旋转催化回热型燃气轮机发电装置.pdf

一种火力发电技术领域的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，包括：空气过滤器、离心压气机、旋转催化回热器、向心透平、减速齿轮箱、发电机、启动燃料阀、启动燃烧室和若干个联轴器。本发明不需要点火燃烧，通过催化燃烧方式，采用离心压气机、向心透平，充分回收并利用低热值燃料，在降低环境污染的同时，尽可能缓解一部分能源危机，而且整个过程简单易行，洁净环保，安全可靠。

权利要求书
1、  一种旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征在于，包括：空气过滤器、离心压气机、旋转催化回热器、向心透平、减速齿轮箱、发电机、启动燃料阀、启动燃烧室和若干个联轴器，其中：空气过滤器输出接口连接离心压气机，离心压气机出口与旋转催化回热器的冷流体入口相连，旋转催化回热器的冷流体出口连接透平，透平的出口连接旋转催化回热器的热流体入口，离心压气机的输出轴通过联轴器和减速齿轮箱相连接，减速齿轮箱又通过联轴器和发电机轴相连接，减速齿轮箱与离心压气机通过联轴器连接，启动燃料阀的入口与启动燃料源通过管道连接，启动燃料阀的出口与启动燃烧室的入口通过管道连接，启动燃烧室的出口与旋转催化回热器的燃气进入管通过管道连接。

2、  根据权利要求1所述的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征是，所述的离心压气机与向心透平为同轴设置，转速相同，所述的转速在6000～60000转/分之间。

3、  根据权利要求1所述的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征是，所述的离心压气机的压缩比在2～5之间。

4、  根据权利要求1所述的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征是，所述的向心透平的膨胀比在2～5之间。

5、  根据权利要求1所述的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征是，所述的减速齿轮箱的转速比为2～10。

6、  根据权利要求1所述的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征是，旋转催化回热器包括：蜂窝蓄热体、左盖板、右盖板、燃气进入管、燃气流出管、烟气进入管和烟气流出管，其中：燃气进入管和烟气流出管连接在左盖板上，燃气出口管和烟气入口管连接在右盖板上，左盖板与右盖板之间为蜂窝蓄热体，蜂窝蓄热体后段表层有催化剂，左盖板、右盖板与外壳通过法兰进行连接。

