CH4／O2／H2O燃气轮机富氧燃烧特性
内燃机内甲烷水蒸气重整特性分析
内燃机内甲烷水蒸气重整特性分析高华光;龚希武【摘要】为了较为系统地认识甲烷水蒸气重整反应对内燃机性能的影响。
应用HSC 5．1软件对甲烷水蒸气重整反应在不同反应温度和水碳比的工况下进行分析，然后应用Chemkin‐pro程序，计算了在相同供热量下甲烷水蒸气重整气在不同物质的量比下比C H4的燃C H4消耗降低率。
结果表明，提高反应温度和水碳比可提高C H4的转化率；当温度为700℃、水碳比为3时，发热量提高了13．58％，在供热相同情况下，燃C H4消耗量可减少11．96％，C H4的转化率越高，循环效率越高；重整气效率比纯天然气高，随着物质的量比降低，重整气优势降低。
%To obtain a better view on the effect of steam reforming of methane (SRM ) reaction on performance of internal combustion (IC) engine ,by using HSC 5 .1 software ,SRM was analyzed at different temperature and steam/methane molar ratios .Then ,by using Chemkin‐pro software ,fuel consumption reduced rate of methane was calculated in synthesis gas of SRM and methane at different equivalence ratios .The results show that the increase of temperature and steam/methane molar ratios will increase conversion rate of methane .When the temperature is 700 ℃ andsteam/methane molar ratio is 3 under the same heating conditions ,heat value will increase 13 .58% ,fuel consumption will decrease 11 .96% ,and cycle efficiency of IC engine will increase with the increase of conversion rate of methane .Efficiency of synthesis gas of SRM is higher than pure methane ,unfortunately ,decreases with the decrease of the equivalentratio .【期刊名称】《石油与天然气化工》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】6页(P46-51)【关键词】化学回热循环;甲烷水蒸气重整;内燃机;HSC5.1;Chemkin【作者】高华光;龚希武【作者单位】浙江海洋学院船舶与海洋工程学院;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院【正文语种】中文【中图分类】TE624化学回热循环燃气轮机(Chemically Recuperated Gas Turbine，CRGT)和液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是船舶主动力装置应对能源危机和环境污染的有效手段和替代燃料[1-3]。
理论空燃比天然气汽车尾气中H2O和O2对CH4与NO反应的影响
理论空燃比天然气汽车尾气中H2O和02对CH4与N0反应的影响1引言天然气的主要成分是CH4, CH4是H/C比值最高的碳氢化合物(HC), 因此CH4相比其他HC燃料在燃烧过程中有更少的C02生成量，并且天然气还具有使用范围广、价格低廉及污染排放少等优点，这使得天然气汽车(NGVs)在全世界范围内广泛使用.NGVs通常有理论空燃比和稀燃两种工作方式，理论空燃比燃烧方式为燃料与计量空气混合；稀燃方式为空气过量.对于理论空燃比NGVs,其主要污染排放物为CH4、NOx和CO.其中，CH4是一种具有强温室效应的气体，由于CH4是最为稳定的HC化合物之一，其转化和活化困难，表现在CH4的自身氧化反应比一般HC化合物反应难度大；同时CH4和NO的反应也比其他HC与NO的反应困难得多，这导致NO的转化难度大，而NO对人类及环境带来严重的危害.为了满足日益严格的汽车尾气排放标准，装备具有同时转化CH4、CO和NO的尾气处理催化剂必不可少.理论空燃比NGVs催化剂主要借鉴汽油车的三效催化剂(TWC), 一般采用CeO2改性的AI2O3为载体,Pt、Pd或Rh等贵金属为活性组分.在本课题组过去的研究中，所制备CeO2-ZrO2-AI2O3> CeO2-ZrO2- MxOy （M二YLa）/AI2O3 及CeO2-ZrO2-Y2O3-La2O3+La2O3-AI2O3 等材料在汽油车及NGVs尾气净化催化剂中体现了优异的性能.而且研究发现，在稀燃和理论空燃比条件下，Pd对CH4完全氧化的活性高于Rh 或者Pt;在富燃还原性条件下,Pt的活性略高于Pd.理论空燃比NGVs尾气净化催化剂上进行的主要反应有CH4氧化, CO 氧化和NO还原（包括CH4对NO的还原和CO对NO的还原）.