一种多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器 |
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| 申请号 | CN202311560567.X | 申请日 | 2023-11-22 | 公开(公告)号 | CN117469676A | 公开(公告)日 | 2024-01-30 |
| 申请人 | 西安交通大学; | 发明人 | 牛艳青; 余颖; 胡润洁; 商逸民; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种多级掺 氨 的 煤 氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流 燃烧器 ，包括：进料结构和预燃结构；所述进料结构包括沿径向由内向外依次布置的中心 风 套筒、一次风套筒、内二次风套筒和外二次风套筒；所述中心风套筒、一次风套筒、内二次风套筒和外二次风套筒的入口端沿轴向由前向后依次布置，出口端与预燃室入口端连通；所述内二次风套筒内壁用隔板分隔为三部分，第一部分为直流内二次风通管，第二部分为一级氨气通管，第三部分为旋流内二次风通管；所述直流内二次风通管、一级氨气通管和旋流内二次风通管的出口端均与预燃室入口端接通。本发明中，氨与煤炭掺烧，一方面降低化石 燃料 的消耗量，解决高 碳 排放的问题；另一方面实现高效、低氮稳燃。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器技术领域背景技术[0002] 氨(NH3)作为一种新型零碳替代燃料，因其体积能量密度高，易液化，单位储运成本低的优势而受到广泛关注。然而，与常规碳氢燃料相比，氨的着火温度较高，可燃性极限范围窄，层流火焰传播速度小，故存在着火困难和燃烧不稳定的问题；且由于氨自身的高氮含量，也有高NOx排放的风险。 [0004] 专利CN115585449A公开了一种适用于氨气与煤粉直混燃烧的新型旋流燃烧器，通过设置氨气预混器，使氨气、煤粉、空气在一次风通道内充分混合后送入炉膛，从而降低氨气着火难度，通过二、三、四次风通道实现分级燃烧，以降低NOx生成量，但是该文献中将氨气与煤粉气流直接混燃，易造成氧气与氨气率先反应，有增加NOx生成的风险，此外加装氨气预热器会增加制造和运行成本。 发明内容[0005] 为了克服以上现有技术存在的缺陷，本发明提出一种多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器，氨与煤炭在燃烧器中掺烧，一方面氨可以作为煤炭的补充燃料，降低化石燃料的消耗量，解决高碳排放的问题；另一方面掺烧可以克服氨单独燃烧不稳定以及NOx排放量大的难题，实现高效、低氮稳燃。 [0006] 本发明采用的技术方案是： [0007] 一种多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器，包括： [0008] 进料结构和预燃结构； [0009] 所述进料结构包括沿径向由内向外依次布置的中心风套筒、一次风套筒、内二次风套筒和外二次风套筒； [0010] 所述中心风套筒、一次风套筒、内二次风套筒和外二次风套筒的入口端沿轴向由前向后依次布置，出口端与预燃室入口端连通； [0011] 所述内二次风套筒内壁用隔板分隔为三部分，第一部分为直流内二次风通管，第二部分为一级氨气通管，第三部分为旋流内二次风通管； [0012] 所述直流内二次风通管、一级氨气通管和旋流内二次风通管的出口端均与预燃室入口端接通。 [0013] 所述外二次风套筒内壁用隔板分隔为两部分，第一部分为二三级氨气通管，第二部分为外二次风通管； [0014] 所述二三级氨气通管和外二次风通管的出口端均位于预燃室后端约2/3长度处； [0015] 所述中心风套筒用于输送中心风；所述一次风套筒用于输送煤粉和一次风；所述一级氨气通管和所述二三级氨气通管用于输送氨气；所述直流内二次风通管用于输送直流内二次风；所述旋流内二次风通管用于输送旋流内二次风；所述外二次风通管用于输送外二次风。 [0016] 所述二三级氨气通管分成若干螺旋式二级氨气通道和若干螺旋式三级氨气通道。 [0017] 所述螺旋式二级氨气通道和所述螺旋式三级氨气通道均呈螺旋状，内侧设置陶瓷耐腐蚀层。 [0018] 所述螺旋式二级氨气通道和所述螺旋式三级氨气通道的直径和数量，根据氨气流量和射流速度确定。 [0019] 所述若干螺旋式二级氨气通道穿过所述预燃室壳体伸入所述预燃室出口内侧壁上，沿预燃室出口内侧壁周向均布。 [0020] 所述若干螺旋式三级氨气通道沿所述预燃室出口断面周向均布。 [0021] 氨气分三级掺混燃烧，部分氨气由一级氨气通管通入预燃室，另一部分氨气由螺旋式二级氨气通道通入预燃室，剩余部分氨气由螺旋式三级氨气通道通入预燃室出口断面，即炉膛。 [0022] 所述外二次风通管分成若干外二次风通道，所述外二次风通道沿所述预燃室出口断面周向均布。 [0023] 所述外二次风通道的直径和数量，根据外二次风的风量和风速确定。 [0024] 所述螺旋式三级氨气通道与所述外二次风通道间隔布置，且沿切向旋向一致，沿径向旋向相反，所述螺旋式三级氨气通道出口轴线方向沿径向向内，所述外二次风通道出口轴线方向沿径向向外，加大了空间分级并延长了两股气流的混合时间，有助于氨气分解，降低NOx的生成。 [0026] 所述预燃结构包括预燃室壳体和预燃室；所述预燃室壳体与所述内二次风套筒出口端连接，为中空圆台和中空圆柱的连通体；所述预燃室为所述预燃室壳体围成的中空空间。 [0027] 本发明的有益效果： [0028] 本发明的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器，将反应区域划分为富燃区和贫燃区。其中，中心风、一次风、内二次风处于富燃区，而外二次风则处于贫燃区，起到远程燃尽风的作用，保证燃料充分燃尽。一级氨气、二级氨气和三级氨气分别从燃烧器不同位置通入，实现三级喷氨燃烧。 [0029] 在富燃区，煤粉由一次风携带进入预燃室，在800‑1200℃下预热分解，释放出挥发分，由于空气量不足，使挥发分氮和焦炭氮尽可能地转化为N2，从而减少NOx原始生成量；同时，旋流内二次风在预热区形成轴对称的双环形回流区，卷吸由一级氨气通管通入的氨气，强化了氨气与一次风、煤粉在预燃室的混合和湍流，并延长了燃料在预燃室的停留时间，使得氨气在环形高温低氧还原区最大程度上地热解，产生氢气和氮气，进一步加强了富燃区的还原气氛，抑制NOx的生成。二级氨气经二三级氨气通管进入螺旋式二级氨气通道，在预燃室800‑1200℃的预热温度下通过热传导的方式部分分解，生成氮气和氢气，通过螺旋式通道，可延长二级氨气在通道内的停留时间，促进二级氨气的分解；由于预燃室内烟气中的氧含量和氧浓度较低，剩余未分解的氨气从螺旋式二级氨气通道喷出，在富燃条件下更倾向于转化成N2。同样，三级氨气经二三级氨气通管进入螺旋式三级氨气通道，在预燃室800‑1200℃的条件下受热分解，产生氮气、氢气，通过螺旋式通道，延长了三级氨气在通道内的停留时间，促进了三级氨气的分解；而部分未分解的三级氨气气流沿径向向内喷出，在弱还原气氛下燃烧。此外，剩余未燃尽氨中存在较多的NH2和NH自由基，能将先前煤与氨气燃烧产生的NOx还原为N2。经三级喷氨，能够充分抑制NOx的生成，但由于氧气量不足，十分不利于焦炭的氧化，容易导致飞灰含碳量的升高。故而在贫燃区设置了外二次风。由外二次风通道喷入的外二次风，可将焦炭和极少量未燃氨在炉膛内混合燃尽，防止氨逃逸和浮尘污染，降低飞灰含碳量，提高燃烧效率；此外，沿径向向外的外二次风气流与三级氨气气流径向方向相反，加大了空间分级并延长了两股气流的混合时间，更有利于NH3分解，降低NOx排放。通过调控煤粉、氨气和空气的综合配比，实现多级掺氨稳燃和贫富燃，减少煤粉消耗量，降低CO2排放及飞灰含碳量，提高燃烧效率，并从整体上抑制NOx的生成。 附图说明 [0030] 图1为本发明实施例的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器的剖视图。 [0031] 图2为本发明实施例的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器的俯视图。 [0032] 图3为本发明实施例的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器的螺旋式二级氨气通道、螺旋式三级氨气通道和外二次风通道局部示意图。 [0033] 图4为本发明实施例的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器的侧视图。 [0034] 图5为本发明实施例的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器的旋流叶片局部示意图。 [0035] 其中：100、进料结构；110、中心风套筒；120、一次风套筒；130、二次风套筒；131、直流内二次风通管；132、一级氨气通管；133、旋流内二次风通管；1331、切向旋流叶片；134、隔板；140、外二次风套筒；141、二三级氨气通管；1411、螺旋式二级氨气通道；1412、螺旋式三级氨气通道；142、外二次风通管；1421、外二次风通道；200、预燃结构；210、预燃室壳体；220、预燃室。 具体实施方式[0036] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 [0037] 如图1所示，本发明实施例提供的多级掺氨的煤氨稳定混燃低NOx预热燃烧旋流燃烧器，由进料结构100和预燃结构200组成。 [0038] 所述进料结构100包括由内向外同轴设置的中心风套筒110、一次风套筒120、内二次风套筒130和外二次风套筒140；所述内二次风套筒130内壁用隔板134分隔为三部分，第一部分为直流内二次风通管131，第二部分为一级氨气通管132，第三部分为旋流内二次风通管133；所述外二次风套筒140内壁用隔板134分隔为两部分，第一部分为二三级氨气通管141，第二部分为外二次风通管142；所述一次风套筒120用于输送煤粉和一次风；所述一级氨气通管132和所述二三级氨气通管141用于输送氨气；所述直流内二次风通管131、旋流内二次风通管133和外二次风通管142用于输送二次风。 [0039] 所述预燃结构200包括预燃室壳体210和预燃室220；所述预燃室壳体210与所述内二次风套筒130出口端连接，为中空圆台和中空圆柱的连通体；所述预燃室220为所述预燃室壳体210围成的中空空间。 [0040] 在一具体的实施例中，所述一级氨气通管132设置于直流内二次风通管131和旋流内二次风通管133之间，旋流内二次风可以隔绝氨气气流扩散，有效防止从一级氨气通管喷出的氨气气流对预燃室220内侧壁的冲刷和腐蚀，同时可利用热的直流内二次风和旋流内二次风对一级氨气气流进行预热，避免进入预燃室220的氨气温度过低，燃烧不稳定或熄火。 [0041] 如图1和5所示，切向旋流叶片1331设置于旋流内二次风通管133内，呈周向布置。切向旋流叶片1331能够对旋流内二次风通管133中的空气进行导向，使得经过切向旋流叶片1331的空气为旋流气流，增强空气与燃料的混合。通过改变切向旋流叶片1331的叶片倾斜角度，调节内二次风的旋流强度，以适应不同负荷和掺氨比例的要求。增大叶片倾斜角度，能够减小旋流强度；减小叶片倾斜角度，能够增大旋流强度。 [0042] 如图1所示，一次风套筒120内通入的一次风携带煤粉进入预燃室220，在富燃及预热温度为800‑1200℃条件下分解，释放出挥发分，由于空气量不足，使挥发分氮和焦炭氮在还原性气氛下尽可能地转化为N2，从而降低NOx的原始生成量。旋流内二次风通管133内通入的旋流内二次风经切向旋流叶片1331，使空气和燃料气发生快速混合和高速旋转，在预燃室220的中心区域形成低压区，进而在预燃室内形成轴对称的高温低氧双环形回流区，卷吸并引燃由一级氨气通管132通入的氨气，强化氨气与一次风、煤粉在预燃室220的混合和湍流，扩宽了反应温度窗口，延长了燃料在预燃室220的停留时间，使得氨气在环形区内最大程度上热解，产生氢气和氮气，进一步加强了富燃区的还原气氛，抑制了NOx的生成。 [0043] 螺旋式二级氨气通道1411呈螺旋状，可延长二级氨气在通道内的停留时间，有助于氨气在螺旋式二级氨气通道1411内的分解，且陶瓷耐腐蚀层可防止氨气对管道的腐蚀。螺旋式二级氨气通道1411设置于预燃室220出口内侧壁上，二级氨气经螺旋式二级氨气通道1411在800‑1200℃条件下预热后，分解为氮气和氢气，氢气与部分未分解氨共同被回流区高温烟气卷吸点燃。此外，由于预燃室220内产生的高温烟气中氧气含量和浓度均不高，部分未分解的二级氨气在富燃条件下更倾向于转化为N2。为保证螺旋式二级氨气通道1411喷出的氨气处于高温还原的环形回流区内，可根据炉型和试验工况对螺旋式二级氨气通道 1411数量、直径和喷射张角进行调节。当射流速度过低时，可减小螺旋式二级氨气通道1411的数量和直径，或增大喷射张角以增强气流刚性，保证氨气气流进入环形回流区内；当射流速度过高时，可增大螺旋式二级氨气通道1411的数量或直径，或减小喷射张角，避免高速氨气射流穿透环形回流区，降低回流卷吸的效果。 [0044] 如图3和4所示，螺旋式三级氨气通道1412为耐腐蚀的附陶瓷层螺旋通道，可延长三级氨气在通道内的停留时间，增强了氨气的分解。螺旋式三级氨气通道1412沿预燃室220出口断面周向均布，且与外二次风通道1421间隔布置。三级氨气经螺旋式三级氨气通道1412在800‑1200℃条件下预热后，产生氮气、氢气和部分未分解氨。由于螺旋式三级氨气通道1412出口轴线方向沿径向向内设置，有利于减小燃烧空气的扩散角，故未分解的氨气气流可在弱还原气氛下燃烧。且剩余未燃尽氨中NH2和NH自由基能将预燃室220产生的NOx还原为N2。螺旋式三级氨气通道1412的数量和直径可根据煤中氮元素含量及风量配比进行调整，以充分抑制NOx的生成并基本实现氨气的完全燃烧。 [0045] 如图1、3和4所示，外二次风通道142沿预燃室220出口断面与螺旋式三级氨气通道1421间隔布置。外二次风出口气流方向沿径向向外，与沿径向向内的三级氨气出口气流隔开，加大了空间分级并延长了两股气流的混合时间，更有利于NH3分解，降低NOx排放。设置于预燃室断面的外二次风起到远程燃尽风的作用，为煤焦和极少量残余氨气的燃烧提供过量空气并延长煤焦的氧化时间，降低飞灰含碳量，提高燃烧器的燃烧效率，并防止氨逃逸。通过设置合理的外二次风燃尽风率，既能减少富燃区氧气量，抑制燃烧初期煤中燃料N和氨的氧化反应，从而降低NOx的生成，又能保证燃烧器出口较低的飞灰含碳量和未燃氨量，防止未燃氨与外二次风反应再次增加NOx生成，降低富燃区当量比对NOx的抑制效果，使飞灰含碳量与NOx排放均处于较低水平。 |
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