第２５卷第３期热能动力工程Ｖ０１．２５，Ｎｏ．３２０１０年５月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＮＧｌＮＥＥＲＩＮＧＦＯＲＴＨＥＲＭＡＬＥＮＥＲＧＹＡＮＤＰＯＷＥＲＭａｙ，２０１０，一＋４。＋。＋‘＋。＋、ｔ专题综述ｔ文章编号：１００１—２０６０（２０１０）０３－０２４９—０５、－＋－＋－．．一＋一＋－．＋－一贫燃催化燃烧燃气轮机的研究进展尹娟，翁一武（上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０）摘要：超低热值燃气（ＵＬＨＶＦ）种类１５００℃，接近熄火的燃烧将造发电系统中，有效利用这一资源，繁多，总量非常巨大。ＵＬＨＶＦ甲烷浓成低燃烧效率、未完全燃烧气体将其转变成热能或电能，节能减度ｌ％～５％，很难点火燃烧，直接排放的高排放。催化燃烧甲烷可以在排所产生的效益必将十分显到大气中。造成环境污染。催化燃烧是处理ｕＬＨＶＦ最有效的燃烧方法：低温下进行，同时，催化燃烧可以著［２。】。因此，催化燃烧技术在对催化燃烧机理及其燃气轮机催化燃在不降低甲烷转化率的前提下实燃气轮机中的应用受到工业界和烧的研究现状进行了综述，总结了燃现未燃烧碳氢化合物（ＵＨＣ）、ＣＯ研究者的充分重视。气轮机催化燃烧和燃气轮机贫燃催化和ＮＯｚ等污染物的超低排放甚ＶａｉｌｌａｎｔＳＲ等人开发了一燃烧的技术关键点，介绍了燃气轮机至零排放…。催化燃烧是一项种催化燃烧锅炉［４Ｊ。该催化燃贫燃催化燃烧系统、部件工作特性等环境和能源共同驱动的燃烧技烧锅炉的燃烧器由涂有催化剂的方面的研究成果。指出了燃气轮机催化燃烧、燃气轮机贫燃催化燃烧的不术。近年来，催化燃烧在很多动两层金属蜂窝结构体组成，两层足以及解决方案。提出了后续工作的力系统领域得到了广泛应用，比结构体呈径向排布。燃气和空气发展方向。燃气轮机贫燃催化燃烧的如燃气轮机、锅炉。预混后在第一层扩散流动，在第研究进展包括：贫燃催化燃烧特性的受催化剂活性失效温度的限二层点燃，催化剂附着在第二层数值模拟与试验验证；系统中叶轮机制，催化燃烧的最高燃烧温度在末端ｌｍｍ处。此催化燃烧炉在械部件的设计及性能分析；催化燃烧１２００一ｌ３００℃。和燃气轮机的试验条件下未检出有ＮＯ扑ＣＯ对系统特性影响的分析。传统燃烧方式相比，催化燃烧燃和ＣＨ。排放。可以应用于家庭关键词：催化燃烧；燃气轮机；超气轮机不需要冷却，减少了能量的采暖Ｈ１。低热值燃气；贫燃催化燃损失。同时，催化燃烧是处理超燃气轮机贫燃催化燃烧烧：压气机低热值燃气（ＵＬＨＶＦ）的最有效（ＬＣＣＣＴ）是上海交通大学和澳中图分类号：ＴＫ４７９的燃烧方法。ＵＬＨＶＦ包括煤矿大利亚联邦研究院共同开发的新文献标识码：Ａ通风瓦斯，部分低热值沼气、秸秆型动力系统，该燃气轮机系统以ＣＨ。浓度大约ｌ％的煤矿通风瓦引言气等生物质气和钢铁、化工、矿物燃烧生产过程中产生的低热值燃斯气（ＵＬＨＶＦ的一种）作为主燃天然气的主要成分是甲烷，气如高炉煤气。ＵＬＨＶＦ大量存料，以催化燃烧室作为唯一的燃甲烷氢碳比最高，在所有烃类物在，其中甲烷的含量在ｌ％～烧装置。对系统关键部件特性及质燃烧巾占有绝对优势。但是甲５％，这类燃气通常很难点火燃整机工作特性进行了全面的计烷高效燃烧的火焰温度通常高于烧，很多直接排放到大气中。甲算、试验及分析。ｌ６００℃。在如此高的温度下燃烷的温室效应是二氧化碳的２３倍，直接排放ＵＬＨＶＦ，将造成严１催化燃烧烧天然气，很容易离解空气，将氮气氧气直接化合，必然导致氮氧重的环境污染。若将ＵＬＨＶＦ作１．１甲烷催化燃烧反应机理与化物的产生。如果火焰温度低于为能源应用于催化燃烧燃气轮机数学模型收稿日期：２００９一０３—１０；修订日期：２００９—０６—２３基金项目：国家自然科学基金资助项目（９０６１００３９）；国家８６３高技术基金资助项目（２００７ＡＡ０５２１３４）作者简介：尹娟（１９７９一），女，河北沧州人，上海交通大学博士研究生．万方数据·２５０·１．１．１甲烷催化燃烧的反应机理甲烷的燃烧机理为：ＣＨ４＋２０２＝Ｃ０２＋２Ｈ２０，△Ⅳｆ２９８、＝一８０２．７ｋＪ／ｍｏｌ上式是一个总的简化式，实际上的反应机理包括一系列的基本反应。甲烷燃烧时可能产生ＣＯ或ＣＯ：，这取决于燃烧前空气和甲烷的配比。比如可能发生：１ＣＨ４＋÷０２＝ｃｏ＋２Ｈ２０还可能会发生其它的反应：ＣＨ４＋Ｈ２０＝ＣＯ＋３Ｈ２，２Ｈ２＋０２＝２Ｈ２０ＣＯ＋Ｈ２０＝Ｃ０２＋Ｈ２催化燃烧整个过程是由甲烷和氧气扩散到催化剂表面、在催化剂表面发生反应、反应产物游离催化剂表面并扩散到通道中的多步化学过程组成。当考虑多步表面反应时，甲烷气体催化燃烧的动力学机理会变得非常复杂。