CN101566101B - 旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法 - Google Patents

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Abstract

一种火力发电技术的低热值燃气轮机系统发电方法，包括：将1.5％甲烷浓度的超低热值燃气进入离心式压气机压缩升温后进入旋转催化回热器；由蜂窝蓄热体内换热将低热值燃气进一步加热后进入催化反应室内催化燃烧；最后从旋转催化回热器出来的气体工质进入向心透平，推动向心透平做功，最后排入大气的废气温度为450～550K，所述的旋转催化回热器既加热低浓度低热值燃气又进行催化燃烧，经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，再重复进行下一轮工作。本发明既能有效回收工业生产中浪费的大量能量，又能减少温室气体排放，具有经济和环保的双重意义。

Description

旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机技术领域的发电方法，具体是一种旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法。
背景技术
低热值燃气热值小于5MJ/Nm3，种类繁多，总量巨大，包括矿井通风瓦斯气、部分煤层气和生物质气、和钢铁、化工行业等在内的甲烷(CH4)浓度很低的副产气，其中很大部分是超低热值燃气小于2MJ/Nm3，甲烷(CH4)浓度只有0.5％至5％。由于甲烷浓度低不能采用常规方法点火燃烧，在实际利用上有相当难度，绝大多数超低热值燃料被丢弃，能源浪费惊人。每年全世界因煤矿开采和钢铁冶炼排入大气中的甲烷总量为2500万吨，相当于煤矿原始总能源的60％。随着煤炭和钢铁产品产量的增加，预计到2010年甲烷排放量将增至2800万吨，其中70％来自超低热值燃气。
另一方面由于甲烷的全球变暖潜能值(Global Warming Potential，GWP)是CO2的24.5倍，全球因甲烷气体而产生的温室效应占所有温室气体总量的17％，仅次于CO2排在第二位，因此排放的甲烷严重加剧了温室气体效应。
目前对超低浓度低热值燃气的研究技术和应用主要分为两类：一类是作为辅助燃料或作为助燃空气加以利用；另一类是作为主燃料，在燃烧反应的过程中不需要加入其它燃料或助燃空气。
美国西北燃料公司(Northwest Fuel Development)在1995年前后研究开发小型(250KW)天然气低热值燃气轮机，用超低浓度低热值燃气作助燃空气进行发电。2000年前后澳大利亚的联邦科学研究院CSIRO和能源开发公司(EnergyDevelopment Limited)研究开发利用煤矿通风瓦斯作为超低浓度低热值燃气的低热值燃气轮机技术，采用外部燃烧器技术。近年来美国Flex～Energy公司和Capstone低热值燃气轮机公司联合研究开发微型低热值燃气轮机，利用1％甲烷浓度的煤矿通风瓦斯气，机组容量大于100KW。美国Ingersol～Rand公司也在积极研究低热值燃气轮机技术并申请了专利，其设计甲烷浓度为0.8％，功率大于250KW。
我国采用超低浓度低热值燃气作助燃空气进行发电的研究已经比较成熟，但作为主燃料的超低热值燃气动力系统充分研究的文献和资料较少。中国航空动力机械研究所发明的回热式小型低热值燃气轮机，通过波形板换热器进行热能交换，单位体积传热面积大，流动损失小，回热效率可达到0.7～0.95；小型低热值燃气轮机的热效率可达到35～50％。中国船舶重工集团公司第七○三研究所发明的是一种湿压缩～回热循环低热值燃气轮机，回热器是一种表面换热器，高温侧通以涡轮排气，低温侧通以压气机出口气体，可比简单循环低热值燃气轮机在热效率指标方面提高约43％～52％。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法，既能有效回收工业生产中浪费的大量能量，又能减少温室气体排放，具有经济和环保的双重意义。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：