由于CH4和NO的反应比其他HC与NO的反应困难得多而备受关注Burch 和Ramlil5 报道了Pt、Pd 和Rh 催化剂上CH4 对NO 的还原反应，发现NO和CH4的反应与气体组成和温度有关，不同催化剂的反应活性与催化剂可被CH4还原的程度相关，这是由于NO转化生成N2主要发生在还原表面活性位上，这些活性位可能是金属单质原子，如Pt,也可能是氧空缺，如Pd和Rh,并且在Pt和Pd催化剂上可以生成N2O.对于Pt/AI2O3和Pt/SiO2催化剂上的NO与CH4 反应，NO的还原与NO的分压相关，而与CH4关系不大，对于NO/O2/CH4反应，NO转化率随02含量增加先升高后降低，表明02 存在时的NO还原存在一个最佳的表而氧物种和碳氢化合物的覆盖量.16 Ohtsuka等17研究了水蒸气和S02存在条件下的CH4与NO反应，所制备的Pt-Pd催化剂具有优异的耐久性.实际上理论空燃比NGVs尾气中除了CH4、CO和NO夕卜，还存在化学计量比的氧气,10%(体积分数，phi;)的水蒸气和12%(phi;)的CO2气体等，并且这些组分对尾气转化反应具有重要的影响作用.由于CH4和NO的反应是理论空比尾气净化的主要反应，尾气中02和H20对该反应的影响作用关系到催化剂的性能.研究02和H20对C02存在条件下的CH4+N0反应的影响，对尾气净化反应过程的分析和操作条件的控制将会有指导意义.本文以共沉淀法制备结合储氧材料和耐高温氧化铝材料两者优点的70% (质量分数，w)Ce45Zr45Y5La5+30%(w)La3AI97 纳米复合材料为载体，在该材料上负载Pt活性组分制备了Pt催化剂，用于研究理论空燃比NGVs 尾气中02和H2O对大量C02存在条件下的CH4与NO反应活性的影响.2实验部分2.1载体的制备按配比称取Ce(NO3)3?6H2O (化学纯，四川乐山五通桥东风化工厂),ZrO(NO3)2?6H2O (化学纯，江苏宜兴新兴钻业公司), Y(NO3)3?6H2O (化学纯，山东淄傅市吉利浮选厂),La(NO3)3?6H2O (化学纯，成都科龙化学试剂厂)配成浓度为10% (w)的混合盐溶液，使用NH37H2O (分析纯，成都露橙化工试剂厂)作沉淀剂进行滴定，得到沉淀物；同样按配比称取La(NO3)3?6H2O 学纯，成都科龙化学试剂厂)和AI(NO3)3?9H2O (化学纯，山东淄博市吉利浮选厂)配成浓度为10% 的混合盐溶液，使用NH3?H2O (分析纯，成都露橙化工试剂厂)作沉淀剂进行滴定，得到沉淀物.并将两沉淀物通过剧烈搅拌混合.将所得沉淀混合物进行陈化、过滤、洗涤和干燥后，在800 deg;C焙烧3 h, 即制得CeO2-ZrO2-Y2O3-La2O3+La2O3-AI2O3 样品，记为CeZrYLa+LaAI. 其中CeZrYLa 占70%(w), LaAl 含量为30%(w).在CeZrYLa 中CeO2 和ZrO2含量均为45%(w)z Y2O3和La2O3含量均为5%(w);在LaAl 中, La2O3 和AI2O3 含量分别为3%(w)和97%(w).2.2催化剂的制备采用等体积浸渍法，在上述制备的载体上，浸渍Pt(NO3)2 (分析纯，成都光明光电信息股份公司)溶液.然后在120 deg;C干燥，550 deg;C焙烧3 h,得到Pt/CeZrYLa+LaAl催化剂粉末,贵金属含量为1.2%(w);所得催化剂粉末加去离子水混合球磨制浆，涂覆在堇青石蜂窝基体(体积2.5 cm3,高2.7 cm)上，涂覆量180 g?L-l,涂层中贵金属Pt含量2.14 g?L-l.经120 deg;C干燥后，550 deg;C焙烧3 h,即得整体式催化剂，记为Pt.2.3催化活性评价活性测试在自组装的一套专用多路固定床连续流动微型反应器中进行，各路气体分别用质量流量计控制流速，在进入反应器之前混合均匀.气体的体积空速均为34000 h-1.评价所用反应气CH4、NO、H2O^ CO2的体积分数分别为0.087%、0.074%、20%、12%, 02含量可调(调节理论空燃比条件)，并以N2为平衡气.反应前后的CH4使用上海科创色谱仪器有限公司生产的GC9800型气相色谱仪进行检测,NO 与CO用佛分环保仪器检测设备制造有限公司FGA-4100型汽车排气分析仪进行检测.3结果与讨论3.1 CO2存在时各反应条件下CH4与NO的转化活性(i)对于CH4+NO+CO2反应,Pt催化剂的CH4转化T50(起燃温度：污染物转化50% 时温度)和T90(完全转化温度：污染物转化90%时温度)分别为445和490 deg;C, NO 转化T50 和T90 分别为286 和297 deg;C; (ii)添加10%(phi;) H2O后,CH4活性明显下降，NO转化活性基本不变.说明H2O减弱了CH4与CO2的重整反应，而对CH4和NO的反应基木没有影响；(iii)添加计量比的02后，CH4转化活性明显提高，NO转化活性远低于无O2(CH4+NO+CO2和CH4+NO+H2O+CO2)条件，说明02的出现会存在甲烷被02氧化反应与甲烷被NO氧化反应的竞争，甲烷被02氧化反应优先进行，减弱了甲烷与NO的反应使得NO转化活性低于无02条件；(iv)同时添加计量比02和10% (phi;)H20后，460 deg;C以下CH4转化率提高，这是由于02和H20同时存在时，Pt催化剂上放热的甲烷被02氧化反应和强吸热的甲烷水蒸气重整反应同时发生，反应体系木身实现了自供热，在较低的反应温度下达到较高的甲烷转化率.同时N0转化活性得到明显提高，这是由于Pt催化剂上甲烷蒸汽重整反应产生H2,促进催化剂三效性能，从而对NO转化有利••3.2无氧无水时CH4+NO+CO2的反应Pt催化剂对于CH4和NO分别在490和297廢达到完全转化，此条件下污染物转化过程中可能发生的反应有：CH4与NO以1:3反应CH4+3NO二CO+2H2O+3/2N2 (1)CH4与NO以1:4反应CH4+4NO二CO2+2N2+2H2O (2)CH4与NO以1:8反应CH4+8NO二4N2O+CO2+2H2O (3)CH4与C02重整反应CH4+CO2二2CO+2H2 (4)体系中多余的C02与H2反应CO2+H2二C0+H20 (5)由CH4和NO的化学反应式⑴-⑶的化学计量比可以发现，同一温度下NO的转化率与CH4转化率之比值R应处于:3le;Rle;&反应⑷会造成Rlt;3.