一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统
阅读说明：本技术 一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统 (Combustion system for blending ammonia gas in cyclone burner ) 是由 李月华 韩志江 闫凯 王迪 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统,涉及燃料燃烧技术领域,包括旋流燃烧器、第一燃烧室、第二燃烧室和多个氨喷口,在煤粉或碳氢燃料旋流燃烧器后的第一燃烧室内进行掺烧氨气,在保证燃料总出力不变的情况下,可大幅减少CO-2的生成,降低碳排放；通过在第一燃烧室内敷设耐火材料,减少该区域壁面的吸热量,保证第一燃烧室内处于高温的环境,有利于保证氨气混入后火焰稳定燃烧,同时旋流燃烧器和第二燃烧室的分级配风,使得第一燃烧室氨喷口附近局部区域呈现高温、贫氧的还原性气氛,可以抑制NOx的生成,控制掺氨燃烧后NOx的排放。(The invention provides a combustion system for blending ammonia gas in a cyclone burner, which relates to the technical field of fuel combustion and comprises the cyclone burner, a first combustion chamber, a second combustion chamber and a plurality of ammonia nozzles, wherein the ammonia gas is blended in the first combustion chamber behind the cyclone burner of pulverized coal or hydrocarbon fuel, and CO can be greatly reduced under the condition of ensuring that the total output of the fuel is unchanged 2 The carbon emission is reduced; the refractory material is laid in the first combustion chamber, so that the heat absorption capacity of the wall surface of the area is reduced, the high-temperature environment in the first combustion chamber is ensured, the stable combustion of flame after ammonia gas is mixed is ensured, and meanwhile, the staged air distribution of the cyclone burner and the second combustion chamber ensures that the local area near the ammonia nozzle of the first combustion chamber presents high-temperature oxygen-poor reducing atmosphere, the generation of NOx can be inhibited, and the emission of NOx after ammonia-mixed combustion is controlled.)
技术领域
本发明属于燃料燃烧
技术领域
，尤其涉及一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统。背景技术
