[發明專利]用催化氨分解反應降低燃氣渦輪機高溫金屬件溫度的方法

無效

• 申請號: 201210062342.7
• 申請日: 2012-03-12
• 公開（公告）號: CN102562310A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 王洪林
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: F02C7/18
• 分類號: F02C7/18;F02C7/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及利用氨氣流在燃氣輪機的鎳基高溫金屬件內分解產生氮氣和氫氣，同時吸收大量熱量降低金屬件溫度的方法。尤其是涉及從渦輪軸中引入氨氣流，氨氣流在空心的鎳基渦輪葉片內部分解吸收熱量來降低其溫度的方法。產生的氮氣和氫氣從渦輪表面小孔噴射出來進入主燃氣流，氫氣在主燃氣流中能與其中富余的氧氣燃燒從而充分利用其所含熱能。因此引入氨氣既可以強烈冷卻鎳基金屬渦輪，又可以為燃氣流提供優質的氫輔助燃料。

背景技術

燃氣輪渦輪機包括渦輪噴氣、渦輪風扇、渦輪槳、渦輪軸發動機及燃氣輪機等，是一類熱功轉換效率高、單位體積或單位重量所產生的功率大的熱機。人們為了提升燃氣渦輪機的熱機效率，不斷提升渦輪前燃氣的溫度和壓力。目前先進的F119渦扇發動機的總壓比已經提高到了35倍，而渦輪前燃氣的溫度更是已經提升到1950K，已經遠高于鎳金屬的熔點1726K。為了使渦輪能保持一定強度穩定長期使用，渦輪溫度必須大大低于燃氣溫度。現在通用的渦輪冷卻方式是用空氣流冷卻。通過向空心的渦輪葉片中導入冷卻空氣流在葉片表面噴射形成氣膜隔絕高溫燃氣并帶走熱量。早期的渦輪葉片結構簡單僅讓冷卻空氣從中流過，只能使葉片降溫100K，近30年對渦輪葉片冷卻結構做了復雜的設計，冷卻方式有對流、沖擊、氣膜、發散、層板及復合等多種，能使葉片降溫350-400K。F119采用目前最好地冷卻設計才達到500K的降溫。空氣由于熱容小，熱導率也小，很難再進一步大幅度提高冷卻效果。冷卻空氣的流量由氣壓差和氣阻決定，可調節性也較小。

發明內容

氨氣在高溫鎳金屬催化劑表面分解產生氮氣和氫氣的反應已經廣泛應用于工業制氫。近年來這一反應又大量用于為燃料電池系統供氫。氨氣在鎳金屬催化劑上在1073K溫度以上能高效率地完全分解為氮氣和氫氣。這一過程為合成氨反應的逆過程，每1摩爾氨分解獲得1.5摩爾氫氣和0.5摩爾氮氣，同時吸收約50千焦耳的熱量(在1atm和773K時為53953焦耳/摩爾)。顯然這是一個強烈吸熱的過程。氨分解反應發生后，氣體的摩爾數增加一倍氣體的熱容也近似增加一倍，氨氣尤其氫氣的分子量小導熱系數很大，有利于熱量的移走。

分析空氣冷卻的情況，空氣熱容約1千焦耳/(公斤.K)，約為29焦耳/(摩爾.K)，以冷卻空氣溫度在渦輪上由673K升到1373K提升700K計，每摩爾空氣帶走熱量約20千焦熱量。由于氨氣和空氣在高溫低壓下接近理想氣體，每摩爾冷卻氨氣在渦輪上升溫帶走的熱量與空氣相近。因此相同摩爾流量或相同體積流量下氨氣自身升溫和反應吸熱一共帶走的熱量約為空氣的3.5倍(氨升溫1倍氨分解2.5倍)。如果考慮到氨分解后摩爾數增加一倍氣體的熱容也近似增加一倍，氨分解冷卻方法帶走的熱量還要多。

氨分解冷卻方法也帶來一些問題，氨氣和分解產生的氫氣在高溫都是易燃易爆氣體，其氣體流路必須密封不與空氣混合，否則可能在氣路中燃爆帶來危險。氨分解產生的氮氣和氫氣會與金屬反應產生金屬氮化物和金屬氫化物，因此必須在材料選擇和材料結構及晶型方面加以考慮。

本發明采用以下技術方案達到用氨冷卻燃氣渦輪機高溫金屬件的目的：

液氨通過泵加到較高壓力，在汽化室噴射，加熱后，得到溫度大于333K壓力20atm以上的氨氣。對于固定的高溫鎳基金屬件如高低壓渦輪前的導向器葉片，氨氣通過固定接口通入導向器葉片內封閉氣路，升溫并分解產生氮氣和氫氣并帶走熱量，高溫的氮氫混合氣通過耐高溫管聯到燃燒室噴射進燃氣流中與燃油混合燃燒。對于高速旋轉的高壓渦輪，氨氣通過渦輪軸上的石墨動密封和軸上小孔進入轉軸中孔道然后進入渦輪中孔道，吸熱升溫并吸熱分解產生氮氣和氫氣，在渦輪迎風面小孔噴射并形成保護氣膜。氫氣進入主燃氣流后將與其中富裕氧氣燃燒提高燃氣能量。

現詳細說明本發明技術方案：

相比氫，氨是一種方便的化工產品。氫氣必須用幾百大氣壓的高壓鋼瓶或保持極低溫度的保溫系統以液氫保存才有足夠的儲存密度用于移動系統。液氨在323K的蒸汽壓也僅有約20大氣壓，在常溫液氨的保存壓力低。因此有很多研究以液氨為原料為移動的燃料電池系統供氫。液氨作為大宗化工原料其價格也遠低于運輸業常規的燃油價格。因此以液氨作為燃氣渦輪熱機的冷卻劑和輔助燃料是經濟上合理的選擇。