Ｃｈｏｕ等人在对多通道整体式反应器甲烷催化燃烧的研究中使用了２３种不同的反应，将整个催化燃烧过程分为吸附、表面反应和解吸３个步骤【５Ｊ。１．１．２甲烷催化燃烧的数学模型Ｓａｊａ分别用Ⅳ一Ｓ模型、边界层模型和Ｐｌｕｇ．ｆｌｏｗ模型分析了甲烷催化燃烧的流动与化学变化过程帕ｊ。Ⅳ一５模型的前提假设条件较少，冈而结果比较可靠，但是计算费用较高。对于高雷诺数流动，利用边界层模型做计算可以得到精确的结果而且汁算费用不高。Ｐｌｕｇ．ｆｌｏｗ模型足最低廉的计算模型，但是保汪计算结果准确的应用范围较小。同时，传质系数不可避免地拓展了Ｐｌｏｗ—ｆｌｏｗ模型的应用范隔。１．２催化燃烧装置种类及结构１．２．１颗粒塞满填料床或流化床化学１＝业中很常见催化剂载万方数据热能动力工程２０１０伍体为颗粒状，如图１（ａ）所示。颗以得出贫燃催化燃烧的特点有：粒状结构可以为催化反应提供较（１）适合于贫燃催化燃烧的大的接触面积。颗粒载体通常南最优进口温度依赖于所选用的催更小的颗粒结构压缩制成，催化化剂活性和其它丁作条件，不同剂附着在小颗粒上。颗粒载体的催化剂和Ｔ作条件下，催化燃烧大小可以根据具体的反应要求及的起燃温度相差很大。提高进口工作条件确定。气流流过填料床温度能促进催化燃烧，但是如果或流化床通道，在颗粒载体表面进口温度过高，除了对催化剂活发生催化燃烧反应。反应具有较性产！ｉ二负ｆｆｉ『影ｎ向外，由于化学反好的绝热性，反应速率较高。若应迅速进行完毕，炯气在流道中颗粒载体的体积较大，将会阻碍流动，产生热损失，反而会降低｝｝；气流的扩散。解决这一问题可以口温度。将载体体积减小，数量增多，但会（２）工作压力直接影响到催增加气流的压力损失。此种催化化反应的速度。较高压力工况燃烧装置在处理汽车尾气污染时下，表面氧０（ｓ）分解缓慢，ｑ１烷较为常用…。浓度很低，与自由氧结合闲难．，甲烷转化被减缓，通道中气流温度升高缓慢。（３）高甲烷浓度Ｔ况下反应的起始时间比低浓度工况下要早。甲烷迅速转化，流道巾的气（ａ）颗粒状载体（ｂ）多道迫整体式绒体流温度较快上升，温度的上升有图１催化燃烧装置中载体助于氧气离解，参与反应氧增多，进一步促进催化燃烧反应。燃气中甲烷分子扩散到催化表面的速１．２．２多通道整体式度和概率随着甲烷浓度的降低而多通道整体式催化反应装置逐渐减小，闪此为了保证甲烷的南许多彼此隔离且与流动方向平完全转化，贫燃催化燃烧的进行行的细长通道组成，如图ｌ（ｂ）所必须要求在一定甲烷浓度之七。示。基体单元通道横界面形状可（４）贫燃催化燃烧对进口速以分为圆形、正方形、蜂窝形、交度的要求很严。流速过快，反应错波纹形等。多通道整体式反应物组分扩散速度加快，燃气与催器采用陶瓷或金属结构，催化剂化剂表面的接触时间减少，导致涂敷在基体结构内表面，催化反了催化燃烧反应不能充分进行，应发生在涂层上。与颗粒塞填料最终降低甲烷转化率；流速过慢，床式催化反应器相比，多通道整反应生成热不能及时传递到ｆｌｊ体式系统在处理相同流量的燃气口，降低催化燃烧室的丁作性能。时更加简便，压力损失较小，是目前最常Ｈｊ的催化燃烧反应装置。３燃气轮机催化燃烧（ＣＣＧ１Ｔ）的研究进展２贫燃催化燃烧的特点３．１燃气轮机催化燃烧技术关文献［２，８］中分析了进Ｌ１温键点度、压力、甲烷浓度、速度等丁作催化燃烧在燃气轮机ｆｌｌ廊Ｊｆｊ条件对贫燃催化燃烧的影响，可概念南ＰｆｐｆｆＰｒｌＰ在２０ｆ｝】＝纪７０年第３期尹娟，等：贫燃催化燃烧燃气轮机的研究进展·２５ｌ·代提ｆｆ｛９‘。目前，已有大量的文献及综述文章报道。归纳催化燃烧燃７毛轮机技术的关键，要确保以下３点，３．１．１燃烧稳定性来自于燃气轮机系统１１１压气机Ｉ｝｛｛【］或【丌１热器出【１气体的温度必须达到催化燃烧的起燃温度。同时，尽量保持通人燃气低流速流动以保证催化反应的高转化率。３．１．２催化剂活性的热稳定性催化剂的活性直接决定化学反应速率，在催化燃烧反臆ｌｆｌ要通过控制燃气流量渊整反廊温度，防止催化剂活性降低、腐蚀、老化，３．１．３基体结构及催化剂负载材质的热稳定性反应装置ｆ｝Ｉ基体结构及催化剂负载的选材要自．很强的耐高温性，保证催化反心的顺利进行。３．２催化燃烧燃气轮机的研究进展Ｐｆｅｆｆｅｒｌｅ对稳定催化燃烧及催化装置的没计做了综述。９｜。来自于压气机ｆ｝｛口或回热器出口的气体经过催化燃烧反应后，温度上升，高温气体在涡轮内做功带动发电机发电。催化燃烧燃气轮机的主要形式以及技术分类如下。３．２．１主要形式催化燃烧燃气轮机可以分为完全催化燃烧和混合催化燃烧两种。对于前者，燃烧反应主要发生在催化剂表面；对于后者，催化燃烧只是燃烧反Ｊ缸的巾问过程，催化燃烧后气体温度上升保证后面的气相燃烧反应的进行。３．２．１．