本發(fā)明屬于熱能工程，涉及一種氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器

背景技術(shù)：

1、由于氫的制備成本較高，且在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中存在復(fù)雜的安全問(wèn)題，現(xiàn)階段難以開展大規(guī)模的氫燃料利用。與氫類似，氨同樣是無(wú)碳燃料，且作為能量載體具有更大的優(yōu)勢(shì)：氨氣在常溫下0.8mpa即可液化，大大降低了運(yùn)輸成本。工業(yè)界對(duì)氨的利用已有近百年的經(jīng)驗(yàn)，其生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等設(shè)施與經(jīng)驗(yàn)十分成熟，成本也相對(duì)低廉，因此，氨燃料具備大規(guī)模應(yīng)用的潛質(zhì)。然而氨作為燃料具有兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)，其一是由于其層流燃燒速度低，導(dǎo)致氨燃燒穩(wěn)定性差，在燃燒室中的燃燒效率低。其二是由于氨分子中含有氮原子，貧燃條件下氨燃燒會(huì)產(chǎn)生極高的nox排放。目前關(guān)于氨燃燒的研究主要集中于氨的氣相噴射，它的一個(gè)主要缺點(diǎn)是需要在供應(yīng)管線上預(yù)先蒸發(fā)氨，蒸發(fā)和加熱的需要延長(zhǎng)了以氣態(tài)氨混合物為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服現(xiàn)有的技術(shù)難題，本發(fā)明的目的在于提供一款氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，使用液氨作為燃料，通過(guò)燃料分級(jí)，氫氣助燃，多級(jí)旋流預(yù)混，分級(jí)燃燒，減少氮氧化物的排放的同時(shí)，提高預(yù)蒸發(fā)效率，提高以氨為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)性，縮短啟動(dòng)時(shí)間。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，包括火焰筒，一級(jí)旋流器，預(yù)蒸發(fā)管，氫氣集氣室以及液氨燃料管路，液氨燃料管路的前端有液氨噴口；所述預(yù)蒸發(fā)管主體為圓筒形，其側(cè)壁為環(huán)形空腔一，環(huán)形空腔一的前端伸入火焰筒并設(shè)置燃料擴(kuò)散孔；

4、所述氫氣集氣室、液氨燃料管路和一級(jí)旋流器設(shè)置在預(yù)蒸發(fā)管的內(nèi)環(huán)空間，氫氣集氣室位于一級(jí)旋流器的上游，為環(huán)形空腔二，壁面開有多個(gè)燃料擴(kuò)散孔，氫氣沿燃料擴(kuò)散孔擴(kuò)散，與壓縮空氣完成預(yù)混；

5、液氨燃料的一部分經(jīng)液氨燃料管路從液氨噴口噴入火焰筒，另一部分進(jìn)入所述環(huán)形空腔一，吸收熱量預(yù)蒸發(fā)，完成由液氨到氨氣的相變過(guò)程，所得氨氣經(jīng)由所述燃料擴(kuò)散孔擴(kuò)散至火焰筒。

6、在一個(gè)實(shí)施例中，所述火焰筒中下游壁面開有二次空氣孔，部分經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后的空氣由二次空氣孔進(jìn)入燃燒區(qū)使空氣過(guò)量，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒。

7、在一個(gè)實(shí)施例中，所述火焰筒壁面層層重疊，層與層之間的連接處垂直開有冷卻孔，設(shè)置每層壁面的末端外擴(kuò)，使得空氣能夠在冷卻孔入口聚集，冷卻空氣包裹住層層堆疊的壁面，實(shí)現(xiàn)氣膜冷卻；經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后的空氣部分從火焰筒尾端進(jìn)入，部分通過(guò)冷卻孔冷卻火焰筒壁面，剩余空氣從二次空氣孔通入。

8、在一個(gè)實(shí)施例中，所述一級(jí)旋流器包括一級(jí)軸向旋流器和一級(jí)徑向旋流器，所述一級(jí)軸向旋流器和一級(jí)徑向旋流器與所述液氨燃料管路同軸布置，以空氣流向?yàn)閰⒖?，一?jí)軸向旋流器位于液氨噴口上游，一級(jí)徑向旋流器位于液氨噴口下游，兩者之間設(shè)置一級(jí)間隔段使旋流充分發(fā)展，整個(gè)液氨噴口位于旋流作用區(qū)內(nèi)。

