CN108105801A - 一种新型的催化柔和燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的催化柔和燃烧方法，采用分级概念的模式，将催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)相结合，利用分级式燃烧室的三个区域：预混区、催化燃烧区、气相燃烧区(后催化燃烧区)，实现燃料在燃烧室中的高效清洁燃烧。与现有技术相比，本发明性能可靠、能够降低燃烧产物中NOx和碳氢化合物含量，具有较高的燃烧效率，降低了环境污染；同时利用无火焰燃烧能够有效减少或消除燃气轮机燃烧室中的热声振荡现象。

Description

一种新型的催化柔和燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种燃烧方法，尤其是涉及一种将催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)相结合的新型催化柔和燃烧方法。
背景技术
燃气轮机作为一种重要的热-功转换装置，在船舶、发电及化工等领域得到日益广泛的应用，在国民经济与国防建设中具有不可替代的作用和地位。燃气轮机循环效率的提高主要依靠燃烧室排气温度的增加，而与之相矛盾的是燃烧室内NOX的排放也将随着排气温度的提高而增加，同时重型燃气轮机燃烧室的工作环境十分恶劣，具有热负荷大、高温高速、高过量空气系数及流场复杂等特点，因此，如何保证在燃烧室高燃烧效率的基础上提高燃气轮机性能的关键技术不仅是国内外需要突破的难点，同时也使燃烧室在燃气轮机领域成功应用面临着诸多问题和挑战。
在燃烧室中采用催化燃烧技术降低NOX的排放最早是由William Pfefferle在1975年提出的，随后美国和日本等国都积极开展了可应用于不同尺度地面燃气轮机燃烧室的催化技术的研究。当时催化剂工作温度高于燃烧室出口燃气温度，因而引起了催化剂的失活和烧毁问题，限制了催化燃烧室的发展。90年代利用分级燃烧室的概念提出了催化燃烧和预混燃烧相结合的设计，降低了催化剂工作温度，防止了催化剂的高温失活和老化。确定合理的催化/后催化－预混燃烧室结构，并开展相关的常压、高压原型机及部件实验测试，一直是各国开展催化－预混分级燃烧室研究的方法。日本的Toshiba公司和Tokyo电力公司提出了一种催化－预混分级燃烧室的概念，并共同开展了1300℃级燃烧室的全尺度常压实验及催化剂的小尺度高压实验。美国能源部先进涡轮系统计划提出了采用催化燃烧降低排放的计划，并在Solar和西门子－西屋公司分别实施了实验与理论研究。目前，催化－预混分级燃烧室概念的可行性通过各国实验研究已得到了认可，其低排放特性也吸引了人们的注意。
对催化燃烧的研究国内已开展多年，研究的重点大多集中在催化剂、催化通道的特性及运行参数对催化反应特性的影响方面。催化燃烧应用在燃气轮机领域的研究主要体现在采用低热值燃料的催化燃烧微型燃气轮机技术的研究，但是现有技术所公开的技术方案均不能同时兼顾燃气轮机高性能和低排放特性。
中国专利CN103912896A公开了一种可降低污染物排放的航空发动机催化-预混分级燃烧室及运行方法。该燃烧室为沿发动机轴向布置的环形结构，它包括预燃、预混、催化、次级燃烧及均相反应区。在预燃区采用了扩散燃烧方法使部分燃料和空气进行反应，预混区内有燃油喷嘴和空气喷嘴使燃料与空气充分混合，在预混区出口实现富燃燃料并与预燃区的高温工质进行混合提高可燃混合物的温度，在催化和次级燃烧区内预混区出口混合好的高温可燃混合物进入反应区进行反应进一步提高工质温度，催化和次级燃烧区尾气含有大量可燃成分使其与通过空气喷嘴喷入的次级空气流混合后在均相反应区进一步反应以提高工质温度。
中国专利CN103912896A与申请的专利有本质不同，首先是应用对象不同前者为航空发动机，后者为燃气轮机；其次是使用的燃料不同，前者为燃油，后者为燃气；然后是方法上不同，前者是混合好的可燃混合物进入催化燃烧区、次级燃烧区、均相反应区，后者是加入一次燃料进入催化燃烧区完全燃烧，把温度控制在1000℃以下，加入二次燃料在均相反应区完全燃烧。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼顾燃气轮机高性能和低排放特性的新型的催化柔和燃烧方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种新型的催化柔和燃烧方法，针对先进燃气轮机高参数运行特点，将分级式催化燃烧和后催化燃烧结合，将燃料在燃烧室的预混区、催化燃烧区、气相燃烧区依次进行燃烧，实现燃料在燃烧室中高效清洁的燃烧，包括以下步骤：
(1)在启动阶段，压气机空气进入预混区，打开燃料管路，流入预混室的燃料与空气在启动点火器作用下发生燃烧，对燃烧室进行加热，使催化燃烧区的温度达到反应所需的起燃温度，催化燃烧区和气相燃烧区同时可对进气流道内的空气进行预加热，随后启动燃料管路关闭，主燃料管路打开，进入稳定燃烧阶段；
