CN1670344B - 有效利用温室气体排放额度的燃气发动机发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃气发动机发电系统，其中发电装置包括与燃气发动机连接的发电机，该燃气发动机是引燃燃料点火型并且安装于煤矿附近，来自煤层和采矿轴的回收甲烷气体和通风甲烷气体被导入燃气发动机汽缸中，同时将导入气体调节为贫甲烷/空气混合气，从而使发动机运行并发出电力，该系统建立在包括中国在内的发展中国家的煤矿附近，以下两种情况的温室效应指数的差产生了二氧化碳排放额度，一种情况是煤矿甲烷气体排放到大气中，另一种情况是所述甲烷气体被燃气发动机发电系统所利用并作为二氧化碳被排放到大气中，该二氧化碳排放额度可以注册到排放额度市场中，从而可以同超额支付债务人(或者想购买该排放额度的人)作额度交易。本发明也包括具有相互支援关系的联合系统，该联合系统由一个或多个系统和附近利用煤层甲烷或采矿前气体作为燃料的一个发电系统或多个系统组成。

Description

有效利用温室气体排放额度的燃气发动机发电系统
技术领域
本发明涉及一种能有效利用煤矿甲烷气体的燃气发动机发电系统，这种具有较低甲烷浓度且浓度变化范围很大的煤矿甲烷气体不仅可用于燃气发动机发电系统，而且可以通过电力生产和GHG(温室气体)排放额度交易的收益来平稳地推动发展中国家的经济发展。
背景技术
全世界对环境问题的意识正在增强，1997年在京都召开的联合国气候变化框架大会第三次会议上确定了各国减少二氧化碳排放的目标。在这次会议上，根据各国家条件的不同相应地减少GHG(CO2，CH4，N2O等)排放以及提高这种减少排放的效率的机制为大家所认同。
京都机制致力于促进世界范围内的合作和排放额度的交易以减少GHG，其中引入了二氧化碳排放额度的概念(排放一定量二氧化碳的权利)，其目标是利用市场规律作为补充手段来使各国达到减少排放的目标。当每个实体(国家，企业，商店，家庭，等等)直接排放GHG(例如，运行机器时消耗能源，驾驶车辆时消耗汽油，等等)或间接排放GHG(例如，开采煤矿，销售汽油，等等)时，假定每个实体都应当根据其GHG排放量来承担二氧化碳排放额度的责任。
即使在本世纪中期，全世界主要煤炭生产国(中国，独联体，欧洲，美国，等等)的能源和煤炭产业作为能源供应者都被期待着扮演重要角色。
然而，与煤炭生产成比例的是，每生产一吨煤炭要向大气中排放10-40Nm3的甲烷气体(按照纯甲烷计算)，然后该甲烷气体成为回收甲烷气体(经空气稀释，30-50％的浓度)和通风甲烷气体(经空气稀释，0.3-0.7％的浓度)。因此，有效利用排放到大气中的甲烷气体的技术和商业活动都是很有前途的，并将会产生巨大的社会和经济效益。
例如，各个国家和地区排放的煤矿甲烷气体分别是：中国14,400(206)，独联体4,200(60)，其他发展中国家3500(50)，共计22,100(316)，这几乎超过了发达国家总量11,000(157)的两倍。(单位是百万m3/年，括号中的数字是换算成二氧化碳的量，单位是吨/年)。从排放额度交易的观点看，利用发展中国家的那些煤炭甲烷气体是非常有利的。
如图5所示，有两种煤炭甲烷气体，一种是利用真空泵从为了安全目的的钻孔中脱气而回收到的回收甲烷气体，另一种是从采矿轴和煤层中同通风空气一起排放的通风甲烷气体。这些甲烷气体的浓度较低，前者的浓度是30-50％，而后者非常低，是0.3-0.7％。
已经考虑过用锅炉或燃气轮机作为热力发动机来利用甲烷气体。
但是，如果将甲烷浓度是30-50％的回收甲烷气体用于燃气轮机或锅炉，由于燃烧温度较低而且甲烷浓度随时间变化，所以该方法是不现实的。人们认为即使将回收甲烷气体用于燃气轮机也是困难的。实际上，对回收甲烷气体的利用已经受到限制。回收甲烷气体已经用作附近家庭的燃料，或只作为锅炉的辅助燃料使用。
