張銳,廖青華

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)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(shí)驗(yàn)研究

張銳,廖青華

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)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(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的是化工生產(chǎn)過(guò)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(shí)驗(yàn)方法研究低熱值燃料的燃燒特性,通過(guò)對(duì)氣體燃燒的形式和特點(diǎn)、低熱值燃料的組成和性質(zhì)進(jìn)行分析后確定實(shí)驗(yàn)工質(zhì).將H2、CH4、CO和N2按照不同的體積百分比配制混合氣來(lái)模擬低熱值燃料,在保證容積熱負(fù)荷不變的情況下設(shè)計(jì)出氣體燃料進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),最終獲得燃料配比、過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)低熱值燃料的擴(kuò)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,能源在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防建設(shè)及日常生活中的地位越來(lái)越重要.但隨之而來(lái)的能源和環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重,成為現(xiàn)代社會(huì)急需解決的問(wèn)題.能源的大量不合理使用（如利用過(guò)程中污染物排放高,能源利用率低等）對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害,而且使能源形勢(shì)變得十分嚴(yán)峻.為了解決這些問(wèn)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(shù).

煤在我國(guó)能源材料中占據(jù)的比重最大,但在使用過(guò)程中的利用率不高,污染嚴(yán)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(shù)為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),是綜合解決我國(guó)能源問(wèn)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(gòu)筑能源、化工的一體化,達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程的整體最優(yōu).它指的是用從單一的設(shè)備（氣化爐）中產(chǎn)生的合成氣來(lái)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(guò)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(guò)不同的途徑來(lái)生產(chǎn)合成氣,如用天然氣、石油渣油、煤、生物質(zhì)等[1].

國(guó)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(guò)CO變換反應(yīng)調(diào)整粗煤氣中的碳?xì)浔?以滿足合成部分的需要,這不僅增加了系統(tǒng)和技術(shù)的復(fù)雜性,導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生1分子的二氧化碳）.煤氣化技術(shù)是將氣化煤氣富碳、焦?fàn)t煤氣（熱解煤氣）富氫的特點(diǎn)相結(jié)合,采用創(chuàng)新的氣化煤氣與焦?fàn)t煤氣共重整技術(shù),進(jìn)一步使氣化煤氣中的CO2和焦?fàn)t煤氣中的CH4轉(zhuǎn)化成合成氣,不僅可以提高原料氣的有效成分、調(diào)解氫碳比,而且可以免除CO變換反應(yīng),實(shí)現(xiàn)CO2減排,并降低能量損耗.所以,建立適合中國(guó)國(guó)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(shè)計(jì)方法,實(shí)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(biāo).

2 低熱值燃料

在我國(guó),低熱值氣體燃料是繼煤炭、石油、天然氣之后最現(xiàn)實(shí)的接替能源.開(kāi)發(fā)利用低熱值氣體燃料有利于我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),緩解能源緊張局面和保護(hù)環(huán)境.

多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的是化工過(guò)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(shí)為低熱值燃料.）的利用得到極大關(guān)注.針對(duì)低熱值燃料又可分為兩種：一種是低熱值高質(zhì),熱值不太高,但易燃燒；另一種是低熱值低質(zhì),不僅熱值低,而且不易燃燒[3-4].對(duì)于化工生產(chǎn)中排放的廢氣和粗煤氣來(lái)說(shuō),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(zhì)燃料.低熱值高質(zhì)燃料較低熱值低質(zhì)燃料來(lái)說(shuō)容易著火,但總的來(lái)說(shuō),低熱值燃?xì)鉄嶂岛艿?燃燒難以點(diǎn)燃和控制,而且燃燒時(shí)容易出現(xiàn)回火或吹熄等現(xiàn)象,穩(wěn)定燃燒不易實(shí)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展大量的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作.

以煤氣化技術(shù)為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的是化工過(guò)程的排放氣體,這些氣體都是低熱值燃料.它的成分會(huì)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?xì)狻羝?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(yùn)行情況調(diào)配進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)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(dá)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?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定正常運(yùn)行.因此,對(duì)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(wèn)題是改善低熱值燃料的基本燃燒特性.

3 實(shí)驗(yàn)研究

化工生產(chǎn)過(guò)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?xì)怏w成分組成的混合氣體,經(jīng)過(guò)一系列資料的查找,最終把實(shí)驗(yàn)工質(zhì)定為由H2、CH4、CO、N2四種成分按照一定的比例混合來(lái)模擬低熱值燃料.實(shí)驗(yàn)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?xì)怏w來(lái)模擬,另一種方案采用可燃?xì)怏w和不可燃?xì)怏w混合來(lái)模擬,以便分析不同的低熱值燃料燃燒時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題,為發(fā)電系統(tǒng)的燃燒室設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).低熱值燃料具體體積配比如下：組號(hào)1,H2∶CH4∶CO=75%∶15%∶10%；組號(hào)2,H2∶CH4∶CO∶N2=75%∶15%∶6%∶4%.選取過(guò)量空氣系數(shù)α為1時(shí)的燃燒溫度分布圖進(jìn)行分析.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimentalsystem

3.1 燃料配比對(duì)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(jiàn)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(dá)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(shuō)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(shuō)明火焰在軸向距離150mm截面處火焰截面最寬.組號(hào)2氣體燃燒時(shí),中心、壁面溫度相對(duì)要比組號(hào)1氣體燃燒溫度低,這是由于組號(hào)2氣體中含有不可燃?xì)怏wN2.

