多联产发电系统中低热值燃料的实验研究

张锐,廖青华

（河南机电高等专科学校电气工程系,河南新乡453003）

多联产发电系统中低热值燃料的实验研究

张锐,廖青华

（河南机电高等专科学校电气工程系,河南新乡453003）

多联产发电系统中,进入燃气轮机发电的是化工生产过程中排放的废气,这些气体都是低热值燃料.低热值燃料燃烧不稳定,不利于发电.采用实验方法研究低热值燃料的燃烧特性,通过对气体燃烧的形式和特点、低热值燃料的组成和性质进行分析后确定实验工质.将H2、CH4、CO和N2按照不同的体积百分比配制混合气来模拟低热值燃料,在保证容积热负荷不变的情况下设计出气体燃料进行燃烧实验,最终获得燃料配比、过量空气系数对低热值燃料的扩散燃烧温度分布以及燃烧产物浓度的影响规律.

多联产系统；低热值燃料；燃烧温度；燃烧产物

随着我国国民经济的迅速发展,能源在工农业生产、交通运输、国防建设及日常生活中的地位越来越重要.但随之而来的能源和环境问题日趋严重,成为现代社会急需解决的问题.能源的大量不合理使用（如利用过程中污染物排放高,能源利用率低等）对环境造成了严重的危害,而且使能源形势变得十分严峻.为了解决这些问题,更合理、充分地利用能源,人们一直在致力于探索出能源的清洁利用方式,因此也涌现出许多新的能源利用技术.

煤在我国能源材料中占据的比重最大,但在使用过程中的利用率不高,污染严重.在这种大环境下,人们已经探索出很多煤的清洁利用方式,其中以煤气化技术为核心的多联产系统,是综合解决我国能源问题的重要途径,是很有前途的一种方法.采用多联产系统生产电能既可以提高效率、节省能源,也可以综合利用能源,是能源发展的一种新型方法.

1 多联产系统

多联产系统突破行业限制,构筑能源、化工的一体化,达到生产过程的整体最优.它指的是用从单一的设备（气化炉）中产生的合成气来联产多种化工产品、液体燃料（甲醇、二甲醚、城市煤气）、氢气以及用于工艺过程的热和电.合成气的有效成分是CO和H2,可以用任何含碳原料通过不同的途径来生产合成气,如用天然气、石油渣油、煤、生物质等[1].

国内外现有的多联产模式均是以单一煤气化为气头,通过CO变换反应调整粗煤气中的碳氢比,以满足合成部分的需要,这不仅增加了系统和技术的复杂性,导致了能量的损耗,而且增加了CO2排放（每产生1分子氢,就会产生1分子的二氧化碳）.煤气化技术是将气化煤气富碳、焦炉煤气（热解煤气）富氢的特点相结合,采用创新的气化煤气与焦炉煤气共重整技术,进一步使气化煤气中的CO2和焦炉煤气中的CH4转化成合成气,不仅可以提高原料气的有效成分、调解氢碳比,而且可以免除CO变换反应,实现CO2减排,并降低能量损耗.所以,建立适合中国国情的以气化煤气和热解煤气双气头为核心的多联产系统的理论和设计方法,实现低成本、高效率、少污染的电力、石油替代燃料,焦炭与焦油联产和CO2、NOx减排,是研究的最终目标.

2 低热值燃料

在我国,低热值气体燃料是继煤炭、石油、天然气之后最现实的接替能源.开发利用低热值气体燃料有利于我国优化能源结构,缓解能源紧张局面和保护环境.

