專利名稱：旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃?xì)廨啓C技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝?燃?xì)廨啓C發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
低熱值燃?xì)鉄嶂敌∮?MJ/Nm3，種類繁多，總量巨大，包括礦井通風(fēng)瓦斯氣、 部分煤層氣和生物質(zhì)氣、和鋼鐵、化工行業(yè)等在內(nèi)的甲烷(CH4)濃度很低的副產(chǎn) 氣，其中很大部分是超低熱值燃?xì)庑∮?MJ/Nm3，甲烷(CH4)濃度只有0.5%至 5%。由于甲垸濃度低不能采用常規(guī)方法點火燃燒，在實際利用上有相當(dāng)難度， 絕大多數(shù)超低熱值燃料被丟棄，能源浪費驚人。每年全世界因煤礦開采和鋼鐵冶 煉排入大氣中的甲垸總量為2500萬噸，相當(dāng)于煤礦原始總能源的60%。隨著煤 炭和鋼鐵產(chǎn)品產(chǎn)量的增加，預(yù)計到2010年甲烷排放量將增至2800萬噸，其中 70Q^來自超低熱值燃?xì)狻?br> 另一方面由于甲烷的全球變暖潛能值(Global Warming Potential, GWP) 是C02的24.5倍，全球因甲烷氣體而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)占所有溫室氣體總量的17y。， 僅次于C02排在第二位，因此排放的甲烷嚴(yán)重加劇了溫室氣體效應(yīng)。
目前對超低濃度燃?xì)獾难芯考夹g(shù)和應(yīng)用主要分為兩類 一類是作為輔助燃料 或作為助燃空氣加以利用；另一類是作為主燃料，在燃燒反應(yīng)的過程中不需要加 入其它燃料或助燃空氣。
美國西北燃料公司(Northwest Fuel Development)在1995年前后研究開 發(fā)小型(250KW)天然氣燃?xì)廨啓C，用超低濃度燃?xì)庾髦伎諝膺M(jìn)行發(fā)電。2000 年前后澳大利亞的聯(lián)邦科學(xué)研究院CSIR0和能源開發(fā)公司(Energy Development Limited)研究開發(fā)利用煤礦通風(fēng)瓦斯作為超低濃度燃?xì)獾娜細(xì)廨啓C技術(shù)，采用外 部燃燒器技術(shù)。近年來美國Flex Energy公司和Capstone燃?xì)廨啓C公司聯(lián)合研 究開發(fā)微型燃?xì)廨啓C，利用1%甲垸濃度的煤礦通風(fēng)瓦斯氣，機組容量大于IOOKW。 美國Ingersol Rand公司也在積極研究低熱值燃?xì)廨啓C技術(shù)并申請了專利，其
3設(shè)計甲烷濃度為0. 8%，功率大于250KW。
我國采用超低濃度燃?xì)庾髦伎諝膺M(jìn)行發(fā)電的研究已經(jīng)比較成熟，但作為主 燃料的超低熱值燃?xì)鈩恿ο到y(tǒng)充分研究的文獻(xiàn)和資料較少。中國航空動力機械研 究所發(fā)明的回?zé)崾叫⌒腿細(xì)廨啓C，通過波形板換熱器進(jìn)行熱能交換，單位體積傳
熱面積大，流動損失小，回?zé)嵝士蛇_(dá)到0. 7 0. 95;小型燃?xì)廨啓C的熱效率可 達(dá)到35 50%。中國船舶重工集團(tuán)公司第七0三研究所發(fā)明的是一種濕壓縮 回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C，回?zé)崞魇且环N表面換熱器，高溫側(cè)通以渦輪排氣，低溫側(cè)通 以離心壓氣機出口氣體，可比簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C在熱效率指標(biāo)方面提高約43% 52%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā) 電裝置，不需要點火燃燒，通過催化燃燒方式，采用離心壓氣機、向心透平，充 分回收并利用低熱值燃料，在降低環(huán)境污染的同時，盡可能緩解一部分能源危機， 而且整個過程簡單易行，潔凈環(huán)保，安全可靠。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括空氣過濾器、離心壓氣機、
旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?、向心透平、減速齒輪箱、發(fā)電機、啟動燃料閥、啟動燃燒室和
