（动力工程及工程热物理专业论文）应用甲烷重整技术的燃气轮机新循环的热力学特性.pdf

ii thermodynamic performance for gas turbine cycle applied technology of methane reforming a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhang xiao-qin supervised by associate prof. tang qiang major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china may 2011 中文摘要 i 摘 要 燃气轮机的优点已得到普遍认知，但传统的燃气轮机循环存在一些固有的不 足，例如：整机循环热效率较低，过量空气系数较大和污染物排放量超标等。因 此，目前各国都在进行燃气轮机联合循环的研究，以求大幅提高燃气轮机循环的 热力性能。这些研究几乎都是采用的燃料直接燃烧的方式，大多局限于物理能的 梯级利用，很少涉及化学反应过程中化学能的能量转化利用问题。 首先，本文提出了一种新型的燃气轮机循环，采用甲烷作为燃料，在燃气轮 机燃烧室中不仅进行燃烧反应，同时利用吸热的甲烷重整技术来吸收燃烧产生的 高温热量。新循环的创新之处在于将重整技术应用于动力系统中，实现提高循环 热力性能以及能的梯级利用的目的，研究内容具有很高的学术价值和广阔的应用 前景。 其次，建立新循环的系统流程和数学模型，采用平衡常数法确定系统中的独 立反应数，在给定的条件下，对新循环进行了热力学第一定律分析，研究循环热 效率和比功等热力性能随参数变化的趋势。计算结果表明：新循环热效率随着压 比的增大和透平入口初温的升高逐渐增大。与简单循环相比，新循环的热效率和 比功均得到提高。 再次，依据热力学第二定律，对新循环的效率随参数的变化趋势进行研究。 计算结果表明：新循环效率随压比和透平入口初温的升高而逐渐增大，与简单 循环相比，新循环效率得到提高，原因是应用重整技术使燃烧室中耗损大幅 减少，新循环燃烧室的效率得到大幅提高。 最后，研究将新循环生成的合成气进行燃烧的再热循环。结果显示：与无再 热新循环相比，再热使循环比功得到大幅提高；而再热循环热效率在低压透平入 口温度较高，总压比较大时可得到较大幅度地提高。其中对应于最大比功的最佳 中间膨胀比的值比与最大热效率相对应的值小，但都远小于传统简单循环的最佳 值。并从能量的梯级利用原理分析了新循环热力性能得到提高的本质原因是因为 充分利用了燃烧过程中未转化利用的化学能部分，降低了化学反应作功能力的品 位与物理能的品位差。 关键词：关键词：甲烷重整，燃气轮机循环，循环热效率，效率 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract the advantages of gas turbine are approved by people, but traditional simple cycle has some inherent disadvantages, such as low thermal efficiency and high excess air and emission pollution. so gas steam combined cycle is researched to enhance the thermal performance of gas turbine cycles, however, these studies adopt the methods of direct combustion which has many drawbacks, and are limited to the graded use of physical energy, seldom involved chemical energy utilization in combustion reactions. firstly, a new gas turbine cycle is presented, methane is used as fuel. in combustion chamber of new cycle, there