燃煤发电提供的能源约占世界一次能源的29％，与其他任何发电方式相比，燃煤锅炉产生的CO2排放量都更多。近年来，全球经济“低碳化”趋势日趋强化，世界上各主要经济体相继加入“巴黎协定”，并制定了相应的碳减排目标及规划。因此，减少火力发电厂燃煤锅炉的CO2排放有相当大的潜力。我国作为世界第二大经济体，制定了2030年前碳排放达峰行动方案，力争2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。利用“零碳”燃料代替传统的化石燃料是行之有效的碳减排方式之一。
煤或碳氢燃料燃烧技术应用广泛，燃烧特性及NOx排放特性的研究已经经过国内外长期的工程实践检验，相关技术成熟，但面临“低碳化”趋势，就需要考虑降低煤或碳氢燃料燃烧技术的碳排放问题。氨气(NH3)是氢能的一种良好载体，相比于氢气(H2)，氨的主要优势是高含氢量和高体积能量密度，液氨的单位体积含氢量和体积能量密度甚至高于液氢。同时由于其生产工艺成熟，极易液化便于存储和运输，以及安全性高等优势，被认为是更具潜力的清洁燃料，可有效充当氢和能量的载体。考虑到可再生能源生产NH3的能力有限，短期内不可能用NH3完全替代煤炭。因此，氨气与煤或碳氢燃料在锅炉中的混燃同样需要深入研究。NH3作为燃料直接燃烧存在两个非常明显的问题：燃烧特性差及NOx排放高。
因此，基于煤或碳氢燃料燃烧技术现状，提出一种通过掺烧氨降低碳排放的方法显得十分重要。这样不仅可以利用成熟的煤或碳氢燃料燃烧技术及配套的污染物排放控制技术，同时可以在保证出力的情况下有效地降低碳排放。
发明内容
本发明的目的在于提供种一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统，包括旋流燃烧器、第一燃烧室、第二燃烧室和多个氨喷口，所述旋流燃烧器为煤粉或碳氢燃料旋流燃烧器，所述第一燃烧室与所述旋流燃烧器的一次风通道和二次风通道连接，所述第二燃烧室与所述第一燃烧室连接，所述氨喷口与所述第一燃烧室连接。
旋流燃烧器的结构包括一次风通道和二次风通道，并分别向第一燃烧室提供一次风和二次风，一次风和二次风均可布置呈旋流或直流结构形式，对于煤粉炉，一次风通常指输送燃料用风。
进一步地，所述第一燃烧室和所述第二燃烧室的形状为空心圆柱体或空心直四棱柱体，所述第二燃烧室的布置方式为立式布置或卧式布置，所述第二燃烧室与燃尽风道连接。
进一步地，当所述第二燃烧室为立式布置时，所述燃尽风道中的燃尽风水平喷入所述第二燃烧室，当所述第二燃烧室为卧式布置时，所述燃尽风道中的燃尽风竖直喷入所述第二燃烧室。
由于所述第一燃烧室和所述第二燃烧室的形状为空心圆柱体或空心直四棱柱体，所以其横截面为圆形或矩形；
当所述第二燃烧室的布置方式为立式布置时，所述第二燃烧室的圆形底面或矩形底面与地面接触，所述第二燃烧室立式布置和卧式布置的主要影响是设备的占地面积，其次是对相关配套和辅助设备的影响。
当所述第二燃烧室为立式或卧式布置时，对所述第一燃烧室的布置方式几乎没有影响，主要影响的是所述燃尽风的烟气流程，当所述第二燃烧室卧式布置时，所述燃尽风道中的燃尽风竖直方向喷入所述第二燃烧室，当所述第二燃烧室立式布置时，所述燃尽风道中的燃尽风水平方向喷入所述第二燃烧室。燃尽风的加入，可以保证燃料燃尽。
进一步地，所述氨喷口与氨气分配集箱连接，所述氨气分配集箱与气化器连接，所述气化器与液氨储存装置连接。
进一步地，所述氨喷口沿所述第一燃烧室的轴向方向在所述第一燃烧室的侧壁上分级分布，每一级所述氨喷口沿所述第一燃烧室的周向分布，每一级所述氨喷口与一个控制装置连接。
液氨由所述液氨储存装置通过管道送入所述气化器，液氨气化后，送入所述氨气分配集箱，然后再通过所述氨气分配集箱将氨气送入各个氨喷口中进行喷氨，由于每一级氨喷口均与一个控制装置连接，所以可以通过控制所述控制装置中的阀门开度来控制氨气随各级氨喷口喷入第一燃烧室的流量比。
所述氨喷口沿所述第一燃烧室的轴向方向在所述第一燃烧室的侧壁上分级分布的意思为，氨喷口沿着所述第一燃烧室的中心轴从第一燃烧室的一端到另一端的侧壁上设置多层氨喷口，每一层的氨喷口沿着第一燃烧室横截面的周长方向上分布，所述氨喷口的数量在一个以上。
进一步地，所述氨喷口沿所述第一燃烧室的轴向方向在所述第一燃烧室的侧壁上分3～6级分布，每一级所述氨喷口沿所述第一燃烧室的周向分布3～12只氨喷口。
