CN102220903B - 基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法，1）将燃气轮机中压气机增压后的空气和一部分燃料流通入燃气轮机燃烧室中燃烧，形成含H2O和CO2的高温烟气；2）再将一部分燃料流与产生的H2O和CO2在催化剂表面发生吸热的重整反应，形成混合燃气；3）将混合燃气通入燃气轮机透平膨胀做功。本发明利用吸热的甲烷重整反应，用于吸收甲烷燃烧释放的高温热量，来改善燃气轮机循环的热力性能。重整反应后的混合燃气再输入燃气轮机透平实现膨胀做功，具有较高的热效率。与现有的燃气轮机简单循环相比，循环热效率可提高约25%，同时燃气循环的比功也得到提高，使得燃气轮机的整个设计在相同功率下结构可更紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高循环热效率的方法，尤其涉及一种基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法。
背景技术
现有技术中，燃气轮机循环是直接将燃料和压缩空气在燃烧室中燃烧。由于燃气轮机透平金属材料在高压时能够承受的烟气温度有限，燃烧后的高温烟气需要过量的“二次空气”来进行冷却，以降低烟气温度，满足透平金属材料对温度的要求，最后才将冷却后的烟气输入燃气轮机透平内膨胀做功。
上述燃气轮机循环主要存在如下不足：一、燃气轮机燃烧室燃烧反应后需要“二次空气”冷却降温，以降低烟气温度才能达到透平要求；二、压气机压缩大量的“二次空气”，需要消耗燃气透平输出的轴功，使循环输出的净功显著减小，降低了燃气循环热效率；三、循环所需要的空气为过量，燃气透平排气热损失增加，造成循环热效率相对较低；四、同时空气过量使得燃气循环的NOx排放浓度较高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种无需“二次空气”冷却，便可提高燃气轮机循环热力性能的方法。
本发明提供的基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法，该方法包括如下步骤：
1）将燃气轮机中压气机增压后的空气和一部分燃料流通入燃气轮机燃烧室，在燃气轮机燃烧室中进行燃烧，形成含H2O和CO2的高温烟气；
2）再将一部分燃料流与燃烧产生的H2O和CO2在燃气轮机燃烧室内催化剂表面继续发生吸热的重整反应，吸收甲烷燃烧释放的高温热量，形成混合燃气；
3）将混合燃气通入燃气轮机透平实现膨胀做功。
与现有技术相比，本发明的基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法，具有以下优点：
1、本发明利用吸热的甲烷重整反应，用于吸收甲烷燃烧释放的高温热量，来改善燃气轮机循环的热力性能，重整反应后的混合燃气再输入燃气轮机透平实现膨胀做功，使燃气循环具有较高的热效率。与现有的燃气轮机简单循环相比，循环热效率可提高约25%，同时燃气循环的比功也得到提高，在相同功率下，使得燃气轮机的整个设计结构可更紧凑。
2、燃气轮机燃烧室燃烧反应后需要冷却降温，而甲烷重整则需要充足的热量，因此，可以把燃烧生成的高温烟气通过重整反应来冷却，同时还可以实现重整反应的顺利进行。
3、与传统的简单循环相比，应用甲烷重整技术的燃气轮机循环不同之处在于燃烧室中的布置以及其中进行的反应。该燃气轮机循环之所以采用重整反应，是采用重整反应取代“二次空气”，利用重整反应来吸收甲烷燃烧释放的高温热量，实现“二次空气”冷却燃气的功能，使混合燃气满足燃气轮机透平入口温度的要求。因此，新循环减少了简单循环燃烧室所需的过量空气，能够提高简单循环的热效率。
4、本发明采用先燃烧后重整的方法，实现了对化学能与物理能的梯级利用。
附图说明
图1为提高燃气轮机循环热力性能装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法，该方法采用如图1所示的装置，包括如下步骤：
1）将燃气轮机中压气机2增压后的空气和一部分燃料流1通入燃气轮机燃烧室3，在燃气轮机燃烧室3中进行燃烧（化学反应式：CH4+2O2=CO2+2H2O），形成含H2O和CO2的混合燃气，烟气中除了N2外，含有大量CO2和H2O组分。
2）再将一部分燃料流与燃烧产生的H2O和CO2在燃气轮机燃烧室3内催化剂表面4继续发生吸热的重整反应，吸收甲烷燃烧释放的高温热量，形成混合燃气。
3）将混合燃气通入燃气轮机透平5实现膨胀做功。
在燃气轮机燃烧室3中进行的燃烧化学反应为放热反应；而在燃气轮机燃烧室3的催化剂表面4上发生吸热的重整反应，需要提供大量的热量，碳氢化合物在催化剂的作用下才能进行吸热的重整化学反应。重整反应所需的热量来自于燃烧燃料产生的高温烟气流。高温烟气通过催化剂时，烟气温度降低为重整反应提供热量，同时烟气中的CO2和H2O组分参加重整反应。
在燃气轮机循环中的重整反应是在高温下进行的，要求催化剂的高温活性较好，因此可采用整体型催化剂，将催化剂附着于陶瓷等材料表面，做成球形、蜂窝形以及网格状的整体型。在高温下，适合做整体型催化剂的活性组分的有Pt和Ru，或者加稀土氧化物的Ni基，或六铝酸盐（具有很好的热稳定性，且在高温下可保持大的比表面积）等。
应用本发明的基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机新循环与现有简单的燃气轮机循环相比，表1所示为两种循环的初始条件，表2所示为燃气组分的变化以及热力性能的变化（表中：3表示混合燃气）：
表1
| 本发明的燃气轮机新循环 | 现有的简单循环 | |
| 压气机入口温度（K） | 298 | 298 |
| 压气机入口压力（MPa） | 0.1 | 0.1 |
| 压比 | 20 | 20 |
| 燃烧室入口温度（K） | 702 | 702 |
| 燃气透平入口温度（K） | 1173 | 1173 |
| 甲烷量（kg/s） | 1 | 1 |
| 空气量（kg/s） | 6.24 | 38 |
表2
| 图1中的位置 | 3 |
| T(K) | 1173 |
| 气体组分（容积百分比%） | |
| N2 | 45.88 |
| CO2 | 0.57 |
| H2O | 5.78 |
| CO | 17.47 |
| H2 | 30.3 |
| 本发明的循环热效率（%） | 42.87 |
| 现有简单循环热效率（%） | 34.2 |
| 本发明的循环热效率提高幅度 | 25.35% |
从上表可看出本发明的方法可大大提高循环的热力性能。对于合成气进行再热的循环由于利用了合成气的燃烧热，因此热效率也得到提高。本发明能够实现更高的热力性能，是充分利用了能量梯级利用原理，将重整技术应用在动力系统上。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，例如，在本方案的基础上，增加间冷、回热等热力过程，可以进一步提高燃气循环热效率，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种基于甲烷燃烧-重整的提高燃气轮机循环热力性能的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）将燃气轮机中压气机增压后的空气和一部分燃料流通入燃气轮机燃烧室，在燃气轮机燃烧室中进行燃烧，形成含H2O和CO2的高温烟气；
2）所述高温烟气中的H2O和CO2与一部分燃料流在燃气轮机燃烧室内的催化剂表面继续发生吸热的重整反应，吸收甲烷燃烧释放的高温热量，形成混合燃气；
3）将混合燃气通入燃气轮机透平实现膨胀做功。
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