专利名称：基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种燃气轮机。
背景技术：
1)燃烧技术在燃气轮机燃烧室内，NOx的来源主要有两种热力型NOx和瞬发NOx。空气中的氮分子在高温下氧化生成热NOx ；燃烧时燃料中碳氢化合物分解生成CH和C等原子团与空气中N2生成瞬发NOx。热NOx生成量与燃烧温度、高温区氧气的浓度和燃烧气体在高温区停滞时间有关。燃烧温度越高，高温区氧气浓度越高，停滞时间越长，热NOx生成量就越多。 富燃料混气在火焰面上快速反应生成大量瞬发NOx，其生成量随着燃料-空气的当量比的增加而增加。而通过采用甲烷掺混氢气可以提高燃烧速率，增加较大的当量比范围内的火焰传播速率，扩展稳定稀燃极限。掺混氢气增强甲烷燃烧化学反应是由于火焰中自由基H、0和 OH随掺氢比增加而增加。CH20和CH3CH0摩尔分数随掺氢比增加而降低，表明掺混氢气具有降低甲烷燃烧醛类排放的潜力。掺混氢气将使甲烷燃烧化学反应向低碳路径移动，这具有降低碳烟排放的潜力。因此在燃气轮机装置中，必须研究新的和更有效的燃料及其燃烧技术，以便解决降低污染物排放量这个复杂的问题。2)化学回热循环重整技术简单循环燃气轮机循环效率不高，有超过60%的能量都以废热的形式排出，排气温度通常在50(TC以上，低工况下燃料燃烧不充分，燃烧效率低，NOx排放量较高，环境污染严重。化学回热燃气轮机循环是一种先进的循环方式，它可以较深度的利用燃气轮机排气余热，比普通的回热循环具有更高的循环热效率，循环最大热效率相对提高量可达32%， 且回热深度不受压气机压比的限制。该循环主要是利用燃料蒸汽重整的强吸热反应来加深对余热的回收，如果转化完全(与反应器温度、蒸汽压力、停留时间有关)，裂解产物燃烧释放出的当量热量会比裂解前燃料燃烧释放的热量增加约30%，这种裂解气燃料混合物 (H2、CO、CH4、C02、H20等)可以与一次空气进行充分预混，使得燃烧室点火更可靠，燃烧核心区温度降到更低，而富氢成分能起到强化燃烧的作用，可提高燃机低工况下的燃烧效率，能有效降低主火焰区的燃烧温度，抑制NOx的生成，理论上可以使NOx的排放量降低到 lppm。转化过程中回收的低品位余热转化成了燃料的燃烧热，较大程度地提高了燃烧室中燃料的燃烧效率。然而化学回热过程中的甲烷蒸汽重整过程是一个在高温中压条件下，在Ni/ A1203, Ni/MgO或Ni/Si02催化剂表面发生的强吸热反应。研究表明，在Ni/Si02催化剂存在下600°C时甲烷转化效率仅为25%，为了达到较高的重整效率温度要求一般为 800-1100°C，压力一般为20-30atm。来自燃气轮机的排气余热，大约为500-600°C，在这个温度范围内，燃料蒸汽重整反应进行程度及转化深度相对较低，热回收率也较低。因此如何保证高效的热回收率是一个亟待解决的问题。3)非平衡等离子催化技术非平衡等离子催化过程如下1、通过气体放电产生等离子体；2、等离子体中的自由电子与气体中得原子和分子碰撞反应，由此引发原子、分子的内态变化弹性碰撞；非弹性碰撞(激发、解离、电离、电子依附等)；3、所产生的物质具有不稳定性，之间发生各种化学反应自由基反应。介质阻挡放电技术是非平衡等离子体催化的一种，目前主要应用在臭氧生产、废气处理、材料表面改性、气态污染物的处理等技术领域。非平衡等离子体催化是实现等离子体化学反应过程低能耗、高收率、高选择性的一条极其有效的途径。近年来，将介质阻挡放电技术应用到等离子催化辅助燃烧和等离子催化蒸汽重整方面的研究逐渐引起广大学者的关注。燃气轮机部分负荷工况下的循环效率低的主要原因之一是因为在燃气轮机燃烧室中燃料的不完全燃烧造成的。