进一步地，所述第一燃烧室内掺烧氨气的热值占比为0～50％，在所述第一燃烧室的内壁敷设耐火材料并布置用于测量和控制第一燃烧室温度的控温装置，使得所述第一燃烧室内的温度范围为800～1200℃，所述第一燃烧室内的过量空气系数为0.8～1.05。
热值占比是指掺烧的氨气燃烧发出的热量占全部燃料燃烧发出热量的0～50％时的氨气的量。
在所述第一燃烧室的内壁敷设耐火材料并布置控温装置的目的是保证氨气的快速着火燃烧，又不使第一燃烧室内温度过高而产生结焦和烧损。
所述旋流燃烧器配有直流或旋流携带煤粉或碳氢燃料的一次风或二次风，通过分级配风的方式送入第一燃烧室，保证第一燃烧室内的过量空气系数在0.8～1.05之间，使得第一燃烧室氨喷口附近局部处于富燃料环境，即第一燃烧室氨喷口附近局部区域呈现高温、贫氧的还原性气氛，可以抑制NOx的生成，控制掺氨燃烧后NOx的排放。
燃料燃烧需要充足的氧量，分级配风就是将氧量分阶段送入燃烧区域，这样可以避免燃料燃烧过于集中导致温度过高，同时氧量高，会生成大量的NOx。分级配风后，在燃烧区域氧气不充足，呈还原性气氛，有利于抑制NOx的生成。
其中，过量空气系数亦称“过剩空气系数”、“空气过剩系数”，俗称“余气系数”。指实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比。是反映燃料与空气配合比的一个重要参数。
本发明中控制第一燃烧室总体为缺氧环境，燃料无法燃尽，同时没有受热面布置，第二燃烧室为锅炉的主体部分，通过布置受热面来吸收燃料燃烧后释放的热量，第一燃烧室内未燃尽的燃料进入第二燃烧室，同时通过燃尽风的送入来补充剩余燃料燃烧所需氧量，实现燃尽和降低NOx的效果。
有益效果：
(1)本发明提供一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统，包括旋流燃烧器、第一燃烧室、第二燃烧室和多个氨喷口，在煤粉或碳氢燃料旋流燃烧器后的第一燃烧室内进行掺烧氨气，在保证燃料总出力不变的情况下，可大幅减少CO2的生成，降低碳排放；通过在第一燃烧室内敷设耐火材料，减少该区域壁面的吸热量，保证第一燃烧室内处于高温的环境，有利于保证氨气混入后火焰稳定燃烧，同时旋流燃烧器和第二燃烧室的分级配风，使得第一燃烧室氨喷口附近局部区域呈现高温、贫氧的还原性气氛，可以抑制NOx的生成，控制掺氨燃烧后NOx的排放。
(2)本发明提供一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统，在利用现有煤或碳氢燃料旋流燃烧器技术的基础上，通过设计敷设耐火材料的第一燃烧室掺烧氨燃料，在保证燃料出力的情况下，大幅降低燃烧的碳排放；通过设计包含燃尽风的第二燃烧室，保证燃料燃尽效果，能够有效控制NOx的排放；通过设计两级燃烧室、氨的分级喷口以及分级配风方式，可以大幅提高燃料燃烧的经济性和环保效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统中第二燃烧室卧式布置的结构示意图；
图2为本发明一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统中第二燃烧室立式布置的结构示意图；
图3为本发明中第一燃烧室为圆形截面时氨喷口的周向布置示意图；
图4为本发明中第一燃烧室为矩形截面时氨喷口的周向布置示意图；
图5为本发明中氨喷口沿第一燃烧室的轴向方向在第一燃烧室的侧壁上分4级分布的示意图；
附图说明
：1、旋流燃烧器；2、第一燃烧室；3、第二燃烧室；4、燃尽风道；5、氨喷口；6、氨气分配集箱；7、气化器；8、液氨储存装置。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1：
如图1和图3所示，在一个较佳的实施例中，提供一种用于旋流燃烧器掺烧氨气的燃烧系统，包括旋流燃烧器1、第一燃烧室2、第二燃烧室3和多个氨喷口5，所述旋流燃烧器1为煤粉或碳氢燃料旋流燃烧器，所述第一燃烧室2与所述旋流燃烧器1的一次风通道和二次风通道连接，所述第二燃烧室3与所述第一燃烧室2连接，所述氨喷口5与所述第一燃烧室2连接。
旋流燃烧器1的结构包括一次风通道和二次风通道，并分别向第一燃烧室2提供一次风和二次风，一次风和二次风均可布置呈旋流或直流结构形式，对于煤粉炉，一次风通常指输送燃料用风。
