CN113294801A

CN113294801A - 一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置及其控制方法

Info

Publication number: CN113294801A
Application number: CN202110579860.5A
Authority: CN
Inventors: 涂垚杰; 刘豪; 徐顺塔; 黄璞; 朱宁静
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2041-05-26
Also published as: CN113294801B

Abstract

本发明涉及清洁燃烧技术领域，公开了一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，包括燃烧室以及与燃烧室连通的氨气罐和空气预热器，所述氨气罐与燃烧室之间沿着氨气进气方向分别连接氨气蒸发器以及氨热解电加热器，所述空气预热器依次连通有氨热解反应器和SCR反应器；还公开了其控制方法，包括如下步骤：S1、启动阶段；S2、燃烧自维持阶段。本发明，在不掺混其他可燃气体的前提下实现纯氨的高效稳定燃烧，同时在单一燃烧室中就能实现燃烧尾气中氮氧化物的低水平排放，本发明结构紧凑，流程简单，适用于新建设备或者旧设备改造。

Description

一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及清洁燃烧技术领域，具体是一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置及其控制方法。

背景技术

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。

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。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。

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，如同中国专利CN 110440251 B中所提供的一种氨气燃烧的控制方法及燃烧装置。该专利所述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。另一方面，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。

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，可能不足以产生足够的氨热裂解气，将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。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，包括燃烧室以及与燃烧室连通的氨气罐和空气预热器，所述氨气罐与燃烧室之间沿着氨气进气方向分别连接氨气蒸发器以及氨热解电加热器，所述空气预热器依次连通有氨热解反应器和SCR反应器。

作为本发明进一步的方案：所述空气预热器连接有鼓风机。

作为本发明进一步的方案：所述氨气蒸发器与氨热解电加热器之间连接有管道b。

作为本发明进一步的方案：所述氨气蒸发器与燃烧室之间连接有管道a。

作为本发明进一步的方案：所述氨热解反应器分别通过管道c连接有氨热解电加热器和氨气蒸发器。

作为本发明再进一步的方案：所述SCR反应器与氨气蒸发器之间连接有管道d。

一种纯氨高效清洁燃烧的控制方法，包括如下步骤：

S1、启动阶段：氨热解电加热器工作，使其内部工作温度为350～550℃，20％～50％氨气从蒸发器中经氨热解电加热器分解成H₂/N₂的混合物，进入燃烧室中燃烧，剩余50％～80％氨气从氨气蒸发器中经管道a进入燃烧室中燃烧，此时管道c阀门关闭；

S2、燃烧自维持阶段：氨分解反应器内部温度达到400℃以上时，燃烧进入自维持阶段，此时开启管道c阀门，关闭管道b阀门，20％～50％氨气从蒸发器中经反应器分解成H₂/N₂的混合物，进入燃烧室中燃烧，剩余50％～80％氨气从蒸发器中经管道a进入燃烧室中燃烧。

作为本发明进一步的方案：还包括尾气控制步骤，具体为：抽取少量氨气经管道d到SCR反应器中，与燃烧尾气中的NO发生还原反应

作为本发明进一步的方案：所述加热器以及反应器内部分别填充有催化剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在不掺混其他可燃气体的前提下实现纯氨的高效稳定燃烧，同时在单一燃烧室中就能实现燃烧尾气中氮氧化物的低水平排放，本发明结构紧凑，流程简单，适用于新建设备或者旧设备改造。

附图说明

图1为一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置的结构示意图。

图2为氨气的分解程度示意图。

图中：1-氨气罐、2-氨气蒸发器、3-氨热解电加热器、4-鼓风机、5-燃烧室、6-空气预热器、7-氨热解反应器、8-SCR反应器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，包括燃烧室5以及与燃烧室5连通的氨气罐1和空气预热器6，所述氨气罐1与燃烧室5之间沿着氨气进气方向分别连接氨气蒸发器2以及氨热解电加热器3，所述空气预热器6依次连通有氨热解反应器7和SCR反应器8，所述空气预热器6连接有鼓风机4。

所述氨气蒸发器3与氨热解电加热器3之间连接有管道b，所述氨气蒸发器2与燃烧室5之间连接有管道a，所述氨热解反应器7分别通过管道c连接有氨热解电加热器3和氨气蒸发器2，所述SCR反应器8与氨气蒸发器2之间连接有管道d。

