CN107288780A - 带氨裂解装置的动力机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了带氨裂解装置的动力机构，包括燃料供给装置、压缩机、燃烧室和动力件，该压缩机连接燃烧室以压缩包含空气的燃料并供给燃烧室，该燃烧室连接动力件以通过燃烧室燃烧产生的排气推动动力件活动，还包括氨裂解装置，该燃料供给装置连接氨裂解装置以为氨裂解装置提供氨，该氨裂解装置能分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气的燃料，该燃料在燃烧室内燃烧并产生排气。它具有如下优点：氢的燃点低于氨的燃点，故氢在燃烧室内先燃烧放热以点燃燃烧室的氨，氢能加速燃烧进程，从而改善氨燃料的燃烧性能，降低了燃烧室的进气温度和压缩比。

Description

带氨裂解装置的动力机构
技术领域
本发明涉及动力机构，尤其涉及一种主要以氨为燃料的带氨裂解装置的动力机构。
背景技术
动力机构，如燃气轮机，它是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，有空气压缩机、燃烧室和涡轮这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、无需冷却水等一系列优点。
针对上述不足，有人提出了采用氨作为燃料的燃气轮机，如CN102272427B、CN102272428B，它包括液氨供给装置、压缩机、燃烧室和涡轮，液氨供给装置连接燃烧室以将液氨供给燃烧室，该压缩机连接燃烧室以压缩空气并供给燃烧室，该压缩空气和液氨燃烧并产生排气，该燃烧室连接涡轮以通过排气推动压缩机和涡轮运转。液氨的自燃温度与最小点火能量高，氨作为燃气轮机或发动机的燃料存在点火性较差的问题，具体参数情况如下表1所示。液氨的火焰传播速度小，这使得其在发动机内燃烧时所需时间较长，不利于发动机性能的实现，具体参数情况如下表2所示。
表1所示为压缩比为18，燃烧室内的燃烧室进气温度变化，燃烧室内氨发生压缩燃烧的情况。在燃烧室进气温度为400℃-550℃时，燃烧室内的温度和压力变化不大，表明氨燃料没有被压缩燃烧；氨的自燃温度较高，因此在燃烧室进气温度为600℃时氨燃料才会发生压缩燃烧。燃烧室进气温度在600℃以上时氨燃料发生压缩燃烧，随着燃烧室进气温度的升高，氨燃料被压缩燃烧所需的时间缩短，燃烧起动才会加快。一方面，燃烧室所需进气温度较高时(如大于500℃)，压缩机通常难以将空气和氨的混合气体压缩至该进气温度。另一方面，燃烧室进气温度若大于800℃，则压缩机需要消耗的功率较高，导致输出的机械功大幅降低。本发明所指的燃烧室进气温度为：使含氨混合燃料在燃烧室内压缩燃烧所需的温度。
表1燃烧室内最高温度随燃烧室进气温度变化
燃烧室进气温度/℃ 燃烧室内最高温度/℃
400 431
500 535
550 589
600 2797
650 2836
700 2890
800 2927
表2所示为燃烧室内的燃烧室进气温度为527℃时，压缩比变化，燃烧室内氨发生压缩燃烧的情况。当压缩比达到14时，氨燃料并没有发生压缩燃烧。压缩比达到16以上时，氨燃料被压缩燃烧，但是压缩燃烧发生的延迟比较明显。随着压缩比的提高，氨燃料被压缩燃烧的速度加快，压缩燃烧延迟减小。当然，随着压缩比的增加，由于压缩机运转耗能较多而导致涡轮输出的机械功也大幅降低。
表2燃烧室内最高温度随压缩比变化
上述的参数表明液氨燃料只有在一定条件的压缩比或者燃烧室进气温度情况下才能被压缩燃烧。
发明内容
本发明提供了一种主要以氨为燃料的带氨裂解装置的动力机构，它克服了背景技术中以氨为燃料的动力机构所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：
带氨裂解装置的动力机构，包括燃料供给装置、压缩机、燃烧室和动力件，该压缩机连接燃烧室以压缩包含空气的燃料并供给燃烧室，该燃烧室连接动力件以通过燃烧室燃烧产生的排气推动动力件活动，还包括氨裂解装置，该燃料供给装置连接氨裂解装置以为氨裂解装置提供氨，该氨裂解装置能分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气的燃料，该燃料在燃烧室内燃烧并产生排气。
一实施例之中：该氨裂解装置能分解部分氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气和氨的燃料，该氢在燃烧室内燃烧放热以点燃燃烧室的氨。