第一步、判定低热值燃气浓度，并打开离心式压气机，然后将发电机切换到电动机模式，当离心压气机达到启动转速后，开启天然气阀并启动燃烧室点火；启动过程中低热值燃气在燃烧室内燃烧产生的高温气体进入旋转催化回热器，并加热蜂窝装蓄热体。
所述的判定低热值燃气浓度是指：当低热值燃气浓度为0.3～0.8％时，关闭空气阀，将超低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，进入离心式压气机；当低热值燃气浓度为0.8～4％时，关闭空气阀，将低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，进入离心式压气机；当低热值燃气浓度为4～10％时，打开空气阀，将低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，和空气混合后进入离心式压气机。
所述的低热值燃气是指：矿井通风瓦斯气、煤层气或生物质气中的一种或其组合。
第二步、关闭启动燃烧室，并将发电机由电动机模式切换到发电机模式，然后进行低热值燃气加压加温处理，低热值燃气首先进入旋转催化回热器与向心透平排出的高温气体进行热交换，并升高到催化工作温度700～800K；然后低热值燃气进入催化燃烧室后段催化燃烧并升温到1100～1200K；最后催化燃烧后的高温高压气体进入向心透平内膨胀做功，低热值燃气在向心透平内膨胀做功后又下降到830～930K。
所述的低热值燃气加压加温处理是指：当低热值燃气浓度为0.3～0.8％时，低热值燃气在压气机内压缩到2.5～3.5bar，温度上升到400～440K，进入旋转催化回热器；当低热值燃气浓度为0.8～4％时，关闭天然气阀，低热值燃气在压气机内压缩到2.5～3.5bar，温度上升到400～440K，进入旋转催化回热器；当低热值燃气浓度为4～10％时，关闭启动燃烧室，并将发电机由电动机模式切换到发电机模式。
所述的旋转催化回热器包括：蜂窝状陶瓷蓄热体、催化剂覆层陶瓷体、左盖板、右盖板、低热值燃气进入管、低热值燃气流出管、烟气进入管和烟气流出管，其中：低热值燃气进入管和烟气流出管通过焊接方式连接在左盖板上，低热值燃气出口管和烟气入口管通过焊接方式连接在右盖板上，左盖板与右盖板之间为蜂窝状陶瓷蓄热体和催化剂覆层陶瓷体，蜂窝状陶瓷蓄热体和催化剂覆层陶瓷体可以旋转，催化剂覆层陶瓷体表层有催化剂，既对低浓度低热值燃气加热又进行催化燃烧。左盖板与蜂窝状陶瓷蓄热体、右盖板与催化剂覆层陶瓷体分别通过法兰进行连接。
第三步、向心透平输出的旋转功通过减速齿轮箱带动发电机发电，该向心透平排出的透平尾气回到旋转催化回热器加热新的低热值燃气，最后排入大气的废气温度为450～550K，经一个发电周期后蜂窝状蓄热体旋转，使得每个通道内的低热值燃气不断重复进行上述工作。
本发明所采用的低热值燃料，热值范围很大(0.3～10％)，其中很大一部分燃料净含量在5％以下，热值低于2MJ/NM3，这样品质的燃料不能用传统点火方式燃烧，或者即使通过超高温点燃后，燃烧情况也是非常不充分，而且超高温下会导致大量有害物质生成。催化燃烧可以在相对较低温度下催化氧化浓度很低的低热值燃料，首先这样可以在较低的温度下尽可能充分的氧化低热值燃料，其次这样还可以减少由于高温燃烧导致的有害物质(主要是NOX)的大量生成。