因此，对于煤矿甲烷气体的利用来说，即使是回收甲烷气体也很少用到，几乎所有的煤矿甲烷气体都排放到大气中。
然而，甲烷气体的温室效应指数(在此和在下文中，该术语等同于“全球预警值”)是甲烷气体被燃烧后作为CO2排放到大气中时的21倍。例如，中国释放的煤矿甲烷气体是14.4千兆m3，这个数值多于日本排放的CO2总量的10％。
因此，如果日本成立一家公司来有效地消耗中国的煤矿甲烷气体，将煤矿甲烷气体转变为CO2并作为CO2排放，与将甲烷气体排放到大气中的情况相比，可以实现数值为20的温室效应指数的减少，因为前者的温室效应指数是21，另一方面，CO2温室效应指数是1。这种温室效应指数的减少可以作为排放额度来进行交易。
例如，如果发展中国家，例如中国，独联体等，通过接受来自亚洲开发银行、世界银行或日本ODA等的财政或贷款援助以开始有效消耗煤矿甲烷气体的商业活动，那么该企业主体可以从企业经营活动中获利，也可以通过把CO2排放额度出售给超额支付债务人来获利。这种超额系统是国家(政府)例如对每个排放二氧化碳的企业征收费用的系统。有两种方法，一个方法是把该超额加到燃料价格上，该超额与从一次能源的量计算出的二氧化碳排放量成正比，另一个方法是根据实际排放二氧化碳的时间确定该超额。
发明内容
本发明可以解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种技术，基于该技术可以成立一种企业，该企业可以有效地利用具有较低甲烷浓度且浓度变化范围很大的煤矿甲烷气体，该企业可以利用CO2排放额度交易系统，将GHG排放额度作为抵押以获得财政或贷款援助，从而可以平稳地促进发展中国家的经济发展。
本发明的另一个目的是通过有效地利用装配有本申请人开发的燃烧诊断装置(见WO02/079629)的燃气发动机，来达到上述目标。
首先，参照图1解释用于本发明燃气发动机主体的结构。图1中，附图标记20表示燃气发动机的主体部分。包括喷嘴11b以及副腔室11c的引燃燃料点火装置11安装在燃烧室44的上部，燃烧室44由汽缸和活塞形成，喷射火焰44a从所述副腔室11c喷入燃烧室44，回收甲烷气体和通风甲烷气体在进入燃烧室44之前在进气管9中混合。附图标记41是进气阀。
由于本发明使用的燃气发动机是引燃点火发动机，对燃烧室44中气体燃料的点燃是通过从副腔室11c喷射出的喷射火焰44a实现的，可以点燃含有10％甲烷或更低的、优选地3-5％或3-4％贫燃料混合物。因此，甲烷浓度为30-50％的回收甲烷气体和甲烷浓度为0.3-0.7％的通风甲烷气体在进入燃烧室44之前在进气管中混合，通过燃烧控制装置200将甲烷浓度减少为4-5％的贫燃料混合物。
这种情况下，优选地将过量空气系数控制在大约为2。
对于这种燃气发动机来说，能够点燃非常贫的甲烷混合气，能够提高发动机性能。
为了解决非常贫的甲烷混合气的燃烧和甲烷浓度随时改变的问题，该燃气发动机装配有燃烧诊断装置100，借助该燃烧诊断装置100能够防止点火不良和爆震。
通过这种方法，能够建立燃气发动机的操作方法，通过对回收甲烷气体和通风甲烷气体进行适当的混合，从而通过该方法有效地利用甲烷浓度随时变化的煤矿甲烷气体。
通过将发电机连接到该燃气发动机上，能够从电力生产中获得收益。
燃气发动机的废气能够用来产生蒸汽，然后排放到大气中。因此，煤矿甲烷气体通过在燃气发动机中的燃烧变为二氧化碳并排放到大气中，这样与将甲烷气体排放到大气中的情况相比，可以实现温室效应指数20的减少，因为前者的温室效应指数是21，另一方面，CO2温室效应指数是1。这种温室效应指数的减少可以作为排放额度来进行交易。
企业主体在例如是发展中国家的煤矿建立燃气发动机发电系统的条件下，当企业主体向亚洲开发银行或日本ODA等提出财政或贷款援助申请时，如果将二氧化碳排放额度作为抵押，则该企业主体在煤矿附近建立燃气发动机发电系统的计划可以容易地获得资金。
