基于催化燃烧的旋转回热型燃气轮机机理研究与试验验证

There are a lot kinds of low calorific value gas fuels in the world ,and the total amount is very huge. Most of these fuels is less than 3MJ/Nm3. The ignition and combustion of the these fuels can not be realized by conventional methods, which makes considerable difficulties in actual utilization. The vast majority of these fuels are discarded, resulting in amazing waste of energy and serious pollution to the atmosphere. Preliminary researches have indicated that these fuels can combust in the catalytic combustion chamber when the calorific value is higher than 0.3MJ/Nm3. Based on the low-temperature catalytic combustion research,combining catalytic combustion with high efficient heat exchange to obtain high heat transfer efficiency and combustion efficiency, the thermoelectric conversion mechanism of the rotary recuperative gas turbine will be investigated and experimental verification will be conducted in this project. The research work includes two aspects: one is catalytic combustion characteristics of ultra-low concentration of methane in the rotary recuperator, in which resistance characteristics and temperature distribution of the rotary recuperator will be obtained;the other is the thermal characteristics investigation and experimental verification of ultra-low calorific value gas turbine power systems. Thermal dynamic parameters and application ranges of ultra low calorific value gas turbine power system will be obtained,and the database of thermodynamic characteristics and energy efficiency of ultra-low calorific value fuel catalytic combustion gas turbine will be construted, which will provide a basic data for the development of ultra-low calorific value gas turbine.

低热值燃气种类繁多、总量巨大，其中很大部分是热值小于3MJ/Nm3的低热值燃料,无法采用常规方法点火燃烧，在实际利用上有相当难度，绝大多数被丢弃，能源浪费惊人,对大气层污染严重。初步研究表明在催化剂的作用下只要有效热值高于0.3MJ/Nm3的气体均可以实现低温氧化燃烧。 本项目在低温催化燃烧研究的基础上，把催化燃烧和高效回热有机结合，可以达到很高的高温换热效率和燃烧效率，项目研究旋转回热型燃气轮机热力转换的机理,并进行实验验证,研究工作有两个层面，一是研究超低浓度甲烷在旋转回热工况下的催化燃烧性能，得到旋转回热器阻力特性和温度分布特性；二是超低热值燃气轮机动力系统的热力特性以及试验验证，得到超低热值燃气动力系统热力参数和应用范围，建立超低热值燃气催化燃烧燃气轮机的热力特性、能量转换特性数据库。为我国发展超低热值燃气轮机提供基础数据。

项目立足于利用有效热值小于3MJ/Nm3的超低热值燃气，通过对低浓度甲烷低温催化燃烧机理研究，寻求低浓度甲烷回收利用的新途径。有效利用低热值燃气发电，不但能够创造巨大的经济效益，而且能减少排放对环境造成的污染，社会效益十分明显。研究得到的超低热值燃料催化燃烧特性和热力转换特性，可以为我国发展超低热值燃料燃气轮机提供基础数据；得到的超低热值燃气涡轮动力系统的研究方法具有普遍意义，适用于其它低热值燃气动力系统的科学研究。.项目主要有三方面的研究内容，针对蜂窝状陶瓷催化燃烧，研究超低浓度甲烷在旋转回热工况下的催化燃烧性能，完成了甲烷浓度、反应温度、流速、气体组成对超低热值燃气甲烷和氧气活化特性影响的研究；建立了旋转回热型燃气轮机全工况预测模型，完成了旋转回热器阻力特性和温度分布特性的研究，通过实验研究，获得了大量催化燃烧及燃气轮机的热力特性数据；通过该项目的基础研究和应用基础研究，得到催化反应稳定燃烧的条件参数、揭示超低热值燃气轮机动 力系统的热力特性变化的机理和规律，通过实验获得了催化燃烧特性、热力性能数据，建立超低热值燃气催化燃烧燃气轮机的热力特性、能量转换特性数据库。.研究工作取得了多项成果，获得了甲烷浓度、反应温度、流速、气体组成对催化燃烧性能变化影响的规律；在理论和实验上，得到了旋转回热器热力特性随旋转速度及停留时间变化的基本规律；得到催化反应稳定燃烧的条件参数、揭示热力特性变化的机理和规律。.发表期刊论文26篇，国际会议论文10篇，其中SCI检索10 篇，申请专利7项，其中美国专利2项，相关专著3本；培养了10多名博士和硕士；研究成果获得了转化和应用。