多联产系统中,进入燃气轮机发电的是化工过程的弛放气和剩余的粗煤气,这些气体都是低热值燃料[2].低热值燃料（燃料根据发热量的大小可以分为3类：发热量大于15.07MJ/m3为高热值燃料；发热量在6.28～15.07MJ/m3为中热值燃料；发热量小于6.28MJ/m3时为低热值燃料.）的利用得到极大关注.针对低热值燃料又可分为两种：一种是低热值高质,热值不太高,但易燃烧；另一种是低热值低质,不仅热值低,而且不易燃烧[3-4].对于化工生产中排放的废气和粗煤气来说,它们的含氢量在55%～75%,含氢量较高,容易着火,但热值低,属于低热值高质燃料.低热值高质燃料较低热值低质燃料来说容易着火,但总的来说,低热值燃气热值很低,燃烧难以点燃和控制,而且燃烧时容易出现回火或吹熄等现象,稳定燃烧不易实现,国内外都在开展大量的研究和技术开发工作.

以煤气化技术为核心的多联产系统中,进入燃气轮机发电的是化工过程的排放气体,这些气体都是低热值燃料.它的成分会随着化工生产方式的不同而出现不同的特性[5].为了保证系统中燃气—蒸汽联合循环发电系统稳定地输出电力产品,需要根据运行情况调配进入燃气轮机燃料的总热值.此外,由于系统中低热值燃料的成分和参数也是变化的,在总热值达到要求的情况下,还必须保证燃料气能够稳定、充分、低污染燃烧,以保证燃气轮机的稳定正常运行.因此,对多联产中低热值燃料发电的燃烧控制就显得尤为重要.首先要解决的问题是改善低热值燃料的基本燃烧特性.

3 实验研究

化工生产过程中排放的低热值气体主要成分有：H2、CH4、CO、CO2、N2,另外因工艺不同还可能含有NH3、CmHn,或一些醇类、醚类、脂类[6-7].低热值气体燃料是由多种可燃和不可燃气体成分组成的混合气体,经过一系列资料的查找,最终把实验工质定为由H2、CH4、CO、N2四种成分按照一定的比例混合来模拟低热值燃料.实验系统如图1所示.

为了便于比较,采用两种方案模拟低热值气体燃料.一种方案用可燃气体来模拟,另一种方案采用可燃气体和不可燃气体混合来模拟,以便分析不同的低热值燃料燃烧时可能出现的问题,为发电系统的燃烧室设计积累数据,为以后低热值燃料用于发电系统中打下实验基础.低热值燃料具体体积配比如下：组号1,H2∶CH4∶CO=75%∶15%∶10%；组号2,H2∶CH4∶CO∶N2=75%∶15%∶6%∶4%.选取过量空气系数α为1时的燃烧温度分布图进行分析.

图1 实验系统Fig.1 Experimentalsystem

3.1 燃料配比对燃烧温度的影响

燃烧室中心温度、壁面温度随燃料配比变化规律见图2、图3.

图2 燃烧室中心温度随燃料配比变化规律Fig.2Central temperature changingwith of fuel ratio

图3 燃烧室壁面温度随燃料配比变化规律Fig.3Wall temperature changingwith fuel ratio

由图2、图3可知,炉膛中心温度随着轴向距离增加而减小,最高温度可达到1 150℃左右,最高温度出现在轴向距离100mm处.炉膛中心温度在轴向距离100mm到150mm之间温度曲线最陡,说明燃烧火焰主要集中在150mm轴向截面附近.炉膛壁面最高温度出现在轴向距离150mm截面附近,说明火焰在轴向距离150mm截面处火焰截面最宽.组号2气体燃烧时,中心、壁面温度相对要比组号1气体燃烧温度低,这是由于组号2气体中含有不可燃气体N2.

图4是两种组分气体对应的4个轴向截面径向温度分布图,在截面的径向温度分布上可以看出来,炉膛最高温度出现在径向距离-5mm处,理论上最高温度应该出现在径向距离0mm处.这主要是由于燃烧的时候火焰有细微的偏斜造成的.组号2气体燃烧时径向温度分布相对要比组号1气体燃烧温度低.

图4 燃烧室轴向截面的径向温度分布Fig.4 Temperature distribution of radialcross-section in combustion chamber

3.2 过量空气系数、燃料配比对燃烧产物的影响

燃烧排放物随过量空气系数变化分布见图5.