本发明采用的旋转催化回热器，既有对低浓度低热值燃气加热的功能，又有低热值燃料的催化燃烧功能，在催化回热器内布置有大量的蜂窝状蓄热体，其中后段蓄热体表层有催化剂，进入催化回热器的低浓度低热值燃气先在蜂窝状蓄热体，加热到催化燃烧起燃温度，进入后段蓄热体进行催化燃烧，经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，再重复进行下一轮工作。
附图说明
图1为实施例中低热值燃气轮机系统示意图；
图中：压气机1、向心透平2、旋转催化回热器3、发电机4、齿轮箱5、启动燃烧室6、电力控制柜7、过滤器8、燃料阀11、空气阀16、轴承12和13、联轴器9和10。
图2为实施例中旋转催化回热器示意图；
图中：蜂窝状陶瓷蓄热体21A、催化剂覆层陶瓷体21B、左盖板15、右盖板14、低热值燃气进入管17、低热值燃气流出管18、烟气进入管19、烟气流出管20。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例基于以下低热值燃气轮机系统进行实施，如图1所示，压气机1、向心透平2、旋转催化回热器3、发电机4、齿轮箱5、启动燃烧室6、电力控制柜7、过滤器8、联轴器9和10、燃料阀11、空气阀16、轴承12和13，其中：发电机4轴与齿轮箱5的低速轴通过联轴器10连接；齿轮箱5的高速轴与压气机1轴通过联轴器9连接，压气机1轴与向心透平2轴连接由轴承12和13支撑，过滤器8入口与低热值燃气源通过管道连接，空气阀16通过管道和过滤器8相连，过滤器8出口与压气机1入口通过管道连接，压气机1与旋转催化回热器3之间没有位置限定，压气机1出口与旋转催化回热器3的低热值燃气进入管17通过管道连接，旋转催化回热器3内有蜂窝状陶瓷蓄热体21A和21B，后段蓄热体表层有催化剂，蜂窝状陶瓷蓄热体工作时旋转，旋转催化回热器3与向心透平2之间也没有位置限定，旋转催化回热器3的低热值燃气出口管18与向心透平2入口通过管道连接，而向心透平2出口与旋转回热器3的烟气进入管19通过管道进行连接；燃料阀11入口与启动燃料源通过管道连接，燃料阀11出口与启动燃烧室6入口通过管道连接，启动燃烧室6出口与旋转催化燃烧室3的低热值燃气进入管17通过管道连接。
如图2所示，以下实施例中所述的旋转催化回热器3，该旋转催化回热器3包括：蜂窝状陶瓷蓄热体21A、催化剂覆层陶瓷体21B、左盖板15、右盖板14、低热值燃气进入管17、低热值燃气流出管18、烟气进入管19和烟气流出管20，其中：低热值燃气进入管17和烟气流出管20通过焊接方式连接在左盖板15上，低热值燃气出口管18和烟气入口管19通过焊接方式连接在右盖板14上，左盖板15与右盖板14之间为蜂窝状陶瓷蓄热体21A和催化剂覆层陶瓷体21B，蜂窝状陶瓷蓄热体21A和催化剂覆层陶瓷体21B可以旋转，催化剂覆层陶瓷体21B表层有催化剂，既对低浓度低热值燃气加热又进行催化燃烧。左盖板15与蜂窝状陶瓷蓄热体21A、右盖板14与催化剂覆层陶瓷体21B分别通过法兰进行连接。
如图1所示的旋转催化回热型低热值燃气轮机系统，由发电机4(启动时发电机4用作电动机)通过齿轮箱5带动压气机1达到较高转速，通过过滤器8过滤的低热值燃气在压气机1内压缩后，进入旋转催化回热器3。当压气机1到一定转速后燃料阀门11打开，启动燃烧室6点火，高温气体进入旋转催化回热器3，加热蜂窝状蓄热体21A和21B到一定温度后关闭启动燃烧室6，发电机4由电动机模式切换回发电机模式，系统进入正常工作。在正常工作状态低热值燃气在旋转催化回热器3内与向心透平1排出的高温气体进行热交换，吸收大量的热，温度升高到催化工作温度，进入后段催化燃烧，在催化燃烧段进行催化燃烧，之后高温高压的气体进入向心透平1内膨胀做功，向心透平1输出的旋转功通过齿轮箱5带动发电机4发电，完成了整个低热值燃料催化燃烧低热值燃气轮机系统的工作。
进入旋转催化回热器3的低浓度低热值燃气先在蜂窝状陶瓷蓄热体21A的换热段，加热到催化燃烧起燃温度，再进入催化剂覆层陶瓷体21B催化燃烧段变成高温烟气，蜂窝状陶瓷蓄热体21A和催化剂覆层陶瓷体21B以一定的速度和角度转动。
