一种天然气掺氢均匀混合装置及方法与流程

1.本发明属于天然气掺氢燃烧系统技术领域，具体涉及一种天然气掺氢均匀混合装置及方法。


背景技术：

2.天然气是高效清洁能源，其在发电、供暖等领域都出现了替代煤炭的现象。但随着天然气在能源消耗中的比例逐渐增大，气源问题将日益严峻。
3.风能、太阳能等清洁能源具有较大的波动性，经常出现弃风、弃光的问题。可将该部分能源转换为氢气，将氢气掺入天然气中进行利用，不仅能提高风能、太阳能等清洁能源的利用率，还能有效缓解天然气不足的问题。
4.增加氢能在能源消耗中的应用比率能有效应对全球气候变化、降低碳排放。但由于纯氢的大规模利用还存在诸多技术难题，目前还处于将氢气应用在掺混燃烧中的阶段。天然气掺氢气的清洁能源的应用是化石能源向纯氢能源过渡的有效方案。但是由于天然气和氢气之间的密度差较大，一般的混合方法难以将它们混合得比较均匀，天然气和氢气若混合不均匀，会影响混合燃气燃烧的稳定性，对于燃烧产物难以控制，导致可能产生污染物如氮氧化合物等有害气体。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种天然气掺氢均匀混合装置及方法，本发明能够将天然气、氢气两种燃料均匀混合，有利于整个混合气体的稳定燃烧，降低甚至避免污染物如氮氧化合物等有害气体的产生。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种天然气掺氢均匀混合装置，包括混合罐体和设置于混合罐体中的天然气喷气系统、旋流板、氢气喷气旋流系统和均流板，天然气喷气系统、旋流板、氢气喷气旋流系统和均流板在混合罐体中自下而上依次设置；旋流板的旋向和氢气喷气旋流系统的旋向相反，氢气喷气旋流系统的喷射方向向下；
8.混合罐体的顶部设有混合气出口。
9.优选的，天然气喷气系统的喷射方向向下，混合罐体内腔在天然气喷气系统的下方设置有天然气反射底板。
10.优选的，天然气喷气系统包括天然气进气主管和天然气喷射头，天然气进气主管的一端与天然气喷射头的进气端连接，天然气进气主管的另一端密封贯穿混合罐体的侧壁。
11.优选的，天然气喷射头包括天然气分配器和若干天然气喷射杆，天然气分配器的入口与天然气进气主管连接，天然气分配器沿其周向均匀设置有若干第一天然气出气孔，每个天然气出口连接天然气喷射杆。
12.优选的，天然气喷射杆的下部沿天然气喷射杆的长度方向均匀开设有若干第二天
然气出气孔。
13.优选的，旋流板上开设有多个矩形开孔，矩形开孔沿旋流板的径向呈环形分布，每个矩形开孔上方均设置有固定角度的能够使天然气流经矩形开孔时形成旋流风的倾斜挡板。
14.优选的，氢气喷气旋流系统包括氢气分配环和若干出气管，氢气分配环为环形中空结构，氢气分配环的内侧沿周向均匀开设有若干氢气出气孔，每个氢气出气孔上连接出气管，每个出气管的出口均朝向斜下方，能够使氢气喷出后形成旋流风；氢气分配环上连接有氢气进气主管，氢气进气主管的入口端密封贯穿混合罐体的侧壁。
15.优选的，氢气分配环的外侧沿混合罐体的内侧壁设置。
16.优选的，均流板上均匀布置有多个大小相同的圆形开孔，混合罐体的顶部设有排空孔，混合罐体的底部设置有支腿。
17.本发明还提供了一种天然气掺氢均匀混合方法，该方法采用本发明如上所述的天然气掺氢均匀混合装置进行，包括如下过程：
18.将天然气形成向上的旋流，将氢气形成向下的旋流，天然气旋流的旋向与氢气旋流的旋向相反；
19.天然气旋流与氢气旋流碰撞混合形成混合流，之后对混合流进行均流，实现天然气掺氢均匀混合。
20.本发明具有如下有益的技术效果：
21.本发明天然气掺氢均匀混合装置中，利用旋流板能够使天然气喷气系统喷射出的天然气发生旋转运动，形成向上的旋流，氢气喷气旋流系统能够将氢气向下喷出并形成旋流，因此天然气旋流能够与氢气旋流发生激烈碰撞使得天然气与氢气充分混合，均流板的设置能够使天然气与氢气形成的混合气状态稳定下来并且还能够进一步起到使天然气与氢气形成的混合气混合的更充分的作用，因此本发明的天然气掺氢均匀混合装置能够将天然气、氢气两种燃料均匀混合，有利于整个混合气体的稳定燃烧，降低甚至避免污染物如氮氧化合物等有害气体的产生。
