耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统技术方案

本发明专利技术公开了一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，涉及燃烧技术领域，包括：裂解器将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成混合物；氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴将裂解器输出的混合物与从液氨罐泵出的液氨喷射至燃烧室壳体，即将氨燃料喷射至燃烧室壳体；压缩机将目标空气输送至燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过燃烧室壳体内的多股气流通道实现混合燃料分级，实现燃料稳定燃烧的基础上改善燃烧的组织，降低燃料燃烧后产生的NOx等污染物排放；等离子体助燃器将在氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与顶端入口之间的目标空气形成等离子体，实现稳定地点火与燃烧。烧。烧。

【技术实现步骤摘要】
耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统


[0001]本专利技术涉及燃烧
，特别是涉及一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统。

技术介绍

[0002]全球气候变化已经对人类的生存环境和经济社会发展形成了严峻挑战。提高太阳能、风能、潮汐能等绿色可再生能源利用比例，实现低碳化、零碳化能源转型已经成为世界经济发展的必然趋势。
[0003]太阳能、风能等可再生能源具有地域性和间歇性的特点，以制氢大规模消纳可再生能源，以制氨储氢、储能解决氢能储运瓶颈，在应用端以氨/氢替代天然气、石油等传统化石燃料，将对保障国家能源安全、降低环境污染和碳排放有着重大意义，得到日益广泛的关注和重视。与氢相比，氨的优点是能量密度大、易液化、易储运，与汽油相比，氨的优点是辛烷值较高、抗爆性能好，但氨的燃点高(651度)、点火能量高(8mJ)、火焰燃烧速度低(10cm/s)、热值低(18.8MJ/kg)，使用时需要较高压缩比或外点火触发才能保证混合气被点燃。最初氨在许多此类用途中被视为氢能的载体和提供者，在这种情况下，供应链涉及在输送点处将NH3裂解为H2和N2的步骤，再进行分配使用。氨与氢均不含碳和硫，使用氨燃料或氢燃料将彻底消除与碳相关的黑碳、烟灰、HC、CO、CO2等空气污染物，越来越受到全球关注，将在全球脱碳行动中扮演重要角色。
[0004]氨燃料与氢燃料均可以由太阳能、风能、水力发电等可再生能源制备，均可作为重要的储能介质。其中，氨作为燃料具有更明显的优势，具体体现为：(1)氨燃料更具安全性；氨气有刺鼻性气味，爆炸极限是15～25％；(2)氨燃料更易存储；氨仅需
‑
33度或常温9
‑
17个大气压即可液化；(3)氨燃料的储能密度更高；液氢的储能密度为8.5GJ/m3(120MJ/kg)，压缩氢的储能密度为7.5GJ/m3，液氨的储能密度为12.7GJ/m3(18.6MJ/kg)；燃料箱存储1000m3轻柴油等效为2756m3液氨或4117m3液氢或4667m3压缩氢。(4)氨燃料的运输成本和储存成本更低；液氢在液化能耗、蒸发能耗和运输能耗方面的能量损失率达到34.1％，而液氨是13.7％，低压储氨则仅为6.5％。(5)发动机工作稳定性更高；氨燃料层流燃烧速度较低(8cm/s)，燃烧时不会出现异常情况。尽管氨燃料易液化、储氢密度高、辛烷值高、抗爆性能好，然而氨的点火能量高、火焰传播速度慢，燃烧后存在NH3逃逸和燃料型NOx排放，成为限制氨燃料大规模应用的主要瓶颈。
[0005]使用氢气(氢气或氨裂解制氢)、天然气、柴油等碳氢燃料对氨燃烧特性进行增强，比如掺氢40％时在空气中燃烧时的层流火焰速度与甲烷相当，但这种方式需要另外增加一种燃料，或是仍然需要添加使用一种含碳燃料，或者仍然存在氢的存储和运输的困境。另一种提高氨层流火焰速度的方法是富氧燃烧，在纯氧中氨的火焰传播速度达到1.09米/s，火焰厚度则仅有0.2mm。在氧气浓度达到30％时，层流火焰速度可以达到38.6cm/s，主要是因为氧气浓度的增加提高了反应区羟基、氢原子、氧原子和氨基的反应速率，但是这种方式需要对自然界的空气进行富氧化处理，其产生富氧的设备成本高，而且制出的氧气并不能增
加燃烧体系的热值。

