本發(fā)明涉及燃燒設備與，具體涉及一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器。

背景技術(shù)：

1、水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展、生產(chǎn)建設和人民生活不可缺少的基礎原材料工業(yè)。在水泥的生產(chǎn)過程中，碳酸鹽分解和煤炭燃燒都會生成大量co2。

2、氨燃燒具有清潔、零碳排放的特性，因此被視為替代化石燃料的理想選擇。在回轉(zhuǎn)窯中使用氨氣作為煤炭的替代燃料，具有顯著的co2減排潛力。然而，氨氣燃燒面臨兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，氨氣在常規(guī)條件下難以穩(wěn)定著火，燃燒極限范圍窄、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷医^熱火焰溫度低于煤和天然氣等傳統(tǒng)燃料，而回轉(zhuǎn)窯要求燃燒器火焰溫度達到1800℃及以上。其次，由于氨氣含氮量高，燃燒過程易伴隨較高的nox排放。

3、富氧燃燒技術(shù)能夠顯著增強氨氣的燃燒強度，加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，特別是在提升回轉(zhuǎn)窯溫度方面效果顯著，彌補了氨氣火焰溫度低的缺點。然而，富氧燃燒也會導致nox排放的增加。為控制nox排放，富氧條件下保持氨氣的富燃料燃燒是一種有效手段。但是這種方式可能導致nh3逃逸，這也是一個需要進一步解決的問題。值得注意的是，富氧條件下升高的火焰溫度能夠增強nh3的自驅(qū)動裂解，促進燃料的整體裂解效率，從而抑制富燃端殘余nh3的逃逸。因此，氨氣的富氧富燃料燃燒既有助于維持氨氣火焰的穩(wěn)定性，降低nox排放，又在一定程度可以控制氨逃逸?；诎睔飧谎醺蝗紵夹g(shù)設計的燃燒器，可在水泥行業(yè)中有效替代傳統(tǒng)煤粉燃燒器，同時實現(xiàn)co2減排。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)當中存在的問題，公開了一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，提出了等離子體助燃、分級燃燒技術(shù)、富氧燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)相結(jié)合的純氨燃燒技術(shù)方案，能夠有效解決氨氣燃燒溫度較低，以及氨氣燃燒nox排放高等問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，所述一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器包括等離子體氨預燃級模塊、氨分級燃燒模塊、煙氣再循環(huán)模塊；

4、等離子體氨預燃級模塊、氨分級燃燒模塊和煙氣再循環(huán)模塊設計為同心環(huán)繞，等離子體氨預燃級模塊、氨分級燃燒模塊和煙氣再循環(huán)模塊沿徑向由內(nèi)到外布置；等離子體氨預燃級模塊、氨分級燃燒模塊和煙氣再循環(huán)模塊的入口端由前向后依次布置；等離子體氨預燃級模塊的出口位于氨分級燃燒模塊內(nèi)部靠近入口的位置，氨分級燃燒模塊的出口位于回轉(zhuǎn)窯爐膛內(nèi)部；煙氣再循環(huán)模塊采用逆流進氣方式。

5、等離子體氨預燃級模塊通過電極間放電擊穿空氣產(chǎn)生等離子體，與來流的氨氣發(fā)生擴散燃燒產(chǎn)生氨氣火焰，氨氣火焰點燃氨分級燃燒模塊中富燃區(qū)氨燃料產(chǎn)生穩(wěn)定的氨富氧富燃料火焰，氨富氧富燃料火焰產(chǎn)生的煙氣與富氧空氣摻混反應產(chǎn)生氨富氧貧燃料火焰，所產(chǎn)生的氨富氧貧燃料火焰通向回轉(zhuǎn)窯爐膛，位于燃燒器最外側(cè)的煙氣再循環(huán)模塊中煙氣逆向流向燃燒器頭部，煙氣從氣膜冷卻孔進入燃燒室內(nèi)，與從燃料區(qū)來的高溫燃氣摻混，降低火焰溫度及出口溫度不均勻性。

6、進一步的，所述的等離子體氨預燃級模塊由第一空氣通道、滑動弧放電結(jié)構(gòu)、第一旋流器、第一氨氣通道、第二旋流器、鈍體腔、第一噴嘴、氨氣火焰組成，所述的滑動弧放電結(jié)構(gòu)由第一電極、第二電極組成，第一電極和第二電極分別接入電源高壓和低壓，放電擊穿空氣形成第一旋流滑動弧，所述的第一空氣通道通入常規(guī)空氣，經(jīng)第一旋流器形成旋流，第一氨氣通道通入氨氣，經(jīng)第二旋流器形成旋流，第一旋流滑動弧與第一氨氣通道通入的氨氣混合，在滑動弧助燃和旋流的回流區(qū)作用下，通過鈍體腔和第一噴嘴形成穩(wěn)定燃燒的氨氣火焰。