氨气罐1用于提供液态纯氨；氨气蒸发器2用于将液氨气化，产生气态氨气；氨热解电加热器3在点火启动阶段使用，用于将部分氨气热解，生成氢气和氮气的混合物，内部含有氨热解催化剂；鼓风机4用于提供燃烧用的空气；燃烧室5用于将燃料全部氧化，并将燃料放出的热量传递给水冷壁；空气预热器6用于将燃烧尾气中的热量回收至空气中；氨热解反应器7利用燃烧尾气的余热，在催化剂的作用下将部分氨气热解成氢气和氮气的混合物；SCR反应器8用于将排烟中的NO还原成N₂。

一种纯氨高效清洁燃烧的控制方法，包括如下步骤：

S1、启动阶段：氨热解电加热器3工作，使其内部工作温度为350～550℃，20％～50％氨气从氨气蒸发器2中经氨热解电加热器3分解成H₂/N₂的混合物，进入燃烧室5中燃烧，剩余50％～80％氨气从氨气蒸发器2中经管道a进入燃烧室5中燃烧，此时管道c阀门关闭；

S2、燃烧自维持阶段：氨分解反应器7内部温度达到400℃以上时，燃烧进入自维持阶段，此时开启管道c阀门，关闭管道b阀门，20％～50％氨气从蒸发器2中经反应器7分解成H2/N2的混合物，进入燃烧室5中燃烧，剩余50％～80％氨气从蒸发器2中经管道a进入燃烧室5中燃烧；

由于在上述两个阶段燃烧器出口都会有NOx排放，所以都需要进行SCR尾气处理步骤，该步骤具体表现为：抽取少量氨气经管道d到SCR反应器8中，与燃烧尾气中的NO发生还原反应，上述步骤均发生在S1以及S2阶段中。

所述氨热解电加热器3以及氨热解反应器7内部分别填充有催化剂，催化剂成分为Co/CeO₂/Ce或者Ru/K/CaO等混合物。

在SCR反应器8后端布置有NO浓度检测器，管道d中抽取的氨气量为m＝0.378*w*10-6*(ma+m1+m3)；其中w是检测的NO浓度(单位为ppm)，ma为鼓风机的质量流量，m1为管道a中氨气的质量流量，m3为管道c中氨气的质量流量。

参阅图2，氨气的反应活性较差，纯氨(分解度为0时)的层流火焰速度为8cm/s，但纯甲烷的层流火焰速度为38cm/s。通过将氨气进行部分分解，使其成为NH₃/H₂/N₂的混合物，其反应活性逐渐提高，层流火焰速度逐渐增大。当NH₃的分解程度达到67％时，其层流火焰速度与甲烷相当。

基于上述理论，故提出氨气部分热解燃烧，一部分氨气进行热解，另一部分氨气直接燃烧。由于常规条件下氨气热解需要高温高压，因而需要催化剂，使氨气热解在低温和常压下进行。氨气热解所需的温度来自于燃烧尾气的余热，可以减少余热损失。SCR脱硝所用的氨气来自于燃料氨气罐，不需要多余储氨设备。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，包括燃烧室以及与燃烧室连通的氨气罐和空气预热器，其特征在于，所述氨气罐与燃烧室之间沿着氨气进气方向分别连接氨气蒸发器以及氨热解电加热器，所述空气预热器依次连通有氨热解反应器和SCR反应器。

2.根据权利要求1所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述空气预热器连接有鼓风机。

3.根据权利要求2所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述氨气蒸发器与氨热解电加热器之间连接有管道b。

4.根据权利要求3所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述氨气蒸发器与燃烧室之间连接有管道a。

5.根据权利要求4所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述氨热解反应器分别通过管道c连接有氨热解电加热器和氨气蒸发器。

6.根据权利要求5所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述SCR反应器与氨气蒸发器之间连接有管道d。

7.一种可实现纯氨高效清洁燃烧的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、启动阶段：氨热解电加热器工作，使其内部工作温度为350～550℃，20％～50％氨气从蒸发器中经氨热解电加热器分解成H2/N2的混合物，进入燃烧室中燃烧，剩余50％～80％氨气从氨气蒸发器中经管道a进入燃烧室中燃烧，此时管道c阀门关闭；

S2、燃烧自维持阶段：氨分解反应器内部温度达到400℃以上时，燃烧进入自维持阶段，此时开启管道c阀门，关闭管道b阀门，20％～50％氨气从蒸发器中经反应器分解成H2/N2的混合物，进入燃烧室中燃烧，剩余50％～80％氨气从蒸发器中经管道a进入燃烧室中燃烧。

8.根据权利要求7所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的控制方法，其特征在于，还包括尾气控制步骤，具体为：抽取少量氨气经管道d到SCR反应器中，与燃烧尾气中的NO发生还原反应。

9.根据权利要求7所述的一种可实现纯氨高效清洁燃烧的控制方法，其特征在于，所述加热器以及反应器内部分别填充有催化剂。