CN102562304A - 催化燃烧燃气轮机发电装置 - Google Patents

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李强
霍春秀
康建东
高鹏飞
兰波
逄锦纶
李磊
许慧娟
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Abstract

本发明公开了一种催化燃烧燃气轮机发电装置，包括气体过滤器、压气机、回热器、催化燃烧室、透平和发电机，气体过滤器的排气口和压气机的进气口连接，压气机的排气口和回热器的受热气体进口连接，回热器的受热气体出口和催化燃烧室的进气口连接，催化燃烧室的排气口和透平的进气口连接，透平的排气口和回热器的加热气体进口连接。本发明通过回热器吸收透平排出废气的热能来加热矿井乏风瓦斯气，可很大的提高低热值气体能源利用率，催化燃烧室中填充有多级催化剂，可根据乏风瓦斯气的反应进程装填不同的催化剂，乏风瓦斯气可充分燃烧，且发电装置中的各设备的类型和参数选择合理，因而本装置的发电效率高，温室气体的排放少。

Description

催化燃烧燃气轮机发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，特别涉及一种利用低热值气体进行催化燃烧的新型燃气轮机发电装置。
背景技术
低热值气体总类繁多，数量巨大，主要包括矿井乏风瓦斯气（VAM）、生物质气和钢铁行业的高炉尾气，其中数量最多的是矿井乏风瓦斯气。全球从煤矿逸出的甲烷（CH4）气体占所有由人类活动产生甲烷的8%，而后者是人类活动产生温室气体的17%。中国是世界第一产煤大国，煤矿中排放的CH4量占世界的45%。我国乏风瓦斯排放总量2000年为83亿m3，2008年为160亿m3，到2010年已经达到200亿m3。乏风瓦斯由于浓度低、热值很低（＜1000kJ/m3）属于超低热值燃料，缺乏有效的利用方式而直接排入大气中，既浪费了资源又造成了严重的环境污染。甲烷的温室气体效应约是CO2的21倍。
目前矿井乏风瓦斯利用技术分为两大类：一是辅助利用技术，二是主要利用技术。主要利用技术又分为蓄热氧化燃烧技术和催化氧化燃烧技术，其典型应用装置有热逆流氧化反应器和热逆流催化氧化反应器。蓄热氧化技术的温度较高，容易离解空气，将氮气和氧气直接化合，生成氮氧化合物造成空气污染。催化氧化燃烧技术可以在低温下进行，一般在500～800℃之间。催化燃烧器出口的高温烟气带动涡轮发电，同时催化氧化燃烧技术可以在不降低甲烷转化率的前提下实现未燃烧碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物等污染物的超低排放甚至零排放。
目前采用低热值气体作为主燃料进行催化燃烧燃气轮机发电的装置还处于起步阶段，催化燃烧燃气轮机发电装置一般还存在以下一些缺点：
1、装置没有采用回热利用装置，透平做功后的废气直接排放，造成能量浪费和燃气轮机总的热效率不高；
2、催化燃烧室的尺寸较大不够紧凑，催化效果不够好，造成乏风瓦斯的温度不够高，影响催化燃烧燃气轮机发电的热效率；
3、对于采用旋转催化回热形式的燃气轮机，由于催化燃烧室必须旋转则需额外消耗电力，造成能源浪费，此外旋转部件长期运行中的密封问题也比较难解决。
因此需要对现有技术中的催化燃烧燃气轮机发电装置进行改进，以提高催化燃烧燃气轮机发电装置的发电效率，以使低热值气体能源得到充分利用，减少温室气体的排放。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种催化燃烧燃气轮机发电装置，其能提高催化燃烧燃气轮机发电装置的发电效率，可使低热值气体能源得到充分利用，减少温室气体的排放。
本发明催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：包括气体过滤器、压气机、回热器、催化燃烧室、透平和与透平传动配合的发电机，气体过滤器的排气口和压气机的进气口连接，压气机的排气口和回热器的受热气体进口连接，回热器的受热气体出口和催化燃烧室的进气口连接，催化燃烧室的排气口和透平的进气口连接，透平的排气口和回热器的加热气体进口连接。
