燃气轮机余热反应器及其燃气发电机组的制作方法

燃气轮机余热反应器及其燃气发电机组的制作方法
【专利摘要】一种燃气轮机余热反应器及其燃气发电机组，该余热反应器包括蒸汽发生室和化学链反应室、位于蒸汽发生室（7）内的蒸汽发生盘管（10）、位于化学链反应室（8）内的反应套管（12）、气体混合器（14），其具有接收蒸汽发生盘管（10）的蒸汽的蒸汽入口和燃气入口，其混合气出口与反应套管（12）的入口连通，还包括合成气冷却器（9），其合成气入口与反应套管（12）的出口连通。燃气发电机组的涡轮（26）的烟气出口管（28）通入蒸汽发生室（7），合成气冷却器（9）的合成气出口与燃烧器（25）连通。通过将高温烟气的热能经化学反应固化为合成气的化学能，并将合成气导回燃烧器，提高了燃气发电机组的效率。
【专利说明】燃气轮机余热反应器及其燃气发电机组
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及发电机设备领域，尤其涉及一种燃气轮机余热反应器及具有该燃气轮机余热反应器的燃气发电机组。
【背景技术】
[0002]燃气轮机在正常运行时，排放出超过450°C的烟气，大型燃气轮机可以通过联合循环来回收余热提高发电效率，即利用燃气轮机的高温烟气的余热在蒸汽轮机中再次发电。而小型燃气轮机难以经济的应用联合循环。如果不适用热电联供或冷热电联供的场所，比如纯发电用途，则燃料利用效率不高。典型的效率为30?35%。燃气轮机属于主要受热力学第二定律约束的机器，余热利用不能像锅炉等主要受热力学第一定律约束的设备那样，通过循环来提升效率。将燃气轮机的余热循环到进口不仅不会提高发电效率，会由于提高了压缩段的功耗而降低发电效率，恶化机组的运行状况，降低设备的寿命。
实用新型内容
[0003]针对相关技术中存在的一个或多个问题，本实用新型的目的在于提供一种用于将高温烟气的热能通过化学反应固化为化学能的燃气轮机余热反应器，以及将此化学反应生成的产物导回燃烧器中燃烧做功的燃气发电机组。
[0004]为实现上述目的，一方面本实用新型的余热反应器，包括:依次连通的蒸汽发生室和化学链反应室；设置在蒸汽发生室内的蒸汽发生盘管；设置在化学链反应室内的反应套管；气体混合器，具有接收蒸汽发生盘管的蒸汽的蒸汽入口和燃气入口，其混合气出口与反应套管的入口连通；合成气冷却器，其合成气入口与反应套管的出口连通。
[0005]根据本实用新型，合成气冷却器的入口与反应套管的出口之间连接有催化剂套管，催化剂套管中设置有催化剂载体。
[0006]根据本实用新型，催化剂套管密闭放置于化学链反应室中。
[0007]根据本实用新型，催化剂套管包括至少二个催化剂分管，催化剂分管通过阀门形成串联或并联的连接结构。
[0008]根据本实用新型，蒸汽发生盘管中通入除盐水。
[0009]根据本实用新型，反应套管和气体混合器之间还设置有反应室预热盘管，反应室预热盘管设置在化学链反应室中。
[0010]根据本实用新型，气体混合器位于蒸汽发生室和化学链反应室的外部。
[0011]另一方面提供一种燃气发电机组，包括:依次连接的压气机、燃烧器、涡轮、发电机，向燃烧器提供燃气的燃气管，还包括:如上述中任一项的燃气轮机余热反应器，燃气轮机余热反应器的蒸汽发生室与涡轮的烟气出口连通，燃气轮机余热反应器的合成气冷却器的合成气出口与燃烧器连通。
[0012]根据本实用新型，压气机与涡轮同轴连接或者通过齿轮减速机减速连接。
[0013]根据本实用新型，燃气管与气体混合器的燃气入口连通。[0014]相比于现有技术，本实用新型的有益效果为:
[0015]除盐水通过蒸汽发生盘管吸收高温烟气的热量变为蒸汽，在气体混合器中与燃气混合，混合气继续吸收高温烟气的热量，温度升高，在反应套管中催化剂的作用下，混合气产生化学反应生成合成气。由此，高温烟气的余热得到了充分的利用。进一步将上述产生的合成气输送至燃烧器中再次参与燃烧做功，提高了燃气发电机组的发电效率。尤其可以解决无法应用联合循环提高发电效率的小型燃气发电机组的发电效率低的问题。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1是本实用新型燃气轮机余热反应器的一个【具体实施方式】的内部结构示意图；
[0017]图2是本实用新型燃气发电机组的一个【具体实施方式】的结构示意图。