not only has combustion reactions, but also has methane reforming reactions which can absorb combustion heat. the innovation of new cycle is applying reforming technology to dynamic system, to achieve the purpose of increasing thermal performance and energy cascade utilization. the content of research has high academic value and wind application prospect. secondly, system process and mathematics model of new cycle are established, and independent reaction numbers are confirmed by the method of calculating equilibrium constant. based on the first law of thermodynamics, thermal efficiency and specific work are researched. the results show that thermal efficiency of new cycle increases with the increase of pressure ratio and inlet temperature of turbine. compared to simple cycle, the thermal efficiency and specific work of new cycle are improved. thirdly, new cycles exergy efficiency is analyzed based on the second law of thermodynamics. the result shows that new cycles exergy efficiency is higher than simple cycle, and it increases with the increase of pressure ratio and inlet temperature of turbine. the main reason is that new cycles exergy loss decreases drastically because of methane reforming, so the exergy efficiency of combustion chamber improves. finally, reheat cycle, which uses the syngas produced in new cycle as reheat fuel, is researched. the results show that reheat cycle has much higher specific work than new cycle without reheat. thermal efficiency of new cycle with reheat can be improved when total pressure ratio is big and low pressure turbine inlet temperature is high. the optimal middle expansion ratio corresponding to the highest specific work is higher than that corresponding to the highest thermal efficiency, but it is much less than the optimal value of simple cycle. the essential reason