（热能工程专业论文）多联产中不同成分粗煤气的基本燃烧特性的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 多联产中不同成分粗煤气的基本燃烧特性的研究 摘要 随着经济的持续发展，中国能源和环境问题越来越突出。面对能 源平均利用率很低、环境污染严重的现状，各种形式的洁净煤发电技 术研究在我国得到了很大的发展，其中以燃气轮机为核心的联合循环 发电系统最为推崇。 气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产系统将气化煤气富碳、 焦炉煤气( 热解煤气) 富氢的特点相结合，采用气化煤气与焦炉煤气 共整技术，使气化煤气中的c 0 2 和焦炉煤气中的c h 4 转化成合成气。 在此联产系统中粗煤气的成分和参数随工况的变化而变化。为了保证 发电系统稳定地输出电力产品，必须根据运行情况调配进入燃气轮机 燃料的总热值，同时必须保证燃料气能够稳定、充分、低污染燃烧。 因此有必要对粗煤气的基本燃烧特性进行研究。 本文研究了气体燃料燃烧的特点，并从火焰结构、影响火焰传播 速度的因素等方面对扩散燃烧和预混燃烧两种形式进行对比。在此基 础之上，通过对链锁反应的分析，解释了粗煤气的主要成分氢气、一 氧化碳、甲烷的燃烧反应机理。并确定了本实验研究的煤气组份、压 力、温度等参数。 作者根据粗煤气的组份对燃烧室和燃烧器进行了设计计算，并根 据计算结果对测量分析仪器进行了合理选型，由此完成了能够适合粗 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤气基本燃烧特性研究的扩散燃烧实验系统的设计。 作者自主设计的笼屉式燃烧室具有结构简单、易于制造、拆卸方 便等特点，可轻松地实现燃烧室高度与内径比的自由转变，从而大大 提高了燃烧系统的灵活性与稳定性。 实验中在不同过量空气系数下，进行粗煤气燃烧特性的研究。实 验结果表明，过量空气系数变化对粗煤气的燃烧温度分布和产物影响 ， ， 较大，采用合理的过量空系数有利于提高粗煤气燃烧的温度，促进粗 煤气的燃烧完全。 最后，作者根据在实验中发现的问题和不足，分别从气源、实验 台主体和测量系统方面对实验系统提出了改进建议并对下一步粗煤 气基本燃烧特性的研究进行展望。 关键词：多联产，粗煤气，扩散燃烧 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea n a i ，y s i so fb a s i cc o n 毋u s t i o n c h a ra c 硼巳r i s t i co f 、厂a r i a n tra wg a si n e s y s t e mo fp o l y - g e n e r a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nc h i n a , e n e r g ya n d e n v i r o n m e n t p r o b l e m sb e c o m em o r ea n d m o r es e r i o u s f a c i n gt ol o w - r a t e u t i l i z a t i o ni ne n e r g ya n dt h ec o n t a m i n a t e dg r a v e n e s si ne n v i r o n m e n t , s e v e r a lk i n d so fc l e a nc o a lg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h e sh a dt a k e n g r e a tp r o g r e s si no u rc o u n t r y t h ec o m b i n e dc y c l eg e n e r a t i o nb a s e do n g a st u r b i n ei sm o s tp o p u l a r t h ep o l y - g e n e r a t i o ns y s t e m ，b ym a k i n gs y n t h e t i cg a sw i t ht h e g a s i f i c a t i o ng a sa n dt h ep y r o l y z a t i o ng a s ，c o m b i n e sh y d r o g e n - r i c h g a s i f i c a t i o ng a sa n dc a r b o n - r i c hp y r o l y z a t i o ng a s w i t ht h er e f o r m i n g t e c h n o l o g y , c 0 2i ng a s i f i c a t i o ng a sa n dc i - hi np y r o l y z a t i o ng a sa r e t r a n s f o r m e di n t os y n t h e t i cg a si nt h i ss y s t e m a l s ot h ec o m p o n e