１完伞催化文献［１０］中定量分析ｒ一套完全催化燃烧系统，如图２所示，在催化燃烧装置的前端设置万方数据了常规燃烧事，在系统的起动阶段以及催化燃烧进Ｕ温度较低ｆＩ寸钦碳化硅预热气体。催化燃烧装置后端的旁通阀町以根据系统的丁作特性及时调整进入涡轮的气体温度。３．２．１．２混合式催化文献［１］提到了一套混合式鳓◎蓦、期赭剌一堇百嗣踊雠繇催化燃烧系统。如图３所示，系图４新型催化剂负载体结构统分为预燃混合区、低温度催化燃烧区和气棚燃烧区。在燃烧装弛地叠在一起，这样热应力就大置进ｕ通入空气，在床层喷射主大减小了¨…。同时，为了保证燃燃料，经过催化燃烧区发生反应气与空气混合的均匀性，Ｏｚａｗａ后，燃气迸人气相燃烧区，未完全提＿｝ｌ；了新型的预混装置，如图５反应的ＵＨＣ或ＣＨ。完全氧化燃所示，包括金属壁面内通道和喷烧，最终气体温度足以推动涡轮嘴。燃料从内通道通入经喷嘴喷转动。‘露耄酗射，在预热器中被加热到一定温度后，与空气混合，混合物扩散到———一Ｉ：、３勋℃催化剂表面发生催化燃烧反应…ｊ。在甲烷催化燃烧过程中；＼旁通阀所用催化剂存在两个关键问题：主燃料催化燃烧器热稳定性和低温活性。Ｐｄ、Ｐｌ、图２完全催化燃烧系统Ｒｈ、Ａｕ等负载型贵金属是传统的甲烷低温催化燃烧催化剂，具有优良的低温起燃活性和催化性能。但贵金属催化剂价格昂喷入主燃料预混区域辅助燃料商温世气贵、易烧结，金属氧化通人透平物催化剂近年来吸引图３混合催化燃烧系统了研究者广泛的注意力，尤其是钙钛矿型３．２．２技术分类金属氧化物催化剂。该类催化剂当前对催化燃烧燃气轮机的已经广泛地应用于甲烷催化燃研究主要分为：反应器结构及燃烧。如何提高催化剂的比表面积气进入方式的创新；高效催化剂以及活性相和载体之间的协同效物性的探求；边界条件对催化燃应，催化剂的制备方法尤为重烧特性影响的分析等３个方面。要【ｌ２｜。清华大学钟北京老师课图４是一种新型的催化剂负题组一直联合使用ＣＦＤ软件、载体结构。高温工况下陶瓷材料Ｆｌｕｅｎｔ和化学反应动力学软件的负载体同堇青石负载体相比，ＤＥＴＣＨＥＭ对甲烷一空气混合物机械强度低、耐热击能力差，会被在微燃烧器内的催化燃烧进行了挤压变形。罔中的结构可以很好数值模拟，分析了不同边界条件地解决这一Ｉ．玎Ｊ题，其巾的每一部对甲烷催化燃烧的影响¨“。分无论足在轴向还是在径向都松·２５２·热能动力工程度压力上升后经回热器换热。温度达到催化燃烧的起燃温度后．在催化燃烧室内进行催化燃烧反应，高温的烟气通人透平做功发电。系统的起动阶段需要常规燃烧室预热气体。由于ＬｃＣＧＴ与常规燃气轮机存在着很大的不同，在设计和运行过程中需要注意以下问题：（１）ＵＬＨＶＦ的流量具有波动性，而且热值很低，在试验阶２０１０年压力将延缓催化反应速度，在通道不够长或者催化剂的量不够多时，有可能反应不完全；在压力增加的情况下，增加催化剂负载量或提高进口温度，会在一定程度上弥补压力的延缓作用。（３）进口流速（或流量）对贫燃催化燃烧反应的影响很大，其增加将导致低转化率，降低出口温度，甚至导致熄火。（４）虽然进口温度以及当量比（或甲烷浓度）的增加对反应能起到一定的促进作用，但是工作温度要保证在其催化剂失活的温度以内。４．２．２叶轮机械的设计及性能分析贫燃工况下，工作压力直接影响到催化反应的速度、催化剂的活性。常规燃气轮机系统燃用中低热值燃料时，除燃烧室需做一定的改动以适应燃料变化外，还需要通过适当减小压气机通流面积或增大透平通流面积的措施确保燃气轮机安全运行不发生喘振。由于ＬＣＣＧＴ系统中的燃气不是通入燃烧室，而是直接通人压气机进行增温增压，在催化燃烧室中不再额外添加燃料，与常规燃气轮机工艺流程明显不同。因此，必须设计开发一种新的离ｊ心压气机，实现与催化燃烧室、透平工作性能的匹配。由于燃料热值比较低，与同输出功率常规燃气轮机相比，ＬＣＣＧＴ系统中燃料的质量流量必然有所增加，导致通过压气机的质量流量增加，从而要求压气机的通流面积要较同输出功率的常规燃机系统中压气机的通流面积大。压气机的通流面积大，则叶轮的出口直径相对较大，出于对压气机工作的稳定性考虑，叶片出口宽度不易过大。因此，新压气机叶轮的出口宽径比相对较４燃气轮机贫燃催化燃烧（ＬＣＣＧＴ）的研究进展ＬｃＣＧＴ是上海交通大学和澳大利亚联邦研究院共同开发的新型动力系统，以含ｌ％ＣＨ。浓度的煤矿通风瓦斯气（ＵＬＨＶＦ的一种）作为主燃料，研究燃机系统的热力特性和工作特性。这套系统适用于其它超低热值燃料燃气轮机。‘◆蓄蓁器万方数据第３期尹娟，等：贫燃催化燃烧燃气轮机的研究进展·２５３·小。根据Ｂａｌｊｅ的分析，高效离心压缩机的比转速一般在０．６２—１．０８之间，因此对于微型燃机系统中的压气机来说，为使其比转速在高效范围内，一般均采用高转速¨引。