进一步，所述催化燃烧室沿气体流动方向依次设置有启动燃烧装置、第一级催化剂、第二级催化剂和第三级催化剂；
进一步，所述第一级催化剂为贵金属催化剂，第二级催化剂和第三级催化剂为六铝酸盐催化剂；
进一步，所述透平的动力输出轴还通过联轴器同压气机的转轴相连；
进一步，所述发电机为永磁式发电机、且透平的动力输出轴和永磁式发电机的转子通过联轴器直接连接；
进一步，所述压气机为离心式压气机，且离心式压气机的压气比为1.5～6；
进一步，所述回热器为主表面式回热器；
进一步，所述透平为径流透平，其膨胀比为1.5～6。
本发明的有益效果：本发明催化燃烧燃气轮机发电装置，通过回热器吸收透平排出废气的热能来加热矿井乏风瓦斯气，可很大的提高低热值气体能源利用率，同时催化燃烧室中填充有多级催化剂，从而可根据矿井乏风瓦斯气的反应进程装填不同的催化剂，矿井乏风瓦斯气可充分燃烧，且发电装置中的各设备的类型和参数选择合理，因而本装置的发电效率高，温室气体的排放少。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明催化燃烧燃气轮机发电装置的结构示意图；
图2为催化燃烧室的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明催化燃烧燃气轮机发电装置的结构示意图；图2为催化燃烧室的结构示意图。
如图所示，本实施例新型催化燃烧燃气轮机发电装置，包括气体过滤器1、压气机2、回热器3、催化燃烧室4、透平5和与透平5传动配合的发电机6，气体过滤器1的排气口和压气机2的进气口连接，压气机2的排气口和回热器3的受热气体进口连接，回热器3的受热气体出口和催化燃烧室4的进气口连接，催化燃烧室4的排气口和透平5的进气口连接，透平5的排气口和回热器3的加热气体进口连接。
作为对本实施方案的改进，所述催化燃烧室4沿气体流动方向依次设置有启动燃烧装置6、第一级催化剂7、第二级催化剂8和第三级催化剂9；在催化燃烧燃气轮机发电装置刚启动的时候，需要由启动燃烧装置6将原料气加热到400℃，从而达到第一级催化剂发生催化氧化反应的最低温度，催化燃烧室反应正常后将由回热器3替代启动燃烧装置6的功能，将原料气加热到400℃。
本发明催化燃烧燃气轮机发电装置，通过回热器3吸收透平5排出废气的热能来加热矿井乏风瓦斯气，可很大的提高低热值气体能源利用率，同时催化燃烧室4中填充有多级催化剂，催化燃烧室4中分级装填催化剂，装填和拆卸催化剂均较方便，并且可根据矿井乏风瓦斯气的反应进程装填不同的催化剂，使矿井乏风瓦斯气可充分燃烧，因而本装置的发电效率高，并可减少温室气体的排放。
作为对本实施方案的改进，所述第一级催化剂7为贵金属催化剂，第二级催化剂8和第三级催化剂9为六铝酸盐催化剂。贵金属催化剂催化燃烧的起燃温度比较低，活性较好，有利于甲烷的催化氧化反应进行。随着甲烷催化氧化的不断进行，催化燃烧室4的温度沿气体前进方向逐渐升高，由于贵金属催化剂的高温活性不够稳定，贵金属容易烧结导致催化剂失活，因此第二级和第三级催化剂则采用六铝酸盐整体型催化剂，该类型的催化剂高温稳定性好，不容易失活，可提高催化燃烧室出口烟气的温度。
作为对本实施方案的改进，所述透平5的动力输出轴还通过联轴器10同压气机2的转轴相连，通过透平5转化的机械能推动压气机2来压缩矿井乏风瓦斯气，不需要再增加外部动力机构，可简化本发电装置结构。
作为对本实施方案的改进，所述发电机6为永磁式发电机、且透平5的动力输出轴和永磁式发电机6的转子通过联轴器直接连接，透平5和永磁式发电机6无减速传动机构，传动效率高，可进一步提高发电效率。
作为对本实施方案的改进，所述压气机为离心式压气机，且离心式压气机的压气比为1.5～6。
作为对本实施方案的改进，所述回热器为主表面式回热器，紧凑度高达1500m2/m3，回热效率大于90%。