实施例一
本实施例以100KW的旋转催化回热型低热值燃气轮机为例，低热值燃气中甲烷浓度0.3％，燃料热值约0.1MJ/NM3，具体实施步骤如下：
第一步、关闭空气阀，将甲烷浓度0.3％超低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，进入离心式压气机。
第二步、将发电机切换到电动机模式。
第三步、当离心压气机达到启动转速后，开启天然气阀。
第四步、启动燃烧室点火。
第五步、启动过程产生的高温气体进入旋转催化回热器，并加热蜂窝装蓄热体。
第六步、关闭启动燃烧室，并将发电机由电动机模式切换到发电机模式。打开天然气阀补气，补充的天然气直接进入催化燃烧室，使得混合低热值燃气的甲烷浓度达到1.5％。
第七步、低热值燃气在压气机内压缩到3bar，温度上升到420K，进入旋转催化回热器。
第八步、低热值燃气进入旋转催化回热器与向心透平排出的高温气体进行热交换，低热值燃气温度升高到催化工作温度750K。
第九步、低热值燃气进入催化燃烧室后段催化燃烧，温度上升到1150K。
第十步、催化燃烧后的高温高压气体进入向心透平内膨胀做功。气体在向心透平内膨胀做功后又下降到950K。
第十一步、向心透平输出的旋转功通过减速齿轮箱带动发电机发电。
第十二步、向心透平排出的透平尾气回到旋转催化回热器加热新的低热值燃气，最后排入大气的废气温度为580K。
第十三步、经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，每个通道内的低热值燃气不断重复进行上述工作。
本实施中，额定工况下该旋转催化回热型低热值燃气轮机的发电效率约为6.5％。
实施例二
本实施例以100KW的旋转催化回热型低热值燃气轮机为例，低热值燃气中甲烷浓度1.5％，燃料热值约0.5MJ/NM3，具体实施步骤如下：
第一步、关闭空气阀，将甲烷浓度1.5％超低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，进入离心式压气机。
第二步、将发电机切换到电动机模式。
第三步、当离心压气机达到启动转速后，开启天然气阀。
第四步、启动燃烧室点火。
第五步、启动过程产生的高温气体进入旋转催化回热器，并加热蜂窝装蓄热体。
第六步、关闭启动燃烧室，并将发电机由电动机模式切换到发电机模式。关闭天然气补气阀。
第七步、低热值燃气在压气机内压缩到3bar，温度上升到420K，进入旋转催化回热器。
第八步、低热值燃气进入旋转催化回热器与向心透平排出的高温气体进行热交换，低热值燃气温度升高到催化工作温度750K。
第九步、低热值燃气进入催化燃烧室后段催化燃烧，温度上升到1150K。
第十步、催化燃烧后的高温高压气体进入向心透平内膨胀做功。气体在向心透平内膨胀做功后又下降到950K。
第十一步、向心透平输出的旋转功通过减速齿轮箱带动发电机发电。
第十二步、向心透平排出的透平尾气回到旋转催化回热器加热新的低热值燃气，最后排入大气的废气温度为580K。
第十三步、经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，每个通道内的低热值燃气不断重复进行上述工作。
本实施中，额定工况下该旋转催化回热型低热值燃气轮机的发电效率约为8.5％。
实施例三
本实施例以100KW的旋转催化回热型低热值燃气轮机为例，低热值燃气中甲烷浓度10％，燃料热值约3.5MJ/NM3，具体实施步骤如下：
第一步、打开空气阀，将甲烷浓度10％低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，和空气混合，使得混合气浓度为3％，进入离心式压气机。
第二步、将发电机切换到电动机模式。
第三步、当离心压气机达到启动转速后，开启天然气阀。
第四步、启动燃烧室点火。
第五步、启动过程产生的高温气体进入旋转催化回热器，并加热蜂窝装蓄热体。