因此，低宽径比高比转速是ＬＣＣＧＴ系统中压气机结构的特点。根据ＬＣＣＧＴ压气机结构的特点，设计了低出口宽径比高比转速压气机叶轮，并进行出厂性能试验。利用数值计算和试验两种方法预测了其工作性能。对比结果，可以得出：试验结果与数值计算结果基本吻合。该压气机在全１二况下达到设计要求；随着转速的增加，此压气机压比特性线在小流量区增长的趋势越来越大；采用低宽径比高比转速设计带来的负面作用是提高了叶尖相对马赫数。４．２．３催化燃烧对ＬＣＣＧＴ系统特性影响的分析在分析ＵＬＨＶＦ在各种工作条件（不同进口温度、不同工作压力、不同进口速度、不同体积浓度）下的催化燃烧特性的基础上，进一步分析催化燃烧对ＬＣＣＧＴ系统特性的影响。即研究催化燃烧转化率、压气机压比、透平进口温度、燃料流量、浓度对燃气轮机系统特性的影响。５ＣＣＧＴ及ＬＣＣＧＴ存在的问题及解决方案ＣＣＧＴ及ＬＣＣＧＴ与常规燃气轮机相比存在着很多优点，同时也可能存在一定的问题。（１）在系统起动工况以及部分负荷工况，来自于回热器出口的气流温度未能达到催化燃烧的起燃温度，造成系统不能正常工作。因此系统中要设置辅助燃烧室（常规燃烧室）以及高浓度燃料系统，必要时及时切换保证系万方数据统的稳定工作。［２］尹娟，翁一武．煤矿通风瓦斯燃气（２）催化剂的活性是系统稳轮机巾的催化燃烧特性分析［Ｊ］．动定工作的重要保证。由于贵金属力丁程，２００９。２９（２）：１０４—１１０．［３］尹娟，翁一武．燃用低浓度煤矿通催化剂使用受温度限制，超过其风瓦斯的燃气轮机系统及性能分析许用温度将造成催化剂失效，抑ｆＪ］．现代电力，２００７．２４（５）：６８—７１．制催化反应的进程。因此在催化［４］ＶＡＩｌ。ＬＡＮＴＳＲ．ＧＡＳＴＥＣＡＳ．Ｃａｔａｌｙｔ－燃烧室的设计准备阶段，要筛选ｉｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ砷ａｄｏｍｅｓｔｉｃｎａｔｕｒａｌｇａｓ高效、耐老化、耐侵蚀的催化剂。ｂｕｍｅｒ［Ｊ］．ＣａｔａｌｙｓｉｓＴｏｄａｙ，１９９９，４７（１—４）：４１５－４２０．６发展方向［５］ＣＨＯＵＣＰ，ＣＨＥＮＪＹ，ＥＶＡＮＳＧＨ，ｅｔａ１．ＮｕＩＩ坨ｒｉｃａｌｓｔｕｄｉｅｓｏｆｍｅｔｈａｎｅｃａｔａｌｙｔ－节能减排的需求使得催化燃ｉｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｓｉｄｅｍｏｎｏｌｉｔｈｈｏｌｌｅｙ－ｃｏｍｂｒｅａｃｔｏｒｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉ·ｓｔｅｐｓｕｒｆａｃｅ№烧在工业应用中发挥越来越重要ａｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ的作用，是一种很有前景的新型Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，１５０（１－６）：２７—５７．燃烧技术。由于ＵＬＨＶＦ的大量［６］ＲＡＪＡＬＬ，ＫＥＥＲＪ，ＤＥＵＴＳＣＨＭＡＮＮＢ存在，贫燃催化燃烧技术的研究Ｏ．ｄａＩ．ＡｃｒｉｔｉｃａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＮａｉｌｅｒ－有深远的意义。ＬＣＣＧＴ系统的Ｓｔｏｋｅｓ。ｂｏｕｎｄａｒｙ－ｌａｙｅｒ，ａｎｄｐｌｕｇ－ｆｌｏｗｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗａｎｄｃｈｅｍｉｓｔｒｙｉｎ研究较常规燃气轮机的研究更具ｃａｔａｌｙｔｉｃ．ｃｏｍｂｎｓｄａｎｍｏｎｏｌｉｔｈ［Ｊ］．Ｃａｔａｌ·挑战性，也需要研究者进一步探ｙｓｉｓＴｏｄａｙ，２０００，５９（１－２）：４７—６０．索完善。主要有以下几个方向：［７］ＨＡＹＥＳＲＥ，ＫＯＬＡｃｚＫＯｗｓＫＩｓＴ．（１）目前ＬＣＣＧＴ系统热效Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃａｔｕｌｙｔｉｃｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ率较低，希望能够设计出更节能【Ｍ］．Ａｕｓｔｒａｌｉａ：ＧｏｒｄｏｎａｎｄＢｒｅａｃｈＳｃｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ。１９９７．的热力系统流程，提高系统热效［８］ｓｕｓ．ＡＧＮＥｗＪ．Ｃａｔ丑ｌｙ６ｃｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ率与发电效率；．ｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｓｉｒｍｅｔｈａｎｅ（２）为确保整机试验的顺利［Ｊ］．Ｆｕｅｌ，２００６，８５（９）：１２０１—１２１０．进行，ＬＣＣＧＴ系统催化燃烧室还［９］ＰＦＥＦＦＥＲＬＥＷＣ．Ｃａｕｄｙｔｉｃａ］ｌｙ．鞭ｌｐ叫ｔｅｄｔｈｅｒｍａｌ是保守采用贵金属做催化剂。为ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ【Ｐ】．ＵＳ：３９２８９６１．１９７５．降低成本，需要研制新型催化剂［１０］ＳＡＤＡＭＯＲＩＨ，ＴＡＮＩＯＫＡＴ，ＭＡＴＳＵ－作为贵金属催化剂的替代；ＨＩＳＡＴ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ０ｆｈｉｇｈ—ｔｅｒｎ－（３）ＬＣＣＧＴ的整机试验台ｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃａｔａｌｙｓｔｓｙｓｔｅｍ在试验起动阶段，还是通过手动ａｎｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｃａｔａｌｙｔｉｃｃｏｍｂｎｓｔｏｒｂｉｎｅｔｅｓｔ调节阀来实现双燃料切换。双燃ｒｅｓｕｌｔｓ【Ｊ】．ＣａｔａｌｙｓｉｓＴｏｄａｙ，１９９５，２６（３—４）：３３７—３４４．料伺服控制系统的实现有待于进［１１］ＯＺＡＷＡＡＹ．ＦＵＪＩＩＡＴ，ＳＡＴＯＡＭ．一步开发；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃａｔａｌｙｔｉｃａｌｌｙａｓｓｉｓｔｅｄ（４）除了在设计阶段保证ｃｏｍｂｕｇｔｏｒｆｏｒｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ［Ｊ】．Ｃａｔａｌｙ—ＬＣＣＧＴ部件具有良好的工作特性ｓｉｓＴｏｄａｙ，１９９９，４７（１－４）：３９９—４０５．【１２］严河清。张甜，王鄂风，等．甲烷催外，对于系统运行中的各部件匹化燃烧催化剂的研究进展［Ｊ］．武汉配、动态调节还需要进一步研究。大学学报，２００５，５１（２）：１６１—１６５．［１３】钟北京．洪泽恺．微燃烧器内甲烷催参考文献：化燃烧的数值模拟［Ｊ］．热能动力工［Ｉ］ＧＩＡＮＰＩＥＲＯＧＲＯＰＰＩ，ＥＮＲＩＣＯＴＲＯＮ·程．２００３．１８（６）：５８４—５８８．ＣＯＮＩ，ＰｉＯＦＯＲＺＡＴＩ＇Ｉ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ［１４］花严红，袁卫星，袁修干．等．微小流ｃａｔａｌｙｔｉｃｃｏｍｂｕｓｔｏｒｓｆｏｒｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ量离心压缩机叶轮流场性能模拟计ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｈｉｇｈｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄ—算［Ｊ］．航空动力学报，２００８，２３ｅｌａｎａｌｙｓｉｓ【Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＣａｔａｌｙｓｉｓＡ：（１０）：１８０６—１９０２．Ｇｅｎｅｒａｌ，１９９６，１３８（２）：１７７—１９７．（编辑孙显辉）贫燃催化燃烧燃气轮机的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
尹娟， 翁一武， YIN Juan， WENG Yi-wu
上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200240热能动力工程
JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER2010，25(3)0次
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1.学位论文 王艳杰 超低热值燃料催化燃烧燃气轮机系统特性研究 2007
根据发热量的大小将气体燃料分为高热值、中热值、低热值三大类，而低热值中又将发热量小于1MJ/m3的称为超低热值类。超低热值燃气燃料种类繁多，总量非常巨大（包括煤矿通风气、煤层气、水煤气、沼气、秸秆气等生物质气和钢铁、化工、矿物燃料生产过程中产生的超低热值燃气），但是在通常情况下不能点火燃烧，实际利用情况不甚理想，绝大多数超低热值燃料被丢弃，不但能源浪费惊人，而且严重环境了污染。