of improving thermal performance is that new cycle makes full use of chemical energy in combustion process, reduces the 重庆大学硕士学位论文 iv gap of chemical energy level and physical energy level. keywords: methane reforming, gas turbine cycle, thermal efficiency, exergy efficiency 目 录 v 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 主要符号表主要符号表 . vii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 研究背景研究背景 . 1 1.2 狭义的燃气轮机总能系统狭义的燃气轮机总能系统 . 2 1.2.1 程氏双流体联合循环 . 2 1.2.2 湿空气透平联合循环 . 4 1.3 广义的燃气轮机总能系统广义的燃气轮机总能系统 . 6 1.4 甲烷重整反应研究现状甲烷重整反应研究现状 . 9 1.4.1 甲烷水蒸气重整 . 9 1.4.2 ch4-co2重整 . 10 1.4.3 甲烷催化部分氧化 . 10 1.4.4 甲烷三重整 . 11 1.5 课题主要内容课题主要内容 . 12 2 应用重整技术的新型燃气轮机循环的热力学分析应用重整技术的新型燃气轮机循环的热力学分析 . 13 2.1 新型燃气轮机循环系统简介新型燃气轮机循环系统简介 . 13 2.2 甲烷重整反应体系甲烷重整反应体系 . 13 2.3 热力学平衡计算方法热力学平衡计算方法 . 14 2.3.1 反应平衡常数的计算 . 15 2.3.2 反应平衡组成的计算 . 16 2.3.3 燃烧室热平衡关系 . 18 2.3.4 平衡计算结果 . 18 2.4 燃气轮机新循环热力性能燃气轮机新循环热力性能 . 21 2.4.1 燃气轮机热力性能指标 . 21 2.4.2 燃气组分计算结果分析 . 24 2.4.3 两个循环热力性能的对比 . 28 2.5 燃气轮机新循环的燃气轮机新循环的平衡平衡 . 35 2.5.1 效率 . 36 2.5.2 两种循环效率的对比 . 37 2.5.3 燃烧室效率的对比 . 38 重庆大学硕士学位论文 vi 2.6 本章小结本章小结 . 41 3 有再热的燃气轮机新循环性能影响有再热的燃气轮机新循环性能影响的热力学特征的热力学特征 . 43 3.1 应用甲烷重整技术的燃气轮机再热循环应用甲烷重整技术的燃气轮机再热循环 . 43 3.2 燃气轮机再热循环热力学分析燃气轮机再热循环热力学分析 . 45 3.2.1 热效率 . 45 3.2.2 参数对热效率的影响规律 . 46 3.2.3 比功 . 49 3.2.4 参数对比功的影响规律 . 50 3.3 化学能与物理能综合梯级利用原理化学能与物理能综合梯级利用原理 . 52 3.3.1 物质、化学反应吉布斯自由能、物理关联基本方程 . 53 3.3.2 物质能、化学反应吉布斯自由能和物理能的品位基本方程 . 54 3.3.3 燃烧反应品位基本方程 . 54 3.3.4 新循环能量释放新机理 . 55 3.4 本章小结本章小结 . 56 4 结论及展望结论及展望 . 57 4.1 本文主要结论本文主要结论 . 57 4.2 工作展望工作展望 . 57 致致 谢谢 . 59 参考文献参考文献 . 61 附附 录录 . 65 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 65 主要符号表 vii 主要符号表 符号 单位 物理意义 kp 化学平衡常数 t k 温度 cp kj/（kgm2） 定压比热容 p pa 压力 转化率 n mol 物质的量 h kj 焓值 压比 g kg/s 质量流量 % 效率 k 空气的比热比 温比 q kj/kg 热量 ht 高压透平膨胀比 lt 低压透平膨胀比 s kj/（molk） 熵产 rg kj/（kgk） 气体常数 ir kj/kg 损 过量空气系数 g kj/mol 吉布斯自由能变 a 能的品位 e kj/mol 变 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景 燃气轮机作为现代高科技动力机械，目前已被广泛应用于诸多工业领域，例 如：航空器、舰船、机车、电力等。