不同温度条件下各反应的NO/CH4转化率比值及尾气中CO含量, 其中，COa是活性测试反应器出口处检测到的CO含量,COb是假设高温区所有转化的NO和CH4均按着方程(1)进行反应能够生成的CO含量.从表中可以看出：对于CH4+NO+CO2反应，在体系温度处于520- 440 deg;C时，Rlt;3,这说明有反应⑷发生使得Rlt;3,尾气中CO生成量大于0.11%高达0.23%,如此高的CO生成量远大于体系中全部的CH4(0.087%(phi;))与N0(0.074%(phi;))以反应⑴生成的CO含量，也大于全部的CH4以反应⑷生成的CO量，说明高温区还存在逆水汽变换反应(5).此时NO的转化主要依靠CH4与NO的反应(但是不能确定以⑴-⑶哪种途径反应)；在体系温度Tle;420 deg;C时,3为了确定不同温度段CH4与NO以何种途径反应，我们测试了Pt 催化剂上没有CO2存在时的CH4+NO反应，并与CO2存在时的CH4+NO反应进行对比，结果示于图2.无C02存在时CH4+NO反应的NO/CH4转化率比值R和尾气中CO含量结果列于表:1.图2中，没有CO2存在时的CH4+NO 反应,CH4转化活性低于有CO2存在时的活性，NO活性基本不变.这是由于没有反应⑷的发生造成的.从表1 可以看出,CH4+NO反应在520-500 deg;C 之间时,Rlt;3,C0eC0b,说明CH4除了发生反应(2)以外还可能发生了少量的CH4与载体储氧材料的反应或者CH4在催化剂上的裂解，使得Rlt;3; 480 deg;C时，Rlt;3, COa3.3 10%(phi;)H2O 对CH4+NO+CO2 反应的影响添加H2O后,Pt催化剂上CH4在520deg;C达到最大转化率79%, NO在304deg;C完全转化，相比无H2O条件,CH4转化率在360deg;C 以上出现明显下降，而NO转化率不变，说明水蒸气对CH4与NO的反应影响不大，但是减弱或者抑制了CH4与CO2的重整反应(4)和逆水汽变换反应(5),从而降低了CH4转化率.此条件下污染物转化过程中在上述五个反应基础上还可能发生蒸汽重整反应：CH4+H2Orarr;H2+CO/CO2 (6)不同温度条件下CH4+NO+H2O+CO2反应的NO/CH4转化率比值及尾气中的CO含量：尾气中COa远低于上述CH4+NO+CO2反应的CO生成量，说明添加H2O减弱或抑制了反应⑷和(5).在520-480 deg;C之|aj: Rlt;3, COaCObX见除了发生反应⑴之外，还发生了CH4 与CO2的重整反应⑷和/或者CH4与H2O的重整反应(6)生成了CO. 此时不能确定反应⑷和(6)哪个反应为主，根据文献22报道CH4与C02的重整反应远慢于CH4与H20的重整反应，表明此时可能主要发生反应(6);460 deg;C时,33.4计量比的02对CH4+NO+CO2反应的影响有氧条件下Pt催化剂对于CH4和N0分别在439和425 deg;C 达到完全转化.此条件下污染物转化过程中还可能发生以下反应：CH4+O2rarr;CO2+H2O (7)NO+O2rarr；NO2 (8)相比无02条件，NO转化活性明显降低，说明02出现后体系中存在甲烷被02氧化和甲烷被NO氧化的竞争，甲烷被02氧化优先发生，使得CH4转化活性迅速提高,NO转化活性低于无02条件.不同温度条件下CH4+NO+O2+CO2反应的N0/CH4转化率比值及尾气中的CO含量列于表1.从表中可以看岀：02的添加使得尾气中COa生成量相比CH4+NO+H2O+CO2条件进一步降低.在整个温度范围内，R值都小于3,说明除了CH4与NO的反应外，在整个温度范围内CH4主要发生了氧化反应(7)使得Rlt;3.在520-440 deg;C之间,COa 与COb基本一致,不能确定是反应⑴还是反应⑷生成的；420 deg;C 时,COa3.5 10%(phi;)H2O和计量比的02同时存在对CH4+NO+CO2反应的影响此时反应体系存在CH4、NO、H20、02和C02,污染物转化过程中上述的8个反应都可能发生.也可以看出H20和02同时存在时Pt 催化剂对于CH4和NO分别在416和395 deg;C达到完全转化，CH4 的转化活性优于上述各条件.这可能由于02和H20同时存在时，Pt 催化剂上放热的甲烷氧化反应和强吸热的甲烷水蒸气重整反应同时发生，反应体系本身实现了自供热，在较低的反应温度下达到较高的甲烷转化率.19对于NO的转化活性，虽低于无02条件(CH4+NO+CO2 和CH4+NO+H2O+CO2),但是高于CH4+NO+O2+CO2 条件的NO活性，这可能是由于蒸汽重整反应产生H2, H2作为还原剂提高了NO的转化，从而提高催化剂的三效性能.5不同温度条件下CH4+NO+H2O+O2+CO2反应的N0/CH4转化率比值及尾气中的CO 含量列于表1.从表1可以看出，只有少部分温度下检测到0.01%的CO, 大部分温度下没有检测到CO,说明02和H20同时存在抑制了反应(4)和(5).我们知道只发生CH4与NO的反应时3le;Rle;8,然而在02 和H20同时存在条件下R值在整个温度范围内均小于3且大部分在1左右.说明此条件下主要反应为氧化反应⑺和蒸汽重整反应(6)(蒸汽重整反应中产生的CO也可以进一步发生氧化或通过水汽变换反应除去).NO的转化主要依靠CH4与NO以2:4反应⑵进行，可能有CH4 与NO以1:3反应生成CO,但CO进一步会发生氧化反应或通过水汽变换反应除去.ANTARISIGS在线分析仪检测结果显示，低温区有N02 生成，证明低温CH4转化率较低时,NO可被02氧化生成N02.