图5 排放物浓度随过量空气系数的变化Fig.5 Variation ofemissionsconcentrationwith airexcesscoefficient

由图5可知,燃烧产物NOx体积分数在过量空气系数为1.1的时候达到最大值,NOx体积分数在过量空气系数0.8～1.1之间随着过量空气系数α的增加而增加,过量空气系数α大于1.1以后,NOx体积分数随着过量空气系数α的增加而降低.可以看出过量空气系数α越小,NOx体积分数越小,也就是氧气体积分数越小,NOx体积分数越小.NOx体积分数在过量空气系数α大于1.1附近区域达到最大,说明这个时候炉膛温度近似达到最大值,使NOx大量生成.从燃料配比来比较两种组号气体的NOx体积分数,组号2的燃烧产物中NOx体积分数相对要较高一点.由此可见,炉膛的温度水平、氧气浓度、燃料的成分等原因都对NOx的生成有直接影响.

CO2体积分数在过量空气系数α=1.0时达到最大.在过量空气系数α=1.0之前,随着α的增加,燃烧速度加快,生成的CO2体积分数增大.在最大值之后,随着过量空气系数α的增加,大量的空气稀释了CO2,使其体积分数降低.从燃料配比来比较两种组号气体的CO2体积分数,在过量空气系数α=1.0之前,组号1和组号2产生的CO2体积分数基本相同,在过量空气系α=1.0之后,组号1产生的CO2体积分数比组号2产生的CO2体积分数要稍大些,产生这种结果的原因是由于组号1中的CO体积比较高.

4 结论

没有加入不可燃气体N2时,点火顺畅,火苗基本稳定,火焰颜色为较为明亮的黄色,炉膛中心温度在中间靠下的位置最高,说明火焰的高度基本上在300mm以下.加入不可燃气体N2时,点火不够顺畅,火苗有微小抖动,火焰颜色要比没有加入不可燃气体N2的时候稍微暗淡一些.两种组分 的混合气体燃烧时温度分布相比较,炉膛中心燃烧温度基本上没有太大的降低,炉膛壁面温度降低较为明显,径向温度分布也有一些变化.这些原因都是由于不可燃气体N2的加入,降低了混合气体的燃烧发热量.

从燃烧产物上看,要想减少NOx的产生,一方面要调节氧气体积分数和温度水平之间共同作用的关系,可以分时分段送入氧气.另一方面,可在化工生产的过程中,改善工艺,尽可能的减少N2的生成.

从燃烧产物上看,在CO2体积分数最大的时候,燃烧产物CO的相对体积分数最小,这说明燃料燃烧越完全,CO2体积分数越大.所以,可以通过观察CO2体积分数对燃烧情况的好坏做出判断,并适时对燃烧进行调整.

[1]邓世敏,林汝谋,金红光,等.IGCC多联产总能系统[J].燃气轮机技术,2002,15（3）：10-16.

[2]赵黛青,夏亮,何立波.低热值燃料稳定燃烧的研究现状与进展[J].世界科技研究与发展,2005,27（5）：33-39.

[3]罗渝东.低热值煤层气燃烧器的数值模拟与实验研究[D].重庆：重庆大学,2006.

[4]朱彤,张毅勐.低热值煤气高温空气燃烧数值模拟[J].同济大学学报,2002,30（8）：932-937.

[5]倪维斗,李政.以煤气化为核心的多联产能源系统：资源能源环境整体优化与可持续发展[J].煤化工,2003（1）：3-10.

[6]王新杰.合成氨生产中两气的合理回收利用[J].中氮肥,2006（1）：13-14.

[7]张建业,光明,刘刚.焦炉气制甲醇弛放气联产合成氨、尿素方案[J].中氮肥,2003（6）：22-24.

（责任编辑：卢奇）

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

张锐（1983-）,女,河南西平人,硕士,助教.主要从事发电厂系统运行维护和设备控制研究.