n t so f r o w c o a lg a sa r ev a r i a b l ew i t ho p e r a t i o nc o n d i t i o n s t oi n s u r et h es t a b l e e l e c t r i cp o w e r o u t p u t ，t h ec a l o r i cv a l u eo fg a si nt h eg a st u r b i n em u s t b e a d j u s t e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dt h ef u e lg a sm u s t b e b u r n e ds t a b l y , s u f f i c i e n t l ya n dl o wc o n t a m i n a t i v e i ti s n e c e s s a r yt o r e s e a r c ht h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co f r o wc o a lg a s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea u t h o rs t u d i e st h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n df o r m so fg a s f u e l 。t w oc o m b u s t i o nf o r m s ( d i f f u s i o na n dp r e m i x i n gc o m b u s t i o n ) a r e c o m p a r e df r o mt h es t r u c t u r eo f f l a m ea n dt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e st h e f l a m et r a n s m i s s i o nv e l o c i t y o nt h i s b a s e ，t h et h e s i se x p l a i n st h e c o m b u s t i o nm e c h a n i s mo f h y d r o g e n ，c a r b o nm o n o x i d e ，m e t h a n eb yc h a i n r e a c t i o n s ，w h i c ha r em a i nc o m p o n e n t so fr a wc o a lg a s a f t e rt h a t ，t h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ( c o m p o n e n t ，p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，e t c ) h a v e b e e ne n s u r e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n t so fr o wg a s ，t h ea u t h o rc a r r i e do nt h e c a l c u l a t i o nf o rf u r n a c ea n db u r n e r t h e nt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t sf o r t h ef l u eg a sa n dt e m p e r a t u r es e ta r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e dw h i c ha d a p t st ob a s i c c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho fi o wc o a lg a s t h e r ei sas t a g e d 缸r l a c et h a tt h ea u t h o rd e s i g n sb yh i m s e l f , w h i c hi ss i m p l e ，e a s yt ob e p r o d u c e d ，a s s e m b l e da n dd i s a s s e m b l e d t h er a t i oo fh e i g h tt oi n n e r d i a m e t e ri se a s i l yc h a n g e d s ot h ef l e x i b i l i t ya n ds t a b i l i t ya r ei m p r o v e d g r e a t l y i nt h ee x p e r i m e n t , r e s e a r c h e so nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr o w g a sh a v eb e e nd o n ea td i f f e r e n te x c e s sa i rr a t i o t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t e t h a t ：c h a n g i n g e x c e s sa i rr a t i o w i l la f f e c tr o wg a sb u r n i n g t e m p e r a t u r ed i r e c t i o na n dp r o d u c t i o ns e v e r e l y , r e a s o n a b l ee x c e s sa i r c o e f f i c i e n tc a ni n c r e a s ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n de n h a n c et h e 太原理工大学硕士研究生学位论文 e f f i c i e n c yo f r o wg a s 。 d u r i n gt h ee x p e r i m e n t , t h ea u t h o rf i n d st h ed e f i c i e n c yo fe x p e r i m e n t s y s t e m ，b r i n g ss u g g e s t i o n s ，t oi m p r o v e m e n t f r o ma i rs o u r c e ，f u r n a c ea n d b u r n e r , m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dp r o s p e c t st ot h en e x tr e s e a r c h e so nr o w g a sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ， k e y w o r d s ：p o l y - g e n e r a t i o n ，r o wg a s ，d i f f u s i o nc o m b u s t i o n v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：羞垒坠 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容l 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： a 咿 导师签名：_ 盆些日期：空：! ：1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 中国的能源与环境现状 第一章绪论 中国是一个发展中国家，随着经济的不断发展，能源的消费量也在不断增加。 在我国一次能源消费构成中，煤炭占7 4 6 ，石油、天然气、水电分别占1 7 5 、 1 8 、6 1 。这与世界能源结构有很大差别，在世界能源消耗构成中，石油占 第一位，约4 0 左右，煤炭占第二位，约2 8 。因此我国是以煤为主要能源的 国家，煤炭工业是我国重要的支柱产业，以煤为主的能源结构在我国将长期存在 o , 2 1 。据测算，我国的煤炭储量居世界第三，长期远景储量为5 5 7 0 0 亿吨，现有 探明储量为1 0 0 3 0 亿吨，其中己开采3 4 7 0 亿吨。据统计在2 0 0 3 年，我国生产了 1 6 亿吨原煤，2 0 0 4 年消费了1 9 亿吨，2 0 0 5 年超过2 0 亿吨，成为世界最大的煤 炭生产和消费国。 我国能源平均利用率很低，只有国外的3 0 ，主要工业产品能耗比国外高 4 0 ，单位产值能耗是世界先进国家3 到4 倍。其中冶金吨钢耗标准煤1 0 0 0 k g ， 比国外先进水平高3 0 0 k g 到4 0 0 k g ；电力i k w h 耗标准煤3 8 5 9 ，比国外先进水平 高1 0 0 9 ；化肥吨合成氨耗标准煤1 3 0 0 k g ，比国外高出一倍。与我国源平均利用 率低的现状形成鲜明对比的是我国人口众多，能源的人均资源占有量是世界人均 资源占有量的1 2 ，仅及美国人均资源占有量的1 1 0 ，因此我国的能源形式十分 严峻。 与此同时，我国的环境现状也十分严峻。由于我国是以煤为主要能源的国家， 燃煤引发的煤烟型污染是我国大气污染的主要类型。目前引起全球关注的酸雨、 温室效应和臭氧层枯竭等三大环境问题威胁着人类的生存，这些都与燃煤产生的 二氧化硫、氮氧化物、烃类化合物、碳氧化物等有直接关系。 我国的大气浮尘量在世界各国中名列前茅，全国每年排入大气的尘量约 2 8 0 0 万吨，其中燃煤尘约2 2 0 0 万吨，占7 8 ；每年排入大气中的s 0 2 约1 4 6 0 万吨，其中燃煤排放为1 3 0 0 万吨，占8 9 7 。当前最突出的是城市大气中总悬 浮微粒( t s p ) 和s 0 2 的污染。据有关部门统计，总悬浮微粒在我国北方地区城市 太原理工大学硕士研究生学位论文 百分之百超标埘。