为了进一步证明H20和02同时存在条件下有蒸汽重整反应⑹ 的发生，对H20和02同时存在时不同温度下的CH4相应转化率下所需氧原子含量(记为A)、NO相应转化率下提供的氧原子含量(记为B) 及原始气提供的氧原子含量(记为C).原始反应气组成为0.087%(phi;)CH4+0.074%(phi;)NO,从CH4 氧化反应方程CH4+2O2二CO2+2H2O可以看出，1 mol CH4需要4 mol氧原子，而1 mol NO提供1 mol氧原子.各温度条件下对应NO转化率所提供的氧与原始气所提供的氧原子含量之和均小于相应CH4转化率下所需要的氧原子含量，说明有H20参与反应，提供了氧原子，从而证明H20和02同时存在条件下，有蒸汽重整反应的发生.4结论各条件下的CH4与NO反应高温时存在以CH4:N0摩尔比1:3反应生成CO和N2;中温区以摩尔比1:4反应生成N2和C02;低温区, 无氧时有N20生成,有氧时NO被氧化生成N02.有C02存在条件下的CH4+N0反应，大量CH4发生C02与CH4 的重整反应；添加10%(phi;)H2O,减弱C02与CH4的重整反应；添加计量比02,主要发生CH4被02氧化反应，降低了NO转化率,C02与CH4的重整反应受到抑制；同时添加计量比02和10%(phi;)H2O,CH4被02氧化、蒸汽重整、CH4与N0反应同时发生，Pt催化剂上CH4与NO转化活性均提高.11。
富氧燃烧技术介绍_2023年学习资料
二、富氧燃烧技术概况-2、富氧燃烧技术-↓富氧燃烧技术，又称为空气分离/烟气再循环技术或氧燃料燃烧技-不。 采用烟气再循环的方式使燃烧炉内CO,浓度提高。O,与烟-气中CO,以一定比例混合作为燃烧的氧化剂，使燃料燃 可-保持燃烧温度最终得到了与空气燃烧方式一样的热能。
二、富氧燃烧技术概况-富氧燃烧技术主要由3个基本步骤组成：空气分离、-02-C02燃烧和烟气压缩与脱水。气，氩气-70%的C02-95%以上-其余为水-二氧化碳-氧气-水蒸汽-空气分离器-燃烧室-冷凝处理-烟气 环-CO,concentration:95%-70%~-凝水-75%烟-高纯度-SO2 removal b limestone:40%-90%-Thermal efficiency increase:3%-NOx reduction:30%-70%
二、-富氧燃烧技术概况-5、富氧燃烧技术的应用及优势-1燃烧效率高；锅炉效率也提高了。-2燃烧产物中C0, 含量将达到95%左右，回收的费用更低。-3在液化处理以CO,为主的烟气时，SO2同时也被液化回收-可省去烟 脱硫设备。-4在02/C02的气氛下，SOx、NOx的生成将会减少，如果再-合低NOx燃烧技术，则有可能不 或少用脱氨设备。-5采用02/CO2燃烧技术减少了烟气量，简化了烟气处理系统。-燃烧温度可以由再循环的烟气 来控制。-当前最容易为工业界所接受的C02减排技术
二、富氧燃烧技术概况-富氧燃烧定义-燃烧是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。-富氧燃烧是指助燃 的氧化剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度-根据实际情况可采用局部富氧和整体富氧，直至纯氧燃烧。-富氧燃烧对所有 料（包括气体、液体和固体和工业锅炉均适用，-既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，广-义 讲凡是用空气参与反应的均可用富氧代替。
浅析富氧燃烧在燃煤气锅炉中的应用
技术研发TECHNOLOGY AND MARKETV〇1.24，N〇.7,2017浅析富氧燃烧在燃煤气锅炉中的应用王冬，黄科义，虞侠锋(华西能源工业股份有限公司，四川自贡643000)摘要：富氧燃烧是一项高效节能的燃烧技术，不仅能提高燃料利用率，又能够有效降低燃烧后各种排放物的有害程度。
将富氧燃烧技术应用在燃煤气锅炉中，可以提高燃料的利用率，使有限的钢厂煤气转化为更多的电能。
同时，富氧燃烧 技术的应用，可以缩减企业投资成本。
关键词：富氧燃烧；煤气锅炉d o i：10.3969/j.is s n.1006- 8554.2017.07.0461富氧燃烧简介富氧燃烧的概念在181年由H o m e和S te in b u r g首次提出，并得到美国阿贡国家实验室的验证。
简单来讲，富氧燃烧是指采用含氧浓度比常规空气(含氧21% )更高的富氧空气或纯氧作为助燃气体，是一项高效节能的燃烧技术。
鉴于我国能源利用量及污染物排放年年攀升，深人研究能源高效洁净化利用，开发高效、洁净的燃烧发电技术，是保障国民经济持续健康快速发展和保护环境的迫切需要。
富氧燃烧不仅能提高燃料利用率，又能够有效降低燃烧后各种排放物的有害程度，对于节能减排有很好的应用前景。
与用普通空气燃烧相比，富氧燃烧主要有以下优点。
1提高火焰温度和黑度，降低燃料的燃点温度，促进燃烧完全。
2) 降低过量空气系数，减少燃烧后的烟气量。
3) 有效降低N t^的生成量。
4 )有效减少烟气量，简化了烟气处理系统。
5)既适合新建锅炉，又适合旧锅炉的改造。
2富氧燃烧在燃煤气锅炉中的应用研究近几年，小容量高参数的煤气发电项目在全国各地大小钢厂中如雨后春笋般出现，煤气发电本身就是对钢厂在各生产工艺流程中的废气进行回收利用，如果能将富氧燃烧技术应用于燃煤气锅炉，对于能源的再利用将起到锦上添花的效果。
本文以我公司在国外某钢厂的8台115M W机组作为研究对象，分析采用富氧燃烧对现有锅炉的影响（有限改造）。
富氧燃烧
富氧燃烧使得烟气量大量减少，会导致烟气流速下降，对流换热减弱等问题。相同功率的锅炉结构更加紧凑，炉膛内部和对流烟道中的换热比例减小，外置式换热器传递的热量所占比例会相应增加。
5.