一实施例之中：该燃料供给装置还连接燃烧室以为燃烧室提供氨，该氢在燃烧室内燃烧放热以点燃燃烧室的氨。
一实施例之中：还包括热交换器，该热交换器配合燃烧室的排气，以使燃烧室的排气产生的热量经由换热器导入氨裂解装置以为氨裂解反应提供的反应热。
一实施例之中：该氨裂解装置中的温度控制在200℃-700℃。
一实施例之中：该氨裂解装置中设置有分解氨的氨裂解催化剂，该氨裂解催化剂包括负载有钌、铑、镍和铁中至少一种的催化剂。
一实施例之中：该燃烧室内氢气的体积比浓度为2％-85％。
一实施例之中：该燃烧室的排气由排气通路排出，该排气通路内设置NOX选择还原催化剂，该NOX选择还原催化剂在氨存在的状态下能够将排气通路中所含的NOX选择性地还原。
一实施例之中：该燃料供给装置还连接排气通路。
一种应用上述带氨裂解装置的动力机构的燃气轮机，该动力件为涡轮，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的排气推动压缩机和涡轮运转。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：
一种燃气轮机，它应用上述动力机构，该动力件为涡轮，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的排气推动压缩机和涡轮运转。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
该氨裂解装置能分解部分液氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气和氨的燃料，该氢气、氨和压缩空气在燃烧室内压缩燃烧并产生排气，其中：该氢的燃点低于氨的燃点，故氢在燃烧室内先燃烧放热以点燃燃烧室的氨，氢能加速燃烧进程，从而改善氨燃料的燃烧性能，降低了燃烧室的进气温度和压缩比。另外，所需的燃料主要都为氨，一方面，氨燃烧后成为N2和H2O，不产生CO2排放，另一方面，无需增加烃类燃料，因增加的烃类燃料需要额外的燃料存储、输送和控制系统，使内燃机系统趋于复杂。
控制燃烧室内氢气的体积比浓度为2％-85％，显著地增加了燃烧时的火焰传播速度，有利于燃气轮机机性能的实现。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是实施例一的燃气轮机的系统图；
图2是实施例二的燃气轮机的系统图；
图3是实施例三的燃气轮机的系统图；
图4是实施例四的燃气轮机的系统图。
具体实施方式
实施例一
请查阅图1，燃气轮机，包括燃料供给装置4、氨裂解装置5、压缩机2、燃烧室1和涡轮3。该燃料供给装置4连接燃烧室1以为燃烧室1提供液氨；该燃料供给装置4连接氨裂解装置5以为氨裂解装置5提供液氨，该氨裂解装置5能分解部分液氨并生成有氢气，该氨裂解装置5连接燃烧室1以为燃烧室1提供包含有氢气和氨的燃料；该压缩机2连接燃烧室1以压缩包含空气的燃料并供给燃烧室1；该氢气、氨和压缩空气在燃烧室1内压缩燃烧并产生排气，其中：该氢的燃点低于氨的燃点，故氢在燃烧室内先燃烧放热以点燃燃烧室的氨，氢能加速燃烧进程，从而改善氨燃料的燃烧性能，降低了燃烧室的进气温度和压缩比。该燃烧室1连接涡轮3和压缩机2以通过燃烧室1燃烧产生的排气推动压缩机2和涡轮3运转。
本实施例之中，该压缩机2采用的是轴流式压气机，它从外界大气环境吸入空气并逐级压缩空气使之增压，同时空气温度也相应提高，以提高燃烧室的进气温度和压缩比。该压缩空气被压送到燃烧室1中与喷入的燃料(氢气和氨)混合燃烧生成高温高压的气体。然后再进入到涡轮3中膨胀做功，推动涡轮3带动空气压缩机2和外负荷转子一起高速旋转，实现了燃料的化学能转化为机械功，并输出电功。从涡轮3中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。
