:1001-2060(2007)03-0259-05燃用超低热值燃料的燃气轮机及其热力分析王艳杰1,翁一武1,尹娟1,SuShi2(11上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;21CommonwealthScienceandIndustryResearchOrganization,Brisbane,Australia,Q14001)摘要:提出一种基于催化燃烧方式利用超低热值燃料的方法,介绍超低热值燃料催化燃烧燃气轮机的结构组成和原理并分析技术关键点,实验验证超低热值燃料稳定催化燃烧的可行性;并以百千瓦级功率为例进行燃气轮机热力循环计算和分析,验证燃用超低热值燃料燃气轮机装置可以实现,且可以发出有效功,为燃用超低热值燃料燃气轮机系统的研制开发提供切实可行的方法和依据。关键词:超低热值燃料;催化燃烧;燃气轮机特性尽管对超低热值燃料进行合理利用具有显著的经济效益和社会意义,但是目前无论国内还是国外,绝大多数超低热值燃料都直接排到大气中,原因是超低热值燃料中的可燃物含量很低,通常只有1%～5%,热值只有0.359MJ/m3,常规的燃烧技术无法对这种能源进行利用。本文采用催化燃烧技术来释放这类超低热值燃料的潜在能量。催化燃烧与传统的火焰燃烧有着本质上的区别,它是一种发生在固体催化剂表面的无火焰氧化反应,氧化反应发生的温度很低,即使燃料热值很低也可以完成氧化反应,为利用超低热值燃料提供可行的氧化方式。燃用超低热值燃料的燃气轮机是为了回收利用超低热值燃料而研发的新型燃气轮机。它以超低热值燃料为能源,以催化燃烧方式将燃料的化学能转化为热能加以利用。:TK472.5;O643.2文献标识码:A引言按热值高低标准把燃气轮机燃用气体燃料分为5类,最低的气体燃料其热值小于4MJ/m3,而对超低类没有明确规定,如矿井通风瓦斯气、煤层气、水煤气、沼气、生物质气和钢铁、化工行业副产气等在内的可燃混合气体中的可燃气主要为甲烷(CH4),但其浓度很低,只有1%～5%,因此这一类可燃混合气体可以归为超低热值燃料,其燃料燃值小于1MJ/m3。目前,世界上几乎所有超低热值燃料都未进行回收处理就直接排放入大气,每年全世界因煤矿开采和钢铁冶炼排入大气中的甲烷总量为2500×104t,相当于煤矿原始总能源的60%。随着煤炭和钢铁产品产量的增加,预计到2010年甲烷排放量将增至2800×104t,其中70%来自超低热值燃1发展现状及前景1.1国内外发展现状国外在超低热值燃料的研究和应用方面开始的比较早,从20世纪90年代开始,作为产煤大国的美国和澳大利亚,就开始了对超低热值燃料应用的研究工作,美国西北燃料公司在1995年前后研究开发了采用煤矿通风瓦斯做助燃空气进行发电小型(250kW)燃气轮机;澳大利亚BHP公司研究开发了共装备有54台功率为1MW的用采空区抽放的瓦斯作为主要燃料、回风作为辅助燃料的Caterpillar内燃发电机;澳大利亚联邦科学研究院CISRO已经研制成功了一台应用于Appin煤矿现场低浓度甲烷燃气轮机;瑞典GothenbergVOLVO电厂和加拿大NovaScotia煤矿在90年代中期开始对超低热值燃料利用技术进行研究,并且已经将相关研究成果应用到实际中;料1。将甲烷直接排放到大气中,一方面造成有限的不可再生资源的严重浪费,每年仅从煤矿通风瓦斯中释放的甲烷低位发热量相当于3370×104t标准煤的低位发热量;另一方面造成大气污染加剧温室效应,单位质量的CH4对大气温室效应的影响GWP(GlobalWarmingPotential)是CO2的24.5倍2。因此,合理回收利用超低热值燃料具有节能和环保双重意义。收稿日期:2006-06-08;修订日期:2006-12-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(90610019)作者简介:王艳杰(1982-),女,满族,河北承德人,上海交通大学硕士生.热力循环热能动力工程2007年·260·日本等国家在研究超低热值燃料利用技术上也获得了很大的成果3～5。对于超低热值燃气的利用,我国尚处于起步阶段,但是众所周知:我国超低热值燃料产量丰富,可利用价值很高,越来越多的科研群体和个人开始研究超低热值燃料的利用方法。煤炭领域研究的一种新的变压吸附方式可以大大增加矿井中超低热值燃气的采集量,为超低热值燃料燃气轮机的燃料提供了切实的保证6;国内各大钢铁企业都在积极研究回收利用高炉煤气的方法,以宝钢为例已经研发出利用低热值高炉煤气的燃气-蒸汽联合循环发电和燃煤-燃气混烧锅炉发电机组7～8;在我国利...