5.1
预混富氧指预先将空气与氧气混合成富氧空气，再与燃料混合进入炉膛燃烧的富氧燃烧技术。这种方法用于需要的氧浓度较低的场合。由于这种方式只需要改变投入一次风的部件，改造简单，因此许多传统燃烧器都可以调整为这种富氧燃烧方式。但是由于一次风中含氧量过高，会出现火焰较短、燃烧器喷嘴温度过高等问题。
6.1.2
碳氢化合物燃料燃烧时，若燃料过浓，则会产生快速型NOx。它由Fenimore在1971年通过实验发现。碳氢化合物高温会分解生成CH自由基。CH自由基与空气中N2反应生成HCN和N，再进一步与氧气快速反应生成NOX。炉膛压力越大，快速型NOx产生速度越快。以上两种NOx在燃烧产生的NOx中都不是主要成分。而燃料型NOx占了燃烧NOx产物中的大部分。富氧燃烧采用CO2代替N2燃烧，减少了热力型NOX和快速型NOX的产生。
膜分离法：这种方法利用了膜对不同气体的渗透性能不同，采用类似于过滤的方法将氧气从空气中分离。这种方法投资少，得到的氧气浓度低（25%~40%）。规模越小，采用膜法制氧就越经济。
三种制氧方法的特点对比见表1[]。
表1各种氧气制备方法的比较
深冷分离法
变压吸附( ห้องสมุดไป่ตู้SA )法
膜分离法
原理
利用液化后各组分沸点差异来精馏分离
5.2
混氧燃烧技术将燃料与氧气预先混合，再混入空气进行燃烧。这种方法使燃料与氧气混合得更均匀。若是燃烧器有两个燃料进口，只需将其中一个改为输入纯氧即可，改造成本低。这种方法也存在火焰变短、燃烧器喷嘴温度过高等问题。
富氧燃烧机组变工况下热力特性分析及优化
收稿日期:2023-03-22基金项目:内蒙古自然科学基金项目(2022M S 05036);包头市科技计划项目(2019Z 3004-4)㊂作者简介:张智羽(1979 ),男,山西大同人,副教授,博士,从事富氧燃烧及太阳能光热耦合机理方面的研究㊂富氧燃烧机组变工况下热力特性分析及优化张智羽,赵 玉,段晓晨(内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头 014010) 摘 要:参考600MW 常规机组,探讨富氧燃烧发电机组在变工况下的运行参数与热力特性参数之间的关联,并分析其对发电系统能耗的影响,具体包括:氧气纯度㊁循环干烟气比例㊁氧气浓度等,以研究热力特性的变化规律,并得出单因素分析法中最佳的组合方案㊂关键词:富氧燃烧;变工况;碳捕集;建模优化;热力特性中图分类号:T K 227.1 文献标识码:A 文章编号:1007 6921(2023)22 0122 04富氧燃烧方法是碳捕集领域中最受瞩目的有效方法之一[1]㊂富氧燃烧技术是在当前燃煤锅炉的基础上,将高纯度氧气和再循环干燥㊁湿烟气送入锅炉参与反应,使锅炉尾部烟气C O 2浓度上升后,达到容易捕集的目的[2]㊂东南大学建立了完整的富氧燃烧电站系统,对空气分离子系统进行优化分析,有效降低了制氧能耗[3]㊂华北电力大学对增压富氧机组的传热和热力学特性进行了深入的研究[4]㊂内蒙古科技大学采用单因素分析法研究了主要运行参数对富氧循环流化床机组的热力学特性的影响,得到了最优运行工况组合[2]㊂天津大学重点探讨了在不同烟气成分及物性下富氧锅炉传热特性的影响规律,得出对研究影响最为显著的是烟气成分及物性间的差异[5]㊂目前,对于富氧燃烧机组变工况下的热力特性研究还不深入㊂笔者在富氧燃烧机组模型基础上,研究了变工况条件机组热经济性能的变化,为富氧燃烧机组的大规模推广应用提供参考㊂1 富氧燃烧机组发电系统建模1.1 常规燃煤机组发电系统本研究选用包头地区某600MW 亚临界机组一次再热㊁强制循环和中间汽包锅炉㊂锅炉型号为S G 2023/17.5-M 914,汽轮机型号为N 600-16.67/538/538㊂系统由1个脱氧器㊁4个低压加热器㊁3个高压加热器组成汽轮机的回热系统㊂燃煤元素分析见表1㊂笔者利用E b s i l o n 模拟软件,搭建了常规及富氧燃烧机组模型㊂表1 设计煤种的元素分析单位:%C a r H a r N a r O a r S a r A a r M a r Q n e t .a r/(k J ㊃k g -1)52.202.470.988.420.7310.3924.81188521 靡煤机;2 汽包;3 炉膛;4 墙式再热器;5 屏式过热器;6 后屏过热器;7 屏式再热器;8 末级再热器;9末级过热器;10 低温省煤器;11 省煤器;12 除尘器;13 二次烟气再循环风机;14 气气换热器;15 F G D 脱硫装置;16 低温省煤器;17 直接接触脱水装置;18 次烟气再循环风机;19 高压缸;20 中压缸;21 低压缸;22㊁23㊁24高压加热器;25 除压器;26 给水泵;27 给水泵;28㊁29㊁30㊁31 低压加热器;32 轴封加热器;33 凝结水泵;34 凝汽器;35发电机㊂图1 富氧燃烧发电机组模型2023年11月内蒙古科技与经济N o v e m b e r 202322536I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y &E c o n o m yN o .22T o t a l N o .5361.2 富氧燃烧锅炉本研究中富氧燃烧锅炉参考普通电站锅炉,锅炉结构基本相同,主要相关运行参数保持不变㊂不同的是,进行干燥㊁助燃的气体由以往的空气变成了再循环干㊁湿烟气及高纯度的氧气㊂系统由富氧燃烧发电单元㊁烟气压缩纯化单元和空气分离单元3个部分组成富氧燃烧发电机组[2],富氧发电流程见图1㊂传统机组和富氧燃烧机组的主要参数见表2㊂表2 