[0018]1 高温烟气；
[0019]2 除盐水；
[0020]3 燃气；
[0021]4 第一管道；
[0022]4’ 第二管道；
[0023]5 低温烟气；
[0024]6 低温合成；
[0025]7 蒸汽发生室；
[0026]8 化学链反应室；
[0027]9 合成气冷却器；
[0028]10 蒸汽发生盘管；
[0029]11 反应室预热盘管；
[0030]12 反应套管；
[0031]13 催化剂载体；
[0032]14 气体混合器；
[0033]15 催化剂套管；
[0034]16 第一分管段；
[0035]16’第二分管段；
[0036]17 第一连接段；
[0037]17’第二连接段；
[0038]18 第一阀；
[0039]19 第二阀；
[0040]20 第三阀；
[0041]21 空气；
[0042]22 燃气管；
[0043]23 压气机；
[0044]24 主轴；
[0045]25 燃烧器；
[0046]26 涡轮；[0047]27发电机；
[0048]28烟气出口管；
[0049]29除盐水管道；
[0050]30燃气轮机余热反应器。
【具体实施方式】
[0051]下面结合附图对本实用新型【具体实施方式】进行描述。
[0052]本实用新型的燃气轮机余热反应器，包括:依次连通的蒸汽发生室7和化学链反应室8、设置在蒸汽发生室7内的蒸汽发生盘管10、设置在化学链反应室8内的反应套管12、气体混合器14、合成气冷却器9。从图1中可看出，气体混合器14具有接收蒸汽发生盘管10的蒸汽的蒸汽入口和燃气入口，其混合气出口与所述反应套管12的入口连通，合成气冷却器9的合成气入口与反应套管12的出口连通。 [0053]参照图1，蒸汽发生室7具有烟气入口，化学链反应室8具有烟气出口。高温烟气I由烟气入口进入蒸汽发生室7，穿过蒸汽发生室7后进入化学链反应室8，经热交换后，低温烟气5由化学链反应室8的烟气出口排出。即，高温烟气I顺次通过蒸汽发生室7和化学链反应室8，温度逐渐降低为低温 烟气5。
[0054]在蒸汽发生室7中设置有蒸汽发生盘管10。蒸汽发生盘管10的蒸汽出口与气体混合器14的蒸汽入口连通。除盐水2进入蒸汽发生盘管10，在蒸汽发生室7中，高温烟气I与蒸汽发生盘管10中的除盐水2进行热交换，除盐水2被汽化为水蒸汽通过气体混合器14的蒸汽入口进入气体合成器14。燃气3由气体合成器14的燃气入口进入气体合成器14，在气体合成器14中燃气3与除盐水2的水蒸汽混合。
[0055]在化学链反应室8中设置彼此连接的反应室预热盘管11和反应套管12。反应室预热盘管11连接在气体混合器14的混合气出口和反应套管12的入口之间。即，在气体混合器14中混合后的混合气，由气体混合器14的混合气出口进入反应室预热盘管11，在反应室预热盘管11中加热至例如400°C后进入反应套管12中。由此，在化学链反应室中设置反应室预热盘管，保证混合气在进入反应套管前增温至例如400°C以上，使混合气遇到催化剂时能够快速反应生成合成气，避免反应不充分。
[0056]另外，所述合成气冷却器9的入口与所述反应套管12的出口之间连接有催化剂套管15，所述催化剂套管15中设置有催化剂载体13，所述催化剂套管15密闭放置于所述化学链反应室8中。并且，所述催化剂套管15包括至少二个催化剂分管，催化剂分管通过阀门形成串联或并联的连接结构，即所述催化剂分管可通过阀门切换开关实现串联或并联在所述催化剂套管中，如阀门18和19开启，阀门20关闭，实现催化剂分管的串联连接；阀门18和19关闭，阀门20开启，实现催化剂分管的并联连接。
[0057]该燃气轮机余热反应器还包括合成气冷却器9，反应套管12的出口与合成气冷却器9的入口连接，从而将上述化学反应生成的合成气导入合成气冷却器9中冷却至接近室温，形成低温合成气。低温合成气6由合成气冷却器9的合成气出口排出以备二次使用。
[0058]根据图1，描述该燃气轮机余热反应器的工作过程。
