多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)中低熱值燃料的實驗研究

張銳,廖青華

（河南機電高等專科學校電氣工程系,河南新鄉(xiāng)453003）

多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)中低熱值燃料的實驗研究

張銳,廖青華

（河南機電高等?？茖W校電氣工程系,河南新鄉(xiāng)453003）

多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)中,進入燃氣輪機發(fā)電的是化工生產(chǎn)過程中排放的廢氣,這些氣體都是低熱值燃料.低熱值燃料燃燒不穩(wěn)定,不利于發(fā)電.采用實驗方法研究低熱值燃料的燃燒特性,通過對氣體燃燒的形式和特點、低熱值燃料的組成和性質進行分析后確定實驗工質.將H2、CH4、CO和N2按照不同的體積百分比配制混合氣來模擬低熱值燃料,在保證容積熱負荷不變的情況下設計出氣體燃料進行燃燒實驗,最終獲得燃料配比、過量空氣系數(shù)對低熱值燃料的擴散燃燒溫度分布以及燃燒產(chǎn)物濃度的影響規(guī)律.

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)；低熱值燃料；燃燒溫度；燃燒產(chǎn)物

隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,能源在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設及日常生活中的地位越來越重要.但隨之而來的能源和環(huán)境問題日趨嚴重,成為現(xiàn)代社會急需解決的問題.能源的大量不合理使用（如利用過程中污染物排放高,能源利用率低等）對環(huán)境造成了嚴重的危害,而且使能源形勢變得十分嚴峻.為了解決這些問題,更合理、充分地利用能源,人們一直在致力于探索出能源的清潔利用方式,因此也涌現(xiàn)出許多新的能源利用技術.

煤在我國能源材料中占據(jù)的比重最大,但在使用過程中的利用率不高,污染嚴重.在這種大環(huán)境下,人們已經(jīng)探索出很多煤的清潔利用方式,其中以煤氣化技術為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),是綜合解決我國能源問題的重要途徑,是很有前途的一種方法.采用多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)電能既可以提高效率、節(jié)省能源,也可以綜合利用能源,是能源發(fā)展的一種新型方法.

1 多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)突破行業(yè)限制,構筑能源、化工的一體化,達到生產(chǎn)過程的整體最優(yōu).它指的是用從單一的設備（氣化爐）中產(chǎn)生的合成氣來聯(lián)產(chǎn)多種化工產(chǎn)品、液體燃料（甲醇、二甲醚、城市煤氣）、氫氣以及用于工藝過程的熱和電.合成氣的有效成分是CO和H2,可以用任何含碳原料通過不同的途徑來生產(chǎn)合成氣,如用天然氣、石油渣油、煤、生物質等[1].

國內(nèi)外現(xiàn)有的多聯(lián)產(chǎn)模式均是以單一煤氣化為氣頭,通過CO變換反應調整粗煤氣中的碳氫比,以滿足合成部分的需要,這不僅增加了系統(tǒng)和技術的復雜性,導致了能量的損耗,而且增加了CO2排放（每產(chǎn)生1分子氫,就會產(chǎn)生1分子的二氧化碳）.煤氣化技術是將氣化煤氣富碳、焦爐煤氣（熱解煤氣）富氫的特點相結合,采用創(chuàng)新的氣化煤氣與焦爐煤氣共重整技術,進一步使氣化煤氣中的CO2和焦爐煤氣中的CH4轉化成合成氣,不僅可以提高原料氣的有效成分、調解氫碳比,而且可以免除CO變換反應,實現(xiàn)CO2減排,并降低能量損耗.所以,建立適合中國國情的以氣化煤氣和熱解煤氣雙氣頭為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的理論和設計方法,實現(xiàn)低成本、高效率、少污染的電力、石油替代燃料,焦炭與焦油聯(lián)產(chǎn)和CO2、NOx減排,是研究的最終目標.

2 低熱值燃料

在我國,低熱值氣體燃料是繼煤炭、石油、天然氣之后最現(xiàn)實的接替能源.開發(fā)利用低熱值氣體燃料有利于我國優(yōu)化能源結構,緩解能源緊張局面和保護環(huán)境.

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,進入燃氣輪機發(fā)電的是化工過程的弛放氣和剩余的粗煤氣,這些氣體都是低熱值燃料[2].低熱值燃料（燃料根據(jù)發(fā)熱量的大小可以分為3類：發(fā)熱量大于15.07MJ/m3為高熱值燃料；發(fā)熱量在6.28～15.07MJ/m3為中熱值燃料；發(fā)熱量小于6.28MJ/m3時為低熱值燃料.）的利用得到極大關注.針對低熱值燃料又可分為兩種：一種是低熱值高質,熱值不太高,但易燃燒；另一種是低熱值低質,不僅熱值低,而且不易燃燒[3-4].對于化工生產(chǎn)中排放的廢氣和粗煤氣來說,它們的含氫量在55%～75%,含氫量較高,容易著火,但熱值低,屬于低熱值高質燃料.低熱值高質燃料較低熱值低質燃料來說容易著火,但總的來說,低熱值燃氣熱值很低,燃燒難以點燃和控制,而且燃燒時容易出現(xiàn)回火或吹熄等現(xiàn)象,穩(wěn)定燃燒不易實現(xiàn),國內(nèi)外都在開展大量的研究和技術開發(fā)工作.