7、進一步的，所述的氨分級燃燒模塊由氨富氧富燃級模塊、快速摻混模塊和氨富氧貧燃級模塊組成；氨富氧富燃級模塊由第二氨氣通道、第三旋流器、第三空氣通道、第二噴嘴和第二氨富氧富燃火焰組成，所述的第二氨氣通道和第二空氣通道采用同心環(huán)繞的設計，第二空氣通道位于第二氨氣通道的外部，所述的第二氨氣通道通入氨氣，第二空氣通道通入富氧空氣，第二氨氣通道和第二空氣通道通入的氨氣和富氧空氣經(jīng)第三旋流器形以及鈍體腔形成旋流，在旋流和氨氣火焰的作用下經(jīng)第二噴嘴噴出形成第二氨富氧富燃火焰；快速摻混模塊由第四空氣通道、第五空氣通道、多個空氣流入孔和第一混合腔組成，第三空氣通道和第四空氣通道通入富氧空氣，由空氣流入孔流出，在第一混合腔實現(xiàn)與氨富氧富燃級模塊產(chǎn)生的煙氣混合；氨富氧貧燃級模塊由快速摻混模塊流入的混合氣體經(jīng)過第三噴嘴噴出，產(chǎn)生第三氨富氧貧燃料火焰，第三氨富氧貧燃料火焰為富氧貧氨火焰，第三氨富氧貧燃料火焰噴向爐膛。

8、進一步的，所述的煙氣再循環(huán)模塊由煙氣通道和氣膜冷卻孔組成；通過煙氣通道通入回轉(zhuǎn)窯尾端的煙氣，通過氣膜冷卻孔進入燃燒室內(nèi)，隔絕高溫燃氣，并帶走部分高溫燃氣對壁面的輻射熱，從而對壁面起到良好的冷卻保護作用，同時起到調(diào)節(jié)溫度的作用。

9、進一步的，所述的等離子體氨預燃級模塊點燃氨燃料產(chǎn)生的氨氣火焰作為氨分級燃燒模塊中第二氨富氧富燃火焰的值班火焰，為氨氣的著火提供大量熱源。

10、進一步的，所述的氨分級燃燒模塊采用富燃、快速混合、貧燃技術(shù)。在氨富氧富燃級模塊，由于溫度相對較低，含氧中間產(chǎn)物生成量減少，從而最大程度地抑制氮氧化物的產(chǎn)生。在快速摻混模塊，設置多個空氣流入孔以提高空氣射流動量和射流深度，促進空氣與氨富氧富燃級模塊生成的煙氣迅速混合。最后，在氨富氧貧燃級模塊實現(xiàn)第二級氨氣火焰的點燃與燃燒。

11、進一步的，所述的氨分級燃燒模塊通入富氧氣氛，提高氨氣的燃燒強度，彌補了氨氣火焰溫度低的缺點，同時升高的火焰溫度能夠促進氨的裂解，抑制氨富氧富燃級模塊殘余氨的逃逸。

12、進一步的，所述的煙氣再循環(huán)模塊中氣膜冷卻孔采用可控開閉冷卻孔，與燃燒狀態(tài)實時協(xié)調(diào)，可以避免過熱或冷卻過度的風險。

13、本發(fā)明的有益效果：

14、本發(fā)明采用等離子體助燃技術(shù)，通過等離子體氨預燃模塊產(chǎn)生穩(wěn)定的氨氣火焰，為氨分級燃燒模塊中的氨富氧富燃級模塊提供熱量。在氨氣火焰和回流區(qū)的作用下，形成穩(wěn)定的氨富氧富燃料火焰。氨分級燃燒模塊采用富燃、快速混合、貧燃技術(shù)，能夠有效降低nox排放。通入富氧氣氛可以提高氨氣的燃燒強度，彌補了氨氣火焰溫度低的缺點，同時升高的火焰溫度能夠促進氨的裂解，抑制氨富氧富燃級模塊殘余氨的逃逸。此外，煙氣再循環(huán)模塊中氣膜冷卻孔采用可控開閉冷卻孔，可用于冷卻壁面和調(diào)節(jié)燃燒室的溫度。通過此技術(shù)將等離子體助燃、分級燃燒、富氧燃燒和煙氣再循環(huán)技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠解決純氨燃燒存在的點火困難、燃燒不穩(wěn)定、火焰溫度低、難以滿足工業(yè)窯爐溫度需求等難題，還能有效控制氨燃燒過程中nox排放和氨逃逸問題。