22.进一步的，通过设置天然气反射底板，能够将向下喷射的天然气进行整流，使得天然气能够较为均匀地在混合罐体横截面方向分布，有助于天然气与氢气的均匀混合。
23.进一步的，氢气分配环的外侧沿混合罐体的内侧壁设置，能够防止在氢气分配环外壁面产生绕氢气分配环旋转的气流(涡环现象)、该气流会降低氢气分配环附近气体的流速进而降低天然气与氢气的混合均匀程度。
附图说明
24.图1为本发明天然气掺氢均匀混合装置的结构示意图。
25.图2为本发明中均流板的结构示意图。
26.图3为本发明中氢气旋流喷气系统的结构示意图。
27.图4为本发明旋流板的结构示意图。
28.图5为本发明中天然气进气系统的结构示意图。
29.图中：1
‑
排空管、2
‑
混合气出气管、3
‑
混合罐体、4
‑
均流板、4
‑1‑
圆孔、5
‑
氢气旋流喷气系统，5
‑1‑
氢气分配环、5
‑
2出气管、6
‑
氢气进气主管、7
‑
旋流板、7
‑1‑
矩形开孔、7
‑2‑
倾
斜挡板、8
‑
天然气进气主管、9
‑
天然气喷气系统、10
‑
天然气反射底板、11
‑
支腿、12
‑
天然气喷射头、13
‑
天然气分配器、14
‑
天然气喷射杆。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
31.参照图1，本发明天然气掺氢均匀混合装置，包括混合罐体3和设置于混合罐体3中的天然气喷气系统9、旋流板7、氢气喷气旋流系统5和均流板4，天然气喷气系统9、旋流板7、氢气喷气旋流系统5和均流板4在混合罐体3中自下而上依次设置；旋流板7的旋向和氢气喷气旋流系统5的旋向相反，氢气喷气旋流系统5的喷射方向向下；混合罐体3的顶部设有混合气出口。
32.作为本发明优选的实施方案，参照图1，天然气喷气系统9的喷射方向向下，混合罐体3内腔在天然气喷气系统9的下方设置有天然气反射底板10。
33.作为本发明优选的实施方案，参照图1和图5，天然气喷气系统9包括天然气进气主管8和天然气喷射头12，天然气进气主管8的一端与天然气喷射头的进气端连接，天然气进气主管8的另一端密封贯穿混合罐体3的侧壁。
34.作为本发明优选的实施方案，参照图5，天然气喷射头12包括天然气分配器13和若干天然气喷射杆14，天然气分配器13的入口与天然气进气主管8连接，天然气分配器13沿其周向均匀设置有若干第一天然气出气孔，每个天然气出口连接天然气喷射杆14，这种结构有助于天然气沿混合罐体3横截面方向上均匀分布。
35.作为本发明优选的实施方案，参照图5，天然气喷射杆14的下部沿天然气喷射杆14的长度方向均匀开设有若干第二天然气出气孔。
36.作为本发明优选的实施方案，参照图4，旋流板7上开设有多个矩形开孔7
‑
1，矩形开孔7
‑
1沿旋流板7的径向呈环形分布，每个矩形开孔7
‑
1上方均设置有固定角度的能够使天然气流经矩形开孔7
‑
1时形成旋流风的倾斜挡板。
37.作为本发明优选的实施方案，参照图3，氢气喷气旋流系统5包括氢气分配环5
‑
1和若干出气管5
‑
2，氢气分配环5
‑
1为环形中空结构，氢气分配环5
‑
1的内侧沿周向均匀开设有若干氢气出气孔，每个氢气出气孔上连接出气管5
‑
2，每个出气管5
‑
2的出口均朝向斜下方，能够使氢气喷出后形成旋流风；氢气分配环5
‑
1上连接有氢气进气主管6，氢气进气主管的入口端密封贯穿混合罐体3的侧壁。
38.作为本发明优选的实施方案，参照图1和图3，氢气分配环5
‑
1的外侧沿混合罐体3的内侧壁设置，这样能够避免氢气分配环5
‑
1对天然气和氢气的混合带来较大扰动气流，降低混合的均匀性。
39.作为本发明优选的实施方案，均流板4上均匀布置有多个大小相同的圆形开孔，混合罐体3的顶部设有排空孔，混合罐体3的底部设置有支腿11，均流板4能够对天然气和氢气的混合气进行稳流以及进一步使两者混合均匀。
