一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统及其操作方法转让专利
申请号 : CN202010745714.0
文献号 : CN111911915B
文献日 : 2021-08-13
发明人 : 谭厚章 , 周上坤 , 杨文俊 , 王毅斌 , 王学斌
申请人 : 西安交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统,其特征在于,包括:炉膛本体(1);所述炉膛本体(1)设置有立方体内腔;
所述炉膛本体(1)设置有:
第一一次风空气入口和第二一次风空气入口,所述第一一次风空气入口和第二一次风空气入口分别设置于所述立方体内腔的第一竖直对角,用于根据一二次风的空气分配比例,将一次风的空气从两个对角均等送入立方体内腔;
第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口,所述第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口分别设置于所述立方体内腔的第一竖直对角,用于根据一二次风的氨气分配比例,将一次风的氨气从两个对角均等送入立方体内腔;
第一二次风空气入口和第二二次风空气入口,所述第一二次风空气入口和第二二次风空气入口分别设置于所述立方体内腔的第一竖直对角,用于根据一二次风的空气分配比例将二次风的空气从两个对角均等送入立方体内腔;其中,第一二次风空气入口和第二二次风空气入口分别处于第一一次风空气入口和第二一次风空气入口的上方;
第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口,所述第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口分别设置于所述立方体内腔的第一竖直对角,用于根据一二次风的氨气分配比例,将二次风的氨气从两个对角均等送入立方体内腔;其中,第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口分别处于第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口的上方;
第一烟气进口和第二烟气进口,所述第一烟气进口和第二烟气进口分别设置于所述立方体内腔的第二竖直对角,用于通入再循环烟气;
烟气出口,所述烟气出口设置于炉膛本体(1)的顶部,用于通出烟气;其中,所述烟气出口通过烟气再循环管道分别与第一烟气进口和第二烟气进口相连通;
所述炉膛本体(1)设置有点火装置(7);
还包括:空气输送管路,所述空气输送管路包括:空气输送干路、第一空气输送支路和第二空气输送支路;空气输送干路的进口与空气供气装置相连通,出口分别与第一空气输送支路和第二空气输送支路的进口相连通;第一空气输送支路的出口分别与第一一次风空气入口和第二一次风空气入口相连通;第二空气输送支路的出口分别与第一二次风空气入口和第二二次风空气入口相连通;其中,所述空气输送干路上沿空气流动方向依次设置有空气压缩机(10)和空气加热器(12),第一空气输送支路和第二空气输送支路分别设置有质量流量计(11);
还包括:氨气输送管路,所述氨气输送管路包括:氨气输送干路、稀释气输送管路、第一氨气输送支路和第二氨气输送支路;氨气输送干路的进口与氨气供气装置相连通,出口分别与第一氨气输送支路和第二氨气输送支路的进口相连通;稀释气输送管路的进口与稀释气供气装置相连通,出口分别与第一氨气输送支路和第二氨气输送支路的进口相连通;第一氨气输送支路的出口分别与第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口相连通;第二氨气输送支路的出口分别与第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口相连通;其中,所述氨气输送干路上沿氨气流动方向依次设置有减压阀(14)和质量流量计(11),稀释气输送管路、第一氨气输送支路和第二氨气输送支路分别设置有质量流量计(11);
其中,与第一一次风空气入口、第二一次风空气入口、第一二次风空气入口和第二二次风空气入口相连通的管路的管径为8~15mm;与第一一次风氨气入口、第二一次风氨气入口、第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口相连通的管路的管径为2~5mm;烟气循环管道的管径为2~3cm;
一次风的当量比为0.8~0.95,二次风的当量比为1.05~1.6;一次风中氨气占总氨气含量60~90%,二次风中氨气占总氨气含量10~40%,烟气再循环率控制在5%~20%。
2.根据权利要求1所述的一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统,其特征在于,所述烟气循环管道设置有换热器(15)、质量流量计(11)、SCR脱硝装置(16)和引风机(17);
所述SCR脱硝装置(16)通过管路与换热器(15)相连通,用于同步脱除氮氧化物和逃逸的氨气。