7、  根据权利要求1或6所述的旋转催化回热型燃气轮机发电装置，其特征是，所述的旋转催化回热器的质量流量0.3～30Kg/S、最大进气压力4.0bar。

说明书旋转催化回热型燃气轮机发电装置
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机技术领域的装置，具体是一种旋转催化回热型燃气轮机发电装置。
背景技术
低热值燃气热值小于5MJ/Nm3，种类繁多，总量巨大，包括矿井通风瓦斯气、部分煤层气和生物质气、和钢铁、化工行业等在内的甲烷(CH4)浓度很低的副产气，其中很大部分是超低热值燃气小于2MJ/Nm3，甲烷(CH4)浓度只有0.5％至5％。由于甲烷浓度低不能采用常规方法点火燃烧，在实际利用上有相当难度，绝大多数超低热值燃料被丢弃，能源浪费惊人。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2500万吨，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2800万吨，其中70％来自超低热值燃气。
另一方面由于甲烷的全球变暖潜能值(Global Warming Potential，GWP)是CO2的24.5倍，全球因甲烷气体而产生的温室效应占所有温室气体总量的17％，仅次于CO2排在第二位，因此排放的甲烷严重加剧了温室气体效应。
目前对超低浓度燃气的研究技术和应用主要分为两类：一类是作为辅助燃料或作为助燃空气加以利用；另一类是作为主燃料，在燃烧反应的过程中不需要加入其它燃料或助燃空气。
美国西北燃料公司(Northwest Fuel Development)在1995年前后研究开发小型(250KW)天然气燃气轮机，用超低浓度燃气作助燃空气进行发电。2000年前后澳大利亚的联邦科学研究院CSIRO和能源开发公司(Energy DevelopmentLimited)研究开发利用煤矿通风瓦斯作为超低浓度燃气的燃气轮机技术，采用外部燃烧器技术。近年来美国Flex～Energy公司和Capstone燃气轮机公司联合研究开发微型燃气轮机，利用1％甲烷浓度的煤矿通风瓦斯气，机组容量大于100KW。美国Ingersol～Rand公司也在积极研究低热值燃气轮机技术并申请了专利，其设计甲烷浓度为0.8％，功率大于250KW。
我国采用超低浓度燃气作助燃空气进行发电的研究已经比较成熟，但作为主燃料的超低热值燃气动力系统充分研究的文献和资料较少。中国航空动力机械研究所发明的回热式小型燃气轮机，通过波形板换热器进行热能交换，单位体积传热面积大，流动损失小，回热效率可达到0.7～0.95；小型燃气轮机的热效率可达到35～50％。中国船舶重工集团公司第七○三研究所发明的是一种湿压缩～回热循环燃气轮机，回热器是一种表面换热器，高温侧通以涡轮排气，低温侧通以离心压气机出口气体，可比简单循环燃气轮机在热效率指标方面提高约43％～52％。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种旋转催化回热型燃气轮机发电装置，不需要点火燃烧，通过催化燃烧方式，采用离心压气机、向心透平，充分回收并利用低热值燃料，在降低环境污染的同时，尽可能缓解一部分能源危机，而且整个过程简单易行，洁净环保，安全可靠。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：空气过滤器、离心压气机、旋转催化回热器、向心透平、减速齿轮箱、发电机、启动燃料阀、启动燃烧室和若干个联轴器，其中：空气过滤器输出接口连接离心压气机，离心压气机出口与旋转催化回热器的冷流体入口相连，旋转催化回热器的冷流体出口连接透平，透平的出口连接旋转催化回热器的热流体入口，离心压气机的输出轴通过联轴器和减速齿轮箱相连接，减速齿轮箱又通过联轴器和发电机轴相连接，减速齿轮箱与离心压气机通过联轴器连接，启动燃料阀的入口与启动燃料源通过管道连接，启动燃料阀的出口与启动燃烧室的入口通过管道连接，启动燃烧室的出口与旋转催化回热器的燃气进入管通过管道连接。
所述的离心压气机与向心透平为同轴设置，转速相同，所述的转速在6000～60000转/分之间；
所述的离心压气机的压缩比在2～5之间；
所述的向心透平的膨胀比在2～5之间；
所述的减速齿轮箱的转速比为2～10。
旋转催化回热器包括：蜂窝蓄热体、左盖板、右盖板、燃气进入管、燃气流出管、烟气进入管和烟气流出管，其中：燃气进入管和烟气流出管通过焊接方式连接在左盖板上，燃气出口管和烟气入口管通过焊接方式连接在右盖板上，左盖板与右盖板之间为蜂窝蓄热体，蜂窝蓄热体可以旋转，其后段表层有催化剂，既对低浓度燃气加热又进行催化燃烧。左盖板、右盖板与外壳通过法兰进行连接。
所述的旋转催化回热器的质量流量0.3～30Kg/S、最大进气压力4.0bar，可以利用低热值燃气含量在0.5％～5％之间，燃料热值约在0.3～2MJ/NM3之间的低浓度甲烷燃料。
本发明燃气和空气的混合气经过空气过滤器除去杂质进入离心压气机，在离心压气机内提高压力，在旋转催化回热器中利用高温余热加热，并进行催化燃烧，高温高压气体进而推动向心透平高速旋转，向心透平的轴通过联轴器和减速齿轮箱相连，经过减速齿轮箱减速后，带动发电机组向外输出电功。从向心透平出口排出的烟气有较高的温度，进入旋转催化回热器，在旋转催化回热器中，加热经离心压气机加压的低热值燃气，最后排入大气。旋转催化回热器既有对低浓度燃气加热的功能，又有低热值燃料的催化燃烧功能。进入催化回热器的低浓度燃气先在蜂窝状蓄热体前段，加热到催化燃烧起燃温度，然后进入后段蜂窝状蓄热体进行催化燃烧，经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，再重复进行下一轮工作。在整个循环过程中，低浓度燃气不断进入空气过滤器，同时，系统不断向用户输出电能，从而实现利用低浓度燃气发电。