企业主体可向联合国或日本政府等作关于CO2排放减少的报告，该减少是通过甲烷和CO2的温室效应指数差为20来实现的，企业主体可以将该二氧化碳排放额度注册到排放额度市场中，从而可以作好准备同超额支付债务人作额度交易。可能存在着CO2排放额度的购买者不是日本政府的情况。
从亚洲开发银行等获得资金以后，企业主体为燃气发动机的主要部分付款从而购买该主要部分，以完成该燃气发动机发电系统。
企业主体不仅能够通过销售燃气发动机发电系统发出的电力来获得收益，而且可以使二氧化碳的温室效应指数减少20倍。能够在市场上将二氧化碳排放额度出售给超额支付债务人以获得收益，这样可以在短期内偿还贷款。因此，企业主体可以获得双重收益，通过有效利用CO2排放额度，也就是将CO2排放额度做抵押以获得资金或贷款援助，从而平稳地促进了发展中国家的经济发展。也可能有这种情况，即为了建立燃气发电厂的工程，不需要将CO2排放额度做抵押以获得财政或贷款援助，也可能有投资者认为该项目有可预期的投资回报而提供投资。
附图说明
图1是按照本发明利用煤矿甲烷气体的燃气发动机主体部分结构示意性的剖视图。
图2是按照本发明在系统中利用煤矿甲烷气体的燃气发动机总体结构的图解。
图3是所述燃气发动机的控制流程图的例子。
图4是表示所述燃气发动机的汽缸压力和曲柄角之间关系的曲线图。
图5是按照本发明表示对煤矿甲烷气体和该系统结合的概念图。
图6是表示二氧化碳额度交易的商业模式的概念图。
图7表示当使用图6所示的商业模式时，各地区电力生产和二氧化碳减少的图表。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。但是需要说明的是，除了特别指明的以外，在实施例中对组成部分的尺寸、材料、相对位置关系等的描述应当理解为只是描述性的，而不是对本发明范围的限制。
图2所示是燃气发动机的总体结构，附图标记20是燃气发动机的主体，45是活塞，46是曲轴，44是燃烧室，41是进气阀，42是排气阀，43是排气管。
附图标记9是进气管。回收甲烷气体喷射装置10位于沿所述进气管9的中途位置，用于将回收甲烷气体喷射到进气管9中流动的通风甲烷气体中。
附图标记8是供气管，它把容纳回收甲烷气体的回收甲烷气体罐(未示出)和所述气体喷射装置10连接在一起。附图标记7是供气电磁阀，其位于所述供气管8进入所述气体喷射装置10的入口处。燃烧控制装置200，将在后面对其进行详细描述，燃烧控制装置200用于接收从回收甲烷气体浓度探测器探测到的甲烷浓度信号，所述电磁阀7被来自所述燃烧控制装置200的控制信号所控制，以关闭或调整其开度。
附图标记11是用于对引燃燃料进行火舌式点火的点火装置，引燃燃料从引燃燃料喷射阀0011喷入副腔室(见图1)，以促进主燃烧室中贫甲烷气体/空气混合物的燃烧。
燃烧室中的气体压力即汽缸压力用汽缸压力探测器1探测，曲柄角用曲柄角探测器2探测。
附图标记100是燃烧诊断装置，其包括噪声滤波器3、用于放大通过噪声滤波器的汽缸压力信号的放大器4和燃烧诊断部分5。对于构成该系统来说，噪声滤波器3和放大器4并不是必需的。
所述噪声滤波器包括低通滤波器，该低通滤波器用于过滤来自所述汽缸压力探测器输入信号的噪声。所述燃烧诊断部分5根据所述放大器4放大的汽缸压力信号和来自所述曲柄角探测器2的曲柄角信号来诊断所述燃烧室44中的燃烧状态。
燃烧控制装置200接收在所述燃烧诊断部分5处的诊断结果的信号，并且基于诊断结果信号关闭或者控制所述供气电磁阀7的开度，也可以控制所述点火装置11的动作。燃烧诊断部分5的诊断结果显示在显示装置6中。
