貧燃催化燃燒微型燃?xì)廨啓C(jī)特性研究.pdf

1、貧燃催化燃燒微型燃?xì)廨啓C(jī)(LBCCGT)可以利用超低熱值燃料氣，將其轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少甲烷排放對環(huán)境造成的污染，社會(huì)效益十分顯著，對此新型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)主要部件及系統(tǒng)特性的研究工作具有重要的意義。本文對貧燃催化燃燒微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)以及燃燒室特性、葉輪特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要在以下幾個(gè)方面取得了明顯進(jìn)展。
　　 (1)貧燃催化燃燒微型燃?xì)廨啓C(jī)主要部件特性
　　 論文介紹了催化燃燒室的

2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；根據(jù)催化燃燒室內(nèi)部機(jī)理，做了合理的假設(shè)與近似，推導(dǎo)了塞流數(shù)學(xué)模型。利用此模型，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對貧燃催化燃燒進(jìn)行了數(shù)值研究。分析了燃燒室的進(jìn)口溫度、壓力、流速、甲烷摩爾百分?jǐn)?shù)等工作條件以及燃燒室物理參數(shù)對催化燃燒的影響，為設(shè)計(jì)高效的催化燃燒室提供理論依據(jù)。對工作條件對催化燃燒特性的影響進(jìn)行了敏感性分析，為如何提高催化燃燒的燃燒效率提出了有效的解決措施。研究了氫氣輔助甲烷貧燃催化燃燒的特性，對控制甲烷催化燃

3、燒反應(yīng)進(jìn)程的研究具有一定的參考價(jià)值。得到的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)。催化燃燒特性是由各項(xiàng)工作條件共同決定的。在一定設(shè)計(jì)工況下，促進(jìn)貧燃催化燃燒的措施有：增加進(jìn)口溫度，增加甲烷摩爾百分?jǐn)?shù)，降低進(jìn)口流速，以及降低工作壓力。進(jìn)口溫度是影響催化燃燒轉(zhuǎn)化率的最敏感因素。提高進(jìn)口溫度和提高甲烷摩爾百分?jǐn)?shù)是促進(jìn)催化燃燒的最有效的手段。在進(jìn)口溫度、流速及壓力相同的條件下，相同的氫氣摩爾百分?jǐn)?shù)工況下，甲烷轉(zhuǎn)化率隨著甲烷摩爾百分?jǐn)?shù)的增加而增加；相同甲烷摩爾百分?jǐn)?shù)

4、條件下，甲烷轉(zhuǎn)化率隨著氫氣摩爾百分?jǐn)?shù)的增加而增加。
　　 論文進(jìn)行了葉輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，分析了其流場特性，預(yù)測了其工作性能。研究表明：低透平進(jìn)口溫度工況相對高透平進(jìn)口溫度工況的工作區(qū)域較窄、高效區(qū)域較窄。系統(tǒng)中透平的主要特性：透平葉輪通道中氣流最大馬赫數(shù)較??；輪蓋面上，壓力面向吸力面的泄流現(xiàn)象非常明顯；輪蓋面損失中泄流損失占主要地位，輪盤面損失中進(jìn)口攻角損失和壁面損失占主要地位，尾跡損失則相對較??；高轉(zhuǎn)速時(shí)效率曲線無拐點(diǎn)出現(xiàn)，說明透

5、平出口處沒有發(fā)生阻塞。系統(tǒng)中壓氣機(jī)的主要特性：低寬徑比、高比轉(zhuǎn)速是壓氣機(jī)葉輪的特點(diǎn)：壓氣機(jī)葉輪通道中氣流最大馬赫數(shù)較??；子午面上近盤側(cè)和流道中央的流動(dòng)狀況良好，葉輪通道內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)回流區(qū)，吸力面上輪蓋側(cè)的氣流流動(dòng)有附面層分離現(xiàn)象發(fā)生；輪蓋面損失中二次流損失占主要地位，輪盤面損失中進(jìn)口攻角損失和壁面損失占主要地位；壓氣機(jī)的高壓比區(qū)域、高效率區(qū)域均遠(yuǎn)離喘振線；即使在低轉(zhuǎn)速條件下，該壓氣機(jī)也能在比較寬的流量范圍內(nèi)保持較高的效率。
　　

6、與同功率常規(guī)微型燃?xì)廨啓C(jī)葉輪特性進(jìn)行了對比，得到的主要結(jié)論有：LBCCGT系統(tǒng)中透平的膨脹比較小、流量較大、轉(zhuǎn)速較低、透平進(jìn)口溫度較低，葉輪直徑較大、比功較小，比轉(zhuǎn)速較低；葉片間50％處子午面上，葉片載荷較均勻；頂部間隙的影響較小，相對馬赫數(shù)較?。晦D(zhuǎn)速對流量的影響較大，轉(zhuǎn)速對效率及高效率區(qū)域的影響較小。LBCCGT系統(tǒng)中壓氣機(jī)的壓比較小，流量較大，轉(zhuǎn)速較低，葉輪直徑較大，葉片出口寬度較大，葉片出口后彎角度較小，比轉(zhuǎn)速較低；葉尖進(jìn)口相對馬

7、赫數(shù)較小；后彎角度較小，保證了壓比和效率特性線都比較平坦，有利于壓氣機(jī)和透平的匹配。
　　 (2)運(yùn)行方式對貧燃催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能的影響
　　 根據(jù)已經(jīng)得到的新型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中主要部件的特性，研究了不同運(yùn)行方式下的系統(tǒng)部分負(fù)荷特性。在Aspen Plus仿真環(huán)境下搭建了系統(tǒng)主要部件的數(shù)學(xué)模型，比較了在變濃度、變轉(zhuǎn)速、抽氣放氣及壓氣機(jī)進(jìn)氣加熱四種運(yùn)行方式下LBCCGT系統(tǒng)的部分負(fù)荷特性，對新系統(tǒng)選擇變工況運(yùn)行方式時(shí)提

8、供了有意義的參考。得到的主要結(jié)論有：催化燃燒室進(jìn)口溫度是LBCCGT系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行的關(guān)鍵因素；變轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式的工作范圍最大，抽氣放氣工作范圍居中，變濃度運(yùn)行方式下系統(tǒng)在低負(fù)荷無法運(yùn)行；變濃度運(yùn)行方式下，甲烷轉(zhuǎn)化率最低；抽氣放氣與變轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式下，甲烷能夠完全轉(zhuǎn)化；在正常工作范圍內(nèi)，變濃度運(yùn)行方式下的系統(tǒng)熱效率高于抽氣運(yùn)行方式下的系統(tǒng)熱效率；壓氣機(jī)進(jìn)氣加熱運(yùn)行方式能極大地延伸變濃度運(yùn)行方式的工作范圍，但是犧牲了熱效率。
　　 (

9、3)貧燃催化燃燒實(shí)驗(yàn)和葉輪特性實(shí)驗(yàn)
　　 對不同催化劑、進(jìn)口溫度、壓力、流量、甲烷摩爾百分?jǐn)?shù)工況下的貧燃催化燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。比較了數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異同，驗(yàn)證了催化燃燒室簡化模型的準(zhǔn)確性，探求了氫氣輔助甲烷貧燃催化燃燒的根本原理。為系統(tǒng)特性的研究提供了重要的價(jià)值和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。結(jié)果表明，催化燃燒影響因素與氫氣輔助甲烷催化燃燒的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)論相吻合；四種催化劑比較，催化劑3活性最好，適宜應(yīng)用于LBCCGT系統(tǒng)中：利