作为对本实施方案的改进，所述透平5为径流透平，其膨胀比为1.5～6。
下面具体介绍一下本催化燃烧燃气轮机发电装置的发电过程：      
低热值原料气以甲烷含量为1%的矿井乏风瓦斯气为例，原料气的热值为0.36 MJ/Nm3。气体过滤器1将甲烷浓度1%的乏风瓦斯气中的少量粉尘过滤掉，使其成为纯净且浓度相对稳定的原料气。然后进入压气机2（压气机2为离心压气机，压气比为1.5～6）内被压缩到压力为0.2MPa，温度上升到130℃。被压缩、升温的气体再进入回热器3（回热器3为CW型主表面式回热器，紧凑度高达1500m2/m3，回热效率大于90%）中利用透平5（透平5是径流透平，膨胀比为1.5～6）出口排出的高温烟气的余热在回热器内被其加热到400℃，高温烟气温度降到150℃通过回热器的加热气体出口管路直接排出到大气中或者用余热锅炉烧热水。被加热到400℃的乏风瓦斯进入催化燃烧室4中，在催化剂表面发生催化氧化燃烧反应，第一级贵金属催化剂7催化燃烧后烟气温度上升到600℃，第二级六铝酸盐催化剂8催化燃烧后烟气温度上升到650℃，第三级六铝酸盐催化剂9催化燃烧后烟气温度上升到700℃。高温高压的烟气在透平5内膨胀做功推动永磁发电机6同轴高速转动进行发电，永磁发电机的转速为40000rpm，烟气在透平5中膨胀后温度下降到500℃，压力降到常压，该500℃常压的烟气进入到回热器3内加热新的低热值原料气。在催化燃烧燃气轮机发电装置刚启动的时候，由催化燃烧室4最前端的启动燃烧装置6将原料气加热到400℃，从而达到第一级贵金属催化剂发生催化氧化反应的最低温度，催化燃烧室反应正常后将由回热器3替代启动燃烧装置6的功能，将原料气加热到400℃。
在该额定工况下，采用本结构催化燃烧燃气轮机发电装置和本实施例所公开类型及参数的设备，本催化燃烧燃气轮机发电装置的发电效率可达15%。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：包括气体过滤器、压气机、回热器、催化燃烧室、透平和与透平传动配合的发电机，气体过滤器的排气口和压气机的进气口连接，压气机的排气口和回热器的受热气体进口连接，回热器的受热气体出口和催化燃烧室的进气口连接，催化燃烧室的排气口和透平的进气口连接，透平的排气口和回热器的加热气体进口连接。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述催化燃烧室沿气体流动方向依次设置有启动燃烧装置、第一级催化剂、第二级催化剂和第三级催化剂。
3.根据权利要求2所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述第一级催化剂为贵金属催化剂，第二级催化剂和第三级催化剂为六铝酸盐催化剂。
4.根据权利要求1或2所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述透平的动力输出轴还通过联轴器同压气机的转轴相连。
5.根据权利要求1所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述发电机为永磁式发电机、且透平的动力输出轴和永磁式发电机的转子通过联轴器直接连接。
6.根据权利要求1所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述压气机为离心式压气机，且离心式压气机的压气比为1.5～6。
7.根据权利要求1所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述回热器为主表面式回热器。
8.根据权利要求1所述的催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征在于：所述透平为径流透平，其膨胀比为1.5～6。
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