡放电模块平行固定于空气分级燃烧模块外侧，介质阻挡放电模块用于提升氨气燃烧的稳定性，空气分级燃烧模块和介质阻挡放电模块共同作用于降低nox的排放浓度。

2.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述介质阻挡放电模块采用同轴圆放电结构，其包括放电进气弯管、低压电极、绝缘介质层、高压电极、中心钝体、放电出气弯管；放电出气弯管、放电进气弯管与绝缘介质层圆管上下面配合，放电区域整体呈现同轴圆式结构，由里向外分别为低压电极、绝缘介质层、高压电极，低压电极设置在绝缘介质层圆管的中心处，高压电极贴紧设置在绝缘介质层外侧，放电工作气体为氨气。

3.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述介质阻挡放电模块中放电进气弯管与放电出气弯管内部均设有凸台，以固定绝缘介质层，并且配合处采用密封措施；所述介质阻挡放电模块中放电出气弯管附近设有一中心钝体，中心钝体被固定于低压电极上。

4.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述介质阻挡放电模块中绝缘介质层材料采用石英玻璃，高压电极采用紫铜网紧贴绝缘介质层外侧，其余部分材料均采用耐高温不锈钢合金。

5.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述介质阻挡放电模块放电气隙宽度在1~8mm之间，绝缘介质层厚度为1mm。

6.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述空气分级燃烧模块以旋流燃烧器为主体，包括一次空气进气口、二次空气进气口、混合气体通道、二次空气通道、主旋流器、次旋流器、一次燃烧区、二次燃烧区组成，各部分均采用耐高温不锈钢合金材料，整体呈现空气分级燃烧的特点；所述旋流燃烧器的内部为混合气体通道，旋流燃烧器的外侧为二次空气通道，一次空气进气口设置在旋流燃烧器的底部，并与混合气体通道相连通，二次空气进气口设置在旋流燃烧器的外侧部并与二次空气通道相连通，在混合气体通道的上部依次设置有主旋转器、一次燃烧区、次旋转器和二次燃烧区，二次空气通道的上端与次旋转器连通，所述介质阻挡放电模块的放电出气弯管设置在旋流燃烧器侧部，其与混合气体通道相连通。

7.根据权利要求6所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述空气分级燃烧模块一次燃烧区当量比控制在1.1~1.2之间，保证nox与未燃nh3的低浓度，并在介质阻挡放电等离子体作用下使nox再次下降。

8.根据权利要求7所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述空气分级燃烧模块的主旋流器、次旋流器均采用叶片式，叶片数量为8~12片，叶片厚度为0.4~1mm，旋流角度为45度，主旋流器、次旋流器拥有较高旋流数，能较好地产生旋流运动。

9.根据权利要求7所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述混合气体通道内出口处设有凸台，采用过盈配合，以固定主旋流器，稳定地产生旋流运动。

10.根据权利要求7所述的一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低nox氨气燃烧器，其特征在于，所述介质阻挡放电模块采用氨气燃料单独放电的模式，氨气从放电进气弯管进入，在介质阻挡放电区域内被电离，产生大量nh2、nh、n、h活性自由基以及各类电子、离子、激发态，随后从放电出气弯管处进入混合气体通道；在空气分级燃烧模块中，一次空气从旋流燃烧器底部的一次空气进气口进入，并在混合气体通道内与放电氨气一起预混，在通过主旋流器后，在一级燃烧区内被点燃；二次空气通过外侧二次空气进气口进入二次空气通道内，并通过次旋流器产生旋流运动，与未燃的氨气在二级燃烧区内燃烧。

技术总结
本发明公开了一种介质阻挡放电与空气分级相耦合的低NOx氨气燃烧器，主要包括介质阻挡放电模块和空气分级燃烧模块。氨气燃料在通过介质阻挡放电后产生大量活性自由基以及各类激发态、电子、离子，其与混合气体通道内的一次空气充分混合后在一次燃烧区内被点燃；二次空气通过外层二次空气通道进入，在通过次旋流器后进入二次燃烧区，与剩余未燃氨气进行燃烧反应。一次燃烧区当量比控制在1.1~1.2之间。该装置采用空气分级与介质阻挡放电结合的方式，从当量比以及介质阻挡放电等离子体角度降低了氨气燃烧的NOx排放浓度，提高燃烧稳定性，并采用氨气燃料单独放电的形式，总体上具有能耗较低，NOx减排明显，结构简单的优点。

技术研发人员：邓凯,何艾迪,刘镇宇,杨韬,梁耀鑫,亢威威
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15