蓄热式低浓度瓦斯发电系统的设计与试验研究

蓄热式低浓度瓦斯发电系统的设计与试验研究

0基于多孔介质燃料的低浓度瓦斯发电系统中国是主要的煤炭生产国，拥有丰富的煤炭资源（砖瓦）。全国煤层资源总量为36.812932m3，占世界总量的12.15%，排名世界第三，相当于中国的传统天然气资源。我国多数高瓦斯矿井煤层透气性差,为了提高抽采效果,多采用高负压、大流量抽采系统,这样势必造成漏气量增加,抽采瓦斯浓度降低,达不到瓦斯利用条件。目前现有发电技术还不能适应我国瓦斯浓度低、波动大的特点,其主要原因在于,绝大部分瓦斯体积分数低于30%,且波动较大,而蒸汽机、内燃机和燃气轮机等现有发电技术的燃烧方式不能适应我国瓦斯发电的这一特点,瓦斯浓度低会经常导致燃烧系统熄火,并且浓度波动会对发动机系统造成冲击,使得发动机系统性能稳定性受到严重影响。为了突破低浓度瓦斯发电技术的瓶颈,文献提出一种基于多孔介质燃烧器驱动斯特林发动机系统的煤层气发电新技术。一方面,多孔介质燃烧器是一种以多孔介质为载体的基于过焓燃烧理论的预混燃烧技术,对于低浓度瓦斯的燃烧具有很好的适应性。另一方面,斯特林发动机是一种外燃机,与内燃机相比对燃料特性要求低,只要能保证其热缸端连续供给热能即可,同时具有效率高、污染小的优点。因此,将多孔介质燃烧器对低浓度气源的良好适应性和斯特林发动机的外燃特性有机结合,可以初步构建一套低浓度瓦斯发电系统。但由于低浓度瓦斯浓度波动大,产生的热量不均,会对斯特林发动机的运行造成冲击,导致整个系统运行不稳定。因此,为了提高系统运行的稳定性,提高发电效率,笔者在多孔介质燃烧器驱动斯特林发动机基础上,设计一套蓄热式低浓度瓦斯发电系统。通过增加蓄热系统来缓解瓦斯浓度波动对斯特林发动机造成的冲击,并对其蓄热性能进行了试验研究。1以技术为依托的减少瓦斯在多孔介质燃烧过程中的压力,并增加其工作过程,以改善斯特林发动机的运行特性蓄热式低浓度瓦斯发电系统如图1所示。①配气及回热系统:提供燃烧用的预混可燃气体,并保证燃烧气体的浓度范围和精度满足要求,同时利用回热系统对预混气体进行预热,以拓展瓦斯的贫燃极限。②冷却系统:利用循环水对斯特林发动机内部及其冷端进行冷却,使斯特林发动机冷端维持在恒定温度,保证斯特林发动机运转效率和系统的正常运行。③斯特林发动机及发电系统可实现电能的稳定输出。④燃烧及蓄热系统:实现低浓度瓦斯在多孔介质燃烧器中的稳定燃烧,同时保证斯特林发动机热端能被高温烟气均匀加热,并维持在恒定温度。⑤烟气控制与调温系统:控制多孔介质燃烧器产生的高温烟气向斯特林发动机热端传递过程,从而控制热端的温度,避免斯特林发动机热端超温而损坏。由于低浓度瓦斯浓度波动较大,燃烧产生的热量通常不均,斯特林发动机是一种外燃机,其热端如果无法保证稳定热源的供给,则会导致斯特林发动机运行不稳定,功率输出波动大。因此,需增加一种蓄热结构,以改善斯特林发动机的运行特性。低浓度瓦斯进入多孔介质燃烧器燃烧,产生的高温烟气进入蓄热器中,将热量传递给蓄热器中的蓄热介质,再由蓄热介质将热量传递给斯特林发动机的热缸。蓄热器可以使低浓度瓦斯在多孔介质中产生的热量多时储存,少时释放,有效降低由于气源浓度波动对斯特林发动机的冲击,确保斯特林发动机热端具有稳定的热源,从而保证其运行的稳定性。从多孔介质燃烧器出来的高温烟气,通过烟气引入口引入蓄热器,其中一部分烟气通过内筒上面流入蓄热器内筒里,另一部分烟气流入蓄热器内、外筒管壁之间,然后通过蓄热器内筒壁侧面的开口均匀进入内筒里,并加热蓄热介质,斯特林发动机热端浸在蓄热球中。蓄热器结构如图2所示。2试验工况及注意事项在搭建的试验台上,进行多种不同工况下的燃烧蓄热试验。主要研究蓄热器蓄热介质的蓄热性能以及气源波动对系统相关性能的影响,并探求蓄热器(填充蓄热球)的缓冲气源波动对系统的影响。1)瓦斯成分及浓度测定。试验用气为淮北芦岭山煤矿抽采的瓦斯气体。气体成分及浓度如下:CH4体积分数为36%,CO2体积分数为1.2%,N2及其他气体体积分数为62.8%。2)试验工况。试验工况有以下4种:①蓄热器在燃烧加热、运行、停机整个阶段蓄热介质温度变化。②蓄热器无蓄热球时,斯特林发动机停机时间和蓄热器温度变化。③蓄热器填充蓄热球时,斯特林发动机停机时间和蓄热器温度变化。④蓄热球颗粒直径变化时,斯特林发动机停机时间和蓄热器温度变化。试验前对试验系统各阀门、开关进行检测和处理,并做好多孔介质燃烧器点火、斯特林发动机充气等准备工作。