CN103277193A

CN103277193A - 一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法

Info

Publication number: CN103277193A
Application number: CN2013102472892A
Authority: CN
Inventors: 龙伍见; 李强; 霍春秀; 康建东; 逄锦纶; 兰波; 高鹏飞; 许慧娟; 李磊
Original assignee: CHINA COAL SCIENCE AND INDUSTRY GROUP CHONGQING RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: CHINA COAL SCIENCE AND INDUSTRY GROUP CHONGQING RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明涉及一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，包括以下步骤：1、启动燃气轮机系统，将发电机调整为电动机模式，当发电机的转速达到S1时，开启启动燃烧装置，对催化燃烧室内的催化剂进行加热；2、当催化燃烧室内的蜂窝状催化剂温度达到T1时，关闭燃烧启动装置；向催化燃烧室内通入低热值原料气，和催化剂发生催化氧化燃烧反应；3、当催化燃烧室和烟气的温度达到T2时，烟气膨胀做功推动发电机高速旋转，当发电机转速达到S2时，将发电机调整为发电模式开始进行正常发电。本发明在充分利用能源的同时也大大减少了温室气体的排放，非常适合工业化应用推广。

Description

一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法

技术领域

本发明涉一种发电方法，特别涉及一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法。

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%，甲烷的温室气体效应约是CO₂的21倍。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。

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。催化氧化燃烧技术由于催化剂的存在降低了反应的活化能，使得在催化剂表面发生的反应温度降低，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。

澳大利亚能源开发公司开发利用煤矿通风瓦斯的燃气轮机技术，利用的甲烷浓度为1.6％；美国Capstone燃气轮机公司研究开发微型催化燃烧燃气轮机，利用甲烷浓度为1％的煤矿通风瓦斯；日本川崎重工开发了一种煤矿低浓度瓦斯催化燃气轮机，利用矿井乏风瓦斯（浓度小于1％）和煤矿抽出的低浓度瓦斯的混合气（浓度为2.0％）。澳大利亚联邦科学研究院CSIRO和我国上海交通大学，也在从事煤矿通风瓦斯催化燃烧发电技术的研究。

我国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，进行相关研究的论文和资料也很少。其中，中国专利CN101649782利用甲烷含量低于1%的乏风瓦斯进行催化燃烧燃气轮机发电，该专利没有采用回热器，造成能量浪费和燃气轮机总的热效率不高。中国专利CN101545402采用四通阀切换催化燃烧室的形式，该形式造成催化燃烧室尺寸较大不够紧凑，此外通过减速齿轮箱与发电机连接也会影响催化燃烧燃气轮机发电的热效率。中国专利CN101566101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。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，该方法能够在充分利用能源的同时也大大减少了温室气体的排放。

本发明的目的是研究出一种高质量的基于动态脉宽调制的编码信号实现方法，包括如下步骤：1）：将发电机调整为电动机模式，打开压气机，发电机带动压气机旋转，当压气机的转速达到S₁时，20000＜S₁＜30000rpm，打开燃气阀门，开启催化燃烧室内的启动燃烧装置，对催化燃烧室内的催化剂进行加热；2）：当催化燃烧室内的催化剂温度达到T₁后，350＜T₁＜450℃，关闭启动燃烧装置，将被过滤器过滤的低热值原料气送入压气机压缩，被压缩的气体进入回热器并利用透平排气的余热在回热器内被加热，然后在催化燃烧室内发生催化氧化燃烧反应并产生烟气，催化燃烧后烟气温度上升；3）：当烟气和催化燃烧室内的温度达到T₂时，700＜T₂＜900℃，将烟气送入透平，烟气在透平内膨胀做功推动发电机高速旋转，当发电机转速达到S₂，40000＜S₂＜50000rpm，将发电机调整为发电模式，则整个催化燃烧的燃气轮机发电装置开始进行正常发电。

