[發(fā)明專利]基于等離子催化的化學(xué)回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210007507.0
• 申請(qǐng)日: 2012-01-11
• 公開（公告）號(hào): CN102562314A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉倩;李智明;楊仁;楊洪磊;鄭洪濤;潘褔敏;張智博;康振亞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): F02C7/22
• 分類號(hào): F02C7/22;F02G5/02
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種燃?xì)廨啓C(jī)。

背景技術(shù)

1)燃燒技術(shù)

在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)，NOx的來源主要有兩種：熱力型NOx和瞬發(fā)NOx。空氣中的氮分子在高溫下氧化生成熱NOx；燃燒時(shí)燃料中碳?xì)浠衔锓纸馍蒀H和C等原子團(tuán)與空氣中N2生成瞬發(fā)NOx。熱NOx生成量與燃燒溫度、高溫區(qū)氧氣的濃度和燃燒氣體在高溫區(qū)停滯時(shí)間有關(guān)。燃燒溫度越高，高溫區(qū)氧氣濃度越高，停滯時(shí)間越長(zhǎng)，熱NOx生成量就越多。富燃料混氣在火焰面上快速反應(yīng)生成大量瞬發(fā)NOx，其生成量隨著燃料-空氣的當(dāng)量比的增加而增加。

而通過采用甲烷摻混氫氣可以提高燃燒速率，增加較大的當(dāng)量比范圍內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俾剩瑪U(kuò)展穩(wěn)定稀燃極限。摻混氫氣增強(qiáng)甲烷燃燒化學(xué)反應(yīng)是由于火焰中自由基H、O和OH隨摻氫比增加而增加。CH2O和CH3CHO摩爾分?jǐn)?shù)隨摻氫比增加而降低，表明摻混氫氣具有降低甲烷燃燒醛類排放的潛力。摻混氫氣將使甲烷燃燒化學(xué)反應(yīng)向低碳路徑移動(dòng)，這具有降低碳煙排放的潛力。因此在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，必須研究新的和更有效的燃料及其燃燒技術(shù)，以便解決降低污染物排放量這個(gè)復(fù)雜的問題。

2)化學(xué)回?zé)嵫h(huán)重整技術(shù)

簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率不高，有超過60％的能量都以廢熱的形式排出，排氣溫度通常在500℃以上，低工況下燃料燃燒不充分，燃燒效率低，NOx排放量較高，環(huán)境污染嚴(yán)重。

化學(xué)回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)是一種先進(jìn)的循環(huán)方式，它可以較深度的利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱，比普通的回?zé)嵫h(huán)具有更高的循環(huán)熱效率，循環(huán)最大熱效率相對(duì)提高量可達(dá)32％，且回?zé)嵘疃炔皇軌簹鈾C(jī)壓比的限制。該循環(huán)主要是利用燃料蒸汽重整的強(qiáng)吸熱反應(yīng)來加深對(duì)余熱的回收，如果轉(zhuǎn)化完全(與反應(yīng)器溫度、蒸汽壓力、停留時(shí)間有關(guān))，裂解產(chǎn)物燃燒釋放出的當(dāng)量熱量會(huì)比裂解前燃料燃燒釋放的熱量增加約30％，這種裂解氣燃料混合物(H2、CO、CH4、CO2、H2O等)可以與一次空氣進(jìn)行充分預(yù)混，使得燃燒室點(diǎn)火更可靠，燃燒核心區(qū)溫度降到更低，而富氫成分能起到強(qiáng)化燃燒的作用，可提高燃機(jī)低工況下的燃燒效率，能有效降低主火焰區(qū)的燃燒溫度，抑制NOx的生成，理論上可以使NOx的排放量降低到1ppm。轉(zhuǎn)化過程中回收的低品位余熱轉(zhuǎn)化成了燃料的燃燒熱，較大程度地提高了燃燒室中燃料的燃燒效率。

然而化學(xué)回?zé)徇^程中的甲烷蒸汽重整過程是一個(gè)在高溫中壓條件下，在Ni/Al2O3，Ni/MgO或Ni/SiO2催化劑表面發(fā)生的強(qiáng)吸熱反應(yīng)。研究表明，在Ni/SiO2催化劑存在下600℃時(shí)甲烷轉(zhuǎn)化效率僅為25％，為了達(dá)到較高的重整效率溫度要求一般為800-1100℃，壓力一般為20-30atm。來自燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱，大約為500-600℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，燃料蒸汽重整反應(yīng)進(jìn)行程度及轉(zhuǎn)化深度相對(duì)較低，熱回收率也較低。因此如何保證高效的熱回收率是一個(gè)亟待解決的問題。

3)非平衡等離子催化技術(shù)

非平衡等離子催化過程如下：

1、通過氣體放電產(chǎn)生等離子體；

2、等離子體中的自由電子與氣體中得原子和分子碰撞反應(yīng)，由此引發(fā)原子、分子的內(nèi)態(tài)變化：彈性碰撞；非彈性碰撞(激發(fā)、解離、電離、電子依附等)；

3、所產(chǎn)生的物質(zhì)具有不穩(wěn)定性，之間發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)：自由基反應(yīng)。

介質(zhì)阻擋放電技術(shù)是非平衡等離子體催化的一種，目前主要應(yīng)用在臭氧生產(chǎn)、廢氣處理、材料表面改性、氣態(tài)污染物的處理等技術(shù)領(lǐng)域。非平衡等離子體催化是實(shí)現(xiàn)等離子體化學(xué)反應(yīng)過程低能耗、高收率、高選擇性的一條極其有效的途徑。近年來，將介質(zhì)阻擋放電技術(shù)應(yīng)用到等離子催化輔助燃燒和等離子催化蒸汽重整方面的研究逐漸引起廣大學(xué)者的關(guān)注。燃?xì)廨啓C(jī)部分負(fù)荷工況下的循環(huán)效率低的主要原因之一是因?yàn)樵谌細(xì)廨啓C(jī)燃燒室中燃料的不完全燃燒造成的。不完全燃燒將導(dǎo)致裝置的效率、工作可靠性和壽命的降低，同時(shí)也將導(dǎo)致環(huán)境污染的加劇。然而如何將等離子催化與化學(xué)回?zé)嵫h(huán)技術(shù)聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)低工況下的燃料的完全燃燒，以提高熱效率和降低污染物的排放，未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供可以降低NOx的排放、可大幅度提高化學(xué)回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率的基于等離子催化的化學(xué)回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：