本实施例之中，该氨裂解装置5中含有分解氨的氨裂解催化剂51、52，采用的氨裂解催化剂51、52使部分氨裂解为氢气和氮气，裂解产生的氢气加速了燃烧进程，从而改善了氨燃料的燃烧性能。该氨裂解装置5可以具有任何结构，本实施例中，采用具有板式换热器结构的氨裂解装置。该氨裂解装置5具有上述板式换热器的结构时，优选将氨裂解催化剂51、52填充到该氨裂解装置5的燃料供给侧，或，将催化剂涂布在氨裂解装置5的燃料供给侧的材料的表面上。作为上述氨裂解装置5的氨裂解催化剂51、52，例如可以是负载有钌、铑、镍及铁中至少一种的催化剂。本实施例是使用颗粒状(平均直径为1mm)的钌类催化剂(载体：活性炭，助催化剂中使用BaO，Ru负载量为重量比5％)，将氨裂解催化剂填充到氨裂解装置5的燃料供给侧。本实施例之中，该氨裂解装置中的温度控制在200℃-700℃，最好，即便在氨裂解催化剂的催化作用下，氨裂反应温度也保持为300℃以上；该燃烧室内氢气的体积比浓度为2％-85％，如为4％-75％。
表3氢气和氨气的理化性质
该氨裂解装置5产生的氢在燃烧室1内燃烧放热以引燃由燃料供给装置4供给到燃烧室1的氨。由表3所示，由于氨的自燃温度651℃，以及最小点火能量680MJ均比较高，因此比较难引燃，须要加装复杂点火装置以满足氨的氨的自燃温度和最小点火能量。而氢气具有非常低的自燃温度(400℃)，以及最小点火能量(0.02MJ)，无须复杂点火装置即可点燃，并且燃烧时释放产生较高温度和高热量。本发明先将氨裂解装置4产生的氢气供给到燃烧室内燃烧放热，以点燃由燃料供给装置4供给到燃烧室的氨。通过设置在氨裂解装置5和燃烧室1之间的气体调节阀可以控制氢气的供给量。点火后，氨燃烧后产生的热量高于其最小点火能量，维持氨的持续燃烧。
实施例二
请查阅图2，它与实施例一不同之处在于：该燃料供给装置4只连接控制氨裂解装置5，氨裂解装置5裂解部分氨生成氢气，该氢气和未裂解的氨供应给燃烧室1。其中：该控制氨裂解装置5中温度在500℃条件下氨部分分解生成氢，压缩机2将空气压缩进入燃烧室1内，氨裂解装置5产生的氢与氨在燃烧室1内混合燃烧，燃烧室1的排气推动压缩机2和涡轮3运转。在纯氨燃烧条件下，由于氨的火焰传播速度小(6-8cm·s-1)，这使得其在发动机内燃烧时所需时间较长。氢气的火焰传播速度高达250cm·s-1。氨裂解装置5供给的氨氢混合燃料进入燃烧室内进行燃烧，实现氨氢燃烧性能互补。
进一步地由表3中氢气在常温常压下的着火极限为体积比浓度4-75％可知，较佳的实施例是控制燃烧室1内氢气的体积比浓度为4-75％。由于在燃烧室内氢气通常处于较高的温度的压力条件下，因此氢气的着火极限范围扩大，着火极限的体积比浓度大约扩大至2-85％，具有燃烧界限宽、燃烧温度高等优点。控制氢在该着火极限浓度范围内燃烧，显著地增加了氨混合燃料在燃烧室内燃烧的火焰传播速度。此外，维持氢气浓度处于着火极限之内，适宜氨氢混合燃料的连续和稳定燃烧，实现了燃气轮机较佳的燃烧性能。
当排气中的氨浓度为5000ppm时，表明氨并没有充分地燃烧，应控制燃料供给装置4减少氨的供应量或者氨裂解装置5增加氨的裂解量(如：适度地增加氨裂解装置的温度)，使排气中的氨浓度维持在5000ppm以下。
实施例三
请查阅图3，它与实施例二不同之处在于：该燃烧室1的排气由排气通路6排出；另设有热交换器7，该热交换器7配合燃烧室1的排气，以使燃烧室1的排气产生的热量经由换热器7导入氨裂解装置5以为氨裂解反应提供的反应热。即便在氨裂解催化剂的催化作用下，氨裂反应温度也需要保持为200℃以上。其中，氨裂解催化剂可以为负载有钌、铑、镍和铁中至少一种的催化剂。燃烧室1的排气推动涡轮3后，进入排气通路6中的排气余热温度仍可达到300-400℃，可以为氨裂解反应提供热量，并且无需增加额外的加热能源。由于在燃烧室1内由氨和氢混合燃烧，氨裂解装置5并非将氨完全地、彻底地裂解为氢，较佳的氨裂解装置中的温度控制在200℃-400℃。
实施例四
请查阅图4，它与实施例一不同之处在于：该燃烧室1的排气由排气通路6排出；使用氨作为燃料，将气态氨从燃料供给装置4供给到燃烧室1中。气态氨在燃烧室1中燃烧，燃烧室排气推动涡轮3转动。这样当氨燃烧时不生成CO2而是生成NOX，因此成为在从燃气轮机燃烧室1排出的排气中含有NOX。该涡轮3的排气由排气通路6排出，排气通路6内设置NOX选择还原催化剂61，该NOX选择还原催化剂61在氨存在的状态下能够将排气通路中所含的NOX选择性地还原。为了将排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂中61还原，而将燃料供给装置4供给到排气通路6内。在本实施例中该NOX在配置于燃气轮机发动机1的排气通路6内的NOX选择还原催化剂61(图4)中被还原。