(2)主燃料管路打开后，来自主燃料入口的燃料与预混室的工质混合进入催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应，在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂使燃料在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能；
(3)催化燃烧区中尚余的没有完全燃烧的燃料，进入气相燃烧区中完全燃烧，经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高，二次燃料管路的燃料沿管道进入气相燃烧区发生高温氧化反应，进而完全燃烧，产生的高温高压气体进入透平，推动透平做功。
所述的燃料为甲烷或天然气。
按照针对不同型号燃气轮机的参数，经过压气机压缩后的高温高压空气，温度达到100～350℃。
压缩空气经过催化燃烧区和后催化燃烧区换热升温，与启动/辅助燃料混合进入分级燃烧室预混区中，根据进口燃料浓度和流量的不同，预混区中燃料与空气进行预混的温度为0～450℃，作为优选的实施方式，温度控制在250～450℃。
根据进口燃料浓度和流量的不同，所述的催化燃烧区进行催化燃烧的反应温度为450℃～1000℃。作为优选的实施方式，催化燃烧区入口温度控制450℃～550℃，催化燃烧区出口温度控制在900℃～1000℃。
根据燃气轮机功率的不同，气相燃烧区进入透平的燃气温度为1000～1550℃。
与现有技术相比，本发明采用分级概念的模式，将催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)相结合，发展一种同时兼顾燃气轮机高性能和低排放特性的高效燃烧室。利用该先进燃气轮机分级式燃烧室的三个区域：预混区、催化燃烧区、气相燃烧区(后催化燃烧区)，实现燃料在燃烧室中的高效清洁燃烧。能够降低燃烧产物中NOx和碳氢化合物含量，具有较高的燃烧效率，减少了污染物含量；同时利用无火焰燃烧过程有效减少或消除燃烧室中的热声振荡现象。
本发明的燃烧区主要催化燃烧和后催化燃烧(气相反应)，这两个区均为无火焰燃烧，没有局部高温，因此燃烧产物中NOx很低，热声震荡现象很少。同时燃烧均匀、且温度较高，因此燃烧完全，碳氢化合物含量几乎没有，燃烧效率高。
具体实施方式
一种新型的催化柔和燃烧方法，针对先进燃气轮机高参数运行特点，将分级式催化燃烧和后催化燃烧结合，将燃料在燃烧室的预混区、催化燃烧区、气相燃烧区依次进行燃烧，实现燃料在燃烧室中高效清洁的燃烧，包括以下步骤：
(1)在启动阶段，压气机空气进入预混区，打开燃料管路，流入预混室的甲烷燃料与空气在启动点火器作用下发生燃烧，对燃烧室进行加热，使催化燃烧区的温度达到反应所需的起燃温度，催化燃烧区和气相燃烧区同时可对进气流道内的空气进行预加热，随后启动燃料管路关闭，主燃料管路打开，进入稳定燃烧阶段；
(2)主燃料管路打开后，来自主燃料入口的甲烷燃料与预混室的工质混合进入催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应，在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂使燃料在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能；
(3)催化燃烧区中尚余的没有完全燃烧的燃料，进入气相燃烧区中完全燃烧，经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高，二次燃料管路的燃料沿管道进入气相燃烧区发生高温氧化反应，进而完全燃烧，产生的高温高压气体进入透平，推动透平做功。
本方案可作为重型、中型和微型燃气轮机的催化燃烧室。可利用来自压气机的压缩空气的温度范围在250～350℃左右，预混区可利用燃料与空气进行预混的温度范围为0～450℃，催化燃烧室可进行催化反应的温度范围为450℃～1000℃，后催化/气相反应区可进行的高温氧化反应的温度范围为1000～1550℃。本装置性能可靠，燃烧效率高，污染产物少，燃烧均匀性好，可以实现兼顾不同型号燃气轮机高性能和低排放特性，以下进行具体操作。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
针对适用于重型燃气轮机的情况，燃料工质为甲烷(或天然气)，来自压气机空气的温度约为350℃，压力约为25大气压，主燃料(一次燃料)量在混合气中所占组分比约为3％，从二次燃料口进入后催化/气相反应区的甲烷在燃气中所占组分比约为2.5％。本发明通过以下步骤进行工作：
(1)在启动阶段，压气机空气沿分级燃烧室内外壳之间的空气流道穿过孔隙进入预混室。同时启动燃料入口打开，流入预混室的燃料与空气在点火器作用下发生燃烧，对分级燃烧室进行加热，使催化燃烧室的温度达到反应所需的起燃温度。随后启动燃料入口关闭，主燃料(一次燃料)入口打开，进入稳定燃烧阶段。在预热升温后燃料-空气预混室的燃气温度约为450℃。