技術(shù)特征：

1.一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，包括有：等離子體氨預燃級模塊（1）、氨分級燃燒模塊（2）、煙氣再循環(huán)模塊（3）；

2.如權(quán)利要求1所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，等離子體氨預燃級模塊（1）由第一空氣通道（1-1）、滑動弧放電結(jié)構(gòu)（1-2）、第一旋流器（1-3）、第一氨氣通道（1-4）、第二旋流器（1-5）、鈍體腔（1-6）、第一噴嘴（1-7）、氨氣火焰（1-8）組成，所述的滑動弧放電結(jié)構(gòu)由第一電極（1-2-1）、第二電極（1-2-2）組成，第一電極（1-2-1）和第二電極（1-2-2）分別接入電源高壓和低壓，放電擊穿空氣形成第一旋流滑動弧，所述的第一空氣通道（1-1）通入常規(guī)空氣，經(jīng)第一旋流器（1-3）形成旋流，第一氨氣通道（1-4）通入氨氣，經(jīng)第二旋流器（1-5）形成旋流，第一旋流滑動弧與第一氨氣通道（1-4）通入的氨氣混合，在滑動弧助燃和旋流的回流區(qū)作用下，通過鈍體腔（1-6）和第一噴嘴（1-7）形成穩(wěn)定燃燒的氨氣火焰（1-8）。

3.如權(quán)利要求1所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述的氨分級燃燒模塊（2）由氨富氧富燃級模塊（2-1）、快速摻混模塊（2-2）和氨富氧貧燃級模塊（2-3）組成；氨富氧富燃級模塊（2-1）由第二氨氣通道（2-1-1）、第三旋流器（2-1-2）、第二空氣通道（2-1-3）、第二噴嘴（2-1-4）和第二氨富氧富燃火焰（2-1-5）組成，所述的第二氨氣通道（2-1-1）和第二空氣通道（2-1-3）采用同心環(huán)繞的設計，第二空氣通道（2-1-3）位于第二氨氣通道（2-1-1）的外部，所述的第二氨氣通道（2-1-1）通入氨氣，第二空氣通道（2-1-3）通入富氧空氣，第二氨氣通道（2-1-1）和第二空氣通道（2-1-3）通入的氨氣和富氧空氣經(jīng)第三旋流器（2-1-2）形以及鈍體腔（1-6）形成旋流，在旋流和氨氣火焰（1-8）的作用下經(jīng)第二噴嘴（2-1-4）噴出形成第二氨富氧富燃火焰（2-1-5）；快速摻混模塊（2-2）由第三空氣通道（2-2-1）、第四空氣通道（2-2-2）、多個空氣流入孔（2-2-3）和第一混合腔（2-2-4）組成，第三空氣通道（2-2-1）和第四空氣通道（2-2-2）通入富氧空氣，由空氣流入孔（2-2-3）流出，在第一混合腔（2-2-4）實現(xiàn)與氨富氧富燃級模塊（2-1）產(chǎn)生的煙氣混合；氨富氧貧燃級模塊（2-3）由快速摻混模塊（2-2）流入的混合氣體經(jīng)過第三噴嘴（2-3-1）噴出，產(chǎn)生第二氨富氧貧燃料火焰（2-3-2），第二氨富氧貧燃料火焰（2-3-2）為富氧貧氨火焰，第二氨富氧貧燃料火焰（2-3-2）噴向爐膛。

4.如權(quán)利要求3所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述的等離子體氨預燃級模塊（1）點燃氨燃料產(chǎn)生的氨氣火焰（1-8）作為氨分級燃燒模塊（2）中第二氨富氧富燃火焰（2-1-5）的值班火焰，為氨氣的著火提供大量熱源。

5.如權(quán)利要求3所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述的氨分級燃燒模塊（2）采用富燃、快速混合、貧燃技術(shù)；在氨富氧富燃級模塊（2-1），由于溫度相對較低，含氧中間產(chǎn)物生成量減少，從而最大程度地抑制氮氧化物的產(chǎn)生；在快速摻混模塊（2-2），設置多個空氣流入孔（2-2-3）以提高空氣射流動量和射流深度，促進空氣與氨富氧富燃級模塊（2-1）生成的煙氣迅速混合；最后，在氨富氧貧燃級模塊（2-3）實現(xiàn)第二級氨氣火焰的點燃與燃燒。

6.如權(quán)利要求3所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述的氨分級燃燒模塊（2）通入富氧氣氛，提高氨氣的燃燒強度，彌補了氨氣火焰溫度低的缺點，同時升高的火焰溫度能夠促進氨的裂解，抑制氨富氧富燃級模塊（2-1）殘余氨的逃逸。