进一步，所述低热值原料气包括矿井乏风瓦斯气、高炉尾气、生物质气中的一种或几种。

进一步，所述压气机采用的是离心式压气机，压气比为1.5～6；

进一步，所述回热器采用的是主表面式回热器，紧凑度高达1500m²/m³，回热效率大于90%；

进一步，所述透平采用的是径流透平，膨胀比为1.5～6；

进一步，所述发电机采用高速永磁式发电机；

进一步，所述压气机、透平和发电机同轴，压气机与透平，透平与发电机都通过轴联器连接；

进一步，所述催化剂为蜂窝状催化剂，催化剂的装填分为多级式装填；

进一步，所述催化剂的装填为三级式装填，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型催化剂。

本发明的有益技术效果：

1、本发明能够在充分利用能源的同时也大大减少了温室气体的排放。

2、本发明采用新型的主表面式回热器，紧凑度高达1500m²/m³，回热效率大于90%。

3、本发明采用高速永磁发电机与压气机和涡轮直接连接，省掉减速齿轮箱，提高了整套燃气轮机发电系统的总效率。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为催化燃烧燃气轮机发电装置系统结构图；

图2为催化燃烧室结构简图；

图3为催化燃烧燃气轮机系统启动流程图。

图中：气体过滤器1、离心压气机2、回热器3、催化燃烧室4、透平5、永磁发电机6、轴联器7、启动燃烧装置8、第一级催化剂9、第二级催化剂10、第三级催化剂11。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的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、发电机6、轴联器7，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。压气机2、透平5和发电机6同轴，压气机2与透平5，透平5与发电机6都通过轴联器7连接。

本发明的利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，具体包括以下步骤：

1）：将发电机6调整为电动机模式，打开压气机2，发电机6带动压气机2旋转，当压气机2的转速达到S₁时，20000＜S₁＜30000rpm，打开燃气阀门，开启催化燃烧室内4的启动燃烧装置8，对催化燃烧室4内的催化剂进行加热；

2）：当催化燃烧室内4的催化剂温度达到T₁后，350＜T₁＜450℃，关闭启动燃烧装置8，将被过滤器1过滤的低热值原料气送入压气机2压缩，被压缩的气体进入回热器3并利用透平5排气的余热在回热器3内被加热，然后在催化燃烧室4内发生催化氧化燃烧反应并产生烟气，催化燃烧后烟气温度上升；

3）：当烟气和催化燃烧室内4的温度达到T₂，700＜T₂＜900℃，将烟气送入透平5，烟气在透平5内膨胀做功推动发电机6高速旋转，当发电机6转速达到S₂，40000＜S₂＜50000rpm，将发电机调整为发电模式，则整个催化燃烧的燃气轮机发电装置开始进行正常发电。

压气机2采用的是离心式压气机，压气比为1.5～6，最佳压气比为2.1～3.8。开启启动燃烧装置8时离心压气机的最佳转速在24000～26000rpm，启动时在该转速下压气机能将原料气压缩到最佳的范围，达到最好的反应效果。

催化燃烧室4内依次装填有启动燃烧装置8和蜂窝状整体式催化剂，催化燃烧室内4的蜂窝状整体式催化剂的装填分为多级式装填，易于催化剂的装填和拆卸。更重要的是根据催化燃烧反应的实际情况每一级所装填的催化剂有不同的作用。第一级催化剂9装填以贵金属为活性组分的整体催化剂，该类型催化剂甲烷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，因此第二级催化剂10和第三级催化剂11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。催化燃烧室4关闭启动燃烧装置8时的温度T₁为350～450℃，其中最佳温度为380～410℃，在该最佳温度下，原料气的转化率能达到50%以上，释放的热量足以保持催化燃烧室内温度自平衡使得剩余没反应掉的原料气完全反应。

回热器采用的是CC型主表面式回热器，紧凑度高达1500m²/m³，回热效率大于90%。该回热器可靠性高、热变形小、寿命长、造价低易于批量生产。

透平采用的是径流透平，膨胀比为1.5～6，最佳膨胀比为2.1～3.8，该最佳膨胀比和压气机的最佳压气比相同，因为二者是同轴，只是叶片旋转方向相反。在该膨胀比下本发电方法有最好的系统热效率。

发电机采用高速永磁式发电机。压气机、透平和发电机同轴，通过轴联器连接，转动轴的转速为10000～45000rpm。当燃烧室和烟气的温度T₂为700～900℃，最佳温度为750～800℃，在该最佳温度下原料气的转化率能达到99%以上，超过此温度容易造成催化燃烧室内的催化剂失活，使得原料气转化率下降，从而造成发电效率下降。

