一种基于等离子体助燃氨燃料低NOX生成的分级氨气燃烧系统

本发明涉及燃烧和等离子体应用，具体是一种基于等离子体助燃氨燃料低nox生成的分级氨气燃烧系统。

背景技术：

1、若要减少温室效应，采用新的燃料来替代或者部分替代现有的化石燃料是必经途径之一，氢能是未来能源体系、实现能源变革的重要部分。作为一种清洁能源，其燃烧过程稳定，燃烧释放的热值高，但是氢能的运输和存储方面存在巨大的问题和挑战。因此，需要寻找新的清洁能源，氨作为很好的储氢介质是一种十分有市场潜力的能源，其作为无碳燃料燃烧过程中不会产生温室气体，能从源头上减少温室气体排放。但是目前氨燃烧也存在一定的问题，由于氨的燃点高和火焰的传播速率慢，很容易燃烧不稳定，输出功率小，且燃烧产生大量nox污染物。因此需要寻找新的技术手段对氨燃烧进行优化，提高燃烧稳定性并降低nox生成。

2、介质阻挡等离子体(dbd，dielectric barrier discharge)是指利用介质阻挡高电压电场产生的放电现象产生等离子体。其原理是在金属电极之间压入电介质，当电压达到一定值时，在电介质表面形成非热等离子体，实现空气等介质的化学、物理、生物和材料表面处理等应用。介质阻挡等离子体具有低温、非热平衡、较高反应速率、强化化学反应和生物降解等特性。利用介质阻挡放电等离子体电离氨燃料可以缩短点火延迟时间，稳定甚至控制燃烧，提高燃烧速度，以及减少污染物排放。等离子体具有的热作用、化学动力学作用、流动作用，在辅助燃烧方面有着巨大的应用前景，是一种极具前景的新型清洁技术。然而，等离子体助燃对nox污染物的排放的降低效果仍有进一步的提升空间。

3、综上所述，如何针对氨燃烧的特点，提高氨燃烧的稳定性和污染物nox的排放是现有技术中亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于：(1)采用等离子体助燃实现氨气稳定燃烧，解决氨燃料燃烧不稳定、不充分；(2)采用氨气分级燃烧，利用氨燃料强还原特性，实现燃烧污染物nox低排放。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种基于等离子体助燃的氨燃料分级燃烧系统，其中燃料氨气实行分级供入，利用介质阻挡放电等离子体提供高电场，通过剧烈的氨气气体放电现象产生大面积高能量密度的低温非平衡等离子体并喷出，使得部分氨气得以点火并稳定燃烧。同时，通过燃烧器结构布置或直接从燃烧器侧面喷入氨气，在形成的氨气等离子体火焰中喷入一部分氨燃料，在高温低氧燃烧条件下，发挥氨气的燃烧及还原作用，从而降低了整体氨气燃烧nox的生成。

3、本发明的一种基于等离子体助燃的氨燃料分级燃烧系统，包括介质阻挡等离子体发生器、高频高压电源、配气系统、燃烧室、旋流器。介质阻挡放电等离子体发生器包括高压电极、绝缘介质、旋流器和接地金属外壳；配气系统包括鼓风机、储氨罐。

4、本发明采用以下技术方案：

5、一种基于等离子体助燃氨燃料低nox生成的分级氨气燃烧系统，包括介质阻挡等离子体发生器、高频高压电源、配气系统和燃烧室；介质阻挡放电等离子体发生器包括高压电极、绝缘介质和接地金属外壳；配气系统包括鼓风机和储氨罐；

6、所述高压电极安装在绝缘介质中但不与之接触；

7、高频高压电源通过高压线与介质阻挡等离子体发生器的高压电极相连，同时高频高压电源引出一根接地线与介质阻挡等离子体发生器的接地金属外壳相连；介质阻挡等离子体发生器安装在燃烧室顶部进气口；介质阻挡等离子体发生器的放电气体入口与储氨罐相连；燃烧室顶部进气口在介质阻挡等离子体发生器外同轴设置有分级氨气进气口，所述分级氨气进气口与储氨罐相连；在燃烧室顶部进气口处在所述介质阻挡等离子体发生器与分级氨气进气口外同轴设置有助燃空气进气口，所述助燃空气进气口连接鼓风机。

8、进一步的，所述的燃烧室除顶部进气口外，在侧壁安装进气口，通过介质阻挡等离子体发生器进行气体放电的氨气由顶部进气口通入，通过燃料分级燃烧的氨气由等离子体发生器管外套筒或燃烧器侧壁进气口通入。

9、进一步的，所述顶部进气口为同轴结构并安装旋流器，从而同时通入助燃气体空气和氨气等离子体并产生旋转气流，提高燃烧效率。

10、进一步的，所述的介质阻挡等离子体发生器，具体安装在燃烧室顶部进气口位置，所述介质阻挡放电装置包括高压电极、绝缘介质、旋流器和接地金属外壳，陶瓷管固定在高压电极和地电极内侧。