它是一种以空气和燃气为工质的热动力设备， 其主要构成有：压气机、燃烧室和燃气透平。燃气轮机因为有诸多优点，受到了 全世界的重视，最为明显的优势集中在较大的单机功率、较小的比重、良好的机 动性能以及比较长的寿命等。但是简单的燃机存在一些缺点是无法避免的，主要 体现在循环效率低，尤其是当处于低负荷工况时，该缺点更为突出，且会释放较 多的大气污染物，导致不能与环保要求相适应。鉴于燃气轮机固有的特点，目前 进行的各种研究的目的多数是为了大幅度提高燃机循环效率、改善低负荷工况的 经济性、有效控制nox的排放等1,2。 对于简单循环来讲，为了提高燃气轮机循环效率，目前主要是从尽量提高燃 烧室（或后燃室）出口的燃气温度这一参数开展。燃气初温直接影响着简单循环 的循环效率，其值越高效率越高。人们通过提高燃气初温来实现燃气轮机效率的 提高。目前，燃烧室出口的温度已经达到了1500，但是温度越高，对用作透平 的材料的耐高温及抗腐蚀等要求较严格，同时会增加冷却介质流量，增加排放到 大气的废物，消耗更多的燃料，使整个燃气轮机处于较高的温度和应力状态，其 可能的后果是更为频繁的维修和利用率的下降。 燃气轮机燃烧室是一种通用高温合金材料制作的燃烧设备。在整台燃气轮机 中，它位于压气机和燃气涡轮之间，是燃气轮机装置的三大核心部件之一3，燃烧 室的工作效率直接影响着整台机组的性能。 燃烧室有两种功能，第一，在给定的限制条件（例如透平叶片材料允许的工 作温度等）范围之内，燃烧室必须提供工质所需要的高温，同时又要尽量维持工 质的压力不变；第二，燃气轮机运行中一般都是通过改变燃烧燃料供应量来进行 调节，燃烧室则成为了主要调节部件，在负荷变动时，燃烧室可以保证自身以及 整个机组顺利高效的运转4。基于这两个功能，燃烧室可在几乎处于等压状态下释 放出燃料中的化学能，转化为高温燃气携带的的热能，为在透平膨胀作功做准备。 因此，燃烧室在整个燃气轮机装置中是必不可少的部件。 燃烧室的工作过程比燃气轮机其他部件都要复杂得多。涉及到的一系列复杂 过程有：气体流动、传热、传质以及化学反应等 5,6，突出特点是：高温、高速、 高燃烧强度、高过量空气系数、运行参数变化剧烈等。其中，燃料完全燃烧所需 要的那部分空气，即为“一次空气”，与由喷嘴送入的燃料迅速混合、着火、燃烧生 重庆大学硕士学位论文 2 成高温燃气，另一大部分空气，即为“二次空气”，直接混入并冷却燃烧区高温燃气 7，使混合气体降低到适当的温度，而后进入透平作功，因此为了使混合气体温度 满足透平叶片的要求，通常过量空气系数较大，使得效率明显下降。 对于简单循环燃气轮机的明显的缺点：虽然额定工况点效率较高，但部分负 荷工况时效率太低，所以世界各国纷纷进行燃气轮机复杂循环技术研究。此外， 机组变工况运行时，也要求根据负荷的变动及时而适当地调节燃料供应量。利用 燃气轮机透平排气余热，将自产蒸汽回注入燃烧室，用来提高机组的热效率和功 率的输出，这种方法已被逐渐认知和熟悉8。 本课题在对燃气轮机简单循环及其联合循环等狭义的燃气轮机总能系统的结 构和热力性能认真分析之后，针对燃气轮机热效率低，以及联合循环仅局限于热 工领域等缺点，基于广义的燃气轮机总能系统的理论研究和发展趋势，提出了将 甲烷蒸汽重整技术应用于燃气轮机动力系统上，对应用甲烷重整技术的燃气轮机 循环进行了热力学分析，并揭示新系统的特性与性能，为工程实际打下基础。 1.2 狭义的燃气轮机总能系统 所谓狭义的燃气轮机总能系统是指热工领域的能源动力系统，即传统的总能 系统。其主要应用形式为联合循环。最常见的包括：非补燃式余热锅炉型联合循 环和补燃式余热锅炉型以及排气助燃锅炉型联合循环等，还有在非补燃式余热锅 炉型联合循环的基础上发展出的程氏双流体联合循环和湿空气透平联合循环等9。 1.2.1 程氏双流体联合循环 程式双流体联合循环是燃气蒸汽联合循环的一种形式，又称注蒸汽燃气轮机 （stig）循环10-12，之所以称其为双流体是因为工质为空气和水蒸汽两种。stig 循环使设备得以简化，且效率提高。