[0059]高温烟气I由蒸汽发生器7的烟气入口进入到蒸汽发生室7中，同时向蒸汽发生器7中的蒸汽发生盘管10通入除盐水2，除盐水2在蒸汽发生盘管10中随着流动不断被加热汽化，形成蒸汽后进入气体混合器14。在气体混合器14中，除盐水蒸汽与通入的燃气混合，形成混合气进入化学链反应室8中的反应室预热盘管11。高温烟气通过蒸汽发生器7进入化学链反应室8继续放热。由此，混合气在反应室预热盘管11中被加热，其温度达到400°C以上后进入反应套管12，混合气不断沿反应套管12的入口向出口运动，并部分混合气反应生成合成气。继续进入催化剂套管15，在催化剂的作用下，加快混合气反应生成合成气。该合成气由催化剂套管进入合成气冷却器9。由于该反应后的合成气温度较高，可称为高温合成气。高温合成气进入合成气冷却器9进行冷却，形成低温合成气6排出。
[0060]通过此装置，高温烟气的热量转化为合成气的化学能。由此，高温烟气的余热得到了充分的利用。
[0061]进一步参照图1，在本【具体实施方式】中第一管段15设置有两个分别具有带有催化剂的载体13的、可选择地串联或者并联的分管段，分别为第一分管段16和第二分管段16’。第一分管段16和第二分管段16’的两端分别由第一连接段17和第二连接段17’连接，即，第一分管段16、第二连接段17’、第二分管段17’、第一连接段17依次首尾连接在第一管段15上形成循环，并且反应套管12中的混合气由第一分管段16与第一连接段17连接的一端流向第一分管段16与第二连接段17’连接的一端。第一连接段17设置有反应套管12的第一出口，第一出口与合成气冷却器9的第一合成气入口由第一管道4连通。第二连接段17’设置有反应套管12的第二出口，第二出口与合成气冷却器9的第二合成气入口通过第二管道4’连通。第一连接段17、第一管道4和第二管道4’分别设置有第一阀18、第二阀19、第三阀20。通过此结构，第一分管段16和第二分管段16’可选地在反应套管12中并联或者串联。即，参照图1中示意的，关闭第一阀18、第三阀20，打开第二阀19，第一分管段16和第二分管段16’串联在反应套管12中，混合气顺次经过第一分管段16、第二连接段17’、第二分管段16’，在第一分管段16中催化剂的作用下，混合气反应生成合成气，在第二分管段16’中的催化剂的作用下，在第一分杆段16中未反应的混合气继续反应生成合成气，之后由第一管道4输送至合成气冷却器9中。相反,打开第一阀18、第三阀20,关闭第二阀19，第一分管段16和第二分管段16’并联在反应套管12中，一部分混合气顺次经过第一分管段16、第二连接段17’，在第一分管段16中的催化剂的作用下反应生成合成气，另一部分混合气顺次经过第一连接段17、第二分管段16’，在第二分管段16’中的催化剂的作用下反应生成合成气，通过并联的两个分管段产生的合成气共同通过第二管道4’进入合成气冷却器9中。由此，可以根据高温烟气的温度，调节混合气通过带有催化剂的载体的路径，从而可以在高温烟气的温度相对较低时，利用串联方式保证混合气充分反应，在高温烟气的温度相对较高时，利用并联方式提高反应效率。由此进一步提高了该燃气轮机余热反应器的效率，以及提高了合成气的纯度，避免合成气中掺杂未反应的燃气。当然，第一管段15中分管段的数量以及阀体的设置并不局限于上述结构，只要可以实现第一管段15中的分管段能够可选择地串联或者并联在第一管段15中，即可以在并联与串联中切换即可。
[0062]参照图2，本实用新型的燃气发电机组包括依次连接的压气机23、燃烧器25、涡轮26、发电机27、向所述燃烧器25提供燃气的燃气管22、上述任一的燃气轮机余热反应器30，其中，燃气轮机余热反应器30的蒸汽发生室7与所述涡轮26的烟气出口连通，所述燃气轮机余热反应器的合成气冷却器9的合成气出口与所述燃烧器25连通。
[0063]另外，压气机23与涡轮26同轴连接或者通过齿轮减速机减速连接。即，可使压气机23和涡轮26转速相同或者不同。在本具体实施例中，图2中还示出了燃气发电机组的压气机23、发电机27、连接涡轮26与压气机23、发电机27的主轴24。当然，压气机23与涡轮26之间也可通过齿轮减速机减速连接。进一步参照图1和图2，压气机23的压缩气出口与燃烧器25的压缩气入口连通，燃烧器25与涡轮26连通以将燃烧器25中燃烧后的高温气体导入涡轮26。涡轮26的高温烟气出口与燃气轮机余热反应器30中的蒸汽发生室7的烟气入口连通，以将在涡轮26中产生的高温烟气导入燃气轮机余热反应器30。并且，燃气管22与气体合成器4的第二入口通过燃气管道28连通，由此,燃烧器5与燃气轮机余热反应器30可共用一个燃气源。燃气轮机余热反应器30中的合成气冷却器9的低温合成气出口与燃烧器25连通,使低温合成气6被导入燃烧器25燃烧。