转动轴的最佳转速S₂为43000～45000rpm，时，发电机调整为发电模式且正常发电。发电机在此转速下有着最高的发电效率，如果转速超过45000rpm会造成联轴器和轴承的寿命降低，转速低于43000rpm又会造成永磁发电机发电效率下降。

本发明催化燃烧燃气轮机发电装置适用的低热值气体甲烷含量为0.4%～5%，燃烧热值约在0.15～1.8MJ/Nm³。适用的低热值气体包括矿井乏风瓦斯气、生物质气和钢铁行业的高炉尾气等。整个催化燃烧燃气轮机发电装置的有效发电功率从几十千瓦到几千千瓦。

下面具体介绍一下发电过程，该实施例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0.36MJ/Nm³。

将永磁发电机6调整为电动机模式，打开压气机2，发电机6带动压气机2高速旋转。当压气机2达到24000rpm时，打开燃气阀门，开启启动燃烧装置8，对催化燃烧室4内的蜂窝状催化剂9、10、11进行加热。

当燃烧室4内的蜂窝状催化剂9、10、11温度达到370℃后，关闭启动燃烧装置8。然后将气体过滤器1过滤成纯净且浓度相对稳定的原料气通入到离心压气机2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中利用透平5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℃通过回热器烟气出口管路直接排出到大气中或者用余热锅炉烧热水。催化燃烧室4内置有蜂窝状催化剂，回热器3原料气出口被加热到400℃的乏风瓦斯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9催化燃烧后烟气温度上升到650℃，第二级六铝酸盐催化剂10催化燃烧后烟气温度上升到700℃，第三级六铝酸盐催化剂11催化燃烧后烟气温度上升到730℃。高温高压的烟气在透平5内膨胀做功通过轴联器7推动永磁发电机6同轴高速转动，当永磁发电机6的转速达到43000rpm时，将发电机模式调整为发电模式，则整个催化燃烧的新型燃气轮机发电装置开始进行正常发电。烟气在透平5膨胀后温度下降到500℃，压力降到常压，再将该500℃常压的烟气通回到回热器内加热新的低热值原料气。如此循环，该发电方法可进行持续发电。

在该额定工况下，催化燃烧燃气轮机发电装置的发电效率可达15%。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）：将发电机调整为电动机模式，打开压气机，发电机带动压气机旋转，当压气机的转速达到S₁时，20000＜S₁＜30000rpm，打开燃气阀门，开启催化燃烧室内的启动燃烧装置，对催化燃烧室内的催化剂进行加热；

2）：当催化燃烧室内的催化剂温度达到T₁后，350＜T₁＜450℃，关闭启动燃烧装置，将被过滤器过滤的低热值原料气送入压气机压缩，被压缩的气体进入回热器并利用透平排气的余热在回热器内被加热，然后在催化燃烧室内发生催化氧化燃烧反应并产生烟气，催化燃烧后烟气温度上升；

3）：当烟气和催化燃烧室内的温度达到T₂时，700＜T₂＜900℃，将烟气送入透平，烟气在透平内膨胀做功推动发电机高速旋转，当发电机转速达到S₂，40000＜S₂＜50000rpm，将发电机调整为发电模式，则整个催化燃烧的燃气轮机发电装置开始进行正常发电。

2.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：所述低热值原料气包括矿井乏风瓦斯气、高炉尾气、生物质气中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：所述压气机采用的是离心式压气机，压气比为1.5～6。

4.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：所述回热器采用的是主表面式回热器，紧凑度为1500m²/m³，回热效率大于90%。

5.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：所述透平采用的是径流透平，膨胀比为1.5～6。

6.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的新型燃气轮机发电方法，其特征在于：所述发电机采用高速永磁式发电机。

7.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的新型燃气轮机发电方法，其特征在于：所述压气机、透平和发电机同轴，压气机与透平，透平与发电机都通过轴联器连接。

8.根据权利要求1所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：所述催化剂为蜂窝状催化剂，催化剂的装填分为多级式装填。

9.根据权利要求8所述的一种利用低热值气体进行催化燃烧的燃气轮机发电方法，其特征在于：所述催化剂的装填为三级式装填，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型催化剂。