针对超低热值燃料热值低、无法点火燃烧的特点，本文提出一种超低热值燃料催化燃烧燃气轮机思想，采用无火焰催化燃烧的方式将超低热值燃料催化氧化后得到高温高压的烟气，再利用其推动燃气轮机工作发出有效功。利用该技术可从现行人类活动中回收超低热值燃料中80％～90％的能量，这不论是在国内还是在世界上都是一项先进的技术。在当今全世界的能源危机和环境污染都异常严峻的时刻，发展超低热值燃料催化燃烧燃气轮机技术，具有极其重要的经济意义和社会意义。
本课题的研究立足于利用1％甲烷浓度的超低热值燃气，对这种新型的催化燃烧燃气轮机系统进行研究。这种超低热值燃料催化燃烧燃气轮机系统有以下主要特点：燃气甲烷浓度很低，而且变动很大；燃烧时不需要加入助燃空气；采用蜂窝状催化燃烧室，Nox排放量很低，燃烧室阻力压力变动很大；工质流量很大，是同等级常规燃气轮机工质流量的5-10倍左右。从本质上讲，以上特点对这种新型燃气轮机系统的热力特性动态有很大影响，主要部件（压气机、燃烧室、回热器和透平等）之间的相互匹配关系也变得更复杂。
本课题结合了科技部国际合作项目、上海交大－澳大利亚联邦科学研究院国际合作项目、上海市科委项目三个重要课题的研究工作，主要完成了以下几部分的工作：
首先，依据这种新型燃气轮机思想，在已有的大量研究工作的基础上，分析其运行原理和技术关键点，在催化燃烧实验的基础上比较了此新型燃气轮机与传统燃气轮机的异同点。
其次，分析超低热值燃料催化燃烧燃气轮机各组成部分的静态方程，针对此燃气轮机自身特点对其稳态热力计算方案做出调整，明确了稳态热力计算的具体方案。给定稳态热力循环计算的参数变化范围，得到不同参数值下的超低热值燃料催化燃烧燃气轮机的热力循环参数。对所得数据进行分析，获得了超低热值燃料中甲烷浓度对燃烧室出口温度的影响、循环温比对机组循环热效率的影响、甲烷浓度对机组循环热效率的影响、压气机压比对机组循环热效率的影响，通过对这些影响关系的分析比较，得到此超低热值燃料催化燃烧燃气轮机设计点工况的各状态点参数。
再次，根据热力循环计算得到的超低热值燃料催化燃烧燃气轮机设计工况下的热力运行参数，对超低热值燃料催化燃烧燃气轮机主要工作部件
――压气机和透平进行结构参数和气动参数设计，最后基于商业软件NREC得到压气机和透平各自的特性曲线。
最后，对超低热值燃料催化燃烧燃气轮机进行动态特性仿真模拟。基于准定常假设，采用模块化建模的方法，对燃气轮机以各部件为单位进行拆分后，分别建立起各自的数学模型，各部件模型中包含有相应的特性方程，将各部件模型按照实际的系统结构连接成流体网络，建立起系统的流体网络模型，依据模型对各部件的特性变量(主要是进、出口压力、稳定和流量)，也是系统变量进行整体仿真。以模型为基础，在仿真过程中分别考察在负荷阶跃减少和阶跃增加时机组各特性参数的随动变化情况，从整体上把握此燃气轮机在变工况时的工作特性。再依据此模型得到额定工况下机组稳定后的各状态点参数值，将所得结果与前述稳态热力计算得到的额定工况参数值相比较，以此验证该数学模型的准确性和可靠性。
综上，本文对超低热值燃料催化燃烧燃气轮机这种新型动力循环装置进行了结构、原理及技术关键点分析，进行了稳态热力循环性能计算、对其压气机和透平等主要部件进行了结构和气动特性设计、最后对其变工况下的动态特性进行仿真模拟，通过这些工作为此新型燃气轮机的进一步研究设计甚至产业化打下了坚实的基础。
2.会议论文 Su S.Beath A C.Mallett C W.翁一武.陈汉平 以矿井乏风为燃料的催化燃烧燃气轮机的开发 2003
CSIRO正在开发一种利用矿道通风中所含甲烷进行催化燃烧产生热量驱动燃气轮机的新技术,该技术在热力学上不但是可行的,而且同其他技术相比,它具有更高甲烷利用率的潜在优势.这种催化透平不但能降低矿井乏风中甲烷的含量,还可以利用甲烷氧化过程排放的能量来发电.本文主要概述了建立在甲烷催化燃烧实验结果之上的1％含量甲烷催化燃气轮机系统的研发情况以及矿道通风现场应用的设计准则,重点叙述了在澳大利亚两个矿井运行1％含量在超过一年时间的运行情况的技术和经济层面上结果,并同1.6％甲烷催化燃气轮机进行了比较.文章还同时叙述了甲烷排放的特性.通风流量波动时,为了维持燃气轮机的正常运转是需要补充燃料的,1％甲烷催化燃烧有效地减少了此时所需的补充燃料供给量,而且1％甲烷含量看来也是矿道通风中一个合适的含量.由于这种燃气轮机在低温和低压比下无冷却地运行,它较传统工业燃气轮机更易制造.据预测用该技术制造的实用型燃气轮机可以利用煤矿通风中80-100％的甲烷.