[0064]结合图1和图2描述该燃气发电机组的工作过程。
[0065]空气21进入压气机23，在压气机23中压缩得压缩空气，压缩空气进入燃烧器25，燃气由燃气管22导入燃烧器25,燃气与压缩空气在燃烧器25中燃烧形成高温气体,该高温气体被导入涡轮26膨胀做功，通过主轴24带动压气机23工作以及带动发电机27发电。在涡轮26中产生的高温烟气1被导入燃气轮机余热反应器30中。在燃气轮机余热反应器30中，由除盐水管道29导入的除盐水从高温烟气中吸热变化为除盐水蒸汽，该除盐水蒸汽与由燃气管道28导入的燃气共同从高温烟气中继续吸热，温度提高超过400°C后在催化剂的作用下反应生成高温合成气。在此过程中高温烟气放热形成低温烟气5，该低温烟气5从燃气轮机余热反应器30中排出。而高温合成气通过冷却形成低温合成气6,该低温合成气6导入燃烧器25中继续参加燃烧反应。由此循环(即高温烟气的余热使除盐水蒸发成蒸汽，而后为燃气和除盐水蒸汽反应生成合成气提供高温环境，最后将合成气返回燃烧器再利用)能够充分的利用高温烟气的热能、提高燃气发电机组的发电效率。尤其可以解决无法应用联合循环提高发电效率的小型燃气发电机组的发电效率低的问题。
[0066]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种燃气轮机余热反应器，其特征在于，包括:依次连通的蒸汽发生室(7)和化学链反应室(8)；设置在所述蒸汽发生室(7)内的蒸汽发生盘管(10)；设置在所述化学链反应室(8)内的反应套管(12)；气体混合器(14)，具有接收蒸汽发生盘管(10)的蒸汽的蒸汽入口和燃气入口，其混合气出口与所述反应套管(12)的入口连通；合成气冷却器(9)，其合成气入口与所述反应套管(12)的出口连通。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机余热反应器，其特征在于:所述合成气冷却器(9)的合成气入口与所述反应套管(12)的出口之间连接有催化剂套管(15 )，所述催化剂套管(15 )中设置有催化剂载体(13 )。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机余热反应器，其特征在于:所述催化剂套管(15)密闭放置于所述化学链反应室(8)中。
4.根据权利要求2所述的燃气轮机余热反应器，其特征在于:所述催化剂套管(15)包括至少二个催化剂分管，所述催化剂分管通过阀门形成串联或并联的连接结构。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机余热反应器，其特征在于:所述蒸汽发生盘管(10)中通入除盐水。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机余热反应器，其特征在于:所述反应套管(12)和气体混合器(14)之间还设置有反应室预热盘管(11)，所述反应室预热盘管(11)设置在化学链反应室(8)中。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机余热反应器，其特征在于:所述气体混合器(14)位于所述蒸汽发生室(7)和化学链反应室(8)的外部。
8.一种燃气发电机组，包括:依次连接的压气机(23)、燃烧器(25)、润轮(26)、发电机(27)，向所述燃烧器(25)提供燃气的燃气管(22)，其特征在于，还包括:如权利要求1-7中任一项所述的燃气轮机余热反应器，所述燃气轮机余热反应器(30)的蒸汽发生室(7)与所述涡轮(26)的烟气出口连通，所述燃气轮机余热反应器(30)的合成气冷却器(9)的合成气出口与所述燃烧器(25 )连通。
9.根据权利要求8所述燃气发电机组，其特征在于:所述压气机(23)与涡轮(26)同轴连接或者通过齿轮减速机减速连接。
10.根据权利要求8所述燃气发电机组，其特征在于:所述燃气管(22)与所述气体混合器(14)的燃气入口连通。
【文档编号】C01B3/16GK203486894SQ201320522691
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】仵浩, 赵伟, 王利民, 董玉新, 卢稳, 卞娇娇 申请人:新奥科技发展有限公司