不完全燃烧将导致装置的效率、工作可靠性和寿命的降低，同时也将导致环境污染的加剧。然而如何将等离子催化与化学回热循环技术联用，实现低工况下的燃料的完全燃烧，以提高热效率和降低污染物的排放，未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供可以降低NOx的排放、可大幅度提高化学回热循环燃气轮机的热效率的基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置。本发明的目的是这样实现的本发明基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，包括压气机、涡轮、燃烧室、油泵系统、水泵系统，压气机与涡轮同轴，燃烧室进气端连接压气机，燃烧室排气端连接涡轮，油泵系统连接燃烧室，其特征是还包括重整床、预转化器、水蒸汽过热器、柴油预热器、第一闪蒸器、第二闪蒸器、水预热器、水蒸汽饱和器、油气掺混器，涡轮、重整床、预转化器、水蒸汽过热器、柴油预热器依次相连，水泵系统、水预热器、水蒸汽饱和器、第一闪蒸器、 第二闪蒸器依次相连，第一闪蒸器、水蒸汽过热器、油气掺混器依次相连，油泵系统、柴油预热器、油气掺混器依次相连，油气掺混器、预转化器、重整床、燃烧室依次相连，油泵系统、柴油预热器、燃烧室依次相连。本发明还可以包括1、在柴油预热器与燃烧室之间安装第一介质阻挡放电装置。2、在油气掺混器、预转化器、重整床、燃烧室的连接通路上的预转化器和重整床之间安装第二介质阻挡放电装置，重整床与燃烧室之间安装裂解气缓冲罐。3、还包括惰性气体储存罐，惰性气体储存罐连接裂解气缓冲罐。本发明的优势在于本发明通过将等离子体技术用于化学回热循环燃气轮机，保证了在各工况下燃烧的稳定性与完全性，同时由于产生的燃料可用于贫油燃烧技术从而可以降低NOx的排放；整个化学回热器的反应条件与燃机排气的温度相匹配，最大限度的增加排气余热的利用度，提高燃料蒸汽转化反应的深度，并且有效地降低了化学回热器的体积，可大幅度提高化学回热循环燃气轮机的热效率。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1，根据现有技术中的上述不足之处，本发明提出了一种将等离子催化技术用于化学回热燃气轮机的装置及方法，主要包括两条路径一是利用等离子催化燃料产生大量燃料碎片和活化组分，直接进入燃烧室燃烧，增加火焰的稳定性，用于保证低工况及其稀薄燃烧条件下的稳定燃烧，提高熄火极限；另一是利用等离子催化燃料蒸汽重整产生大量的振动活化甲烷分子和自由基，然后进入催化床，在低温情况下蒸汽重整程度大大加深， 产生大量的富氢气的低热值燃料(含有大量水蒸汽)，喷入燃烧室燃烧，提高燃烧速率，增加较大的当量比范围内的火焰传播速率，扩展稳定稀燃极限。本发明提供的基于等离子催化技术提高化学回热循环燃气轮机热效率及其低工况工作稳定性的装置及方法，该方法主要包括如下步骤燃气轮机启动后，燃料通路系统I工作，涡轮做功后的排气余热分别经过化学回热器(重整床和预转化反应器)、水蒸汽过热器、水蒸汽饱和器及其柴油预热器，产生水蒸汽和柴油蒸汽；在负载小于额定负载的20% -30%期间，涡轮排气余热温度较低，产生蒸汽量较少，根据最佳S/C比，管路b上设置压力传感器给出信号控制管路a上流量控制器的自动调节，较小流量的柴油蒸汽进入燃料通路系统III，和从过热器出来的水蒸汽在油汽掺混器中掺混均勻，混合气分别经过预转化反应器、介质阻挡放电装置2和重整床，完全转化为富氢气的低热值燃料，阀门V2关闭，生成的富氢气燃料暂存在裂解气缓冲罐中。