其流程（如图1.1）与燃气轮机简单循环不同， 即：循环所用给水首先依次通过中冷器和后冷器，然后进入余热锅炉，被来自燃 气透平的排气加热，产生的过热蒸汽不是直接送到蒸汽透平中作功，而是在回热 器中回收排气的热量后再回注到燃烧室，与经过压气机压缩的空气一起进入燃烧 室，加热到燃气透平的初温，之后共同进到燃气透平中膨胀作功。在余热锅炉之 后不再配置蒸汽轮机及其循环系统。 1 绪 论 3 从热力学角度看，该循环的实质是在同一台透平中并联地结合了布雷顿循环 和朗肯循环。与余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环不同的是，该循环的蒸汽循环中， 蒸汽的初始压力较低，而初温和膨胀背压却很高。 程式双流体循环的优点有以下几方面。 第一，与其他循环相比，stig 循环所耗设备较为简单，不再需要蒸汽轮机及 其循环系统的协助。第二，从循环性能上来讲，stig 循环比燃气轮机简单循环的 热效率高，且整个机组的比功较大。第三，程式双流体循环在变工况性能以及污 染控制等方面的特性较好。这是因为被喷射到燃烧室的燃烧区中的那一部分蒸汽， 可使燃烧火焰温度适当降低，由此减少了氮氧化物的排放量。另外，循环中的燃 气中水蒸气含量较多造成混合气体的换热系数增大，对余热锅炉效率的提高十分 有利。 程式双流体循环的主要缺点是：产生的蒸汽会源源不断地排向大气，并且很 难得到回收利用，因此对于余热锅炉所需的软水就要通过配备容量较大的水处理 设备来提供。 通常情况下， stig 循环所耗水量较余热锅炉型联合循环的多约 38%， 而回注蒸汽所耗水量约为压气机入口空气量的 10%-13%。 目前，国内外已有很多专家学者对 stig 循环进行了研究，较为系统地分析了 stig 循环的特点，注蒸汽对燃烧的影响以及注蒸汽的多元化利用方式。 r layi fagbenle13等利用热力学第一定律和第二定律分析了 53mw 生物质气 图1.1 注蒸汽燃气轮机循环 fig.1.1 steam injected gas turbine cycle 重庆大学硕士学位论文 4 化的 stig 循环的热效率。计算时考虑系统的能量利用率和分系统之间的反应。结 果显示以动力为基础的循环热效率约为 41%，而以动力和再热为基础的热效率约 为 45%但是燃烧室的损最大，占总系统损的 79%。 闻雪友等14将燃气轮机回注蒸汽循环运用到实际中，对我国第一套燃气轮机 回注蒸汽循环的整机试验装置进行了分析，并研究了其部件和设计参数对应用于 实际的影响，表明该循环的性能已具备应用于工程实践的条件。 白云波等15将煤气化技术用于注蒸汽燃气轮机循环，构造了以煤气化产物为 燃料的注蒸汽燃气轮机循环（igstig） ，并对系统进行了热力学分析，结果表明， igstig 循环虽然由于增加了煤气化装置而必然引起附加损失，但又由于煤气化显 热得以有效回收以及最佳压比的提高， 而使其循环性能与燃油或天然气的 stig 循 环相近，是很有发展前途的燃煤发电技术。 李海英等16通过分析生物质的特点，并考虑到其对环境的好处，重点将其应 用于 stig 循环中，形成 big/stig 循环系统。着重分析了生物质气化发电系统各 部件的特点以及相互之间的匹配。指出生物质是一种分布广泛的低品质的能源， 且燃用生物质的电厂规模较小，因此选用注蒸汽联合循环更具有优势。 胡宗军等17数值模拟了双流体循环大湿度的燃烧室内部流动状况，并采用传 统的气态燃烧计算模型，不考虑辐射影响，修正燃烧室的工作特点，对比分析了 四种蒸汽喷注位置方案对燃烧室内部流场特性的影响，结果显示：喷注位置在燃 烧室头部端面上会引起燃烧区的燃烧温度下降；若在壁面回流区处喷注，可使高 温区及回流区域长度减小，使燃烧室有更好的性能。 胡宗军等18对stig燃烧室流场的特性进行了数值研究，并通过建立大湿度燃 烧模型分析了注汽位置的影响。认为注蒸汽位置在回流区的尾部时，即在壁面中 部，可最大程度地改善燃烧室性能；另外蒸汽注入量的增大及注入速度的加快都 会使得蒸汽射流更强烈地影响流场特性。 1.2.2 湿空气透平联合循环 湿空气透平循环（hat循环） ，也是燃气-蒸汽联合循环的一种形式19,20，是由 y.mori在1983年提出，其作功工质为湿空气和燃气。它和注蒸汽循环类似，通过利 用排气中的能量加热水和含蒸汽的空气，以此来增大透平流量，增大透平作功能 力，使循环比功显著增大。