(2)主燃料(一次燃料)入口打开后，来自主燃料(一次燃料)入口的燃料与空气混合进入分级燃烧室的催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应。在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使甲烷在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，完全反应并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能。在催化燃烧过程中，催化燃烧区入口温度约为450℃～550℃，催化燃烧区出口温度约为900℃～1000℃。
(3)经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高，来自二次燃料入口的甲烷(或天然气)沿管道进入后催化/气相反应区发生高温氧化反应，进而完全燃烧。经过分级燃烧室产生的高温高压气体进入透平，推动透平做功。从后催化/气相反应区进入透平的燃气温度约为1550℃。
实施例2
针对适用于中型燃气轮机的情况，燃料工质为甲烷(或天然气)，来自压气机的空气温度约为250℃，压力约为12大气压，主燃料(一次燃料)量在混合气中所占组分比约为2.5％，从二次燃料口进入后催化/气相反应区的甲烷在燃气中所占组分比约为1.5％。本发明通过以下步骤进行工作：
(1)在启动阶段，压气机空气沿分级燃烧室内外壳之间的空气流道穿过孔隙进入预混室。同时启动燃料入口打开，流入预混室的燃料与空气在点火器作用下发生燃烧，对分级燃烧室进行加热，使催化燃烧室的温度达到反应所需的起燃温度。随后启动燃料入口关闭，主燃料入口打开，进入稳定燃烧阶段。在预热升温后燃料-空气预混室的燃气温度约为450℃。
(2)主燃料(一次燃料)入口打开后，来自主燃料入口的燃料与空气混合进入分级燃烧室的催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应。在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使甲烷在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，完全燃烧并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能。在催化燃烧过程中，催化燃烧室中燃气温度约为900℃。
(3)经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高，来自二次燃料入口的甲烷沿管道进入后催化/气相反应区发生高温氧化反应，进而完全燃烧。经过分级燃烧室产生的高温高压气体进入透平，推动透平做功。从后催化/气相反应区进入透平的燃气温度约为1250℃。
实施例3
针对适用于微小型燃气轮机的情况，燃料工质为甲烷(或天然气)，来自压气机的空气温度约为150℃，压力约为6大气压，从主燃料口进入预混室中的甲烷在混合气中所占组分比约为2％，从二次燃料口进入后催化/气相反应区的甲烷在燃气中所占组分比约为1％。本发明通过以下步骤进行工作：
(1)在启动阶段，压气机空气沿分级燃烧室内外壳之间的空气流道穿过孔隙进入预混室。同时启动燃料入口打开，流入预混室的燃料与空气在点火器作用下发生燃烧，对分级燃烧室进行加热，使催化燃烧室的温度达到反应所需的起燃温度。随后启动燃料入口关闭，主燃料入口打开，进入稳定燃烧阶段。在预热升温后燃料-空气预混室的燃气温度约为450℃。
(2)主燃料入口打开后，来自主燃料(一次燃料)入口的燃料与空气混合进入分级燃烧室的催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应。在催化燃烧过程中，催化剂降低了甲烷和氧气的活化能，同时催化剂表面微小多孔介质具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使甲烷在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能。在催化燃烧过程中，催化燃烧室中燃气温度约为800℃。
(3)来自二次燃料入口的甲烷沿管道进入后催化/气相反应区发生高温氧化反应，进而完全燃烧。经过分级燃烧室产生的高温高压气体进入透平，推动透平做功。从后催化/气相反应区进入透平的燃气温度约为1000℃。
实施例4
一种新型的催化柔和燃烧方法，将燃料在燃烧室的预混区、催化燃烧区、气相燃烧区依次进行燃烧，包括以下步骤：
(1)在启动阶段，压气机空气进入预混区，来自压气机的压缩空气的温度为100℃，压力为3大气压，打开启动燃料管路，流入预混室的甲烷燃料与空气在启动点火器作用下发生燃烧，预混区中燃料与空气进行预混的温度为0℃，预混区加入的燃料与空气的体积比为0.05，对燃烧室进行加热，使催化燃烧区的温度达到反应所需的起燃温度，催化燃烧区和气相燃烧区同时可对进气流道内的空气进行预加热，随后启动燃料管路关闭，主燃料管路打开，进入稳定燃烧阶段；
(2)主燃料管路打开后，来自主燃料入口的甲烷燃料与预混室的空气混合进入催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应，借助催化剂使燃料在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，在催化燃烧区加入的一次燃料与空气比为0.02，一次燃料完全燃烧，催化燃烧区的最高反应温度不大于1000℃，氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能；