而s 0 2 的大量排放，使我国酸雨侵害面积己达2 6 6 7 万公顷， 估计每年损失在2 0 亿元以上，每年因燃煤污染造成的损失高达1 0 0 亿元以上。 如何使能源利用与环境相协调，尤其是对煤炭的合理有效利用，从而实现可 持续发展，是我国面临的最大课题。目前，各种形式的洁净煤发电技术在我国都 已经得到很大的发展，其中以燃气轮机为核心的联合循环发电系统最为推崇。 1 2 联合循环研究现状 整体煤气化联合循环( i g c c - - i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ) 发电 技术是将煤气化技术和高效的联合循环有机结合的先进动力系统d 删。它由两大 部分组成，即煤的气化与煤气净化部分和燃气一蒸汽联合循环发电部分。第一部 分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化系统；第二部分的主要设备有燃气 轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。典型的i g c c 工艺过程如图1 1 所示，煤经过气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、 粉尘等污染物，成为清洁的气体燃料然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体 工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽 驱动蒸汽轮机做功。 由于i g c c 系统采用了燃气一蒸汽联合循环，大大地提高了能源的综合利用 率，实现了能的梯级利用，从而提高了整个发电系统的效率，更重要的是它较好 地解决了常规燃煤电站固有的环境污染问题。但它也存在一些明显的问题，如供 电效率低，比投资费用和发电成本高，以及整个系统未进行优化综合等。经过不 懈努力，燃气轮机系统、煤气化系统空分装置与空气侧系统、煤气净化系统、整 体化余热锅炉及蒸汽轮机系统等子系统的性能得到了较大提高，并且通过对系统 进行综合优化，改进了整个系统性能。 经过三十年的发展，i g c c 系统净效率已经提高到4 2 , , - 4 6 ，单机功率已达 3 0 0 m w ，正在由商业性示范走向商业化应用。由于i g c c 技术仍有巨大潜力， 不少学者正致力于探索研究新技术、新概念、新循环。 1 、先进的关键技术1 6 , 7 1 从现有i g c c 系统五大集成技术寻求大的突破，是进一步提高系统性能的 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 蠛 蒸汽 空气 图1 1 典型i g c c 系统 f i g 1 1t y p i c a ls y s t e mf o ri g c c 现实途径。这包括：高性能的高温燃气轮机，如h 型燃气轮机，初温已达到1 4 3 0 ；适用于发电用途的大容量高性能气化装置；高温煤气净化技术；新型空分装 置，如空气的膜分离技术；高参数的汽轮机，如亚临界、甚至超临界。 2 、新的热力循环 热力循环是动力装置发展的理论基础，也是i g c c 系统的核心。广义总能系 统新概念的提出，使得i g c c 系统中热转功热力系统的研究思路有了突破，即不 同循环、不同技术、不同产品的有机结合和多目标优化。 ( 1 ) 气化湿空气透平循环( i n t e g r a t e d g a s i f i c a t i o n h u m i d a i r t u r b i n e ，i g h a t ) i s ：它是把新颖的h a t 循环和先进的燃煤技术结合起来的洁净煤发电技术，是 降低i g c c 比投资费用和发电成本的有效途径，具有高效率、高比功、低污染、 低费用和变工况性能好等特点。其难点在于如何解决空气加湿过程中大量消耗水 的问题。 ( 2 ) 整体煤气化燃料电池联合循环( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nf u e l 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 c e l l c o m b i n e dc y c l e ，i g f c c c ) 1 9 l ：热力学循环的热转功效率总是要受卡诺循环 效率的制约，而把非热力学热转功过程和热力循环结合而成的多重联合循环，会 有很高的热效率，燃煤时突破6 0 ，燃烧天然气时突破7 0 。i g f c 就是把煤气 化产生的合成煤气的化学能直接转化为电能的燃料电池和常规的燃气和蒸汽循 环联合的多重联合循环，它有很高热效率，也有很好的环保特性。 ( 3 ) 磁流体发电联合循环( m a g n e t oh y d r o d y n a m i cd e v i c e - c o m b i n e dc y c l e ， m i l d - c c ) ：它是把利用等离子体直接发电的磁流体发电装置( m h d ) 和常规的 燃气和蒸汽热力循环结合的另一种多重联合循环，理论上它也能达到很高的热效 率和很好的环保性能。 