NOX选择还原催化剂优选自：贵金属催化剂、分子筛催化剂、金属氧化物催化剂或碳摹材料催化剂这四类催化剂中的至少一种。该贵金属催化剂具有优良的低温活性，常用的贵金属催化剂主要有Pt和/或Pd等。金属氧化物催化剂包括：非负载型金属氧化物催化剂、以TiO2为载体的金属氧化物催化剂和以Al2O3为载体的金属氧化物催化剂中的至少一种。其中，通常负载型金属氧化物催化剂主要以V2O5为主剂，以MoO3、WO3和MoO3.WO3为辅剂构成的复合氧化物作为活性成分。分子筛催化剂(如：CuZSM5和FeZSM5)具有较佳的催化活性和较宽的活性温度范闱。碳基催化剂由于其比表向积大、化学稳定性良好、优良的热导性和强吸附性，而使催化剂的活性和稳定性均有显著提高。
本实施例采用的是贵金属类催化剂中的Pt/Al2O3催化剂(Pt的负载量为重量比1％)。采用NOX选择还原催化剂61(即Pt/Al2O3催化剂)中还原NOX时需要有氨的存在，下面对该氨的供给方法进行说明。
送入到涡轮3的未燃烧的氨被排出到燃气轮机的排气通路6内，然后该未燃烧的氨在NOX选择还原催化剂61的催化作用下将NOX还原。当进入排气通路中的氨浓度为100ppm以下时，表明没有充分地燃烧的氨不足以将NOX充分还原。燃料供给装置增加氨的供应量或者氨裂解装置减少氨的裂解量(如：降低裂解装置温度)，均可以提升进入排气通路中的氨浓度，进而将NOX充分还原，NOX的脱除率达到80％以上。
另一方面，燃料供给装置4供给还原NOX时需要的氨。如图4所示，燃料供给装置4将氨供给到排气通路6中，与进入排气通路中的NOX混合，供给到NOX选择还原催化剂61，而将NOX充分还原，NOX的脱除率达到90％以上。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.带氨裂解装置的动力机构，包括燃料供给装置、压缩机、燃烧室和动力件，该压缩机连接燃烧室以压缩包含空气的燃料并供给燃烧室，该燃烧室连接动力件以通过燃烧室燃烧产生的排气推动动力件活动，其特征在于：还包括氨裂解装置，该燃料供给装置连接氨裂解装置以为氨裂解装置提供氨，该氨裂解装置能分解氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气的燃料，该燃料在燃烧室内燃烧并产生排气。
2.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该氨裂解装置能分解部分氨并生成有氢气，该氨裂解装置连接燃烧室以为燃烧室提供包含有氢气和氨的燃料，该氢在燃烧室内燃烧放热以点燃燃烧室的氨。
3.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该燃料供给装置还连接燃烧室以为燃烧室提供氨，该氢在燃烧室内燃烧放热以点燃燃烧室的氨。
4.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：还包括热交换器，该热交换器配合燃烧室的排气，以使燃烧室的排气产生的热量经由换热器导入氨裂解装置以为氨裂解反应提供的反应热。
5.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该氨裂解装置中的温度控制在200℃-700℃。
6.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该氨裂解装置中设置有分解氨的氨裂解催化剂，该氨裂解催化剂包括负载有钌、铑、镍和铁中至少一种的催化剂。
7.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该燃烧室内氢气的体积比浓度为2％-85％。
8.根据权利要求1所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该燃烧室的排气由排气通路排出，该排气通路内设置NOX选择还原催化剂，该NOX选择还原催化剂在氨存在的状态下能够将排气通路中所含的NOX选择性地还原。
9.根据权利要求8所述的带氨裂解装置的动力机构，其特征在于：该燃料供给装置还连接排气通路。
10.一种应用权利要求1至9的所述带氨裂解装置的动力机构的燃气轮机，其特征在于：该动力件为涡轮，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的排气推动压缩机和涡轮运转。
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