一种工业炉天然气宽比掺氨分级燃烧方法及系统技术方案

本发明专利技术属于清洁能源技术领域，公开了一种天然气宽比掺氨分级燃烧方法及系统，通过旋流促混和活性基团促燃稳燃技术实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效燃烧；通过源头分区分级技术实现天然气宽比掺氨条件下的清洁低氮燃烧。包括以下步骤：步骤一，利用旋流促混和活性基团促燃实现燃料的稳燃；步骤二，利用源头分区分级燃烧技术实现氮氧化物的减排。本发明专利技术提供的基于旋流促混

【技术实现步骤摘要】
一种工业炉天然气宽比掺氨分级燃烧方法及系统


[0001]本专利技术属于清洁能源
，尤其涉及一种工业炉天然气宽比掺氨分级燃烧方法。

技术介绍

[0002]在当前“碳达峰”和“碳中和”的环保背景下，常规化石燃料在我国能源消费中的比例将大幅降低。由于新能源目前还不能完全取代化石燃料成为能源供给的主体，开发新型“低碳”，甚至是“零碳”燃料对我国能源结构转型具有重要意义。其中，氢气是当前最受关注的清洁燃料，但氢气具有极高的生产和存储成本，同时运输过程还存在较高的爆炸风险。鉴于这些问题，氨气作为一种新型的氢能载体及“零碳”燃料，具有存储成本低、安全性能高的优点，近年来受到了国内外广泛的关注。
[0003]我国是氨气的生产大国，但近年来氨气持续产能过剩，若能将这些过剩的氨气加以利用，将有助于加速实现我国能源结构转型。此外，近年来随着生产工艺的不断进步，合成氨的成本不断下降，这也为氨气作为燃料被利用提供了极好的技术支持。
[0004]然而，氨气的化学活性较差，纯氨燃烧时容易出现火焰不稳定、效率低、甚至熄火的问题；同时由于自身含氮元素，燃烧排放的氮氧化物水平显著升高。因此，为了提高氨气在工业生产中的利用率，必须解决其燃烧稳定性差、效率低以及高氮氧化物排放的技术问题。
[0005]目前，掺氨燃烧研究主要集中在日本，沙特，英国等国家，行业以燃气轮机为主。日本东北大学采用旋流与燃烧室分级燃烧技术，可实现功率为50kw，掺氨比0～100％，NO
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排放1000ppm的掺氨燃烧；英国卡迪夫大学主要研究H2/NH3的混合燃烧，同样采用旋流与燃烧室分级燃烧技术，已经实现功率为50kw，掺氨比0～100％的掺氨燃烧；国内针对氨燃料直接燃烧的研究还较少，已有的应用研究主要集中于内燃机领域。中国科学院、上海交通大学以及浙江大学均有少量关于NH3火焰传播特性和化学反应动力学的基础研究，但均未涉及燃烧器等应用层面的开发。国内西安交通大学和华中科技大学均采用旋流燃烧，目前已经实现功率5kw，掺氨比0～100％，NO
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排放2000ppm的天然气掺氨燃烧。
[0006]为了改善氨气燃烧的稳定性，目前普遍采用的方法是与活性更高的可燃气体掺混燃烧，例如甲烷、丙烷及液化石油气等，中国专利CN 110440251 B提供了一种氨气燃烧的控制方法及燃烧装置。该专利的燃烧装置在启动阶段需要额外增加含碳可燃气体的供给，不仅使系统更为复杂，同时也无法实现真正的“零碳”排放，此外该装置还需额外对烟气中的氮氧化物进行处理，增加成本。另外，中国专利CN 107810365 B将氨气和氢气混合，实现了氨气的稳定燃烧，同时通过分级燃烧技术降低氮氧化物排放，但该专利中的燃烧装置包含两个串联的燃烧室，且燃烧需在高温高压条件下(1400～2100K，10～30bar)进行，不仅结构复杂，控制成本也更高，且难以在常规工业加热设备中推广应用。
[0007]改善氨气燃烧特性的另外一种有效方式是将氨气进行部分裂解，使燃料成为氨气、氢气及氮气的混合物。由于氢气具有较高的化学活性，能够加快该混合物的燃烧速度，
改善燃烧的稳定性。中国专利CN 210656142 U提供了一种辅助氨燃烧的热裂解制氢装置，该专利将氨热裂解制氢装置和氨燃烧装置一体化，能实现氨气的稳定燃烧。但氨气在常压下的热裂解温度极高(>1000℃)，该专利中的氨热裂解制氢装置位于氨燃烧装置的下游，燃烧尾气温度较低，存在难以使氨气充分裂解的问题，影响氨气的稳定燃烧效果。中国专利CN 102348504 B提供了一种能够在较低温度下实现氨气高效热分解的催化剂，但该催化剂同时含有氨燃烧催化效果，这将导致氨热解气中含有大量水蒸气和氮气，不仅对氨气的燃烧不利，同时尾部排放烟气的热量也无法回收，将造成能量浪费。
[0008]此外，上述专利均未对氨气燃烧尾气中的氮氧化物排放进行控制，也将制约氨气的大规模应用。
[0009]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0010](1)现有掺氨燃烧技术主要集中于内燃机领域，针对工业锅炉和工业窑炉的氨燃料直接燃烧的相关技术还较少，且现有技术均未涉及燃烧器等应用层面的开发。
[0011](2)现有掺氨燃烧器普遍采用旋流技术强化燃烧，虽能实现0～100％宽掺氨比的燃烧，但在高掺氨比条件下极易发生火焰振荡等不稳定现象，影响设备的安全性。
[0012](3)现有掺氨燃烧低氮排放技术大多采用燃烧室轴向分级，需要破坏炉膛下游墙体；同时由于工业锅炉和工业窑炉内部空间有限，导致燃烧室轴向分级燃烧技术在紧凑的工业炉中难以实现。
[0013](4)现有将氨气和氢气混合燃烧的装置需在高温高压条件下进行，不仅结构复杂，控制成本也更高，且难以在常规工业加热设备中推广应用。
[0014](5)现有氨热裂解制氢装置位于氨燃烧装置的下游，燃烧尾气温度较低，存在产生的热量不足以使氨充分热裂解的问题，影响氨气的稳定燃烧效果。
[0015](6)现有实现氨气高效热分解的催化剂同时含有氨燃烧催化效果，这将导致氨热解气中含有大量水蒸气和氮气，不仅对氨气的燃烧不利，同时尾部排放烟气的热量也无法回收，将造成能量浪费。
[0016](7)现有尾气催化还原和催化降解技术虽能降低掺氨燃烧氮氧化物的排放浓度，但会增加系统的运行成本，因此研发掺氨燃烧源头低氮技术更有市场潜力。