普通燃烧锅炉和富氧燃烧锅炉设计值与仿真值主要参数对比项目75%T HA常规富氧50%T HA常规富氧炉膛出口烟温/ħ1338.001289.301261.001209.64空气预热器出口热空气温度/ħ325.00292.00气气换热器出口热烟气烟温/ħ325.00292.00锅炉排烟温度/ħ116.00184.86105.00164.02送风量/(N m 3㊃h -1)1225003.80氧气量225575.77循环风量579373.72858587.00氧气量157553.10循环风量406786.38排烟量/(N m 3㊃h -1)1306136.00226308.17942551.45158083.65煤耗量/(t ㊃h -1)202.24201.52141.42140.97发电量/MW450.00450.71300.00301.541.3 空气分离及烟气压缩纯化系统深冷制氧技术是目前广泛应用的大规模制氧方法,可分为外部压缩和内部压缩两种㊂本研究采用外部压缩制氧机组[6]来提高制氧效率;采用自产冷量法分离工艺,可有效地冷凝㊁纯化㊁压缩富含C O 2的烟气,实现大量输送,烟气中的C O 2回收率可提高到97%以上㊂2 富氧燃烧发电机组2.1 机组总能耗计算模型E S UM (单元的总能量能耗)是电厂中常用的设备能耗,以及烟气压缩纯化单元(C P U )㊁制氧单元(A S U )产生的能耗㊂其式如下:E S U M =E A S U +E C P U +E F E C (1)式中,E F E C 是发电厂设备能耗,单位MW ㊂2.2 单位发电标准煤耗及供电标准煤耗b f=B s ˑ106W f (2)b g =b f1-L f c y100(3)L f c y=W f -W p sW fˑ100%(4)式中:W f 为机组发电功率,单位k W ;W p s 为发电机组供电功率,单位k W ;B s 为机组标准煤耗量,单位t /h ;L f c y 为电厂用电功率,单位%;bf 为单位发电标准煤耗,单位g /(k W ㊃h );b g 为单位供电标准煤耗,单位g /(k W ㊃h)㊂2.3 机组净电效率ηO C =3.6W p sB p gQ n e t ,a r ˑ100%(5) 式中:B p g 为发电所需煤量,单位t /h ;Q n e t ,a r 为燃煤的低位发热量,单位k J /k g㊂2.4 机组净电效率下降率净电效率下降率是指原锅炉系统净电效率和经过空分制氧㊁烟气压缩纯化后的富氧燃烧机组净电效率之差与原锅炉系统净电效率之比㊂E P =1-ηO CηO C -r e f (6) 式中:ηO C 为富氧燃烧机组净电效率,单位%;ηO C -r e f 为常规发电机组净电效率,单位%㊂3 分析运行因素对富氧燃烧机组能耗的影响3.1 富氧燃烧机组模型验证目前还没有600MW 级富氧燃烧机组投入运行,取本文数据与文献[3]进行比较来验证富氧燃烧机组模型的准确性㊂结果表明,净电效率随氧气纯度先增大后减小;总能耗先下降后上升;在96%的氧气纯度下得到最优值,本文中的富氧燃烧发电机组模型表现出了与参考文献[3]相似的趋势,该结果可以为本文提供有力的依据,见图2㊂(a )文献[3]模拟值 (b)本文模拟值图2 文献[3]与本文随氧气纯度变化时机组净电效率及总能耗的变化趋势张智羽,等㊃富氧燃烧机组变工况下热力特性分析及优化2023年第22期3.2 运行因素对富氧燃烧机组的影响在本文中,氧气纯度是指从空分机组送入富氧燃烧机组的氧气中纯氧所占的体积分数;氧气浓度则是指助燃气体中氧气所占体积分数;循环干烟气的比例指经过除尘㊁脱水㊁脱硫处理后再次参与循环的干烟气体积分数㊂3.2.1 氧气纯度的影响㊂氧气纯度的变化范围取95%~99%[6]㊂根据图3,在75%T H A ㊁50%T H A 工况下,当氧气纯度增大时,总能耗㊁净电效率下降率和供电标准煤耗会先减少然后再增加,而压缩纯化的能耗会持续减少,空分能耗则会持续增加㊂当氧气纯度达到97%时,能耗的变化幅度会更大,标准煤耗量持续增加,净电效率和系统输出电量会先上升,然后又会回落㊂在氧气纯度为96%时达到最优,总能耗为146.14(103.00)MW ,系统输出电量304.57(198.55)MW ,净电效率28.87(26.90)%,供电标准煤耗425.53(456.65)g/(k W ㊃h )㊂图3 75%T HA 、50%T HA 相关指标随氧气纯度的变化当氧气纯度增大时,保持其他参数不变的情况下,送去锅炉的需氧量变小,但空分制氧的能耗也会相应增大,在范围为95%~97%时,能耗增加幅度较小,而范围为97%~99%时,能耗增幅明显增大;同时,在氧气浓度保持不变的情况下,循环烟气量增大,使其循环风机能耗增加;送入压缩纯化系统的烟气流量减小,压缩纯化的减小导致C P U 能耗降低㊂三者叠加使得总能耗先减小后增大,在96%的氧气纯度下达到最优㊂3.2.2 氧气浓度的影响㊂为了系统的运行安全,氧气浓度范围选择21%~33%㊂根据图4,当氧气浓度升高时,75%T H A (50%T H A )工况下的总能耗㊁空分能耗㊁标准煤耗㊁机组净电效率下降率㊁压缩纯化能耗和供电标准煤耗量都会有所减小,系统的输出电量和净电效率却会呈现出一种稳步上升的趋势㊂当氧气浓度达到33%时,系统能耗达到最低,总能耗为150.01(105.81)MW ,系统输出电量达到300.70(195.73)MW ,净电效率达到28.55(26.57)%,而供电标准煤耗则为430.22(462.40)g /(k W ㊃h )㊂随着氧气浓度增大,助燃需氧量㊁助燃气体总量㊁送入压缩纯化系统的烟气量都相应减小,导致制氧能耗㊁循环风机能耗㊁压缩纯化能耗都相应减小㊂基于上述情况,导致总能耗减小,使氧气浓度为33%达到最优㊂3.2.3 循环干烟气比例的影响㊂循环干烟气比例的考察范围选择35%~55%㊂当工况为75%T H A(50%T H A )时,随着比例系数的增大,标准煤耗量和系统输出电量以及净电效率会相应增加,而空分能耗㊁压缩纯化能耗㊁总能耗㊁供电标准煤耗量和净电效率下降率则呈现出单调递减的趋势,见图5㊂在比例系数为55%时达到最优,净电效率28.47(26.50)%,供电标准煤耗431.45(463.48)g/(k W ㊃h )㊂脱水后的循环干燥烟气,会获得更高的氧气量,供氧量随着比例系数的增大而减小,循环湿烟气量也会相应减小㊂此时,氧气浓度参数固定不变,会使循环干烟气量的增加幅度低于循环湿烟气的减小幅度,循环风机的能耗也会相应减小㊂同时,由于循环干烟气量的增加,烟气压缩纯化系统能耗也会相应减小㊂总第536期内蒙古科技与经济图4 75%T HA ㊁50%T HA 相关指标随氧气浓度的变化图5 75%T HA ㊁50%T HA 相关指标随循环干烟气比例的变化4 结束语在75%T H A ㊁50%T H A 工况下,两者的热力性能指标呈现相同的趋势㊂当氧气纯度增加时,总能耗会先减少后增加,净电效率会先增加后降低;氧气浓度增加,总能耗单调递减,而净电效率则单调递增;当循环干烟气的比例增加时,总能耗会逐渐减少,而净电效率则会逐渐提高㊂在75%T H A ㊁50%T H A 工况下,氧气浓度取33%㊁氧气纯度取96%㊁循环干燥烟气取55%时是各单因素中的最优运行参数㊂选取这3个最优参数得到所有组合中的最优工况参数如下:总能耗141.95(105.01)MW ,系统输出电量308.76(196.53)MW ,净电效率29.37(26.72)%,供电标准煤耗量418.22(459.66)g/(k W ㊃h )㊂[参考文献][1] 郑楚光,赵永椿,郭欣.中国富氧燃烧技术研发进展[J ].中国电机工程学报,2014,34(23):3856-3864.[2] 张智羽,贾威,陈伟鹏,等.富氧燃烧循环流化床机组热力特性分析及优化[J ].热力发电,2022,51(3):109-118.[3] 韩冬,段伦博,段钰锋,等.富氧燃烧全流程建模及系统优化[J ].煤炭学报,2013,38(12):2241-2246.[4] 高正阳,夏瑞青,阎维平,等.增压富氧燃烧锅炉对流受热面换热特性研究[J ].中国电机工程学报,2012,32(23):1-8,142.[5] 谢妍,王赫阳,赵军,等.炉内烟气成分对富氧燃烧锅炉传热特性的影响[J ].燃烧科学与技术,2022,28(3):283-291.[6] 张智羽.富氧燃煤机组多因素参数优化及与塔式太阳能耦合特性研究[D ].北京:华北电力大学,2020.张智羽,等㊃富氧燃烧机组变工况下热力特性分析及优化2023年第22期。
富氧燃烧
1.富氧燃烧机的特性一般燃烧过程所用的助燃空气均在自然状态下，亦即氧浓度为21％，如果用比自然状态下含氧量高的空气做助燃空气，则该燃烧称为「富氧燃烧」，而富氧燃烧的极限状态为「纯氧燃烧」。
富氧燃烧火焰与普通燃烧火焰相比有如下特点：一、富氧燃烧机理论空气量少随着富氧空气中含氧量的增加，理论空气需要量减少，例如含氧量21％时，燃烧1立方公尺的CH4所需之理论空气量为9.52立方公尺，而含氧量28％时，燃烧1立方公尺的CH4所需之理论空气量为7.14立方公尺；空气量降低25％，从而改变燃烧特性，使燃烧容易在接近理论空气需要量下进行。
二、富氧燃烧机火焰温度高火焰温度和空气中的氧浓度有关，一般来说，火焰温度随空气中含氧浓度增加而升高，当含氧浓度小于30％时，火焰温度会随着氧浓度上升而急速增加，但当含氧浓度大于30％时，火焰温度增加就趋缓。
三、富氧燃烧机排烟量降低空气中仅有21％的氧参与燃烧反应，其余79％空气并没有作用，反而带走大量的热能，增加能源耗损。
故当空气中的含氧量越高，燃烧所需之空气供应量就可降低，烟气产生量也越少，同时排烟损失的能量也可大幅降低。
四、富氧燃烧机分解热增加随着燃烧温度升高，尤其是温度超过2000℃时，燃烧产物吸收了分解热而产生解离，当遇到低温表面时，这些解离的成分将会放出分解热，增加了热传效果。
五、富氧燃烧机节约能源由于富氧燃烧火焰温度高，火焰与被加热物之间的温差增大，使炉内辐射热传增加，提高了炉内热量利用率。
同时由于排烟量减少，排烟热损失也相对降低，因此提高了设备热效率，减少燃料使用量。
六、富氧燃烧机降低污染排放由于富氧燃烧可使排烟量降低，因此可降低包含CO、CO2等污染物的排放总量。
此外，由于富氧燃烧所使用的空气中不反应物N2降低，使燃烧废气中的CO、CO2、SOx、NOx浓度增加，可使CO2捕捉、排烟脱硝、排烟脱硫等废气处理程序更有效率，降低废气处理设备维修及购置成本。
2.富氧燃烧技术一、富氧燃烧可以提高燃烧区的火焰温度。
燃气轮机CMES检测影响因素分析和改进
燃气轮机CMES检测影响因素分析和改进摘要：介绍燃气轮机在实际运行工况中，沿用非分散红外吸收测量原理的气体分析仪测量燃气机组的烟气污染物排放值，存在着NOX和SO2测量不准确的问题。
本文通过对偏差现象的分析，采用NO/NO2转换装置来修正NOX测量值的准确性；利用紫外荧光法的气体分析仪来精准测量SO2真实值。