若干個聯(lián)軸器，其中空氣過濾器輸出接口連接離心壓氣機，離心壓氣機出口與 旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯睦淞黧w入口相連，旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯睦淞黧w出口連接透平，透 平的出口連接旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯臒崃黧w入口，離心壓氣機的輸出軸通過聯(lián)軸器和 減速齒輪箱相連接，減速齒輪箱又通過聯(lián)軸器和發(fā)電機軸相連接，減速齒輪箱與 離心壓氣機通過聯(lián)軸器連接，啟動燃料閥的入口與啟動燃料源通過管道連接，啟 動燃料閥的出口與啟動燃燒室的入口通過管道連接，啟動燃燒室的出口與旋轉(zhuǎn)催 化回?zé)崞鞯娜細(xì)膺M(jìn)入管通過管道連接。
所述的離心壓氣機與向心透平為同軸設(shè)置，轉(zhuǎn)速相同，所述的轉(zhuǎn)速在6000 60000轉(zhuǎn)/分之間；
所述的離心壓氣機的壓縮比在2 5之間； 所述的向心透平的膨脹比在2 5之間；
所述的減速齒輪箱的轉(zhuǎn)速比為2 10。
旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞靼ǚ涓C蓄熱體、左蓋板、右蓋板、燃?xì)膺M(jìn)入管、燃?xì)饬鞒龉?、煙氣進(jìn)入管和煙氣流出管，其中燃?xì)膺M(jìn)入管和煙氣流出管通過焊接方式 連接在左蓋板上，燃?xì)獬隹诠芎蜔煔馊肟诠芡ㄟ^焊接方式連接在右蓋板上，左蓋 板與右蓋板之間為蜂窩蓄熱體，蜂窩蓄熱體可以旋轉(zhuǎn)，其后段表層有催化劑，既 對低濃度燃?xì)饧訜嵊诌M(jìn)行催化燃燒。左蓋板、右蓋板與外殼通過法蘭進(jìn)行連接。 所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯馁|(zhì)量流量0. 3 30Kg/S、最大進(jìn)氣壓力4. 0bar，可 以利用低熱值燃?xì)夂吭?.5% 5%之間，燃料熱值約在0.3 2MJ/,3之間的 低濃度甲烷燃料。
本發(fā)明燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚饨?jīng)過空氣過濾器除去雜質(zhì)進(jìn)入離心壓氣機，在離 心壓氣機內(nèi)提高壓力，在旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞髦欣酶邷赜酂峒訜?，并進(jìn)行催化燃燒， 高溫高壓氣體進(jìn)而推動向心透平高速旋轉(zhuǎn)，向心透平的軸通過聯(lián)軸器和減速齒輪 箱相連，經(jīng)過減速齒輪箱減速后，帶動發(fā)電機組向外輸出電功。從向心透平出口 排出的煙氣有較高的溫度，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鳎谛D(zhuǎn)催化回?zé)崞髦?，加熱?jīng) 離心壓氣機加壓的低熱值燃?xì)?，最后排入大氣。旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞骷扔袑Φ蜐舛热?氣加熱的功能，又有低熱值燃料的催化燃燒功能。進(jìn)入催化回?zé)崞鞯牡蜐舛热細(xì)?先在蜂窩狀蓄熱體前段，加熱到催化燃燒起燃溫度，然后進(jìn)入后段蜂窩狀蓄熱體 進(jìn)行催化燃燒，經(jīng)過一段時間蜂窩狀蓄熱體旋轉(zhuǎn)一定角度，再重復(fù)進(jìn)行下一輪工 作。在整個循環(huán)過程中，低濃度燃?xì)獠粩噙M(jìn)入空氣過濾器，同時，系統(tǒng)不斷向用 戶輸出電能，從而實現(xiàn)利用低濃度燃?xì)獍l(fā)電。
本發(fā)明的燃?xì)廨啓C可以利用低熱值燃?xì)夂吭?.5% 5%之間，燃料熱值 約在0. 3 2MJ/醒3之間的低濃度甲烷燃料，整個機組可以實現(xiàn)的有效功率可以 從幾十千瓦到幾千千瓦。