3 、多联产综合利用i g c c 系统【1 0 l i g c c 系统很容易实现热电联产，也可以做成同时生产多种化工产品和燃料 气的多联产系统，还可做到废弃物资源化( 如灰渣、高纯元素硫和硫酸等回收利 用) ，从而有利于煤炭资源的综合利用和降低发电成本。如欧洲s h e l l 公司s y n g a s p a r k 概念多联产系统，它接近生态工业园的想法，以煤气化或渣油气化为源头， 生成的煤气，一部分用于发电，另一部分煤气用于生产化工产品甲醇与合成氨化 肥等，还有一部分供城市煤气和工业用气实现了煤炭资源的综合利用。 4 、燃料多样化的i g c c 系统【1 1 】 i g c c 的发展已经不再局限于煤的气化，它已经由煤的气化应用实现了向其 它劣质燃料( 如生物渣、重质残油、石油焦、沥青、垃圾以及生物质等多种燃料) 的应用扩展。并且它已突破整体煤气化联合循环的狭隘概念，从广义看它是劣质 油与生物质燃料等气化装置加联合循环的综合技术，目前其发展重点在石化企业 独立i g c c 装置以及生物质气化联合循环发电的i g c c 系统。现在，在世界石化 企业内建成或正在建设i p p 类i c r c c 项目有十多项。另外，采用生物质气化发电， 可以提高发电效率并且具有经济性的优势。 5 、全新概念的新一代能源动力系统( c 0 2 准零排放i g c c 系统) 大量研究表明，传统动力系统中燃烧过程是造成能量损失和引起环境生态污 染的主要环节，并且所有常规净化技术对减少c 0 2 排放的效果都不大，所以燃 烧过程的革新和新的c 0 2 分离回收技术应用将推动全新概念的新一代能源动力 系统开拓发展。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 新型化学链反应的动力系统1 1 2 , ”j ：它应用化学链反应燃烧新机理实现无 火焰燃烧过程，将传统燃烧过程分解为两个气固化学反应：燃料和金属氧化物的 还原反应，金属与氧的氧化反应。其新颖点在于：一是回收c 0 2 不需要消耗额 、外的能量，即由于燃气侧的燃气做功后只有c 0 2 和水蒸汽，因此只需要利用简 单的物理方法即可回收c 0 2 。二是从根本上去除了n o x ，这主要由于燃料与空 气不直接接触以及反应温度远低于n o x 产生的温度，还有就是它的高的热效率。 ( 2 ) 带c 0 2 分离回收的i g c c 半闭式循环系统“4 1 ：该系统采用纯氧为气化剂， 燃烧产物主要由c 0 2 和h 2 0 组成，经过膨胀、热回收及冷凝过程，燃烧室产物 几乎是c 0 2 ( h 2 0 经冷凝被去除) 。为了保持循环的质量平衡，部分气体被排出去， 其余的参与再循环，被排出的气体( 主要由c 0 2 组成) 经过压缩液化，很容易将 它储存利用。从理论上讲，这种电厂几乎无污染物，因为燃烧室内缺乏n 2 ，n o x 排放很小，硫化物在净化过程中被去除，c c h 又被回收起来。目前，基于这种循 环方式的示范工程正在筹建中。 1 3 课题背景 我国的焦炭生产量、消费量、出口量均居世界第一位，但大量的焦炉煤气 得不到有效利用。按全国年产2 亿吨焦炭计算，除用于回炉燃烧和少量发电外，： 尚有近2 9 0 亿n m 3 的焦炉煤气未得到利用而排放，相当于耗资1 2 0 0 亿元的西气 东输一期工程1 2 0 亿n m 3 年送气量的2 4 倍。由此可见我国的能源浪费十分严 重，随着能源日趋紧张和环境问题的日益突出，如何更好地利用煤炭资源，是当 今研究的重要课题之一嗍。 气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究是以燃气轮 机为核心的联合循环发电系统，由教育部资助。目前国内外现有的多联产模式均 是以单一煤气化为气头，通过c o 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 c 0 2 排放( 每产生一分子氢，就会产生一分子的二氧化碳) 。气化煤气与热解煤 气共制合成气的联产系统充分地考虑了这一现状，选择了现有的有可能形成自主 知识产权的大规模煤气化技术，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整技术，使气化煤气中的c 0 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 和焦炉煤气中的c h 4 转化成合成气。这样，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c o 变换反应，实现c 0 2 减排，并降低能量损耗。 图1 2 为气化煤气和热解煤气多联产工艺和技术总体框架，其技术方案为： 首先按照煤的组成和性质将煤分为用于气化的气煤和热解焦化的焦煤。将气煤和 由空分装置分离的0 2 及水蒸汽进行加压、中温分级部分气化，生成气化煤气， 主要组份为c o 、h e 、c 0 2 。加热及气化所需的热量由煤炭的部分燃烧提供，产 生的高压蒸汽用于蒸汽发电。经过除尘、脱硫等净化后，使总硫含量降到燃气轮 机发电要求的质量。净化后的大部分气化煤气用作燃气轮机的燃料生产电力产 品，少部分用作热解焦化的燃料和化工合成原料。在部分气化煤气的加热下，焦 煤发生热解焦化，生成焦炭、焦油和焦炉煤气，焦炉煤气的主要组成为c 0 ( 5 一8 ) ，h 2 ( 5 5 - - 6 0 ) ，c h 4 ( 2 3o 一2 7 ) 。