3.根据权利要求1所述的一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统,其特征在于,还包括:若干热电偶(2),所述若干热电偶(2)设置于所述炉膛本体(1)的侧壁上,用于监测立方体内腔内的温度。
4.根据权利要求1所述的一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统,其特征在于,所述炉膛本体(1)还设置有观察窗(5)和高速相机(9),用于监测炉内无焰燃烧状态。
5.根据权利要求1所述的一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统,其特征在于,所述炉膛本体(1)由莫来石或无机板制成;所述炉膛本体(1)的外壁上由内到外依次设置有耐火砖和不锈钢外壳层。
6.一种权利要求1所述的氨气低氮旋风无焰燃烧系统的操作方法,其特征在于,包括以下步骤:
通过第一一次风空气入口和第二一次风空气入口将一次风高温空气送入炉膛形成旋转气流;一次风氨气通过第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口被高温空气旋转气流加热卷吸;在立方体内腔,高温高速射流通过旋转实现所有介质的充分混合,实现无焰燃烧;
通过第一二次风空气入口和第二二次风空气入口将二次风高温空气送入炉膛形成旋转气流;二次风氨气通过第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口被高温空气旋转气流加热卷吸;在立方体内腔,高温高速射流通过旋转实现所有介质的充分混合,实现无焰燃烧;
稀释气随氨气进入炉内;
将再循环烟气通入炉内;
其中,所述高温高速射流的高温为400~800℃,高速为40~200m/s;无焰燃烧时,炉内氨气的温度为1000~1200℃。
说明书 :
一种氨气低氮旋风无焰燃烧系统及其操作方法
技术领域
背景技术
化压力只有1.03MPa,而氢气的这一数值为70MPa。将氢气合成为氨气或者通过电化学合成
氨的方法直接将可再生能源储存在氨气中能够实现可再生能源的大规模长距离转运。氨气
直接燃烧利用能够减少氨气裂解为氢气过程中损耗的能量,但氨气直接燃烧会造成氮氧化
物和氨逃逸的问题。
再者氮氧化物还会对臭氧层造成破坏,引起臭氧层空洞,辐射加强;最后氮氧化物和氨气对
人体的呼吸系统会有刺激作用,破坏身体健康。
制在50mg/Nm ,氨逃逸需低于3ppm;这一限值的实现必须依靠新的燃烧模式或者低氮燃烧
技术。
发明内容
3
作为燃料燃烧时能够满足50mg/Nm的排放标准。
比例,将一次风的空气从两个对角均等送入立方体内腔;第一一次风氨气入口和第二一次
风氨气入口,所述第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口分别设置于所述立方体内腔
的第一竖直对角,用于根据一二次风的氨气分配比例,将一次风的氨气从两个对角均等送
入立方体内腔;第一二次风空气入口和第二二次风空气入口,所述第一二次风空气入口和
第二二次风空气入口分别设置于所述立方体内腔的第一竖直对角,用于根据一二次风的空
气分配比例将二次风的空气从两个对角均等送入立方体内腔;其中,第一二次风空气入口
和第二二次风空气入口分别处于第一一次风空气入口和第二一次风空气入口的上方;第一
二次风氨气入口和第二二次风氨气入口,所述第一二次风氨气入口和第二二次风氨气入口
分别设置于所述立方体内腔的第一竖直对角,用于根据一二次风的氨气分配比例,将二次
风的氨气从两个对角均等送入立方体内腔;其中,第一二次风氨气入口和第二二次风氨气
入口分别处于第一一次风氨气入口和第二一次风氨气入口的上方;第一烟气进口和第二烟
气进口,所述第一烟气进口和第二烟气进口分别设置于所述立方体内腔的第二竖直对角,
用于通入再循环烟气;烟气出口,所述烟气出口设置于炉膛本体的顶部,用于通出烟气;其
中,所述烟气出口通过烟气再循环管道分别与第一烟气进口和第二烟气进口相连通;所述
炉膛本体设置有点火装置。
相连通,出口分别与第一空气输送支路和第二空气输送支路的进口相连通;第一空气输送
支路的出口分别与第一一次风空气入口和第二一次风空气入口相连通;第二空气输送支路
的出口分别与第一二次风空气入口和第二二次风空气入口相连通;其中,所述空气输送干
路上沿空气流动方向依次设置有空气压缩机和空气加热器,第一空气输送支路和第二空气
输送支路分别设置有质量流量计。
与氨气供气装置相连通,出口分别与第一氨气输送支路和第二氨气输送支路的进口相连
通;稀释气输送管路的进口与稀释气供气装置相连通,出口分别与第一氨气输送支路和第
二氨气输送支路的进口相连通;第一氨气输送支路的出口分别与第一一次风氨气入口和第
二一次风氨气入口相连通;第二氨气输送支路的出口分别与第一二次风氨气入口和第二二
次风氨气入口相连通;其中,所述氨气输送干路上沿氨气流动方向依次设置有减压阀和质
量流量计,稀释气输送管路、第一氨气输送支路和第二氨气输送支路分别设置有质量流量
计。
逸的氨气。
气流加热卷吸;在立方体内腔,高温高速射流通过旋转实现所有介质的充分混合,实现无焰
燃烧;
气流加热卷吸;在立方体内腔,高温高速射流通过旋转实现所有介质的充分混合,实现无焰
燃烧;