第六步、关闭启动燃烧室，并将发电机由电动机模式切换到发电机模式。关闭天然气阀。
第七步、低热值燃气在压气机内压缩到3bar，温度上升到420K，进入旋转催化回热器。
第八步、低热值燃气进入旋转催化回热器与向心透平排出的高温气体进行热交换，低热值燃气温度升高到催化工作温度750K。
第九步、低热值燃气进入催化燃烧室后段催化燃烧，温度上升到1250K。
第十步、催化燃烧后的高温高压气体进入向心透平内膨胀做功。气体在向心透平内膨胀做功后又下降到1050K。
第十一步、向心透平输出的旋转功通过减速齿轮箱带动发电机发电。
第十二步、向心透平排出的透平尾气回到旋转催化回热器加热新的低热值燃气，最后排入大气的废气温度为680K。
第十三步、经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，每个通道内的低热值燃气不断重复进行上述工作。
本实施中，额定工况下该旋转催化回热型低热值燃气轮机的发电效率约为10％。

Claims (3)

1.一种旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步、判定低热值燃气浓度，并打开离心式压气机，然后将发电机切换到电动机模式，当离心压气机达到启动转速后，开启天然气阀并启动燃烧室点火；启动过程产生的高温气体进入旋转催化回热器，并加热蜂窝状蓄热体；
第二步、关闭启动燃烧室，并将发电机由电动机模式切换到发电机模式，然后进行低热值燃气加压加温处理，低热值燃气首先进入旋转催化回热器与向心透平排出的高温气体进行热交换，并升高到催化工作温度700～800K；然后低热值燃气进入催化燃烧室后段催化燃烧并升温到1100～1200K；最后催化燃烧后的高温高压气体进入向心透平内膨胀做功，低热值燃气在向心透平内膨胀做功后又下降到830～930K；
第三步、向心透平输出的旋转功通过减速齿轮箱带动发电机发电，该向心透平排出的透平尾气回到旋转催化回热器加热新的低热值燃气，最后排入大气的废气温度为450～550K，经一个发电周期后蜂窝状蓄热体旋转，使得每个通道内的低热值燃气不断重复进行上述工作；
所述的旋转催化回热器包括：蜂窝状陶瓷蓄热体、催化剂覆层陶瓷体、左盖板、右盖板、低热值燃气进入管、低热值燃气出口管、烟气进入管和烟气流出管，其中：低热值燃气进入管和烟气流出管通过焊接方式连接在左盖板上，低热值燃气出口管和烟气进入管通过焊接方式连接在右盖板上，左盖板与右盖板之间为蜂窝状陶瓷蓄热体和催化剂覆层陶瓷体，蜂窝状陶瓷蓄热体和催化剂覆层陶瓷体可以旋转，催化剂覆层陶瓷体表层有催化剂，既对低浓度低热值燃气加热又进行催化燃烧，左盖板与蜂窝状陶瓷蓄热体、右盖板与催化剂覆层陶瓷体分别通过法兰进行连接。
2.根据权利要求1所述的旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法，其特征是，所述的低热值燃气是指：矿井通风瓦斯气、煤层气或生物质气中的一种或其组合。
3.根据权利要求1所述的旋转催化回热型低热值燃气轮机发电方法，其特征是，所述的判定低热值燃气浓度是指：当低热值燃气浓度为0.3～0.8％时，关闭空气阀，将超低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，进入离心式压气机；当低热值燃气浓度为0.8～4％时，关闭空气阀，将低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，进入离心式压气机；当低热值燃气浓度为4～10％时，打开空气阀，将低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘，和空气混合后进入离心式压气机。
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