技术实现思路

[0017]针对现有技术存在的问题与不足之处，本专利技术提供了一种针对工业炉场景下的天然气宽比掺氨分级燃烧方法，尤其涉及一种基于旋流促混
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活性基团促燃的天然气宽比掺氨分级燃烧方法，企图实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效及清洁低氮燃烧。
[0018]本专利技术是这样实现的：通过旋流促混和活性基团促燃稳燃技术实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效燃烧；通过源头分区分级技术实现天然气宽比掺氨条件下的清洁低氮燃烧。
[0019]具体地，天然气宽比掺氨分级燃烧方法包括以下步骤：
[0020]步骤一，利用旋流促混和活性基团促燃实现燃料的稳燃；
[0021]步骤二，利用源头分区分级燃烧技术实现氮氧化物的减排。
[0022]进一步，步骤一中的旋流促混和活性基团促燃稳燃途径包括：
[0023](1)预燃室壁面涂覆镍基催化剂，在预燃室设置一级天然气；氨气在催化剂和高温
作用下分解成H2和N2，同时形成OH基团，进而促进火焰稳燃；
[0024](2)采用旋流器强化空气和一级氨气的混合；
[0025](3)采用可调高度的钝体，产生后部回流区，以适应不同掺氨比工况。
[0026]进一步，步骤二中的掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮包括：
[0027](1)在预燃室中，NH3在催化剂和高温的作用下预分解生成N2，减少了源头燃料N的来源；
[0028](2)通过外侧回流区使得烟气回流从而削弱燃烧室中的氧化性气氛，降低NO
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的生成速率，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，包括：通过旋流促混和活性基团促燃稳燃技术实现天然气宽比掺氨条件下的稳定高效燃烧；通过源头分区分级技术实现天然气宽比掺氨条件下的清洁低氮燃烧。2.如权利要求1所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，具体包括：S101，通过中心旋流促进一级氨气、一级天然气与一级空气的混合，实现中心一级火焰的稳燃；S102，通过在一级燃烧室壁面负载催化剂涂层，氨气在一级火焰的加热作用下，在催化剂表面发生热分解形成H2，同时一级火焰提供了OH及NH2活性基团，由此进一步促进氨气的稳定着火；S103，二级旋流空气卷吸外侧热烟气，进一步强化中心一级火焰的稳定性；S104，通过实施氨气径向分级，使中心区域形成的NO可以进一步与外侧的NH3发生中和还原反应，降低NOx的生成量；S105，通过控制二级空气流量，调控烟气回流区域大小及内外回流区还原性气氛，使燃烧室上游整体处于富燃状态，而下游处于贫燃状态，实现NOx生成的抑制及可燃物的燃尽。3.如权利要求1所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，天然气宽比掺氨分级燃烧方法进一步包括以下步骤：步骤一，分析天然气掺氨燃烧稳定机制实现旋流促混和活性基团促燃稳燃；步骤二，通过分析天然气宽比掺氨燃烧污染物生成特性，实现深度协同降氮。4.如权利要求3所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，步骤一中的旋流促混和活性基团促燃稳燃途径包括：(1)预燃室壁面涂覆镍基催化剂，在预燃室设置一级天然气；氨气在催化剂和高温作用下分解成H2和N2，同时形成OH基团，进而促进火焰稳燃；(2)采用旋流器强化空气和一级氨气的混合；(3)采用可调高度的钝体，产生后部回流区，以适应不同掺氨比工况。5.如权利要求3所述天然气宽比掺氨分级燃烧方法，其特征在于，步骤二中的掺氨燃烧器分区分级燃烧源头降氮包括：(1)在预燃室中，NH3在催化剂和高温的作用下预分解生成N2；(2)通过外侧回流区使得烟气回流从而削弱燃烧室中的氧化性气氛，降低NO...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂垚杰，刘豪，李星，李军，张世红，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：