以上方法在实际应用中已经取得良好效果，对燃气机组的环保监测具有参考价值。
关键词：燃气轮机组；非分散红外吸收法；NO/NO2转换装置；紫外荧光法引言随着国内天然气产量的逐年提高，气源供应稳定使得天然气发电平稳发展，在北方京津地区和长江三角洲地区节能环保压力日趋严峻，燃气机组污染物排放量远低于同等装机容量的煤电机组，燃气机组的装机容量占比日益上升。
然而，在机组各类运行工况下，燃气机组烟气三项污染物（氮氧化物、二氧化硫、颗粒物）的在线监测出现了煤电机组所没有遇到的一些干扰和测量不准确的问题，在实际应用中燃气机组的低排放特性对CEMS的测量提出了更高的要求。
本文介绍在两台机组为SEC－SIEMENS（上海电气－西门子联合体）制造的SCC5-4000F（9FX）型单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组中，沿用了300MW煤电机组的烟气连续监测系统(简称CEMS)，无法准确测量氮氧化物和二氧化硫，通过一系列的技术改造和设备变更，与原来测量方式比较，取得了很好效果，对提高燃气机组环保排放指标的管控有积极意义。
1 机组启动过程中的污染物排放问题机组点火和启机全过程带载采用预混燃烧模式，机组在启动时，从点火开始到汽机并入运行阶段会出现短时的NOX超标，但从小时均值衡量，全过程燃烧使用值班气预混燃烧模式，降低NOx排放。
NOx逐步稳定在30mg/Nm3浓度以下，NOx的排放值低于GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》规定(燃用天然气的要远小于50 mg/m3［7］)。
表1 机组启动期间各阶段NOX一览表Tab1.List of NOX during each stage of unit start-up1.NOx排放质量浓度测量偏差的原因分析燃气轮机组在燃烧过程中氧含量值一般为14%~15%，由于富氧燃烧反应：2NO+ O2=2NO2。
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２ ６ ％～２ ７ ％时 ， 富氧燃烧室 的回火 、 吹熄 以及 出 口温度特性与 以 Ｃ Ｈ ４ ／ 空气为燃料的燃气轮机最接近 ， 此时对原型燃烧室
的结构改动最少．
关键词 ：富氧燃烧 ；燃烧特性 ；碳捕集 ；燃气轮机
中图分类号 ：Ｔ Ｋ４ ７ ４ 文献标志码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ６ ． ８ ７ ４ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — ０ ４ １ ３ — ０ ５
Ｃ Ｈ４ ／ Ｏ２ ／ Ｈ２ Ｏ ｉ ｎ ｙｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｋ ｉ ｎ － Ｐ ｒ ｏ ． Ａ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｅ ｄ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ＧＲ Ｉ －
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Ｃ Ｈ４ ／ Ｏ２ ／ Ｈ２ Ｏ燃气 轮机富氧燃烧 特性
田晓 晶 １ ， ２ ，崔玉峰 ，房爱兵 ，黄伟光 ， 。
（ １ ．中国科 学院工程热物理研究所 ，北京 １ ０ ０ １ ９ ０ ；２ ．中国科学 院大学 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ；
第 １ ９ 卷
第 ５ 期
燃
烧
科
学
与
技
术
Ｖ ｏ １ ． １ ９ ＮＯ ． ５
０ｃ ｔ ． ２０１ ３
２ ０ １ ３年 １ ０月
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
２ ． Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
３ ． Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄＲ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ １ ２ １ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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３ ．中国科学 院上 海高等研究 院 ，上海 ２ ０ １ ２ １ ０ ）
摘
要 ：使用 Ｃ ｈ ｅ ｍｋ ｉ ｎ — Ｐ ｒ ｏ对 Ｃ Ｈ 富氧燃烧特 性 （ 层流火焰传播速度 、 自点火延迟时间 、化学反应特征时 间及污染
物的排放） 在典 型燃气 轮机运行条件下进行 了计算．计算采用 ＧＲ Ｉ — Ｍｅ ｃ ｈ ３ ． ０详细化学反应机理 ，包括 ５ ３种组分 ， ３ ２ ５个基元反应 ．结果 表明 ，对 于带有碳捕集的系统 ，当量 比增加 ２ ％，便可以使得排气 中氧气浓度下降 ５ ０ ％；设计 Ｃ Ｈ ４ ／ 空 气所 用 的 自点 火延 迟时 间 的经验 或准 则也 同样适 用 于 Ｃ Ｈ ４ ／ Ｏ ２ ／ Ｈ２ Ｏ；当 Ｃ Ｈ４ ／ Ｏ２ ／ Ｈ２ Ｏ 中氧气 的体 积分数 为