40.本发明还提供了一种天然气掺氢均匀混合方法，该方法采用本发明如上所述的天然气掺氢均匀混合装置进行，包括如下过程：
41.将天然气形成向上的旋流，将氢气形成向下的旋流，天然气旋流的旋向与氢气旋流的旋向相反；
42.天然气旋流与氢气旋流碰撞混合形成混合流，之后对混合流进行均流，实现天然气掺氢均匀混合。
43.实施例
44.如图1、图2、图3、图4及图5所示，本实施例的天然气掺氢均匀混合装置，可实现天然气、氢气两种燃料均匀且安全混合，包括排空管1、混合气出气管2、混合罐体3、均流板4、氢气旋流喷气系统5、氢气进气主管6、旋流板7、天然气进气主管8、天然气喷气系统9、天然气反射底板10及支腿11。
45.其中，在混合罐体3内，天然气反射底板10、天然气进气系统8、9，旋流板7，氢气旋流喷气系统5、氢气进气主管6及均流板4从下往上依次布置。
46.天然气进气系统9包括天然气进气主管8和天然气喷射头12，天然气进气主管8的一端与天然气喷射头的进气端连接，天然气进气主管8的另一端密封贯穿混合罐体3的侧壁。天然气喷射头12包括天然气分配器13和若干天然气喷射杆14，天然气分配器13的入口与天然气进气主管8连接，天然气分配器13沿其周向均匀设置有若干第一天然气出气孔，每个天然气出口连接天然气喷射杆14，这种结构有助于天然气沿混合罐体3横截面方向上均匀分布。天然气喷射杆14的下部沿天然气喷射杆14的长度方向均匀开设有若干第二天然气出气孔。即所有的天然气出气孔孔口朝向下方的天然气反射底板10。天然气经由天然气进气主管8流至天然气分配器13中，天然气分配器13将天然气平均分至其上连接的多根天然气喷射杆14，再由天然气喷射杆14上均匀布置的第二天然气出气孔喷射进混合罐。由于第二天然气出气孔孔口朝向下方天然气反射底板10，天然气从第二天然气出气孔喷射出来后，由天然气反射底板10阻挡反射后流向旋流板7。
47.旋流板7上设置有多个矩形开孔7
‑
1，多个矩形开孔7
‑
1沿旋流板7的径向呈环形分布，每个开孔上方均设置有固定角度的倾斜挡板7
‑
2，倾斜挡板7
‑
2使天然气经过旋流板7后形成某一旋向的旋流风。
48.氢气喷气旋流系统5包括氢气分配环5
‑
1和若干出气管5
‑
2，氢气分配环5
‑
1为环形中空结构，氢气分配环5
‑
1的内侧沿周向均匀开设有若干氢气出气孔，每个氢气出气孔上连接出气管5
‑
2，每个出气管5
‑
2的出口均朝向斜下方，能够使氢气喷出后形成旋流风；氢气分配环5
‑
1上连接有氢气进气主管6，氢气进气主管的入口端密封贯穿混合罐体3的侧壁，氢气分配环5
‑
1的外侧沿混合罐体3的内侧壁设置。氢气经由氢气进气主管6流至氢气分配环5
‑
1的环形腔体中，并通过多根出气管5
‑
2喷射进混合罐提3。每根出气管5
‑
2以固定角度与氢气分配环5
‑
1连接，且每根出气管出口均朝向斜下方，氢气喷出后形成与天然气流向同轴且旋向相反的旋流风。使氢气旋流喷气系统5喷射出来的氢气与旋流板7流出的天然气的气流相对冲。实现两种燃料的充分混合。
49.均流板4布置在混合罐体3内的最上部，均流板4上布置有多个大小相同的圆形开孔，圆孔4
‑
1成一圈一圈的方式布置，各层圆孔4
‑
1呈环形均匀分布。可对罐体下方相对冲的两种燃料气体的混合气流起到稳流的作用。
50.天然气与氢气混合后由混合罐体3顶上的混合气出气管2排出并送至指定用户。当混合罐体3内压力异常时，混合气体可通过排空管1来泄压。
51.混合罐体3下方设置有支腿11，用于现场固定安装。
52.由上述可以看出，本发明可使天然气、氢气两种燃料进行均匀且安全的混合，为随
后使用天然气掺氢气清洁能源的用户提供均匀的混合气体。相较于燃用传统化石能源，用户使用该混合燃料后，可降低污染气体生成量，达到环保排放的目的。
53.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明，由所提交的权利要求书确定专利保护范围。