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术的目的是提供一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，解决氨燃料输运能量密度低、点火能量高、火焰传播速度慢、热值低、NOx排放高等关键问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，至少包括：
[0009]裂解器，用于将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成包含氢、氮和氨的混合物；
[0010]压缩机，用于提供目标空气；所述目标空气为经过压缩升温后的空气；
[0011]燃烧室；所述燃烧室至少包括氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴、燃烧室壳体、火焰筒、点火装置和等离子体助燃器；其中，所述燃烧室壳体包括内壳体和外壳体；所述内壳体和所述外壳体均开设顶端入口和底部出口，且所述内壳体和所述外壳体共用一个顶端入口和一个底部出口，所述内壳体还开设有侧壁入口，以使所述燃烧室壳体能够构成多股气流通道；
[0012]所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，用于将所述裂解器输出的混合物与从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；
[0013]所述压缩机用于通过空气导流管将目标空气输送至所述燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过多股气流通道实现混合燃料分级，以使所述火焰筒分为主燃烧区域和次燃烧区域；所述底部出口用于输出燃烧尾气；
[0014]所述等离子体助燃器设置在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间；所述等离子体助燃器用于将在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间的目标空气形成等离子体。
[0015]可选地，该系统还包括液氨罐和液氨泵；
[0016]所述液氨罐通过耐氨腐蚀管路依次连接到所述液氨泵和所述裂解器。
[0017]可选地，所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴包括液氨导流管、设置在所述液氨导流管出口处的第一喷嘴、混合物导流管以及设置在所述混合物导流管出口处的第二喷嘴；
[0018]所述液氨泵的第一输出端与所述裂解器的第一输入端连接；所述液氨泵的第二输出端通过液氨导流管与所述第一喷嘴连接；所述裂解器的输出端通过混合物导流管与所述第二喷嘴连接；
[0019]所述第一喷嘴用于将从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；所述第二喷嘴用于将所述裂解器输出的混合物喷射至所述燃烧室壳体。
[0020]可选地，该系统还包括尾气余热回收器；
[0021]所述液氨泵的第三输出端与所述尾气预热回收器的输入端连接；所述尾气余热回收器的输出端与所述裂解器的第二输入端连接；
[0022]所述尾气预热回收器用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对从液氨罐泵出的液氨进行加热，形成气态氨，然后将气态氨输送至所述裂解器。
[0023]可选地，该系统还包括回热器；
[0024]所述回热器，布置于燃烧室的外侧，用于吸收所述燃烧尾气的余热，并利用所述燃烧尾气的余热对空气进行加热，然后将加热后的空气输送至所述压缩机。
[0025]可选地，该系统还包括透平、润滑单元、SCR处理单元和控制单元；
[0026]其中，所述SCR处理单元用于消除所述燃料尾气中的NOx；
[0027]所述控制单元用于对燃机进行参数化自动控制。
[0028]可选地，所述第一喷嘴喷射的液氨与所述第二喷嘴喷射的混合物之间的等效功率比为0％至100％的范围。
[0029]可选地，所述等离子体助燃器为介质阻挡放电结构、滑动电弧结构、直流电弧结构、微波激励、激光激励或者超声波激励。
[0030]可选地，液氨、氨氢混合气、气氨根据燃机启动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，至少包括：裂解器，用于将从液氨罐泵出的液氨或气化后的气态氨进行裂解反应，生成包含氢、氮和氨的混合物；压缩机，用于提供目标空气；所述目标空气为经过压缩升温后的空气；燃烧室；所述燃烧室至少包括氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴、燃烧室壳体、火焰筒、点火装置和等离子体助燃器；其中，所述燃烧室壳体包括内壳体和外壳体；所述内壳体和所述外壳体均开设顶端入口和底部出口，且所述内壳体和所述外壳体共用一个顶端入口和一个底部出口，所述内壳体还开设有侧壁入口，以使所述燃烧室壳体能够构成多股气流通道；所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，用于将所述裂解器输出的混合物与从液氨罐泵出的液氨喷射至所述燃烧室壳体；所述压缩机用于通过空气导流管将目标空气输送至所述燃烧室壳体内，以使目标空气与氨燃料混合形成混合燃料，并通过多股气流通道实现混合燃料分级，以使所述火焰筒分为主燃烧区域和次燃烧区域；所述底部出口用于输出燃烧尾气；所述氨燃料为所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴喷射的燃料；所述等离子体助燃器设置在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间；所述等离子体助燃器用于将在所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴，与所述顶端入口之间的目标空气形成等离子体。2.根据权利要求1所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，还包括液氨罐和液氨泵；所述液氨罐通过耐氨腐蚀管路依次连接到所述液氨泵和所述裂解器。3.根据权利要求2所述的一种耦合等离子体、液氨直喷和分级燃烧的燃机燃烧组织系统，其特征在于，所述氨氢混合气与液氨喷射耦合喷嘴包括液氨导流管、设置在所述液氨导流管出口处的第一喷嘴、混合物导流管以及设置在所述混合物导流管出口处的第二喷嘴；所述液氨泵的第一输出端与所述裂解器的第一输入端连接；所述液氨泵的第二输出端通过液氨导流管...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙威，王志伟，朱晓慧，王先义，徐大泽，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：