对于具有这种结构的甲烷气体发动机的运行来说，当允许在所述点火装置11上点燃引燃燃料而且气体阀(未示出)没有闭合时，回收甲烷气体罐(未示出)中的回收甲烷气体供应给所述气体喷射装置10，回收甲烷气体的压力由气体压力调节装置(未示出)调节。通过打开所述供气电磁阀7，回收甲烷气体被喷射到流过气体喷射装置10的通风甲烷气体中并与通风甲烷气体混合，气体喷射装置10位于沿所述进气管9的中途位置。(必要时可以给通风甲烷气体加入空气。)混合气体通过进气阀41引入燃烧44中，并由所述点火装置11喷射的喷射火焰44a(见图1)所点燃，然后在燃烧室44中燃烧。
下面将解释燃烧诊断装置的工作。
由所述汽缸压力探测器1所探测的燃烧室44中的气体压力被输入给噪声滤波器3，该噪声滤波器3包括在燃烧诊断装置100中的超低通滤波器，高频噪声被噪声滤波器3过滤掉，经过平滑过滤的汽缸压力信号被放大器4放大，并输入到所述燃烧诊断部分5中。
同样也把来自所述曲柄角探测器2的曲柄角信号输入到燃烧诊断部分5中。
接下来，将参照图3中燃烧控制流程图的例子和图4中的汽缸压力曲线来解释燃烧诊断装置100燃烧诊断工作的一个例子。
图4中的汽缸压力-曲柄角曲线是根据汽缸压力探测器1输入到燃烧诊断部分5的汽缸压力和曲柄角探测器2输入到燃烧诊断部分5的曲柄角得到的。
图4中的曲线A是当燃烧正常时的汽缸压力曲线。
首先，利用压缩压力判断手段(步骤)把图4所示压缩冲程中在预定曲柄角时的压缩压力P0同预定的容许压缩压力Pc0相比较，该容许压缩压力Pc0是压缩冲程中的最小容许压力，当压力P0等于或低于容许压缩压力Pc0时，即当P0≤Pc0时，就认为由于例如是漏气或机械故障等的原因，同正常值相比压缩压力P0为不正常地低。图4中的曲线E是当压缩压力为不正常地低时的汽缸压力曲线。
接下来，计算出最大汽缸压力Pp与所述压缩冲程中在预定曲柄角时的压缩压力P0的比值Pp/P0，利用最大汽缸压力判断手段(步骤)把计算出的最大压力比Pp/P0同预定的容许最大压力比Pp0相比，该最大压力比Pp0是最大的容许压力比，当所述计算出的最大压力比Pp/P0等于或大于所述容许最大压力比Pp0时，即当Pp/P0≥Pp0(E2)或当操作循环Nh的数值等于或大于容许数值Nh0即当Nh≥Nh0(E2)时，就认为最大汽缸压力Pp同设计值(正常值)相比是不正常地高，在操作循环Nh中所述最大压力比Pp/P0等于或大于预定的压力比ph1(E3)即Pp/P0≥ph1。
然后，当循环数Sn的数值等于或大于容许数值Sn0即当Sn≥Sn0(E6)时，爆震判断手段(步骤)就判断为燃烧室44中正在发生爆震，在进行判断的时间点之前的几个循环中，所述最大压力比Pp/P0等于或大于爆震Ph2的预定容许压力比即Pp/P0≥Ph2(E5)。图4中的曲线B是当爆震已经发生时的汽缸压力曲线。这种情况下，减小供气阀7的开度从而减少回收甲烷气体的供应。
然后，在不点火判断手段(步骤)，当所述最大压力比Pp/P0等于或小于预定的最小容许压力比Pn即当Pp/P0≤Pn(E7)时，并且当计算出燃烧压力比P1/P0且该计算出的燃烧压力比P1/P0等于或小于不点火的预定容许压力比Pm即当P1/P0≤Pm时(E8)，判断为不点火发生，该燃烧压力比P1/P0是如图4所示燃烧冲程中预定曲柄角的压力P1与燃烧冲程中预定曲柄角的压力P0之间的比值。这种情况下，增大供气阀7的开度从而增加回收甲烷气体的供应。
这种情况下，如图4所示，在探测压力P1的燃烧冲程中进行预定曲柄角θ1的确定，该曲柄角位置与探测压力P0的压缩冲程中预定曲柄角-θ1关于上死点对称。
象这样，通过利用压力比而不是压力本身来诊断燃烧状态并判断如何进行控制，可以实现更准确的燃烧控制。
接下来，将参照图5解释采用所述甲烷气体发动机的发电系统的概况。该燃气发动机安装于煤矿附近，在煤矿中为了安全目的利用真空泵从钻孔中脱气而回收到回收甲烷气体，将回收甲烷气体作为燃料通过管道输送给该燃气发动机。