按照一定比例，将提取焦油后的经 过粗脱硫( 湿法) 的焦炉煤气加压和气化煤气混合，进入催化重整反应器，使混 合气体中的c h 4 和c 0 2 发生重整反应，生成c o 和h 2 ，加压后最终达到合成混 合醇燃料要求的最佳合成气组成( h 2 c 0 = 2 ，4 0 0 ) 。 广= = = = 1 匪圈 _ 譬型一一 i岖团 五石j 刀苎“：煤广：- 1 广= 巴：= 1 1 ：!竺i 7 l 竺 墨兰厂一 r 煤 l坩 1r 6 女自厂五五= _ 叫型酽轭业h 蚓耋鳘卜。叫壁壁丝整1 广： 7 l 竺：竺l 。广= l 7 i 要竺l 图1 - 2 气化煤气和热解煤气多联产工艺和技术总体框架 f i g 1 - 2f r a m e w o r ko ft e c h n o l o g ya n dt e c h n i q u ei np o l y g e n e r a t i o no fg a s g a s i f i c a t i o n & g a sp y r o l y s i s 该过程中，充分考虑了我国大量生产焦炭的国情，综合利用气化煤气和焦炉 煤气中的化学组成的相互补充和化学转化，达到合成混合醇燃料的最佳比例，从 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 而使化工合成过程达到最优，并且避免了传统的c o 变换制氢工艺，减少了c 0 2 排放。 目前我国无论是已经得到工业应用的燃气一蒸汽联合循环发电，还是正在工 业试验的i g c c 联合循环发电都是采用以电力为唯一产品的技术方案，供给燃气 轮机的燃料的品质是系统主要保障的指标之一。所以，在常规的这两种发电方案 中，燃料的热值较为稳定，污染物含量也较低。但是对于该多联产系统，电力并 非唯一的产品，原料气需要用于制备其它化学品，而用于发电的是化工过程弛放 气和剩余粗煤气。因此在多联产系统中燃气发电会存在以下问题：( 1 ) 弛放气及 粗煤气的成分随系统的运行状况变化，因而热值不稳定，其它相关的物理、化学 特性也会变化；( 2 ) 弛放气及粗煤气的压力、温度、流量等参数随系统的运行状 况变化，导致最终进入燃气轮机的燃料配比也会发生变化。 因此，为了保证系统中燃气一蒸汽联合循环发电系统稳定地输出电力产品， 首先需要根据运行情况调配进入燃气轮机燃料的总热值。此外，由于系统弛放气 和粗煤气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，这样才能保证燃气轮机的稳定正常运行。这 样，在多联产弛放气及粗煤气发电中燃烧的控制就显得尤为重要，是亟待解决的 关键科学问题。 涉及此关键科学问题的主要研究内容有：不同成分弛放气和粗煤气的基本燃 烧特性，适用于弛放气和粗煤气的催化材料特性及制备技术，燃气轮机燃烧工况 下低燃料浓度、低燃烧温度和催化剂稳燃的方法，组织弛放气和粗煤气的控制催 化燃烧模拟实验研究，多控制技术联合作用下的催化燃烧的数学模型。 1 4 本文的研究工作 基于对气化和热解煤气多联产特点的分析，本论文的主要研究内容有： 1 、分析本多联产系统粗煤气的主要组成成分和其成分基本物理化学特性。 2 、通过分析粗煤气的主要组成成分和其成分基本物理化学特性，确立试验 方案和方法，进行实验系统设计并完成实验系统的建造工作。 3 、通过实验得到某一组份下不同流动参数的粗煤气在纯扩散燃烧情况下的 温度水平。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 通过以上的工作为后期研究不同成分、不同流动参数的粗煤气在无催化材料 和有催化材料的情况下，其燃烧的温度水平、火焰传播速度及燃烧产物，以及建 立基础理论体系和燃烧特性数据库，打下良好的基础。 1 5 本章小结 面对我国能源和环境十分严峻的现状，各种形式的洁净煤发电技术已经得到 很大的发展，其中燃气轮机为核心的联合循环发电系统最为推崇，本章介绍了目 前世界上联合循环的最新研究成果，提出在气化煤与热解煤气共制合成气的多 联产应用的基础研究课题中的关键科学问题，即不同成分粗煤气的基本燃烧特 性的研究，介绍了本论文的主要工作。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章气体燃烧的基本理论 2 1 气体燃料燃烧的形式 气体燃料的燃烧在不同物态燃料中是一种最理想的燃烧方式。它具有简易、 清洁、完全和易于控制、调节等优点。它的燃烧一般是将燃料通过燃烧器喷向大 气中进行，根据燃料在燃烧时与空气混合的情况，可将气体燃料的燃烧分为两类： 扩散燃烧和预混燃烧。【1 6 ，1 7 1 2 1 1 扩散燃烧 扩散燃烧是指燃料与空气不预先混合，在燃烧时燃料与空气分别从两个相邻 的喷口喷出，在两者接触边界面上边混合边燃烧。在燃烧时火焰较长且有较清晰 的轮廓，可以直接观察到火焰，故又称为有焰燃烧。 由于燃料与空气的混合速度比燃烧反应速度慢得多，因此燃烧速度与燃烧完 全性主要取决于混合过程的快慢和混合的完全程度。实际上，燃料与空气混合是 靠它们之间的质量扩散作用来实现的，因此扩散燃烧的速度也主要取决于反应气 体混合扩散的速度。 流动介质中的质量扩散过程与流动状态有关。