燃烧稳定后,查看温度采集系统显示的燃烧系统温度,当温度变化量在5min内小于5℃,并且该段时间内温度没有增大或减小的趋势,认为温度基本不变,即燃烧工况稳定。待斯特林发动机热缸温度到达启动温度后,通过电启动装置,启动斯特林发动机。待斯特林发动机运行平稳时测量斯特林发动机的转速。逐渐减少烟气流量,停止燃烧后,记录蓄热器上各测点温度随时间的变化以及斯特林发动机的停机时间。斯特林发动机停止转动后,对斯特林发动机进行放气处理。打开蓄热器,蓄热器分别填充直径为6、8、10、12mm的蓄热球进行试验。重复上述试验步骤,测量并记录有蓄热球填充时的蓄热器温度变化、斯特林发动机转速、斯特林发动机停机时间等参数。3试验结果与分析3.1蓄热器内温度分布为了研究斯特林发动机在加热、运行、停火阶段蓄热器的温度分布变化及蓄热能力,在斯特林发动机启动前,首先对蓄热器进行加热,待达到一定温度后启动发动机,同时测定蓄热器在加热过程中蓄热介质内温度随时间的变化,蓄热器内部自上而下排列的6只热电偶所测得的蓄热器内温度变化结果如图3所示。由图3可知,蓄热器的温度在加热状态下均匀受热升温,基本呈线性关系递增,由于引风机的作用烟气往下流通,使蓄热器的上下层温度分布比较均匀。斯特林发动机运行阶段由于自身带走一部分热量,在相同供热量的前提下,蓄热器温度有些降低。停火后,蓄热器上层温度下降较下层快,这是因为蓄热器上层温度高,蓄热器上端与大气连通,蓄热器与空气换热量大;下层温度有的不降反升,这是因为引风机的抽引作用使得空气携带上面的一部分热量在蓄热器流动时,将热量传递给了下层的蓄热介质。3.2蓄热器温度测试蓄热材料作为热的载体,工作中要求它在短时间内能够具有及时吸收和放出热量的能力,才能在与放热及被预热介质的热交换过程中,将放热介质的热量传递到蓄热介质的内部并及时地释放给被预热介质,这种及时吸热放热的特性,要求作为蓄热载体的材料必须具有良好的导热性能。蓄热器内部加入氧化铝陶瓷蓄热球,这种蓄热介质热容量大,而且体积小,具有良好的导热蓄热能力,并具有较高的耐火温度和抗震强度。为了探究蓄热器蓄热介质缓冲烟气波动的能力,分别测试了蓄热器内没有蓄热球,以及具有不同粒径(6、8、10、12mm)蓄热球时蓄热器内平均温度变化状况。试验在结束燃烧状态后测量蓄热器温度变化,计算蓄热器温度平均值。结果如图4所示。由图4可知,有蓄热球时蓄热器温度变化普遍比无蓄热球时温度明显变化缓慢,说明蓄热球蓄热效果较好。由图4和图5可知,蓄热球粒径不同会影响蓄热器的蓄热性能,蓄热器温度变化速率随蓄热球粒径的减小呈现先减小后增加的趋势,停机时间随蓄热球粒径的减小呈现先增加后减小的趋势,因此存在一个最佳粒径。从试验结果来看,蓄热球粒径为10mm时效果最好。3.3无蓄热介质及瓦斯体积流量对发动机功率的影响不同预混气体瓦斯浓度会导致烟气热量的变化,而对一定浓度的瓦斯,体积流量变化也会导致烟气热量变化,烟气热量的变化会导致斯特林发动机输出功率的变化。为了测试瓦斯浓度变化时,蓄热器对斯特林发动机输出功率的影响,分别测量在有蓄热介质与无蓄热介质以及瓦斯体积流量变化的情况下斯特林发动机输出功率随瓦斯体积分数的变化,结果如图6所示。由图6可以看出,在有蓄热介质与无蓄热介质的情况下,斯特林发动机输出功率的变化量与瓦斯体积分数变化呈线性关系,在有蓄热介质情况下其变化量要比无蓄热介质情况下趋于平缓。相比于烟气直接加热斯特林发动机热缸,由烟气先传递热量给蓄热器,再由蓄热器将热量传给斯特林发动机热缸,由于蓄热球良好的导热性和较大热容量,能很好地缓冲瓦斯浓度的波动对斯特林发动机输出功率变化的影响。当瓦斯浓度上升时因为蓄热介质大的热容量导致蓄热介质温度上升幅度很小,进而减缓了斯特林发动机输出功率增长,而当浓度降低时,产生的热量变少,此时蓄热介质所储存的热量将会直接补充给斯特林发动机热端,从而保证斯特林发动机稳定功率的输出。4蓄热式低浓度瓦斯发电系统1)与无蓄热器时相比,有蓄热器时蓄热器温度变化较平缓,且在斯特林发动机相同最高转速下停机时间较长,说明蓄热器效果较好。2)蓄热球直径不同会影响蓄热器的蓄热性能,蓄热球粒径为10mm时蓄热效果最好。3)蓄热器可以使低浓度瓦斯在多孔介质中产生的热量多时储存,少时释放,有效降低由于气源浓度波动导致对斯特林发动机的冲击。4)蓄热式低浓度瓦斯发电系统是一种适合于我国煤层气的瓦斯利用方式,能够实现对我国低浓度煤矿瓦斯的开发与利用。引用格式:马云龙,陈宁,许丽丽,等.蓄热式低浓度瓦斯发电系统设计与试验研究[J].煤炭科学技术,20