9、在一個(gè)實(shí)施例中，所述一級(jí)徑向旋流器可使速度沿軸向的混合氣流發(fā)展成為徑向旋流。

10、在一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)蒸發(fā)管中心空間為一次風(fēng)道，液氨-氫氣-空氣完成預(yù)混旋流；預(yù)蒸發(fā)管和火焰筒之間為二次風(fēng)道，由液氨吸熱相變而來(lái)的氨氣與空氣完成預(yù)混旋流，共同前往燃燒區(qū)燃燒。

11、在一個(gè)實(shí)施例中，所述液氨-氫氣-空氣維持火焰穩(wěn)定燃燒，以質(zhì)量計(jì)，添加氫氣的質(zhì)量為供給燃燒器液氨質(zhì)量的1.3％-5.0％；所述一次燃燒的當(dāng)量比控制在1.1-1.3，維持還原性氣氛可降低氮氧化物生成。進(jìn)入預(yù)蒸發(fā)管參與預(yù)蒸發(fā)的液氨占比為供給燃燒器全部液氨燃料的10％-40％。

12、在一個(gè)實(shí)施例中，所述氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器還包括二級(jí)軸向旋流器，所述二級(jí)軸向旋流器設(shè)置在預(yù)蒸發(fā)管和火焰筒之間，形成二次風(fēng)道。

13、在一個(gè)實(shí)施例中，所述一級(jí)軸向旋流器與一級(jí)徑向旋流器旋向相同，與二級(jí)軸向旋流器旋向相反。

14、在一個(gè)實(shí)施例中，所述氫氣集氣室的外壁緊貼所述預(yù)蒸發(fā)管的內(nèi)壁設(shè)置，所述氫氣集氣室的內(nèi)壁與液氨燃料管路具有間距，所述燃料擴(kuò)散孔均勻開設(shè)在氫氣集氣室的內(nèi)壁上，氫氣沿燃料擴(kuò)散孔徑向均勻擴(kuò)散。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

16、本發(fā)明在液氨燃料管路同軸布置一級(jí)軸向旋流器和一級(jí)徑向旋流器，液氨噴口位于旋流作用區(qū)內(nèi)，氨氣擴(kuò)散后與空氣混合，進(jìn)入預(yù)蒸發(fā)管，與燃燒器火焰筒的高溫空氣接觸，實(shí)現(xiàn)由液氨到氨氣的相變過(guò)程，氨氣經(jīng)由燃料擴(kuò)散孔擴(kuò)散至二級(jí)軸向旋流器下游，與空氣進(jìn)一步混合后進(jìn)入燃燒區(qū)燃燒。本發(fā)明添加氫氣，實(shí)現(xiàn)液氨和氫氣的預(yù)混，通過(guò)氫氣燃燒，提高燃燒區(qū)溫度，使液氨在預(yù)蒸發(fā)管中更容易蒸發(fā)，提高了預(yù)蒸發(fā)效率，降低了液氨燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗，提高了燃?xì)廨啓C(jī)的效率。