在层流状态，质量扩散以分子 扩散的方式实现，称为层流扩散；而在湍流状态下由于大量气团的无规则运动， 使燃料与空气之间的质量扩散速度明显增加，因此被称为湍流扩散。 层流扩散燃烧的火焰结构如图2 - 1 所示。气体燃料由直径为d 的管口流出， 与周围空气进行分子间扩散，以此来完成两者间的混合，这种燃烧所形成的火焰 面处于燃料空气按化学反应比( 即口= 1 ) 混合的位置。只有这样，生成的火焰面 才是稳定的。实际上，如果空气量过多，则燃烧后剩余的空气必然要继续向火焰 面内侧扩散，并与内侧的燃料混合燃烧，使火焰面向射流轴心移动；相反地，如 果空气量过少，则未燃尽的燃料要继续向外侧扩散，与外侧的空气混合和燃烧， 使火焰面向外移动。因此，只有按理论空气量混合时，火焰面才会稳定。由此可 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 以断定，焰面的内侧只有燃料和燃烧产物，而焰面的外侧只有空气和燃烧产物。 在火焰面上，燃料和氧气的浓度最小( 理论上为零) ，而燃烧产物的浓度则最大。 自火焰向射流轴心，燃料浓度增高，产物浓度减小：自火焰面向外，则氧气浓度 增高，而产物浓度减小。沿着燃料流动方向，燃料逐渐燃烧，其浓度最大的核心 区直径逐渐缩小，而沿射流轴心线流动的燃料要穿过整个火焰长度达到火焰顶 端，才能最终燃尽。因此整个火焰里锥形，而锥顶与孔口之间的轴向距离称为火 焰长度或火焰高度。 图2 - 1 层流扩散燃烧的火焰结构 c 0 一空气浓度c ，产物浓度c ，一燃耪浓度 f i g 2 1f l a m ec o n s t r u c t i o no f l a m e l l a rf l o wd i f f u s ec o m b u s t i o n c 一c o n c e n t x a t i o n o f a i rc p - - c o n c e n t r a t i o n o fp r o d u c t sc f - - c o n c e n t r a t i o n o f f u e l 在管口直径不变时，若逐渐提高气体燃料的流出速度，使雷诺数 驴警 ( 2 - 1 ) 超过某一极限值，气体的流态从层流转变为湍流，扩散过程则由分子扩散变为气 团扩散，于是层流扩散燃烧也转变为湍流扩散燃烧。实验表明，在较长的直管段 中( 指长度大o 0 3 凡d n ) 一般可认为：p u _ 3 2 0 0 为湍流，若 2 3 0 0 _ 1 1 的比例预先混合，并且需要 设置专门的火道以保持燃烧区稳定的高温，这就使得燃烧器的结构复杂。 预混燃烧过程就是火焰的传播过程，火焰在气流中以一定的速度向前传播， 它的大小取决于混合气体的物理化学性质与气流的流动状况。根据气流的流动状 况预混气流中火焰传播可分为层流火焰传播和湍流火焰传播，图2 3 为层流火焰 在管内的传播嘲。 出精嫩蕾然憋蠛薅 图2 - 3 层流火焰在管内的传播 f i g 2 3s p r e a d i n gf o rl a m e l l a rf l a m ei nt u b e 根据泽尔道维奇口”( y b z e l d o v i c i ) 火焰传播的热力理论层流火焰传播速 1 2 亭 太原理工大学硕士研究生学位论文 度s 。可由下式表示： = ( 毒甜 协z ， 式中面= 鸹t o l - l o j 为反应的平均速度因为口。= c p l p o 为预混气体的导温系 数，= ：兰为火焰中平均反应时间，则方程2 - 2 又可写成： w ( 2 3 ) 上式表明层流火焰传播速度与预混气体的导温系数平方根成正比，而与其平 均化学反应时间的平方根成反比由此可见，s l 是只取决于预混气体的物理化学 性质，是一个物理参数。在已知化学反应规律及其它物理参数的情况下，方程2 2 可用来估算层流火焰传播速度，此时的关键在于如何求取w ( t ) 的积分。 用这样的近似解法来求取层流火焰传播速度是十分粗糙的。但需要指出的 是，层流火焰传播速度理论意义的重大不在于计算s l 值大小，而是在于此理论 能揭示可燃混合气的主要物理化学性质对燃烧过程的影响。实验表明，按照方程 2 2 计算出的数值与实验所测数据大致相符。 混合气的物理化学性质主要从以下几个方面影响层流火焰传播速度： 1 、混合气的性质的影响1 2 啦习 化学反应速度对火焰传播速度的影响是易于理解的，因为燃烧过程本身就是 一个化学反应过程。化学反应速度愈大，火焰传播愈快。因此能使化学反应速度 增大的各种因素都能使s l 值增大。又化学反应速度的大小与可燃混合气的本身 化学性质有关，不同的燃料和氧化剂就有不同的火焰传播速度。根据火焰传播热 力理论，火焰中化学反应是分子热活化的结果，所以凡是反应的活化能愈小的可 燃混合气，其化学反应速度愈快，因而s l 就愈大。 2 、混合气组成的影响 可燃混合气的组成，即燃料以不同比例和氧化剂( 空气) 混合，对火焰传播速 度的影响类似于它与绝热燃烧温度的关系。在一般情况下，具有最大绝对燃烧温 1 3 臣 太原理工大学硕士研究生学位论文 度的混合气组成，同时亦必具有最大的火焰传播速度。因此通常认为混合气组成 之所以会影响s l 值，主要是因为它对燃烧温度的影响。大多数的可燃混合气其 最大火焰传播速度均对应于其按化学当量比计算的混合气组成，不过以空气作为 氧化剂的可燃混合气就不同，它们的最大火焰传播速度却在化学当量比略富裕的 一侧。 