以1. 5%甲烷濃度的燃?xì)?00KW級的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C為例，燃?xì)廨?機轉(zhuǎn)速在6000 60000轉(zhuǎn)/分之間，離心壓氣機的壓縮比在2 5之間，向心透平 的膨脹比在2 5之間，減速齒輪箱的轉(zhuǎn)速比為2 10，旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝唾|(zhì)量流 量0. 3 30Kg/S、最大進(jìn)氣壓力4. Obar。
本發(fā)明可采以下實施步驟來實現(xiàn)效果
1.1.5X甲烷濃度的超低熱值燃?xì)饨?jīng)過空氣過濾器除掉粉塵等，溫度為300K， 一個大氣壓(l.Obar)進(jìn)入離心壓氣機。
2.低熱值燃?xì)庠陔x心壓氣機內(nèi)壓縮到約3.0bar左右，溫度上升到約420K，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鳌?br> 3. 燃?xì)庠诜涓C蓄熱體內(nèi)換熱，加熱到催化反應(yīng)所需的溫度大約750K左右， 再進(jìn)入蜂窩蓄熱體后段催化燃燒，溫度上升到大約1150K，由于有約0.01bar的 壓力損失，工作壓力略有下降。
4. 從旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞒鰜淼母邷馗邏簹怏w工質(zhì)進(jìn)入向心透平，推動向心透 平做功，氣體在向心透平內(nèi)膨脹做功后溫度下降到約880K,壓力約高于一個大 氣壓。
5. 再利用排出的較高溫尾氣回到旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞骷訜嵝碌?.5%甲烷濃度 的燃?xì)?，最后排入大氣的尾氣溫度約為500K。
6. 旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞骷燃訜岬蜐舛热細(xì)庥诌M(jìn)行催化燃燒，經(jīng)過一段時間蜂窩 狀蓄熱體旋轉(zhuǎn)一定角度，再重復(fù)進(jìn)行下一輪工作。
本發(fā)明采用包括井口伴生氣、煤層氣、水煤氣、沼氣或鋼鐵、化工、礦物燃 料等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低熱值燃料，都可以被回收并通過催化燃燒方式加以充分 的利用。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)的有效功率可以從幾十千瓦到幾千千瓦。


圖1旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C系統(tǒng)示意圖中離心壓氣機l、向心透平2、旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?、發(fā)電機4、減速齒輪 箱5、啟動燃燒室6、電力控制柜7、空氣過濾器8、第一聯(lián)軸器9、第二聯(lián)軸器 10、啟動燃料閥ll、第一軸承12、第二軸承13;
圖2旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞魇疽鈭D中蜂窩蓄熱體14、左蓋板15、右蓋板16、燃?xì)膺M(jìn)入管17、燃?xì)饬鞒龉?18、煙氣進(jìn)入管19、煙氣流出管20。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實施例。
如圖1所示，所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C系統(tǒng)包括離心壓氣機l、向 心透平2、旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?、發(fā)電機4、減速齒輪箱5、啟動燃燒室6、電力控 制柜7、空氣過濾器8、第一聯(lián)軸器9、第二聯(lián)軸器10、啟動燃料閥ll、第一軸