7.如權(quán)利要求1所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述的煙氣再循環(huán)模塊（3）由煙氣通道（3-1）和氣膜冷卻孔（3-2）組成；通過煙氣通道（3-1）通入回轉(zhuǎn)窯尾端的煙氣，通過氣膜冷卻孔（3-2）進入燃燒室內(nèi)，隔絕高溫燃氣，并帶走部分高溫燃氣對壁面的輻射熱，從而對壁面起到良好的冷卻保護作用，同時起到調(diào)節(jié)溫度的作用。

8.如權(quán)利要求3所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述的煙氣再循環(huán)模塊（3）中氣膜冷卻孔（3-2）采用可控開閉冷卻孔，與燃燒狀態(tài)實時協(xié)調(diào)，可以避免過熱或冷卻過度的風險。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述燃燒器包括外殼和燃燒腔，所述燃燒腔設置于外殼內(nèi)，所述外殼和燃燒腔之間形成由出氣端開口的煙氣通道；所述燃燒腔一側(cè)設置進氣端口，所述進氣端口包括由內(nèi)至外同心依次設置的第一空氣通道（1-1）、第一氨氣通道（1-4）、鈍體腔（1-6）、第二氨氣通道（2-1-1）和第二空氣通道（2-1-3），所述第一空氣通道內(nèi)設置滑動弧放電結(jié)構(gòu)；所述燃燒腔中部形成第一混合腔（2-2-4），第一混合腔（2-2-4）連通第三空氣通道（2-2-1）和第四空氣通道（2-2-2），第一混合腔（2-2-4）的腔壁上設置空氣流出孔（2-2-3）；所述燃燒腔由中部的第一混合腔（2-2-4）分割為第一腔體和第二腔體，第一腔體和第二腔體的腔壁上設置氣膜冷卻孔（3-2）。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，其特征在于，所述滑動弧放電結(jié)構(gòu)包括第一電極和第二電極，所述第一電極和第二電極分別接入電源高壓和低壓，所述第一空氣通道（1-1）內(nèi)設置第一旋流器（1-3），所述第一氨氣通道（1-4）內(nèi)設置第二旋流器（1-5），所述第二氨氣通道（2-1-1）內(nèi)設置第三旋流器（2-1-2）；所述第一空氣通道（1-1）、第一氨氣通道的出口處設置第一噴嘴（1-7），所述第二空氣通道（2-1-3）和第二氨氣通道的出口處設置第二噴嘴（2-1-4），所述燃燒腔的出氣端設置第三噴嘴（2-3-1）；所述第一混合腔的直徑小于第一腔體和第二腔體的直徑，所述第一空氣通道（1-1）、第二空氣通道（2-1-3）、第三空氣通道（2-2-1）和第四空氣通道（2-2-2）用于通入常規(guī)空氣（5），所述第一氨氣通道（1-4）和第二氨氣通道（2-1-1）用于通入氨氣（4），所述煙氣通道用于通入煙氣（7），所述氣膜冷卻孔（3-2）為可控開閉冷卻孔。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于回轉(zhuǎn)窯的等離子體助燃、分級燃燒氨富氧燃燒器，屬于燃燒設備與技術(shù)領域，通過電極間放電擊穿空氣產(chǎn)生等離子體，與來流的氨氣發(fā)生擴散燃燒產(chǎn)生氨氣火焰，氨氣火焰點燃氨分級燃燒模塊中富燃區(qū)氨燃料產(chǎn)生穩(wěn)定的第二氨富氧富燃料火焰，第二氨富氧富燃料火焰產(chǎn)生的煙氣與富氧空氣摻混反應產(chǎn)生氨富氧貧燃料火焰，所產(chǎn)生的氨富氧貧燃料火焰通向回轉(zhuǎn)窯爐膛，位于燃燒器最外側(cè)的煙氣再循環(huán)模塊中煙氣逆向流向燃燒器頭部，煙氣從氣膜冷卻孔進入燃燒室內(nèi)，與從燃料區(qū)來的高溫燃氣摻混，降低火焰溫度及出口溫度不均勻性。解決了純氨燃燒存在的點火困難、燃燒不穩(wěn)定、火焰溫度低的難題，還能有效控制NO<subgt;x</subgt;排放和氨逃逸問題。

技術(shù)研發(fā)人員：宋亞偉,林啟富,羅廣南,李振陽,陳維曄,劉成周
受保護的技術(shù)使用者：合肥綜合性國家科學中心能源研究院（安徽省能源實驗室）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15