3 、可燃混合气初始温度的影响 r 1 提高可燃混合气初始温度可以大大促进化学反应速度，因而增大s l 值。按 前述的火焰传播热力理论可知，温度与s l 具有相当复杂的函数关系： s l “e “2 ”( 2 4 ) 其中t 为燃烧温度，混合气初温t 0 的影响是通过燃烧温度t f ( t f = t o + q c o c ，p ) 对反应速度的影响反映出来。 4 、混合气压力的影响口8 】 因为火焰传播速度与化学反应速度有关而压力的改变会影响化学反应速度 的大小，因而亦就影响了s l 值。著名学者刘易斯( l e w i s ) 根据实验结果分析，得 出了如下结论：当火焰传播速度较低时，即s l 5 0 c m s ( 相应的总反应级数v 2 ) ， 随着压力下降，火焰传播速度增大；当5 0 2 ) ，火焰传播速度随着压力升高而增大。在微重 力环境中，当强制对流速度很小时，增大环境压力可以加强火焰沿燃料表面的传 播。随着强制对流速度的增大，火焰传播对压力的变化不敏感。 5 、可燃混合气中掺杂物的影响口9 i 不可燃气体( 如c 0 2 、n 2 、h e 和m 之类) 掺入到可燃混合气时，使得可燃 混合气的a 的值发生变化，因此会影响火焰的速度。实验表明，如掺入同样份 额的不同不可燃气体，若它们的c 。值不同，则所产生的影响也不一样，并且可 燃混合气的s l 随着地值增大而增大。 2 2 气体燃烧反应机理 燃烧是指可燃成分在一定条件下与氧气发生激烈的氧化作用，产生大量光和 热的物理化学反应的过程。燃烧必须在一定条件才可进行。首先，可燃成分和氧 气需按一定比例呈分子状态下混合；其次，参与反应的分子在碰撞时必须具有破 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 坏旧分子和生成新分子所具有的能量；再者，应具有反应完成所必须的时间。 氢气、一氧化碳和甲烷的燃烧机理可以用链锁反应来解释【1 6 ”川，链锁反应 是一种在反应历程中含有被称为链载体的低浓度活性中间产物的反应，这种链载 体参加到反应的循环中，从而使它在每次循环之后都重新生成。链载体最先是在 链产生过程中生成的，然后它们参与链的传播过程，最后被链终止或断链过程从 反应中除去。最常见的链反应是以自由基为链载体，阳离子或阴离子也可以起活 性中间产物的作用。在反应的循环中，活性中间产物的数目保待不变的反应称为 不分枝链反应，而活性中间产物的数目随着链锁循环次数的增加而增多的反应称 为分枝链锁反应。 2 2 1 氢的氧化反应 氢和氧的燃烧反应是典型的分枝链反应，其化学反应方程式是： 2 h 2 + 0 2 2 h 2 0 ( 2 5 ) 可以通过对其爆炸极限的认识，了解燃烧机理。 爆炸极限就是在一定比例的燃料氧化剂混合物中，当压力、温度改变时， 缓慢反应区和快速反应区的分界线。做氢一氧爆炸极限实验时，按化学恰当比的 氢一氧气体分别以一定压力充入球形容器形成混合气，然后在容器外加热以改变 混合气温度。它有三个爆炸极限，当压力低于o 5 k p a 时，随压力降低，爆炸极 限的温度升高，这是第一爆炸极限。当压力在o 5 5 0 诤a 时，压力增加，爆炸温 度升高，这是第二爆炸极限。当压力高于5 0 k p a 时，压力增加，爆炸温度降低， 这是第三爆炸极限。当混和气温度高于6 0 0 c 时，混合气在全部压力下都是爆炸 的。 氢和氧的反应历程很复杂，以下用几个代表性的反应历程对上述实验结果作 定性的解释： 链起始过程m + h 2 + 0 2 2 h o + m 链传播过程o h + h 2 一h 2 0q - h 链分枝过程h r + 0 2 一o h + 0 o + h 2 ，o h + h - 链终止过程h 一o 5 h 2碰壁 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 h + 0 2 + m h 0 2 + m 分子相撞 以上各式中，m + 是活泼的任意分子。链起始过程是一个三分子反应，在温 度为4 0 0 - - 6 0 0 c 范围内，是链起始的主要过程，各历程中的o 、h 、o h 和h 0 2 等自由基的存在可以从反应物质的光谱分析中证实。根据链锁反应的动力学理 论，自由基的增长速度是随反应物的浓度，即随体系压力的增加而增加的，同时 也随温度的上升而增加，而自由基的销毁包括器壁碰撞销毁和空间碰撞销毁则与 压力、温度有着不同的关系。当反应物浓度即体系的压力较低时，分子运动的自 由程较长，自由基碰到器壁的机会较多，因此自由基的碰壁销毁在低压下较易发 生。而当反应物浓度或体系压力增加时，自由基的空间碰撞销毁将显著增加。 在第一爆炸极限以下，由于反应物的压力较低，温度也不高，自由基增殖的 速度很低，而它的碰壁销毁的速度却较高，因此不会发生爆炸。当压力达到这样 的数值，使得自由基的增殖速度恰好等于其碰壁销毁速度，这就是第一爆炸极限。 由于容器的尺寸越大，自由基碰壁销毁的机会越少，故第一爆炸极限与容器尺寸 有关。 随着体系压力和温度的增加，自由基的增殖速度越来越快，而它的碰壁销毁 速度越来越小，同时自由基的空间碰撞销毁速度却随着压力增加而增加。当空间 销毁速度还不足够大，使得自由基的总销毁速率小于其总增殖速率时就出现了爆 炸区。当压力大到一定程度使得自由基的销毁速度与其增殖速度相等时，体系则 处于第二爆炸极限。 当体系的压力