以煤氣化技術為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,進入燃氣輪機發(fā)電的是化工過程的排放氣體,這些氣體都是低熱值燃料.它的成分會隨著化工生產(chǎn)方式的不同而出現(xiàn)不同的特性[5].為了保證系統(tǒng)中燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定地輸出電力產(chǎn)品,需要根據(jù)運行情況調配進入燃氣輪機燃料的總熱值.此外,由于系統(tǒng)中低熱值燃料的成分和參數(shù)也是變化的,在總熱值達到要求的情況下,還必須保證燃料氣能夠穩(wěn)定、充分、低污染燃燒,以保證燃氣輪機的穩(wěn)定正常運行.因此,對多聯(lián)產(chǎn)中低熱值燃料發(fā)電的燃燒控制就顯得尤為重要.首先要解決的問題是改善低熱值燃料的基本燃燒特性.

3 實驗研究

化工生產(chǎn)過程中排放的低熱值氣體主要成分有：H2、CH4、CO、CO2、N2,另外因工藝不同還可能含有NH3、CmHn,或一些醇類、醚類、脂類[6-7].低熱值氣體燃料是由多種可燃和不可燃氣體成分組成的混合氣體,經(jīng)過一系列資料的查找,最終把實驗工質定為由H2、CH4、CO、N2四種成分按照一定的比例混合來模擬低熱值燃料.實驗系統(tǒng)如圖1所示.

為了便于比較,采用兩種方案模擬低熱值氣體燃料.一種方案用可燃氣體來模擬,另一種方案采用可燃氣體和不可燃氣體混合來模擬,以便分析不同的低熱值燃料燃燒時可能出現(xiàn)的問題,為發(fā)電系統(tǒng)的燃燒室設計積累數(shù)據(jù),為以后低熱值燃料用于發(fā)電系統(tǒng)中打下實驗基礎.低熱值燃料具體體積配比如下：組號1,H2∶CH4∶CO=75%∶15%∶10%；組號2,H2∶CH4∶CO∶N2=75%∶15%∶6%∶4%.選取過量空氣系數(shù)α為1時的燃燒溫度分布圖進行分析.

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimentalsystem

3.1 燃料配比對燃燒溫度的影響

燃燒室中心溫度、壁面溫度隨燃料配比變化規(guī)律見圖2、圖3.

圖2 燃燒室中心溫度隨燃料配比變化規(guī)律Fig.2Central temperature changingwith of fuel ratio

圖3 燃燒室壁面溫度隨燃料配比變化規(guī)律Fig.3Wall temperature changingwith fuel ratio

由圖2、圖3可知,爐膛中心溫度隨著軸向距離增加而減小,最高溫度可達到1 150℃左右,最高溫度出現(xiàn)在軸向距離100mm處.爐膛中心溫度在軸向距離100mm到150mm之間溫度曲線最陡,說明燃燒火焰主要集中在150mm軸向截面附近.爐膛壁面最高溫度出現(xiàn)在軸向距離150mm截面附近,說明火焰在軸向距離150mm截面處火焰截面最寬.組號2氣體燃燒時,中心、壁面溫度相對要比組號1氣體燃燒溫度低,這是由于組號2氣體中含有不可燃氣體N2.

圖4是兩種組分氣體對應的4個軸向截面徑向溫度分布圖,在截面的徑向溫度分布上可以看出來,爐膛最高溫度出現(xiàn)在徑向距離-5mm處,理論上最高溫度應該出現(xiàn)在徑向距離0mm處.這主要是由于燃燒的時候火焰有細微的偏斜造成的.組號2氣體燃燒時徑向溫度分布相對要比組號1氣體燃燒溫度低.

圖4 燃燒室軸向截面的徑向溫度分布Fig.4 Temperature distribution of radialcross-section in combustion chamber

3.2 過量空氣系數(shù)、燃料配比對燃燒產(chǎn)物的影響

燃燒排放物隨過量空氣系數(shù)變化分布見圖5.

圖5 排放物濃度隨過量空氣系數(shù)的變化Fig.5 Variation ofemissionsconcentrationwith airexcesscoefficient

由圖5可知,燃燒產(chǎn)物NOx體積分數(shù)在過量空氣系數(shù)為1.1的時候達到最大值,NOx體積分數(shù)在過量空氣系數(shù)0.8～1.1之間隨著過量空氣系數(shù)α的增加而增加,過量空氣系數(shù)α大于1.1以后,NOx體積分數(shù)隨著過量空氣系數(shù)α的增加而降低.可以看出過量空氣系數(shù)α越小,NOx體積分數(shù)越小,也就是氧氣體積分數(shù)越小,NOx體積分數(shù)越小.NOx體積分數(shù)在過量空氣系數(shù)α大于1.1附近區(qū)域達到最大,說明這個時候爐膛溫度近似達到最大值,使NOx大量生成.從燃料配比來比較兩種組號氣體的NOx體積分數(shù),組號2的燃燒產(chǎn)物中NOx體積分數(shù)相對要較高一點.由此可見,爐膛的溫度水平、氧氣濃度、燃料的成分等原因都對NOx的生成有直接影響.