6承12、第二軸承13、蜂窩蓄熱體14、左蓋板15、右蓋板16、燃?xì)膺M(jìn)入管17、 燃?xì)饬鞒龉?8、煙氣進(jìn)入管19和煙氣流出管20，其中發(fā)電機4軸與減速齒輪 箱5的低速軸通過第二聯(lián)軸器10連接；減速齒輪箱5的高速軸與離心壓氣機1 軸通過第一聯(lián)軸器9連接；離心壓氣機l、向心透平2共用相同的軸，并通過第 一軸承12和第二軸承13支撐?？諝膺^濾器8入口與低熱值燃?xì)庠赐ㄟ^管道連接， 過濾器8出口與離心壓氣機1入口通過管道連接；離心壓氣機1與旋轉(zhuǎn)催化回?zé)?器3之間沒有位置限定，離心壓氣機1出口與旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?的燃?xì)膺M(jìn)入管 17通過管道連接；旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?內(nèi)有蜂窩蓄熱體14，后段蜂窩蓄熱體表層 有催化劑，經(jīng)過一段時間旋轉(zhuǎn)一定角度；旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?與向心透平2之間也 沒有位置限定，旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?的燃?xì)饬鞒龉?8與向心透平2入口通過管道 連接；而向心透平2出口與旋轉(zhuǎn)回?zé)崞?的煙氣進(jìn)入管19通過管道進(jìn)行連接； 啟動燃料閥U入口與啟動燃料源通過管道連接，啟動燃料閥11出口與啟動燃燒 室6入口通過管道連接；啟動燃燒室6出口與旋轉(zhuǎn)催化燃燒室3的燃?xì)膺M(jìn)入管 17通過管道連接。
所述的離心壓氣機1與向心透平2為同軸設(shè)置，轉(zhuǎn)速相同，所述的轉(zhuǎn)速在 6000 60000轉(zhuǎn)/分之間；
所述的離心壓氣機1的壓縮比在2 5之間； 所述的向心透平2的膨脹比在2 5之間； 所述的減速齒輪箱5的轉(zhuǎn)速比為2 10。
如圖2所示，所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?的燃?xì)膺M(jìn)入管17和煙氣流出管20通 過焊接方式連接在左蓋板15上，燃?xì)獬隹诠?8和煙氣入口管19通過焊接方式 連接在右蓋板16上，左蓋板15與右蓋板16之間為蜂窩蓄熱體14，蜂窩蓄熱體 14可以旋轉(zhuǎn)，其后段表層有催化劑，既對低濃度燃?xì)饧訜嵊诌M(jìn)行催化燃燒。左 蓋板15、右蓋板16與外殼通過法蘭進(jìn)行連接。
所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?的質(zhì)量流量0. 3 30Kg/S、最大進(jìn)氣壓力4. 0bar， 可以利用低熱值燃?xì)夂吭?. 5% 5%之間，燃料熱值約在0. 3 2MJ/NM3之間 的低濃度甲烷燃料。
如圖1所示的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C系統(tǒng)，由發(fā)電機4 (啟動時發(fā)電機4 用作電動機)通過減速齒輪箱5帶動離心壓氣機1達(dá)到較高轉(zhuǎn)速，通過過濾器8過濾的低熱值燃?xì)庠陔x心壓氣機l內(nèi)壓縮后，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?。當(dāng)離心壓 氣機1到一定轉(zhuǎn)速后啟動燃料閥11打開，啟動燃燒室6點火，高溫氣體進(jìn)入旋 轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?，加熱蜂窩狀蓄熱體9到一定溫度后關(guān)閉啟動燃燒室6，發(fā)電機 4由電動機模式切換回發(fā)電機模式，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作。在正常工作狀態(tài)低熱值 燃?xì)庠谛D(zhuǎn)催化回?zé)崞?內(nèi)與向心透平2排出的高溫氣體進(jìn)行熱交換，吸收大量 的熱，溫度升高到催化工作溫度，進(jìn)入后段催化燃燒，在催化燃燒段進(jìn)行催化燃 燒，之后高溫高壓的氣體進(jìn)入向心透平2內(nèi)膨脹做功，向心透平2輸出的旋轉(zhuǎn)功 通過減速齒輪箱5帶動發(fā)電機4發(fā)電。電力控制柜7在啟動時控制發(fā)電機4 (啟 動時用作電動機)地轉(zhuǎn)速，發(fā)電時控制發(fā)電電力參數(shù)和并網(wǎng)。
超低濃度燃?xì)膺M(jìn)入旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?，先在蜂窩蓄熱體14的換熱段，加熱 到催化燃燒起燃溫度，再進(jìn)入催化燃燒段變成高溫?zé)煔?，蜂窩蓄熱體14工作時 轉(zhuǎn)動。