另一方面，从矿井和采煤工作面中排出的通风甲烷气体与通风空气一起被引入该发动机的进气管中。
所述燃气发动机E能够与发电机G连接，该燃气发动机E的废气能够供给锅炉B以产生蒸汽。蒸汽可以用于煤矿建筑物中的各种设备，发电机G发出的电力可以通过变压器后供给煤矿建筑物中的各种设备，多余的电力可以作为商业电力通过电力线输送(出售)给用户。
锅炉B产生的废气排放到大气中。但是，这种情况下，是煤矿甲烷气体燃烧产生的二氧化碳作为废气排放的。由于甲烷的温室效应指数是21而CO2的温室效应指数是1，二氧化碳的温室效应指数减少20倍的目标能够实现。这种温室效应指数的减少能够作为二氧化碳排放额度进行交易。
接下来，将参照图6解释所述燃气发动机发电系统的商业模式，作为例子，考虑了在中国的煤矿建立燃气发动机发电系统的情况。
该燃气发动机发电系统的企业主体是国有企业，是与煤矿公司、钢铁、化工、发电相关的企业、工程公司等。该企业主体可以是为了建造发电厂而专门成立的机构。
该企业主体向世界银行或日本ODA等申请财政或贷款援助，同时在中国煤矿建立燃气发动机发电系统的条件下提出额度许可的申请。该许可由CDM委员会或第6条款委员会授予。被所在国认可并得到投资国的肯定是很必要的，有可能存在投资国不是日本的情况。根据该申请，如果将二氧化碳排放额度作为抵押，那么企业主体可以容易地获得资金。
企业主体可向联合国或日本政府等作关于温室效应指数降低的报告，企业主体可以将这种二氧化碳排放额度注册到排放额度市场中，从而可以作好准备同超额支付债务人作交易。
从亚洲开发银行等获得资金以后，企业主体为燃气发动机的主要部分付款从而购买该主要部分，以完成该燃气发动机发电系统。
企业主体不仅能够通过销售燃气发动机发电系统发出的电力来获得收益，而且能够使二氧化碳的温室效应指数减少20倍。可以在市场上将二氧化碳排放额度出售给超额支付债务人以获得收益，这样能够在短期内偿还贷款。这样，企业主体能够获得双重收益。
图7的图表表示实行本发明在世界范围推广的效果。在图表的左栏，表示全世界各地区煤矿甲烷气体排放的总量。
假如每个国家将回收甲烷气体的三分之一用于燃气发动机发电系统，发电功率是5180MW，发电量将是45千兆kWh/年，这相当于建立了50-100个大型核电站。每年CO2的排放量能够减少2000万吨，相当于日本每年CO2排放总量的20％。

Claims (5)

1.一种燃气发动机发电系统，其特征在于，将发电机连接到燃气发动机的发电装置安装于煤矿附近，该燃气发动机由通过喷射微量的燃料进行汽缸中点火的引燃燃料点火型的燃气发动机构成，从煤矿坑采取的甲烷浓度30～50％的回收甲烷气体和甲烷浓度0.3～0.7％左右的通风甲烷气体在利用燃烧控制装置预混合调节为甲烷浓度4-5％的贫燃料混合物后被导入该燃气发动机的汽缸中，从而使发动机运行并发出电力。
2.如权利要求1所述的燃气发动机发电系统，其特征在于，控制空燃比以使得该燃气发动机的汽缸中的过量空气系数为2倍左右。
3.如权利要求1所述的燃气发动机发电系统，其特征在于，在所述燃气发动机的运行过程中，通过燃烧诊断装置应付所述甲烷浓度的变化，该燃烧诊断装置基于所述发动机的汽缸中压力检测值，将最大压力比Pp/P0与按照诊断类型分段设定的压力比(临界压力比)相比较，从而能够避免所述燃烧室中爆震和不点火的发生，其中Pp是汽缸中最大压力，P0是在压缩冲程中一个或多个任意点的压缩压力。
4.如权利要求1所述的燃气发动机发电系统，其特征在于，在邻近的其它煤矿也建立同样的发电系统，对部分的煤矿的灾害、事故发生时作为整体也能保证所用的发电量。
5.如权利要求4所述的燃气发动机发电系统，和邻近的利用煤层甲烷或采矿前气体作为燃料的其它发电系统构成相互支援系统。
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