3.期刊论文 訾学红.戴洪兴.何洪.ZI Xuehong.DAI Hongxing.HE Hong 天然气催化燃烧在燃气轮机和锅炉中的应用
-工业催化2008,16(6)
综述了天然气催化燃烧技术在燃气轮机和热水锅炉中的应用和研究现状及其发展方向,介绍了几种不同形式的催化燃烧器和一些典型的设计实例,指出催化燃烧技术仍存在的问题.
4.学位论文 张园锁 煤矿通风气催化燃烧微型燃气轮机系统特性分析 2009
燃气轮机催化燃烧发电技术具有环保、高效的优点，它在安全性、灵活性及输配电的成本等方面也具有明显的优势。煤矿通风气是煤矿开采过程中甲烷产生和排入大气的主要燃料能源浪费，迄今为止，还没有有效的方法能够有效利用这部分低热值排气，而本文所涉及的燃气轮机系统正是着眼于这部分低热值燃气而所提出，此系统的提出不仅一方面解决了煤矿通风气排空的能源浪费问题，另一方面也能进一步缓解气体排放所造成的温室效应，所以此系统近年成为发电领域的研究的一个热点。由于燃气轮机和催化燃烧室是具有很强非线性的部件，这对研究系统的动态特性带来了很大的难度。因此，系统的直接调试首先应该依据共同的特性参数对单个燃气轮机系统或者催化燃烧室的试验研究，通过对两者组合的燃气轮机系统进行调试磨合实验，为进一步商业化生产整个催化燃烧燃气轮机系统做好充分的技术准备。 本文主要做了以下几个方面的工作：
首先，研究了超低浓度煤层通风气体流过蜂窝状燃烧器的每一个微细通道，在通道表面发生催化反应的特性。通过对CH4与H2的催化特性研究，本节重点分析了催化燃烧室催化剂负载量、预混气体体积流量、燃料浓度、燃烧室入口温度和压力等因素对催化反应特性的影响。
其次，基于中澳合作澳方催化燃烧小试试验，本文按照中试燃气流量和压力温度等条件，独立设计了针对煤矿通风气中的主要成分CH4的中试催化燃烧实验台。主要工作集中在：整个催化实验台的流程设计；关键部件（加热器，催化燃烧器等）的机械设计；关键测试部件的选型（如流量剂，压力温度计以及气体成分分析仪等）；气体加热器的电气控制系统设计等方面。之外，使用传统的燃烧器代替催化燃烧器对依照煤矿通风气催化燃烧设计工况设计的燃气轮机系统进行了试车试验: 磨合实验、自循环不带负荷/带负荷试验以及启动电机试验。
采用已有的燃气轮机系统主要部件参数及催化燃烧室模拟计算建立的模型进行了动态仿真模型的建模，建立了煤矿通风气燃气轮机系统模型，并在此基础之上，对系统进行了的动态仿真试验和控制调节分析。
本文所做的工作对煤矿通风气燃气轮机系统的设计和进一步研究打下了基础；中试催化燃烧实验台的设计和燃气系统试验的成功完成，为之后的催化燃烧器与燃气轮机耦合试验奠定了坚实的实物技术基础；催化燃烧模拟试验和系统动态及控制仿真为之后的系统调试和控制策略进一步研究提供了参考。
5.期刊论文 王艳杰.翁一武.尹娟.Su Shi.WANG Yan-jie.WENG Yi-wu.YIN Juan.Su Shi 燃用超低热值燃料的燃气轮机及其热力分析 -热能动力工程2007,22(3)
提出一种基于催化燃烧方式利用超低热值燃料的方法,介绍超低热值燃料催化燃烧燃气轮机的结构组成和原理并分析技术关键点,实验验证超低热值燃料稳定催化燃烧的可行性;并以百千瓦级功率为例进行燃气轮机热力循环计算和分析,验证燃用超低热值燃料燃气轮机装置可以实现,且可以发出有效功,为燃用超低热值燃料燃气轮机系统的研制开发提供切实可行的方法和依据.
6.会议论文 翁一武.尹娟 燃用超低热值燃料的燃气轮机及其热力分析 2008
超低热值燃料中燃料总热值很低,仅为天然气热值的百分之几,通常情况下不能点火燃烧,目前绝大部分都直接排放,造成巨大能源浪费的同时也加剧了温室效应.提出一种燃用超低热值燃料的方法,介绍其组成及原理并分析技术关键点,并利用实验验证超低热值燃料稳定催化燃烧的可行性。论文还将以百千瓦级功率为例进行热力循环计算和分析,为燃用超低热值燃料燃气轮机系统的研制提供切实可行的方法和依据,也为超低热值燃料的回收利用提供一种行之有效的途径。
7.期刊论文 刘敏.陈艳芬.韩立中.陈洪发.李劲松 燃气轮机催化燃烧室的实验研究 -热能动力工程2000,15(4)
介绍了预混和催化燃烧相结合的燃烧室原理.对此种燃烧室进行实验研究,分析了影响催化燃烧的主要因素.预混与催化燃烧相结合能延长催化剂的使用寿命、改善燃烧室的可靠性、更经济地降低燃气轮机NOx的排放.