但hat循环与stig循环不同的地方在于前者排气中的 废热用于加热单相的混合气体，而后者用于加热水及蒸汽。流程如图1.2所示。 1 绪 论 5 循环所需空气首先经由低压压气机压缩升温后，进入中冷器释放少量热量加 热外界给水，再通过高压压气机压缩升温后，进入后冷器并加热给水，从底部进 入湿化器，并与从顶部进入湿化器的给水进行直接接触，形成逆流换热。被湿化 后的空气（其中水蒸气含量处于饱和态）回收了在高温回热器排气的高温余热之 后进入燃烧室与燃料混合燃烧加热，产生的高温燃气经来自压气机的二次空气冷 却，使混合气体的温度降低到湿燃气透平所需的要求，进入透平膨胀作功。另一 方面，湿化器中的水吸收了空气的热量后部分蒸发，没有蒸发的水从湿化器底部 排出，进入低温回热器，通过吸收燃气热量使温度升高，进而与补水混合后再进 入湿化器。 hat 循环的主要优点有： hat 循环整个装置较为简单，通过湿空气在透平中膨胀作功来代替常规的 联合循环中所需的蒸汽轮机循环系统等设备。 由于中冷器、后冷器以及湿化器的联合作用，使得高压湿空气进入高温回 热器时的温度总是低于湿空气透平的排气温度，因此，即使在压缩比很高的情况 下，湿空气透平排气的余热也能通过回热器来回收。 循环热效率较大，由于低温、低品位的热能可通过中冷器和低温回热器得 到回收，用来参与循环过程，使得循环热效率增大。 循环的比功较大，即机组的设计紧凑。这是由于中冷器减少了压气机耗功， 图 1.2 湿空气燃气透平循环 fig.1.2 humid air turbine cycle 重庆大学硕士学位论文 6 同时透平不仅工质流量大幅增加，而且蒸汽的作功能力也很大，则透平的作功量 增大，循环比功增大。 燃烧过程中 nox的生成量较少。因为湿空气中含有大量的水蒸气，在燃烧 加热时，可合理抑制 nox的生成。 hat 循环的主要缺点与 stig 循环类似。首先，湿空气排向大气时，其中的水 蒸气较难回收，需要大容量的水处理设备；其次，燃气轮机需要改装的时候，所 耗工作量较大且很有难度。 以上介绍的总能系统的研究多局限于物理能的梯级利用范围，很少涉及化学 反应过程中化学能的能量转化利用问题。几乎都是采用的直接燃烧的方式，但是， 直接燃烧方式存在的诸多弊端（如燃烧品位损失大、易产生环境污染物等） ，与能 源环境相同协调发展相悖。因此，研究人员提出了广义的总能系统。 1.3 广义的燃气轮机总能系统 燃气轮机透平初温从上世纪 50 年代初的 600700提高到当今的 1500， 不仅归功于燃气轮机部件性能的提高，材料的更新和新技术的突破，而且，对提 高燃气轮机系统性能可以起到至关重要的作用的措施在于系统集成技术的应用 21,22。近几十年来，以燃气轮机为核心的总能系统不仅在热力学和经济效益等方 面显示了良好的性能，而且在生态环境及社会效益等方面也展现了较好的综合性 能，因此逐渐得到广泛关注和应用。如今，在生态环境受到保护以及能源利用需 充分的双重压力下，总能系统进入了多能源的综合梯级利用时代23,24。 广义总能系统是指将资源、能源以及环境相结合的多功能的一体化能源系统， 是建立在狭义总能系统的基础上发展起来的。它涉及到多个领域，可使能量转换 利用系统有更多的功能。广义总能系统，在输入多种物料以及能源可以实现发电 供热等功能时，还能生产出化学工业中所需的产品与燃烧所需的清洁燃料；能源 能够得到综合利用并实现低污染的方式是有效地分离、回收和利用污染物；另外， 热力过程和对污染的控制过程实现一体化，因此，能够兼顾能源动力、化石方面 以及生态环境等诸领域的问题。不仅如此，在能源利用方面，广义总能系统成为 实现循环经济的发展的最重要方式。 图 1.3 为典型的广义总能系统示意图， 这是一个能够实现与生态环境相协调的 多功能的综合系统。它按照总能系统集成的原则思路进行开拓，系统具有多种能 源，不同物料的输入、多种产出以及与环境兼容等特点。 1 绪 论 7 与狭义总能系统相比，广义总能系统的主要发展与差异有以下几方面：第一， 从狭义总能系统涉及的单一的热工领域（它主要由各种热力过程组成）扩展到既 有热工又有化石和环境等相关的多个领域（包括热力过程、能源转化物理化学过 程、污染物控制过程等） 。第二，总能系统的核心问题从物理能的梯级利用扩展到 化学能与物理能的梯级利用。