此阶段大流量的柴油蒸汽通过燃料通路系统II工作，在介质阻挡放电装置2中催化产生大量燃料碎片和活化组分，喷入燃烧室加速燃烧，同时燃料通路系统I提供10%的燃料。负载大于额度负载30%之后，阀门Vl打开，利用惰性气体对管路进行清吹，阀门V2开启，流量控制器FC3 控制所需裂解气进入燃烧室燃烧。通过流量控制器调节进入燃料通路系统II中柴油蒸汽流量相应减少，燃料通路系统III逐渐代替燃料通路系统II，此时燃料通路系统I仍提供 10%的燃料。本方法基于等离子催化用于化学回热循环燃气轮机以提高热效率和变工况稳定性的装置及方法，具有以下特点本发明中考虑到不同的部件对温度需求不同，通过合理布置换热部件，实现能量的梯级利用，最大限度的产生水蒸汽和所需柴油蒸汽。本发明将常规液态燃料燃烧、低温等离子催化燃料燃烧与低温等离子催化蒸汽重整气燃烧有效结合，实现系统的高效集成。通过不同工况下采用不同的供应燃料，使燃机系统在各工况情况下能够稳定工作，保证低工况及其稀薄燃烧条件下的稳定燃烧，降低NOx 的排放。根据不同工况下的燃烧情况对燃料的需求不同，通过流量控制器的调节与控制实现柴油蒸汽流量的合理分流。低工况下工作时，涡轮排气余热温度较低，产生蒸汽量较少， 根据最佳S/C比，较小流量的柴油蒸汽进入燃料通路系统III，此阶段大流量的柴油蒸汽通过燃料通路系统II工作。该阶段由于燃料碎片和活化组分进入燃烧室燃烧，不仅解决了低工况下燃烧不完全的问题，而且裂解气可以进入缓冲罐蓄积以达到所需压力避免由于喷嘴的压力比过小(小于1.025)而引起的燃烧脉动，维持燃烧室的正常工作及稳定充分燃烧。燃料通路系统III在预转化反应器中柴油全部裂解为富甲烷气，经介质阻挡放电装置2后重整床发生甲烷蒸汽重整的强吸热反应。经低温等离子催化后进行的甲烷蒸汽重整所需温度较低(约为400-6000C )，采用常规催化剂(如Ν /Α1203, Ni/MgO或Ni/Si02) 进行催化即可保证甲烷较高的转化率(约为80-100%)。通过将预转化反应器、介质阻挡放电装置2和重整床的有效结合，不仅可以使整个化学回热器的反应条件与燃机排气的温度相匹配，增加排气余热的利用度，提高燃料蒸汽转化反应的深度，而且最大限度的降低了化学回热器的体积。本发明中使用裂解气缓冲罐一方面用来储存通过蒸汽重整产生的富氢气的低热值燃料，满足燃料的分阶段供应；另一方面通过缓冲作用，保证供给燃料时的稳定性，及其火焰的稳定燃烧。燃气轮机启动后，燃料通路系统I工作，柴油经燃油喷嘴进入燃烧室燃烧后进入涡轮做功，排气余热分别流经化学回热器(重整床MSR和预转化反应器PI)、水蒸汽过热器 EH、水蒸汽饱和器M及其柴油预热器ΟΡΗ。水泵系统W-P供给的高压补给水经闪蒸器FV2 产生的蒸汽潜热来预热(理论计算表明可使常温高压水加热到371)，在饱和器M中被加热到该压力下的准饱和状态(Tw-Ts < 5Κ-20Κ)；然后，该准饱和水在闪蒸器FVl中产生饱和蒸汽；最后，饱和蒸汽在过热器EH中被继续加热，以满足维持燃料-蒸汽裂解反应所需的蒸汽温度。油泵系统Oil-P供给的高压柴油在柴油预热器OPH中吸热蒸发。在负载小于额定负载的20% -30%期间，涡轮排气余热温度较低，产生蒸汽量较少，根据最佳S/C比，管路b上设置压力传感器PTr给出信号控制管路a上流量控制器FCl 的自动调节，较小流量的柴油蒸汽进入燃料通路系统III，和从过热器出来的水蒸汽在油汽掺混器B中掺混均勻，混合气经过预转化反应器PI裂解为富甲烷气，进入介质阻挡放电装置NP2产生大量的振动活化甲烷分子和自由基，然后进入催化床MSR，在低温情况下蒸汽重整程度大大加深，完全转化为富氢气的低热值燃料。阀门V2关闭，生成的富氢气燃料暂存在裂解气缓冲罐H-S中。