一种氨分解产氢掺烧氨气的燃烧系统和方法

1.本发明属于清洁燃烧技术领域，具体是一种氨分解产氢掺烧氨气的燃烧系统和方法。


背景技术：

2.在当前“碳达峰”和“碳中和”的发展目标下，常规化石能源在我国的能源应用比重将大幅下降。利用“零碳”燃料替代常规化石燃料是有效的碳减排途径之一。氢能作为一种高效、清洁的能源载体，原料来源广泛、热值高、零碳排放，得到广泛的重视和研究，被视为最理想的清洁能源之一。然而，氢气由于其较高的扩散特性以及反应活性，使其在运输、储存以及燃烧过程存在易泄露、易爆炸和回火等一系列的安全问题，这些严重制约了氢燃料的工业利用。
3.氨作为一种成本低廉的化工原料，具有较高的能量密度和辛烷值，具备生产工艺成熟、易液化、易储运、燃烧产物零碳排放等优点。从化学式(nh3)可以看出，氨是一种不含碳的富氢载体，在完全燃烧的情况下，产物只有氮气和水，因此也是一种可被用来替代化石燃料的清洁能源。近年来，随着生产工艺的不断进步，合成氨的成本持续降低，这为氨的工业应用提供了极好的技术支持和经济保障。然而，氨应用为燃料面临着两方面重大的挑战：一是nh3的着火及火焰特性，nh3的可燃范围小、着火温度高、火焰层流燃烧速度低和稳定性差；二是nh3燃烧的污染物排放方面，易生成高浓度的no
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，不完全燃烧时，还会造成未燃烧nh3的排放。因此，为了提高氨气在工业生产中的利用，亟须解决氨气燃烧过程中稳定性控制和no
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排放的控制优化问题。
4.为了解决氨气燃烧稳定性的问题，目前常用的方式是掺混活性更高的可燃气体，例如甲烷、氢气和丙烷等。如中国专利cn110440251b中所提供的一种氨燃烧的控制方法以及氨燃烧装置，此专利所述的方法需要在启动阶段额外添加含碳可燃性气体，这种方式无法实现真正的“零碳”排放，同时还需要额外对烟气中氮氧化物进行处理。中国专利cn113294801b提供了一种实现纯氨高效清洁燃烧的燃烧装置及其控制方法，能够实现氨的高效稳定燃烧。但该专利所述的装置包含了两个氨热解装置和一个scr反应装置，不仅结构复杂，还增加了额外的成本。另一方面，中国专利cn112902163b提供了一种基于氨分解的掺氢低氮燃烧系统和方法，能够解决提高燃烧热释放速率和氮氧化物排放的问题。但该专利所述的两个串联燃烧装置进气管路中的氨-氢比例无法依据负荷需求实现可控调节，同时燃烧区尾部的氨气虽然能够降低氮氧化物的排放量，但火焰末端温度较低，容易产生氨逃逸现象。