CO2體積分數(shù)在過量空氣系數(shù)α=1.0時達到最大.在過量空氣系數(shù)α=1.0之前,隨著α的增加,燃燒速度加快,生成的CO2體積分數(shù)增大.在最大值之后,隨著過量空氣系數(shù)α的增加,大量的空氣稀釋了CO2,使其體積分數(shù)降低.從燃料配比來比較兩種組號氣體的CO2體積分數(shù),在過量空氣系數(shù)α=1.0之前,組號1和組號2產(chǎn)生的CO2體積分數(shù)基本相同,在過量空氣系α=1.0之后,組號1產(chǎn)生的CO2體積分數(shù)比組號2產(chǎn)生的CO2體積分數(shù)要稍大些,產(chǎn)生這種結果的原因是由于組號1中的CO體積比較高.

4 結論

沒有加入不可燃氣體N2時,點火順暢,火苗基本穩(wěn)定,火焰顏色為較為明亮的黃色,爐膛中心溫度在中間靠下的位置最高,說明火焰的高度基本上在300mm以下.加入不可燃氣體N2時,點火不夠順暢,火苗有微小抖動,火焰顏色要比沒有加入不可燃氣體N2的時候稍微暗淡一些.兩種組分 的混合氣體燃燒時溫度分布相比較,爐膛中心燃燒溫度基本上沒有太大的降低,爐膛壁面溫度降低較為明顯,徑向溫度分布也有一些變化.這些原因都是由于不可燃氣體N2的加入,降低了混合氣體的燃燒發(fā)熱量.

從燃燒產(chǎn)物上看,要想減少NOx的產(chǎn)生,一方面要調節(jié)氧氣體積分數(shù)和溫度水平之間共同作用的關系,可以分時分段送入氧氣.另一方面,可在化工生產(chǎn)的過程中,改善工藝,盡可能的減少N2的生成.

從燃燒產(chǎn)物上看,在CO2體積分數(shù)最大的時候,燃燒產(chǎn)物CO的相對體積分數(shù)最小,這說明燃料燃燒越完全,CO2體積分數(shù)越大.所以,可以通過觀察CO2體積分數(shù)對燃燒情況的好壞做出判斷,并適時對燃燒進行調整.

[1]鄧世敏,林汝謀,金紅光,等.IGCC多聯(lián)產(chǎn)總能系統(tǒng)[J].燃氣輪機技術,2002,15（3）：10-16.

[2]趙黛青,夏亮,何立波.低熱值燃料穩(wěn)定燃燒的研究現(xiàn)狀與進展[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,27（5）：33-39.

[3]羅渝東.低熱值煤層氣燃燒器的數(shù)值模擬與實驗研究[D].重慶：重慶大學,2006.

[4]朱彤,張毅勐.低熱值煤氣高溫空氣燃燒數(shù)值模擬[J].同濟大學學報,2002,30（8）：932-937.

[5]倪維斗,李政.以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)：資源能源環(huán)境整體優(yōu)化與可持續(xù)發(fā)展[J].煤化工,2003（1）：3-10.

[6]王新杰.合成氨生產(chǎn)中兩氣的合理回收利用[J].中氮肥,2006（1）：13-14.

[7]張建業(yè),光明,劉剛.焦爐氣制甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨、尿素方案[J].中氮肥,2003（6）：22-24.

（責任編輯：盧奇）

Experiment of low-heat-value fuel in poly-generation electricity generation system

Zhang Rui,Liao Qinghua
（DepartmentofElectricalEngineering,Henan Mechanicaland Electrical Engineering College,Xinxiang 453003,China）

In poly-generation electricity generation system,the low heat value fuel which is the exhaust gas in chemical production process generate electricity in the gas turbine.Low heat value fuel burn not conducive to stability of the power.So,the study of low heat value fuel's combustion characteristics can accumulate bases in the future production.The combustion characteristics of the low heat value fuel to is studied bymeans of experimentalmethod, and the combustion form,feature,composition and property are analyzed.The experimentmass are defined according to the analysis results.The experiment uses mixed gas of H2,CH4,CO,N2with different volume percent to imitate gas, designs gas in the situation of same volume heat load.The temperature distribution and combustion product concentration regulation of gas under diffusion combustion along with the variety of fuelmixture ratio and excess air ratio are gotten.

low heat value fuel；poly-generation system；combustion temperature；combustion products

TK16

A

1008-7516（2013）04-0053-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.04.013

2013-04-23

張銳（1983-）,女,河南西平人,碩士,助教.主要從事發(fā)電廠系統(tǒng)運行維護和設備控制研究.