本发明的燃气轮机可以利用低热值燃气含量在0.5％～5％之间，燃料热值约在0.3～2MJ/NM3之间的低浓度甲烷燃料，整个机组可以实现的有效功率可以从几十千瓦到几千千瓦。
以1.5％甲烷浓度的燃气100KW级的旋转催化回热型燃气轮机为例，燃气轮机转速在6000～60000转/分之间，离心压气机的压缩比在2～5之间，向心透平的膨胀比在2～5之间，减速齿轮箱的转速比为2～10，旋转催化回热型质量流量0.3～30Kg/S、最大进气压力4.0bar。
本发明可采以下实施步骤来实现效果：
1.1.5％甲烷浓度的超低热值燃气经过空气过滤器除掉粉尘等，温度为300K，一个大气压(1.0bar)进入离心压气机。
2.低热值燃气在离心压气机内压缩到约3.0bar左右，温度上升到约420K，进入旋转催化回热器。
3.燃气在蜂窝蓄热体内换热，加热到催化反应所需的温度大约750K左右，再进入蜂窝蓄热体后段催化燃烧，温度上升到大约1150K，由于有约0.01bar的压力损失，工作压力略有下降。
4.从旋转催化回热器出来的高温高压气体工质进入向心透平，推动向心透平做功，气体在向心透平内膨胀做功后温度下降到约880K，压力约高于一个大气压。
5.再利用排出的较高温尾气回到旋转催化回热器加热新的1.5％甲烷浓度的燃气，最后排入大气的尾气温度约为500K。
6.旋转催化回热器既加热低浓度燃气又进行催化燃烧，经过一段时间蜂窝状蓄热体旋转一定角度，再重复进行下一轮工作。
本发明采用包括井口伴生气、煤层气、水煤气、沼气或钢铁、化工、矿物燃料等生产过程中产生的低热值燃料，都可以被回收并通过催化燃烧方式加以充分的利用。整个系统可以实现的有效功率可以从几十千瓦到几千千瓦。
附图说明
图1旋转催化回热型燃气轮机系统示意图；
图中：离心压气机1、向心透平2、旋转催化回热器3、发电机4、减速齿轮箱5、启动燃烧室6、电力控制柜7、空气过滤器8、第一联轴器9、第二联轴器10、启动燃料阀11、第一轴承12、第二轴承13；
图2旋转催化回热器示意图；
图中：蜂窝蓄热体14、左盖板15、右盖板16、燃气进入管17、燃气流出管18、烟气进入管19、烟气流出管20。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，所述的旋转催化回热型燃气轮机系统包括：离心压气机1、向心透平2、旋转催化回热器3、发电机4、减速齿轮箱5、启动燃烧室6、电力控制柜7、空气过滤器8、第一联轴器9、第二联轴器10、启动燃料阀11、第一轴承12、第二轴承13、蜂窝蓄热体14、左盖板15、右盖板16、燃气进入管17、燃气流出管18、烟气进入管19和烟气流出管20，其中：发电机4轴与减速齿轮箱5的低速轴通过第二联轴器10连接；减速齿轮箱5的高速轴与离心压气机1轴通过第一联轴器9连接；离心压气机1、向心透平2共用相同的轴，并通过第一轴承12和第二轴承13支撑。空气过滤器8入口与低热值燃气源通过管道连接，过滤器8出口与离心压气机1入口通过管道连接；离心压气机1与旋转催化回热器3之间没有位置限定，离心压气机1出口与旋转催化回热器3的燃气进入管17通过管道连接；旋转催化回热器3内有蜂窝蓄热体14，后段蜂窝蓄热体表层有催化剂，经过一段时间旋转一定角度；旋转催化回热器3与向心透平2之间也没有位置限定，旋转催化回热器3的燃气流出管18与向心透平2入口通过管道连接；而向心透平2出口与旋转回热器3的烟气进入管19通过管道进行连接；启动燃料阀11入口与启动燃料源通过管道连接，启动燃料阀11出口与启动燃烧室6入口通过管道连接；启动燃烧室6出口与旋转催化燃烧室3的燃气进入管17通过管道连接。
所述的离心压气机1与向心透平2为同轴设置，转速相同，所述的转速在6000～60000转/分之间；
所述的离心压气机1的压缩比在2～5之间；
所述的向心透平2的膨胀比在2～5之间；
所述的减速齿轮箱5的转速比为2～10。
如图2所示，所述的旋转催化回热器3的燃气进入管17和烟气流出管20通过焊接方式连接在左盖板15上，燃气出口管18和烟气入口管19通过焊接方式连接在右盖板16上，左盖板15与右盖板16之间为蜂窝蓄热体14，蜂窝蓄热体14可以旋转，其后段表层有催化剂，既对低浓度燃气加热又进行催化燃烧。左盖板15、右盖板16与外壳通过法兰进行连接。
所述的旋转催化回热器3的质量流量0.3～30Kg/S、最大进气压力4.0bar，可以利用低热值燃气含量在0.5％～5％之间，燃料热值约在0.3～2MJ/NM3之间的低浓度甲烷燃料。
如图1所示的旋转催化回热型燃气轮机系统，由发电机4(启动时发电机4用作电动机)通过减速齿轮箱5带动离心压气机1达到较高转速，通过过滤器8过滤的低热值燃气在离心压气机1内压缩后，进入旋转催化回热器3。当离心压气机1到一定转速后启动燃料阀11打开，启动燃烧室6点火，高温气体进入旋转催化回热器3，加热蜂窝状蓄热体9到一定温度后关闭启动燃烧室6，发电机4由电动机模式切换回发电机模式，系统进入正常工作。在正常工作状态低热值燃气在旋转催化回热器3内与向心透平2排出的高温气体进行热交换，吸收大量的热，温度升高到催化工作温度，进入后段催化燃烧，在催化燃烧段进行催化燃烧，之后高温高压的气体进入向心透平2内膨胀做功，向心透平2输出的旋转功通过减速齿轮箱5带动发电机4发电。电力控制柜7在启动时控制发电机4(启动时用作电动机)地转速，发电时控制发电电力参数和并网。
超低浓度燃气进入旋转催化回热器3，先在蜂窝蓄热体14的换热段，加热到催化燃烧起燃温度，再进入催化燃烧段变成高温烟气，蜂窝蓄热体14工作时转动。
本实施例所述系统可采用包括井口伴生气、煤层气、水煤气、沼气或钢铁、化工、矿物燃料等生产过程中产生的低热值燃料，都可以被回收并通过催化燃烧方式加以充分的利用。整个系统可以实现的有效功率可以从几十千瓦到几千千瓦。