本實施例所述系統(tǒng)可采用包括井口伴生氣、煤層氣、水煤氣、沼氣或鋼鐵、 化工、礦物燃料等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低熱值燃料，都可以被回收并通過催化燃燒 方式加以充分的利用。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)的有效功率可以從幾十千瓦到幾千千 瓦。
權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征在于，包括空氣過濾器、離心壓氣機、旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?、向心透平、減速齒輪箱、發(fā)電機、啟動燃料閥、啟動燃燒室和若干個聯(lián)軸器，其中空氣過濾器輸出接口連接離心壓氣機，離心壓氣機出口與旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯睦淞黧w入口相連，旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯睦淞黧w出口連接透平，透平的出口連接旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯臒崃黧w入口，離心壓氣機的輸出軸通過聯(lián)軸器和減速齒輪箱相連接，減速齒輪箱又通過聯(lián)軸器和發(fā)電機軸相連接，減速齒輪箱與離心壓氣機通過聯(lián)軸器連接，啟動燃料閥的入口與啟動燃料源通過管道連接，啟動燃料閥的出口與啟動燃燒室的入口通過管道連接，啟動燃燒室的出口與旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯娜細(xì)膺M(jìn)入管通過管道連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征是，所述的離心壓氣機與向心透平為同軸設(shè)置，轉(zhuǎn)速相同，所述的轉(zhuǎn)速在6000 60000 轉(zhuǎn)/分之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征是， 所述的離心壓氣機的壓縮比在2 5之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征是， 所述的向心透平的膨脹比在2 5之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征是， 所述的減速齒輪箱的轉(zhuǎn)速比為2 10。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征是， 旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞靼ǚ涓C蓄熱體、左蓋板、右蓋板、燃?xì)膺M(jìn)入管、燃?xì)饬鞒龉?、煙氣進(jìn)入管和煙氣流出管，其中燃?xì)膺M(jìn)入管和煙氣流出管連接在左蓋板上，燃?xì)獬隹诠芎蜔煔馊肟诠苓B接在右蓋板上，左蓋板與右蓋板之間為蜂窩蓄熱體，蜂 窩蓄熱體后段表層有催化劑，左蓋板、右蓋板與外殼通過法蘭進(jìn)行連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，其特征 是，所述的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞鞯馁|(zhì)量流量0.3 30Kg/S、最大進(jìn)氣壓力4.0bar。
全文摘要
一種火力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)催化回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C發(fā)電裝置，包括空氣過濾器、離心壓氣機、旋轉(zhuǎn)催化回?zé)崞?、向心透平、減速齒輪箱、發(fā)電機、啟動燃料閥、啟動燃燒室和若干個聯(lián)軸器。本發(fā)明不需要點火燃燒，通過催化燃燒方式，采用離心壓氣機、向心透平，充分回收并利用低熱值燃料，在降低環(huán)境污染的同時，盡可能緩解一部分能源危機，而且整個過程簡單易行，潔凈環(huán)保，安全可靠。
文檔編號F02C7/22GK101566102SQ200910052468
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者翁一武, 翁史烈, 彬 鄭, 偉 顧 申請人:上海交通大學(xué)