技術(shù)特征：

1.一種氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，包括火焰筒(11)，一級(jí)旋流器，預(yù)蒸發(fā)管(31)，氫氣集氣室(41)以及液氨燃料管路(21)，液氨燃料管路(21)的前端有液氨噴口(22)；其特征在于：所述預(yù)蒸發(fā)管(31)主體為圓筒形，其側(cè)壁為環(huán)形空腔一，環(huán)形空腔一的前端伸入火焰筒(11)并設(shè)置燃料擴(kuò)散孔(33)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述火焰筒(11)中下游壁面開有二次空氣孔(12)，部分經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后的空氣由二次空氣孔(12)進(jìn)入燃燒區(qū)使空氣過(guò)量，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述火焰筒(11)壁面層層重疊，層與層之間的連接處垂直開有冷卻孔(13)，設(shè)置每層壁面的末端外擴(kuò)，使得空氣能夠在冷卻孔(13)入口聚集，冷卻空氣包裹住層層堆疊的壁面，實(shí)現(xiàn)氣膜冷卻；經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后的空氣部分從火焰筒(11)尾端進(jìn)入，部分通過(guò)冷卻孔(13)冷卻火焰筒壁面，剩余空氣從二次空氣孔(12)通入。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述一級(jí)旋流器包括一級(jí)軸向旋流器(5)和一級(jí)徑向旋流器(7)，所述一級(jí)軸向旋流器(5)和一級(jí)徑向旋流器(7)與所述液氨燃料管路(21)同軸布置，以空氣流向?yàn)閰⒖?，一?jí)軸向旋流器(5)位于液氨噴口(22)上游，一級(jí)徑向旋流器(7)位于液氨噴口(22)下游，兩者之間設(shè)置一級(jí)間隔段(6)使旋流充分發(fā)展，整個(gè)液氨噴口(22)位于旋流作用區(qū)內(nèi)；所述一級(jí)徑向旋流器(7)使速度沿軸向的混合氣流發(fā)展成為徑向旋流。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述預(yù)蒸發(fā)管(31)中心空間為一次風(fēng)道，液氨-氫氣-空氣完成預(yù)混旋流；預(yù)蒸發(fā)管(31)和火焰筒(11)之間為二次風(fēng)道，由液氨吸熱相變而來(lái)的氨氣與空氣完成預(yù)混旋流，共同前往燃燒區(qū)燃燒。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述液氨-氫氣-空氣維持火焰穩(wěn)定燃燒，以質(zhì)量計(jì)，添加氫氣的質(zhì)量為供給燃燒器液氨質(zhì)量的1.3％-5.0％；一次燃燒當(dāng)量比控制在1.1-1.3的濃燃工況，維持還原性氣氛，降低氮氧化物生成。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：以質(zhì)量計(jì)，進(jìn)入預(yù)蒸發(fā)管(31)參與預(yù)蒸發(fā)的液氨占比為供給燃燒器全部液氨燃料的10％-40％。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器還包括二級(jí)軸向旋流器(8)，所述二級(jí)軸向旋流器(8)設(shè)置在預(yù)蒸發(fā)管(31)和火焰筒(11)之間，形成二次風(fēng)道。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述一級(jí)軸向旋流器(5)與一級(jí)徑向旋流器(7)旋向相同，與二級(jí)軸向旋流器(8)旋向相反。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，其特征在于：所述氫氣集氣室(41)的外壁緊貼所述預(yù)蒸發(fā)管(31)的內(nèi)壁設(shè)置，所述氫氣集氣室(41)的內(nèi)壁與液氨燃料管路(21)具有間距，所述燃料擴(kuò)散孔(43)均勻開設(shè)在氫氣集氣室(41)的內(nèi)壁上，氫氣沿燃料擴(kuò)散孔(43)徑向均勻擴(kuò)散。

技術(shù)總結(jié)
一種氫氣助燃的液氨燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器，包括位于中心主軸的液氨燃料管路，液氨燃料管路外圍同軸設(shè)有一級(jí)軸向旋流器和一級(jí)徑向旋流器，旋向相同，用于穩(wěn)定液氨火焰。外圍設(shè)置預(yù)蒸發(fā)管與氫氣集氣室，預(yù)蒸發(fā)管中心空間形成一次風(fēng)道供液氨、氫氣和空氣完成預(yù)混旋流，穩(wěn)定液氨火焰。預(yù)蒸發(fā)管中預(yù)蒸發(fā)的氨氣進(jìn)入二次風(fēng)道，通過(guò)二級(jí)軸向旋流器完成與空氣的預(yù)混旋流。火焰筒壁面開有二次空氣孔，空氣大量進(jìn)入將燃料燃盡提升燃燒效率，同時(shí)稀釋尾氣降低NOx排放。本發(fā)明以液氨為燃料，通過(guò)液氨燃料分級(jí)，氫氣助燃，多級(jí)旋流預(yù)混，分級(jí)燃燒，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定液氨火焰和降低NOx排放。

技術(shù)研發(fā)人員：張猛,萬(wàn)欣鑫,王金華,黃佐華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23