8.期刊论文 刘爱虢.翁一武 燃料电池/燃气轮机混合动力系统中催化燃烧室特性分析 -热能动力工程2010,25(2)
对熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机(MCFC/MGT)混合动力系统中的催化燃烧室进行了实验和理论分析,确定了燃烧室入口温度、燃料浓度对燃料转化率的影响,在非设计工况下运行时催化燃烧室入口条件会发生变化,应用数学模型分析了各主要因素对催化燃烧室运行特性的影响.结果表明,计算结果与实验结果的最大误差在4 %以内.在混合动力系统的运行范围内催化燃烧室入口温度高于770 K时燃料转化率达99 %以上,而入口流速和燃料浓度的变化对转化率的影响不明显.
9.期刊论文 尹娟.翁一武.Yin Juan.Weng Yiwu 燃用低浓度煤矿通风瓦斯的燃气轮机系统及性能分析 -现代电力2007,24(5)
煤矿通风瓦斯气是一种能至人窒息和发生强烈爆炸的危险性气体,同时又是一种有利用价值的能源.提出了一种新型的燃用低浓度煤矿通风瓦斯的燃气轮机循环系统,进行了系统热力性能分析,即比较了不同压气机压比及燃烧室温升组合情况下系统的效率,并对系统进行了(火用)分析;同时进行了系统中主要部件的工作性能预测.最终得出了相应结论.
10.学位论文 房爱兵 燃气轮机合成气燃烧室燃烧稳定性的实验研究 2007
燃气轮机作为IGCC洁净煤动力系统的关键设备，须以煤基合成气为燃料。目前合成气燃烧室的燃烧不稳定阻碍着超低NO<,x>燃烧技术应用于
IGCC，这直接影响了IGCC性能的提高。本文针对合成气燃烧室的燃烧稳定性进行了实验研究。目的是更清晰地认识合成气燃烧振荡的基本特性，从而为设计先进的合成气燃烧室提供支持。
目前已运行的IGCC燃气轮机都毫无例外地采用了扩散稀释燃烧技术，而燃烧振荡是导致设计失败和寿命缩短的关键因素。稀态预混燃烧、富燃一淬熄一稀态燃烧、催化燃烧是新一代合成气超低NO<,x>燃烧技术，都适用于富氢燃料。无论合成气稀态预混燃烧、扩散稀释燃烧，还是富燃一淬熄一稀态燃烧均遭遇燃烧振荡问题的困扰。因此，本文对合成气的扩散燃烧不稳定和预混燃烧不稳定分别进行了实验研究。本文工作从以下几部分展开：①以燃烧振荡的机理为基础，分析扩散燃烧不稳定和预混燃烧不稳定的关联；②以全尺寸试验台的实验结果和燃气轮机现场测试结果为基础，研究合成气扩散稀释燃烧不稳定；③研究模型燃烧室的合成气预混燃烧不稳定。
首先，建立了包含熵波因素的燃烧室线性声能方程，得到热声振荡的新判别式，从而拓展了经典Rayleigh准则。研究表明扩散燃烧不稳定与预混燃烧不稳定在热致发声的层面上没有任何区别。本文利用极限环概念解释了燃烧振荡现象，并认为当量比和火焰上游涡旋是燃烧室压力振荡诱发热释放波动的中间媒介，扩散燃烧和预混燃烧在此过程上存在差别。
其次，利用全尺寸燃烧室中压试验台的实验结果和现场燃气轮机燃烧室的测试结果，分析了扩散燃烧不稳定的幅频特性。研究表明燃烧室热负荷的增加能够使自身的不稳定性增加，而燃料喷嘴压比的增加又能改善燃烧室的不稳定性，现场燃烧室动态压力的变化规律就是这些因素共同作用的结果；燃烧不稳定的频率与燃烧室几何尺度、热负荷和流场等参数相关，因此模化实验不能准确地预测燃烧振荡频率。
然后，在模型实验台研究了燃烧系统的许多参量对合成气预混燃烧不稳定的影响。研究表明燃烧室几何形状是影响燃烧稳定性的诸类因素之首，可以决定燃烧振荡的强弱、频率等一切特性；当量比是影响燃烧稳定性的敏感参量，从稀态吹熄极限逐渐增加当量比，燃烧不稳定也会逐渐增强；燃烧室热负荷是决定特征频率的主要参量，预混气流量、氢含量和火焰稳定器只能导致特征频率的小幅迁移和模态的变换；燃烧振荡和火焰传播速度(氢含量)都是影响合成气回火特性的重要参量，燃烧振荡能量的增加能够降低回火极限当量比。总之，合成气的扩散燃烧不稳定和预混燃烧不稳定即有共性，也有各自的特性。通过理论分析和实验验证，发现两种燃烧不稳定都适用Rayleigh准则描述的热致发声机理，而燃烧方式和燃料种类能够影响波动能量在压力-当量比(或涡脱落)-热释放之间的传递，从而导致燃烧振荡的强度和频率不同。
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下载时间：2010年9月8日