11、进一步的，所述介质阻挡等离子体发生器为同轴结构，从而增加氨气电离效率。

12、作为本发明更进一步的改进，通过介质阻挡等离子体发生器直接电离氨气，从而产生氢气(h2)、氮气(n2)、氨基自由基(nh2)、氨基根离子(nh2-)、氨基离子(nh3+)等产物，同时放电区的温度升高点燃气体。最终降低了氨的点火难度并提高了燃烧稳定性。

13、作为本发明更进一步的改进，一部分氨气通过分级，从同心套筒管或燃烧器侧壁通入氨气等离子体火焰中，此时氨气燃烧进一步消耗了氧气形成低氧区域，同时火焰中产生的nox在低氧氨气的作用下进行还原，从而有效抑制了nox的生成。

14、根据本发明的实施例，提出一种控制等离子体助燃的氨燃料分级燃烧系统的方法，具体包括如下步骤：

15、步骤(1)：高频高压电源设定步骤，在高频高压电源控制系统的设定单元中根据所需的等离子体参数调节限定电压、限定功率；

16、步骤(2)：燃料源、空气源流量设定步骤，在储氨罐、鼓风机、引风机的流量设定单元中，按分级比例设定等离子体发生器进入口氨气和分级进入口所通入的氨气，根据所需的气体流量调节流量数值；

17、步骤(3)：分级比例优化步骤，在等离子体助燃系统正常工作时，根据实际燃烧情况改变分级比例，探寻最佳的nox排放低点；

18、步骤(4)分级喷氨位置优化步骤，在等离子体助燃系统正常工作时，根据实际燃烧情况改变不同的分级喷氨位置，即同轴喷氨或不同位置的侧壁喷氨，探寻最佳的nox排放低点。

19、以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

20、采用本发明提供的技术方案，具有如下显著效果：

21、(1)利用介质阻挡进行氨气等离子体放电，降低了氨气燃烧难度，提高了氨气燃烧的稳定性；

22、(2)利用旋流器产生旋转气流，提高燃烧效率；

23、(3)利用氨气分级燃烧，进一步降低nox排放。理想的分级比例为氨气等离子体和侧壁氨气体积比20％(10％-30％)，使得氨气等离子体充分放电，同时侧壁喷入的氨也能充分燃烧。

技术特征：

1.一种基于等离子体助燃氨燃料低nox生成的分级氨气燃烧系统，其特征在于，包括介质阻挡等离子体发生器、高频高压电源、配气系统和燃烧室；介质阻挡放电等离子体发生器包括高压电极、绝缘介质和接地金属外壳；配气系统包括鼓风机和储氨罐；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，氨气燃料进行分级燃烧；所述的燃烧室一次氨燃料除通过中心燃料进气口喷入外，在侧壁安装二次氨气进气口，通过介质阻挡等离子体发生器进行一次氨气气体放电通入，通过燃料分级燃烧的二次氨气由等离子体发生器管外套筒或燃烧器侧壁进气口通入。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃烧室顶部设有多组同轴进气口，中心为介质阻挡等离子体进气口，从中心向外依次设置外侧为分级喷氨和空气进气口，进气口底部设有旋流器，燃烧室侧壁不同高度处设有多组分级喷氨位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的介质阻挡等离子体发生器，安装在燃烧室燃料进气口位置，所述介质阻挡放电装置包括高压电极、绝缘介质、旋流器和接地金属外壳，陶瓷管固定在高压电极和地电极内侧。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述介质阻挡等离子体发生器为同轴结构，从而增加氨气电离效率。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过介质阻挡等离子体发生器直接电离氨气，从而产生氢气(h2)、氮气(n2)、氨基自由基(nh2)、氨基根离子(nh2-)和氨基离子(nh3+)产物，同时放电区的温度升高点燃气体。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，一部分氨气通过分级，从同心套筒管或燃烧器侧壁通入氨气等离子体火焰中，此时氨气燃烧进一步消耗了氧气形成低氧区域，同时火焰中产生的nox在低氧氨气的作用下进行还原，从而有效抑制了nox的生成。

技术总结
本发明公开一种基于等离子体助燃氨燃料低NO<subgt;X</subgt;生成的分级氨气燃烧系统，包括高频高压电源、介质阻挡等离子体发生器、配气系统(鼓风机、储氨罐)、燃烧室和旋流器；介质阻挡放电等离子体发生器包括高压电极、绝缘介质、旋流器和地电极；配气系统包括鼓风机和储氨罐。本发明利用介质阻挡进行氨气等离子体放电，降低了氨气燃烧难度，提高了氨气燃烧的稳定性；利用旋流器产生旋转气流，提高燃烧效率；利用氨气分级燃烧，进一步降低NOx排放，理想的分级比例为氨气等离子体和侧壁氨气体积比20％(10％‑30％)，使得氨气等离子体充分放电，同时侧壁喷入的氨也能充分燃烧。

技术研发人员：顾明言,李双龙,位鑫,吴勇,王双,黄庠永,陈萍
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15