技术实现要素：

5.本发明针对上述氨气燃烧的过程中存在稳定性控制和no
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排放的控制优化问题，提出了一种氨分解产氢掺烧氨气的燃烧系统和方法。本发明将通过氨-氢混合燃烧提高燃烧的稳定性和燃烧效率，利用氨燃料本身很高的氢密度，在催化剂作用下分解产生氢气，在
不需要额外储氢设备下得到氢气应用于氨-氢混合燃料实际使用中。同时，氨气能够与生成的氮氧化物发生原位还原反应，降低尾气中氮氧化物的排放。将氨气和氢气两种燃料进行合理且精确的混合，实现高效清洁无碳排放的燃烧。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种氨分解产氢掺烧氨气的燃烧系统，包括氨储存罐、氨蒸发装置、氨气分解装置、氢气提纯装置、空气源和燃烧装置，燃烧装置内含有第一进气口和第二进气口，氨气蒸发装置的出口分别与第一进气口管路、第二进气口管路、氨气分解装置相连，氨气分解装置的出口与氢气提纯装置入口相连，氢气提纯装置的出口分别与第一进气口管路、第二进气口管路相连，空气源通过气泵分别与第一进气口管路、第二进气口管路相连，第一进气口混合气为贫燃气，第二进气口混合气为富燃气。
8.一种基于氨气分解产生的氢气掺混氨气的氨-氢混合气为燃烧气体，空气为供氧体的氨气燃烧系统。通过氨分解和氢气提纯装置产氢，解决氢气的运输和储存问题。通过调节氢气、氨气的比例以及空气进量，使第一进气口混合气为含氢量较高的贫燃气，提高火焰层流速度和燃烧的稳定性，第二进气口混合气为含氢量较低的富燃气，通过第一进气口贫燃气对第二进气口富燃气的助燃和稳定燃烧作用，提高整体燃烧热的释放速率，通过第二进气口富燃气中的氨还原降低尾气中氮氧化物的排放量。
9.进一步，第一进气口区域设置燃烧器；氢气提纯装置为变压吸附装置或膜分离装置。
10.进一步，氨气分解装置设置换热夹套，燃烧装置的尾气排气出口与氨气分解装置的换热夹套连接。
11.进一步，氨气蒸发装置设置换热夹套，氨气分解装置的换热夹套和氨气分解装置的换热夹套相连，实现回热再利用。
12.上述燃烧系统实现氨分解产氢掺烧氨气的燃烧方法，其特征在于，步骤如下：
13.过氨气分解装置和氢气提纯装置产生的总体积的60％-100％的氢气、氨气以及空气组成一次混合气从第一进气口进入燃烧装置进行燃烧；
14.剩余的氢气、氨气以及空气组成二次混合气从第二进气口进入燃烧装置进行燃烧；
15.根据氨气的燃烧状态以及释放热速率，调整进入氨气分解装置中氨气的流量，即氢气的产量，使氨气的燃烧高效、稳定的进行。
16.第一进气口混合气为氢含量较高的氨-氢贫燃气，第二进气口混合气为氢含量较低的氨-氢富燃气，第一进气口的贫燃气充分燃烧，释放的燃烧热量和较快的层流火焰速度有助于第二进气口富燃气体的燃烧。此外，第二进气口富燃气中过量氨气能够与氮氧化物发生还原反应，降低氮氧化物的排放。这种氨-氢掺混的贫燃-富燃燃烧方式既能够提高nh3燃烧的稳定性和热释放量，又能够降低排气中no
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的含量。
17.进一步，氨分解装置的催化剂为ru-ba/ac、ni-la(ce)-k/sio2或co/mgalo
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。
18.进一步，第一进气口混合气中h2与h2 nh3的体积流量占比为10％～40％；
19.第一进气口混合气的当量比为0.6～1；
20.第二进气口混合气中h2掺混比为0～10％；
21.第二进气口混合气的当量比为1～1.3。
22.进一步，第一进气口混合气中h2与h2 nh3的体积流量占比为15％～25％；
23.第一进气口混合气的当量比为0.8～0.9；
24.第二进气口混合气中h2掺混比为0～5％；
25.第二进气口混合气的当量比为1.1-1.2。
26.进一步，氢气提纯装置中未分解的氨气收集回流至氨气分解装置。
27.进一步，燃烧装置的尾气端布置no
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浓度检测器，根据no
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浓度调控第一进气口混合气和第二进气口混合气的当量比。
28.进一步，氢气提纯装置中未分解的氨气收集回流至氨气分解装置。
29.通过调变氨气分解装置和氢气提纯装置的产氢速率，调控第一进气口混合气中的氢气含量和贫燃程度、以及第二进气口混合气中的氢气含量和富燃程度，保证燃烧火焰的稳定性和热释放速率，同时减少no
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的排放。
30.第一进气口混合气和第二进气口混合气分别为多氢贫燃气和少氢富燃气，通过对上述参数的调整，使整个燃烧装置的燃烧稳定性、热释放速率以及尾气中氮氧化物的排放达到最优化。
31.本发明的有益效果在于：