圖4是兩種組分氣體對(duì)應(yīng)的4個(gè)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(lái),爐膛最高溫度出現(xiàn)在徑向距離-5mm處,理論上最高溫度應(yīng)該出現(xiàn)在徑向距離0mm處.這主要是由于燃燒的時(shí)候火焰有細(xì)微的偏斜造成的.組號(hào)2氣體燃燒時(shí)徑向溫度分布相對(duì)要比組號(hào)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(guò)量空氣系數(shù)、燃料配比對(duì)燃燒產(chǎn)物的影響

燃燒排放物隨過(guò)量空氣系數(shù)變化分布見(jiàn)圖5.

圖5 排放物濃度隨過(guò)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?jǐn)?shù)在過(guò)量空氣系數(shù)為1.1的時(shí)候達(dá)到最大值,NOx體積分?jǐn)?shù)在過(guò)量空氣系數(shù)0.8～1.1之間隨著過(guò)量空氣系數(shù)α的增加而增加,過(guò)量空氣系數(shù)α大于1.1以后,NOx體積分?jǐn)?shù)隨著過(guò)量空氣系數(shù)α的增加而降低.可以看出過(guò)量空氣系數(shù)α越小,NOx體積分?jǐn)?shù)越小,也就是氧氣體積分?jǐn)?shù)越小,NOx體積分?jǐn)?shù)越小.NOx體積分?jǐn)?shù)在過(guò)量空氣系數(shù)α大于1.1附近區(qū)域達(dá)到最大,說(shuō)明這個(gè)時(shí)候爐膛溫度近似達(dá)到最大值,使NOx大量生成.從燃料配比來(lái)比較兩種組號(hào)氣體的NOx體積分?jǐn)?shù),組號(hào)2的燃燒產(chǎn)物中NOx體積分?jǐn)?shù)相對(duì)要較高一點(diǎn).由此可見(jiàn),爐膛的溫度水平、氧氣濃度、燃料的成分等原因都對(duì)NOx的生成有直接影響.

CO2體積分?jǐn)?shù)在過(guò)量空氣系數(shù)α=1.0時(shí)達(dá)到最大.在過(guò)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?jǐn)?shù)增大.在最大值之后,隨著過(guò)量空氣系數(shù)α的增加,大量的空氣稀釋了CO2,使其體積分?jǐn)?shù)降低.從燃料配比來(lái)比較兩種組號(hào)氣體的CO2體積分?jǐn)?shù),在過(guò)量空氣系數(shù)α=1.0之前,組號(hào)1和組號(hào)2產(chǎn)生的CO2體積分?jǐn)?shù)基本相同,在過(guò)量空氣系α=1.0之后,組號(hào)1產(chǎn)生的CO2體積分?jǐn)?shù)比組號(hào)2產(chǎn)生的CO2體積分?jǐn)?shù)要稍大些,產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是由于組號(hào)1中的CO體積比較高.

4 結(jié)論

沒(méi)有加入不可燃?xì)怏wN2時(shí),點(diǎn)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(shuō)明火焰的高度基本上在300mm以下.加入不可燃?xì)怏wN2時(shí),點(diǎn)火不夠順暢,火苗有微小抖動(dòng),火焰顏色要比沒(méi)有加入不可燃?xì)怏wN2的時(shí)候稍微暗淡一些.兩種組分 的混合氣體燃燒時(shí)溫度分布相比較,爐膛中心燃燒溫度基本上沒(méi)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?xì)怏wN2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(diào)節(jié)氧氣體積分?jǐn)?shù)和溫度水平之間共同作用的關(guān)系,可以分時(shí)分段送入氧氣.另一方面,可在化工生產(chǎn)的過(guò)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?jǐn)?shù)最大的時(shí)候,燃燒產(chǎn)物CO的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)最小,這說(shuō)明燃料燃燒越完全,CO2體積分?jǐn)?shù)越大.所以,可以通過(guò)觀察CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒情況的好壞做出判斷,并適時(shí)對(duì)燃燒進(jìn)行調(diào)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?xì)廨啓C(jī)技術(shù),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(jìn)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(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué),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(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),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?fàn)t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(zé)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(yùn)行維護(hù)和設(shè)備控制研究.