[发明专利]基于等离子催化的化学回热循环燃气轮机装置

说明书

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、O和OH随掺氢比增加而增加。CH2O和CH3CHO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500℃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、CO2、H2O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1ppm。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/Al2O3，Ni/MgO或Ni/SiO2催化剂表面发生的强吸热反应。研究表明，在Ni/SiO2催化剂存在下600℃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℃，压力一般为20-30atm。来自燃气轮机的排气余热，大约为500-600℃，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：