本实施例中，所述第一燃烧室2的形状为空心圆柱体，所述第二燃烧室3的布置方式为卧式布置，所述第二燃烧室3与燃尽风道4连接，所述燃尽风道4在第二燃烧室3的上方并且燃尽风竖直喷入所述第二燃烧室3。燃尽风的加入，可以保证燃料燃尽。
由于所述第一燃烧室2的形状为空心圆柱体，所以其横截面为圆形；
进一步地，所述氨喷口5与氨气分配集箱6连接，所述氨气分配集箱6与气化器7连接，所述气化器7与液氨储存装置8连接。
进一步地，所述氨喷口5沿所述第一燃烧室2的轴向方向在所述第一燃烧室2的侧壁上分级分布，每一级所述氨喷口5沿所述第一燃烧室2的周向分布，每一级所述氨喷口5与一个控制装置连接。
液氨由所述液氨储存装置8通过管道送入所述气化器7，液氨气化后，送入所述氨气分配集箱6，然后再通过所述氨气分配集箱6将氨气送入各个氨喷口5中进行喷氨与煤粉或碳氢燃料混合燃烧，由于每一级氨喷口5均与一个控制装置连接，所以可以通过控制所述控制装置中的阀门开度来控制氨气随各级氨喷口5喷入第一燃烧室2的流量比。
所述氨喷口5沿所述第一燃烧室2的轴向方向在所述第一燃烧室2的侧壁上分级分布的意思为，氨喷口5沿着所述第一燃烧室2的中心轴从第一燃烧室2的一端到另一端的侧壁上设置多层氨喷口5，每一层的氨喷口5沿着第一燃烧室2横截面的周长方向上分布。
本实施例中，第一燃烧室2的轴向为左右方向，氨喷口5沿轴向共分成4级分布在第一燃烧室2的外侧，每一级氨喷口5安装一个控制装置，可以实现沿轴向的分级灵活控制；如图3所示，每一级氨喷口沿周向分布6个氨喷口
进一步地，所述第一燃烧室2内掺烧氨气的热值占比为0～50％，在所述第一燃烧室2的内壁敷设耐火材料并布置用于测量和控制第一燃烧室2温度的控温装置，所述第一燃烧室2内的过量空气系数为0.8～1.05。
热值占比是指掺烧的氨气燃烧发出的热量占全部燃料燃烧发出热量的0～50％时的氨气的量。
在所述第一燃烧室2的内壁敷设耐火材料并布置控温装置的目的是保证氨气的快速着火燃烧，又不使第一燃烧室2内温度过高而产生结焦和烧损。
所述旋流燃烧器1配有直流或旋流携带煤粉或碳氢燃料的一次风或二次风，同时旋流燃烧器1和第二燃烧室3的分级配风，保证第一燃烧室2内的过量空气系数在0.8～1.05之间，使得第一燃烧室2氨喷口5附近局部处于富燃料环境，即第一燃烧室2氨喷口5附近局部区域呈现高温、贫氧的还原性气氛，可以抑制NOx的生成，控制掺氨燃烧后NOx的排放。
分级配风是指燃料燃烧所需的所有空气，一部分通过旋流燃烧器送入第一燃烧室，另一部分通过燃尽风送入第二燃烧室，即空气整体分两级进入的配风方式。
燃料燃烧需要充足的氧量，分级配风就是将氧量分阶段送入燃烧区域，这样可以避免燃料燃烧过于集中导致温度过高，同时氧量高，会生成大量的NOx。分级配风后，在燃烧区域氧气不充足，呈还原性气氛，有利于抑制NOx的生成。
其中，过量空气系数亦称“过剩空气系数”、“空气过剩系数”，俗称“余气系数”。指实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比。是反映燃料与空气配合比的一个重要参数。
本发明中控制第一燃烧室2总体为缺氧环境，燃料无法燃尽，同时没有受热面布置，第二燃烧室3为锅炉的主体部分，通过布置受热面来吸收燃料燃烧后释放的热量，第一燃烧室内未燃尽的燃料进入第二燃烧室，同时通过燃尽风的送入来补充剩余燃料燃烧所需氧量，实现燃尽和降低NOx的效果。
本实施例中，主要燃烧设备为包括一次风和二次风的煤粉或碳氢燃料旋流燃烧器，旋流燃烧器1后接的第一燃烧室2，在第一燃烧室2中煤粉或碳氢燃料开始燃烧，产生高温火焰，第一燃烧室2内敷设耐火材料，使得第一燃烧室2内部保持至少在1000～1200℃的范围内，同时从第一燃烧室2轴向和周向掺烧氨气，高温环境有利于氨气掺入后火焰的稳定燃烧，第一燃烧室2后接第二燃烧室3，在第二燃烧室3中混入燃尽风，保证所有燃料充分燃尽。
实施例2：
如图2、图4和图5所示，本实施例与实施例1的主要区别为，所述第一燃烧室2的形状为空心直四棱柱体，其横截面为矩形；所述第二燃烧室3的布置方式为立式布置，所述燃尽风道4位于所述第二燃烧室3的侧边并且燃尽风水平方向喷入所述第二燃烧室3。如图4所示，每一级氨喷口沿周向分布8个氨喷口。
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