再循环率控制在5%~20%。
体的,旋风燃烧方式与电站煤粉锅炉中四角切圆燃烧方式相似,这一燃烧方式能实现空气
与燃料的充分均匀混合,避免局部高温点的出现,有效抑制氮氧化物的生成;但四角切圆燃
烧至少需要四个进气点,而旋风燃烧方式只需要两个进气点即可实现燃料的旋转燃烧。无
焰燃烧,又称为温和低氧浓度稀释燃烧或高温空气燃烧,它具有温度分布均匀、燃烧峰值温
度低、能源效率高、NOx排放低等优点。传统的有焰燃烧方式由于明显的火焰锋面存在,火焰
区域的燃烧温度较高,炉膛其他区域的温度相对较低,炉膛整体温度不均匀,局部温度过高
会引起氮氧化物的大量生成。无焰燃烧不存在火焰锋面,炉内温度分布几乎处处均匀,氮氧
化物的生成量极少,能明显的降低氮氧化物的排放。分级燃烧技术又被成为再燃烧技术,通
常运用于燃煤锅炉中,其降低NOx的效果显著,一般为50%~70%;最高可达80%。燃煤锅炉
中一次风区域的当量比通常大于1,二次风区域的当量比通常小于1,本发明则正好相反,这
是为了在二次风区域利用SNCR的原理实现“热脱硝”过程。烟气再循环技术将燃烧产生的烟
气重新送入炉膛,能够降低空气的氧浓度,并且加入了稀释性气体CO2和H2O,使炉内温度分
布更加均匀,避免局部高温区的形成。这一技术能够使氮氧化物降低10~90%。
无焰燃烧状态;燃烧过程中无明显火焰锋面,温度场分布均匀,且均未超过1300℃,实现了
氮氧化物排放的深度控制。
附图说明
一些实施例,对于本领域普通技术人员来说,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。
11、质量流量计;12、空气加热器;13、燃气瓶;14、减压阀;15、换热器;16、SCR脱硝装置;17、
引风机。
具体实施方式
是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造
性劳动的前提下所获得的其它实施例,都应属于本发明保护的范围。
烟气出口管道8和高速相机9等装置。
出口管道8布置于炉膛顶部;所述的空气按照一次风和二次风中空气分配比例并各自被均
匀地分为两股从两个对角的空气入口管道3进入炉膛;燃气同样按照一次风和二次风中燃
料分配比例并各自被均匀地分为两股从两个对角的燃气入口管道4进入炉膛;再循环烟气
均匀分为两股通过对角布置的两个烟气再循环管道6进入炉膛。
爆功能。进一步地,无机板的厚度为5~10cm,耐火砖的厚度为5~10cm,炉膛本体1的容积尺
寸为20cm长,20cm宽,5~15cm高。
(2.5cm,10cm)。
类燃料(如天然气、氢气、丙烷、生物质气、煤气化气等)时,空气入口管道3及燃气入口管道4
的管径可以适当减小;当燃用反应性较差,层流火焰速度较低的燃料(如氨气)时,空气入口
管道3及燃气入口管道4的管径可以适当增加,出口管道的管径相应增加。
量后均匀地分为两股风进入炉膛本体1。
量计11测量后分别均匀分为两股风进入炉膛本体1。
SCR脱硝装置16和引风机17后处理后达标排放。
态。燃烧过程中无明显火焰锋面,温度场分布均匀,且均未超过1300℃,实现了氮氧化物排
放的深度控制。
3
Nm的要求;表1为本发明实施例中的NOx排放数据。
NOx排放(ppm) 2 7 20
转气流加热卷吸,高温高速射流通过旋转实现炉膛内所有介质的充分混合,实现无焰燃烧。
1.6。一次风中氨气占总氨气含量60~90%,二次中氨气占总氨气含量10~40%,一二次风
氨气配比以及一二次风当量比确定之后,一二次风的空气配比随之确定。稀释气与氨气主
管道相连,从氨气主管道进入炉膛。
制通过烟气再循环实现,再循环烟气进入炉膛降低了氧气浓度,通过引入稀释性气体CO2和
H2O使炉内温度分布更加均匀,从而抑制氮氧化物的生成,这一层氨气依然作为燃料使用;
第三层污染物脱除机制通过分级燃烧实现,二次风的高当量比创造出还原性气氛,在燃烧
的同时还作为还原剂抑制氮氧化物生成,这一层氨气同时作为燃料和还原剂使用;第四层
污染物脱除机制通过SCR脱硝装置(16)实现,烟气中同时含有逃逸的氨气与氮氧化物,在适
当的氨氮摩尔比以及催化剂的作用下,逃逸氨气与氮氧化物被还原为氮气与水蒸气,实现
氨气与氮氧化物的同步深度脱除,这一层氨气作为还原剂使用。四层氨气不同的作用在于
温度的控制,第一二层炉内氨气的温度为1000~1200℃,第三层炉内氨气的温度为800~
1000℃,第四层烟气内氨气的温度为150~400℃。
管道、点火装置、高速相机、烟气出口管道等装置。所述的空气按照一次风和二次风中空气
分配比例并各自被均匀地分为两股从两个对角的空气入口管道进入炉膛;燃气同样按照一
次风和二次风中燃料分配比例并各自被均匀地分为两股从两个对角的燃气入口管道进入
炉膛;再循环烟气均匀分为两股通过对角布置的两个烟气再循环管道进入炉膛。通过以上
布置能够运用空气分级、燃料分级以及烟气再循环等低氮燃烧技术,使该燃气炉在燃用不
同燃料时在旋风燃烧方式下均能实现无焰燃烧,避免炉膛出现温度超过1300℃的高温区,
有效实现氮氧化物的控制。
行修改或者等同替换,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,均在申请
待批的本发明的权利要求保护范围之内。