大流量的柴油蒸汽通过燃料通路系统II工作，在介质阻挡放电装置NPl中催化产生大量燃料碎片和活化组分，喷入燃烧室加速燃烧，此阶段燃料通路系统I 逐渐退出工作状态。负载大于额度负载30%之后，阀门Vl打开，利用惰性气体IG对系统及管道进行清吹，待用的富氢气的低热值燃料的指令增加至某一水平即燃料约在30s内能够充满系统； 退出的燃料的指令同时减少一个相当的水平。阀门V2开启，流量控制器FC3控制所需裂解气进入燃烧室燃烧，当富氢气的低热值燃料到达喷嘴时，实际切换阶段开始进行。通过流量控制器FC2调节进入燃料通路系统II中柴油蒸汽流量相应减少，燃料通路系统III逐渐代替燃料通路系统II，利用涡轮排气余热产生的富氢气的低热值燃料源源不断的供入燃烧室燃烧。
权利要求
1.基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，包括压气机、涡轮、燃烧室、油泵系统、水泵系统，压气机与涡轮同轴，燃烧室进气端连接压气机，燃烧室排气端连接涡轮，油泵系统连接燃烧室，其特征是还包括重整床、预转化器、水蒸汽过热器、柴油预热器、第一闪蒸器、第二闪蒸器、水预热器、水蒸汽饱和器、油气掺混器，涡轮、重整床、预转化器、水蒸汽过热器、柴油预热器依次相连，水泵系统、水预热器、水蒸汽饱和器、第一闪蒸器、第二闪蒸器依次相连，第一闪蒸器、水蒸汽过热器、油气掺混器依次相连，油泵系统、柴油预热器、油气掺混器依次相连，油气掺混器、预转化器、重整床、燃烧室依次相连，油泵系统、柴油预热器、燃烧室依次相连。
2.根据权利要求1所述的基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，其特征是 在柴油预热器与燃烧室之间安装第一介质阻挡放电装置。
3.根据权利要求1或2所述的基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，其特征是在油气掺混器、预转化器、重整床、燃烧室的连接通路上的预转化器和重整床之间安装第二介质阻挡放电装置，重整床与燃烧室之间安装裂解气缓冲罐。
4.根据权利要求1或2所述的基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，其特征是还包括惰性气体储存罐，惰性气体储存罐连接裂解气缓冲罐。
5.根据权利要求3所述的基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，其特征是 还包括惰性气体储存罐，惰性气体储存罐连接裂解气缓冲罐。
全文摘要
本发明的目的在于提供基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置，包括重整床、预转化器、水蒸汽过热器、柴油预热器、第一闪蒸器、第二闪蒸器、水预热器、水蒸汽饱和器、油气掺混器，涡轮、重整床、预转化器、水蒸汽过热器、柴油预热器依次相连，水泵系统、水预热器、水蒸汽饱和器、第一闪蒸器、第二闪蒸器依次相连，第一闪蒸器、水蒸汽过热器、油气掺混器依次相连，油泵系统、柴油预热器、油气掺混器依次相连，油气掺混器、预转化器、重整床、燃烧室依次相连，油泵系统、柴油预热器、燃烧室依次相连。本发明可以降低NOx的排放、大幅度提高化学回热循环燃气轮机的热效率。
文档编号F02G5/02GK102562314SQ20121000750
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘倩, 康振亚, 张智博, 李智明, 杨仁, 杨洪磊, 潘褔敏, 郑洪涛 申请人:哈尔滨工程大学