32.提供了一种氨分解产氢掺烧氨气的燃烧系统和方法，利用氨分解和氢气提纯装置产生的氢气，不同比例掺混氨气为燃料，空气提供氧气，分两路进入燃烧装置中进行燃烧，进而提供能量；通过对燃烧混合气比例的调控和燃烧装置的设计，维持氨气燃烧的稳定性，并使燃烧的热释放速率最大化；利用富燃混合气中nh3对生成的no
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的原位还原反应，降低燃烧装置尾气中氮氧化物的排放量。
33.利用氨分解装置和氢气提纯装置产氢，降低了氢气的运输和存储成本，提高了安全性。
34.利用氨-氢掺混燃烧，改善了纯氨燃料的可燃极限范围和单位质量热值，提高燃料燃烧的稳定性和燃烧热效率。
35.利用贫燃-富燃相结合的燃烧方式，提高燃烧过程的稳定性和燃烧的热效率，同时降低了氨燃烧过程中氮氧化物的排放。
36.利用氨-氢掺混的零碳燃料，能够实现燃烧设备的零碳排放。
附图说明
37.图1为一种氨分解产氢掺烧氨气燃烧系统的结构图；
38.其中，1-氨储存罐，2-氨蒸发装置，3-氨分解装置，4-氢提纯装置，5-气泵，6-燃烧装置，7-第一进气口，8-第二进气口，9-换热装置。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
40.如图1所示，本实施例一种氨分解产氢掺烧氨气的燃烧工艺，包括氨储存罐1，氨储存罐1出口连通氨蒸发装置2入口，氨蒸发装置2出口的氨气分别通过a，b，c三管路连接第一进气口管路f、氨分解装置3入口和第二进气口管路g，氨分解装置3出口连通氢提纯装置4入
口，氢提纯装置4的出口通过d，e管路分别连接至第一进气口管路f和第二进气口管路g，气泵5出口分两路气，一路将空气引入第一进气口管路f与氢-氨混合气预混，通过第一进气口7进入燃烧室6，另一路将空气引入第二进气口管路g与氢-氨混合气预混，通过第二进气口8进入燃烧室6。在各路管路中分别设置调节阀，以控制管路中混合气氨-氢的掺混比和当量比。
41.本实施例的氨分解产氢掺烧氨气燃烧系统的工作方法如下：
42.1)氨分解装置的加热器进行工作，使内部温度维持在350℃～550℃。氨蒸发装置2中的氨气经b管路送至氨气分解装置3和氢气提纯装置4产生h2；氢气提纯装置4中产生的氢气分成d，e两路，d管路的氢气与a管路中的氨气和空气预混形成10％～40％氢含量的氨-氢混合贫燃气，经f管路从第一进气口7进入燃烧装置进行燃烧，e管路的氢气与c管路中的氨气和空气预混形成0～10％氢含量的氨-氢混合富燃气，经g管路从第二进气口8进入燃烧装置进行燃烧。
43.2)当氨分解装置内温度达到400℃以上时，燃烧装置进入维持阶段，此时可将燃烧装置的排气引入换热装置为氨分解装置提供热源，实现对燃烧装置余热的利用，将氨分解装置的换热夹套与氨气蒸发装置的换热夹套相连，实现回热的再利用。
44.3)通过调节进入氨分解装置中氨气的流量，调控氢气提纯装置中氢气的产生量，进而调控f，g管路中氨-氢混合气的氢气的含量。通过调节气泵的流量，调控第一进气口管路f中贫燃气的当量比和第二进气口管路g中富燃气的当量比，以调控氨-氢混合燃料燃烧的热稳定性和燃烧热释放速率，同时利用富燃气中的nh3对尾气中的氮氧化物进行原位还原反应，降低燃烧装置尾气中氮氧化物的排放。
45.所述的氨分解装置内部填有催化剂，催化剂成分为ru-ba/ac、ni-la(ce)-k/sio2或co/mgalo
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催化剂。
46.所述的氢提纯装置为：变压吸附装置或膜分离装置。
47.所述第一进气口混合气中h2掺混比(h2/(h2 nh3)体积流量占比)为10％～40％。
48.所述第一进气口混合气的当量比为0.6～1。
49.所述第二进气口混合气中h2掺混比为0～10％。
50.所述第二进气口混合气的当量比为1～1.3。
51.本发明的进一步方案，氢气提纯装置中未分解的氨气收集回流至氨气分解装置。
52.所述的燃烧装置，根据燃烧负荷的要求，利用氨分解装置和氢气提纯装置控制氢气的供给量，调控氨-氢的混配比例，满足燃烧负荷要求。
53.所述的燃烧装置尾气端布置no
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浓度检测器，根据no
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浓度调控第一进气口混合气和第二进气口混合气的当量比。
54.本发明所提供的氨分解产氢的氨-氢混合气为燃料组成的燃烧装置，可以应用于火力发电厂，汽车发动机等领域。不但能够降低现有化石燃料燃烧的碳排放强度，减少环境污染；同时，充分利用再生能源合成氨，能够使人类摆脱对化石能源的依赖，进入氨能源的新时代。
55.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，能够以其他具体形式实验本发明。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。