第三，从单一能源利用系统扩展到更多的能源综合 互补利用系统。目前，为了更好的实现燃料化学能的综合梯级利用，或更好的应 用不连续与稳定的可再生能源等，将会使能源动力系统从应用单一能源发展为实 现多能源互补的多功能系统。 其中工程上应用最多的便是化学回热燃气轮机循环（crgt） ，流程图见图1.4。 在循环中，压气机压缩后的空气进入燃烧室与来自甲烷蒸汽重整器的燃料燃烧， 生成燃气在透平中进行膨胀作功，透平排气逆流经过重整器、蒸发器以及给水加 热器这三个换热器。系统给水首先在给水加热器中加热至饱和温度，之后进入蒸 发器蒸发至同温度的水蒸气，在出口与甲烷混合后，进入重整器变换成为富氢的 燃烧气25-28。 化学回热循环与标准的回热循环相比，回热效果更高，同时，氢燃料发生燃烧 反应后生成物的比热容远大于碳氢燃料的，所以应用氢燃料作为燃气轮机循环的 输入燃料，对燃气轮机的循环功的提高有很大的促进作用。另外，富氢燃料具有 的可燃性远比碳氢燃料的好，而且由于燃烧过程中对温度的控制可以从根本上降 清洁能源生产与 co2 分离一体化系统 化学链燃烧与co2 分离一体化动力 系统 联合循环 化石燃料 可再生能 源（生物 质、太阳 能等） 低碳或无碳 合成气 电 替代燃料与化工产品（醇、醚、 氨等） 电 co2 co2 图 1.3 广义总能系统典型示例 fig.1.3 the typical example of generalized energy utilization system 重庆大学硕士学位论文 8 低氮氧化物的排放。化学回热循环的主要特点便是高效率，与注蒸汽循环和湿空 气透平循环相比，它充分利用了废气中的大量水蒸汽潜热，一些结构较为复杂的 化学回热循环的效率可达到60%29。 张会生等阐述了各种各样的基于燃气轮机的回热循环的系统结构诸如：注蒸 汽循环、湿空气透平循环、化学回热循环等均利用了燃气轮机高温排气中的废热， 为了提高燃气轮机系统的热力性能。通过分析和比较了采用不同方式进行回热的 燃气轮机循环的工作原理和性能特点，从而为未来的燃气轮机发电系统的选择提 供参考。 c.carcasci 等30采用了模块化观点来进行循环的模拟，得到化学回热燃气 轮机循环的主要参数。之后讨论了用于模拟的甲烷蒸汽反应器单元模型的发展和 在 lm6000 的基础上对简单化学回热燃气轮机和再热化学回热燃气轮机循环进行 了仿真，循环净效率由原来的 40.1%提高到了 51.3%，可见化学回热应用于燃气轮 机上是很有潜力的。 化学回热循环的高热效率主要是通过回收燃气轮机排气的余热，增加了燃料 的焓值来实现，但研究表明：其热力性能与常规的余热锅炉型联合循环相比而言 图1.4 化学回热燃气轮机循环 fig.1.4 chemically recuperated gas turbine cycle 1 绪 论 9 较低，没有任何实质性问题得到解决。 1.4 甲烷重整反应研究现状 甲烷的转化，在化学工业上，可分为直接转化和间接转化两种基本途径。一 种途径为直接转化，例如：甲烷偶联制乙烯。另一种则为间接转化，即先将甲烷 （ch4）转化为合成气（co+h2） ，然后再通过费-托（f-t）合成制得各种液体燃 料，作为重要的化学产品；或通过利用 co 再合成更多精细的化学产品；也可将 h2作为合成氨的原料31。 下面对天然气间接转化制合成气过程涉及的各种甲烷重整过程的研究现状与 进展进行综述。 1.4.1 甲烷水蒸气重整 甲烷的水蒸气重整（steam reforming of methane，srm） ，在目前常用的制合成 气工艺中，是应用最广泛的。最早开始详细研究甲烷与水蒸气之间的催化反应是 在 1924 年。经过数十年的工艺改进，甲烷水蒸气重整已成为工业化较为成熟的工 艺32。 该技术尤其适合以制 h2为主的合成氨工业。 其反应式为表 1.1 中的式 （1.1） 。 表 1.1 甲烷制合成气的不同反应 tab.1.1 the reactions for the synthesis gas produced by methane 反应名称 方程式 反应焓 h298k,kj/mol 式编号 水蒸气重整反应 ch4+h2o=co+3h2 +206 （1.1） 水煤气变换反应 co+h2o=co2+h2 -41 （1.2） 完全燃烧反应 ch4+2o2=co2+2h2o -803 （1.3） 部分氧化