(3)进入催化燃烧区混合气中的一次燃料完全燃烧，经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高；二次燃料管路的甲烷燃料沿管道进入气相燃烧区发生高温氧化反应，气体温度进一步升高，在气相燃烧区加入的二次燃料在完全燃烧，二次燃料量约为催化燃烧室排气量的2％～3％，产生的高温高压气体进入透平，进入透平的燃气温度为1000℃，压力为3大气压,推动透平做功。
实施例5
一种新型的催化柔和燃烧方法，将燃料在燃烧室的预混区、催化燃烧区、气相燃烧区依次进行燃烧，包括以下步骤：
(1)在启动阶段，压气机空气进入预混区，来自压气机的压缩空气的温度为350℃，压力为35大气压，打开启动燃料管路，流入预混室的甲烷燃料与空气在启动点火器作用下发生燃烧，预混区中燃料与空气进行预混的温度为450℃，预混区加入的燃料与空气的体积比为0.1，对燃烧室进行加热，使催化燃烧区的温度达到反应所需的起燃温度，催化燃烧区和气相燃烧区同时可对进气流道内的空气进行预加热，随后启动燃料管路关闭，主燃料管路打开，进入稳定燃烧阶段；
(2)主燃料管路打开后，来自主燃料入口的甲烷燃料与预混室的空气混合进入催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应，借助催化剂使燃料在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，在催化燃烧区加入的一次燃料与空气比为0.04，一次燃料完全燃烧，催化燃烧区的最高反应温度不大于1000℃，氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能；
(3)进入催化燃烧区混合气中的一次燃料完全燃烧，经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高；二次燃料管路的甲烷燃料沿管道进入气相燃烧区发生高温氧化反应，气体温度进一步升高，在气相燃烧区加入的二次燃料在完全燃烧，二次燃料量约为催化燃烧室排气量的3％，产生的高温高压气体进入透平，进入透平的燃气温度为1550℃，压力为35大气压,推动透平做功。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，该方法将燃料在燃烧室的预混区、催化燃烧区、气相燃烧区依次进行燃烧，包括以下步骤：
(1)在启动阶段，压气机空气进入预混区，打开启动燃料管路，流入预混室的燃料与空气在启动点火器作用下发生燃烧，对燃烧室进行加热，使催化燃烧区的温度达到反应所需的起燃温度，催化燃烧区和气相燃烧区同时可对进气流道内的空气进行预加热，随后启动燃料管路关闭，主燃料管路打开，进入稳定燃烧阶段；
(2)主燃料管路打开后，来自主燃料入口的燃料与预混室的空气混合进入催化燃烧区，在堇青石蜂窝状催化反应器中进行催化燃烧反应，借助催化剂使燃料在较低起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能；
(3)进入催化燃烧区混合气中的一次燃料完全燃烧，经过催化燃烧产生的大量热能使气体温度快速升高；二次燃料管路的燃料沿管道进入气相燃烧区发生高温氧化反应，气体温度进一步升高，产生的高温高压气体进入透平，推动透平做功。
2.根据权利要求1所述的一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，所述的燃料为甲烷或天然气。
3.根据权利要求1所述的一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，来自压气机的压缩空气的温度为100～350℃，压力为3～35大气压。
4.根据权利要求1所述的一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，所述的预混区中燃料与空气进行预混的温度为0～450℃。
5.根据权利要求4所述的一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，所述的预混区中燃料与空气进行预混，预混区加入的燃料与空气的体积比为0.05-0.1，启动阶段燃烧室加热到450℃。
6.根据权利要求1所述的一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，在催化燃烧区加入的一次燃料与空气的体积比为0.02-0.04，一次燃料完全燃烧，催化燃烧区的最高反应温度不大于1000℃。
7.根据权利要求1所述的一种新型的催化柔和燃烧方法，其特征在于，在气相燃烧区加入的二次燃料在完全燃烧，二次燃料量为催化燃烧室排气量的2～3v/v％，进入透平的燃气温度为1000～1550℃，压力为3～35大气压。
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