基于多孔介质燃烧器的煤层气斯特林发动机发电系统.doc

基于多孔介质燃烧器的煤层气斯特林发动机发电系统 基于多孔介质燃烧器 的煤层气斯特林发动机发电系统 张保生摘要:提出一种新的煤层气发电方式,即多孔介质 外燃特性和多孔介质燃烧器对气源不稳定性的良好 l煤层气(煤矿瓦斯)是与煤层伴生的一种气体,适应青力有机结合,初步构建适应煤层气气源不稳定性的煤层气发电系统.E要成分是甲烷,其热值与天然气相当,是～种高…...........,一.关键词:斯特林发动机;煤层气;多孔介质燃烧器女, 洁净的非常规天然气,具有很高的经济价值. 为了控制煤层气的排放,促进煤层气的利用,l驾II _谭删护大气环境,缓解温室效应,中国干2008年开始 施《煤层气(煤矿瓦斯)排放标准(暂行)(GB霆l.该标准规定了煤矿瓦斯排放限值以I霭i 乏煤层气地面开发系统煤层气排放限值.,目骤豳;煤 层气发电集节能,环保,效益,安全于一体,!箱曩ll 最直接有效的煤层气利用途径.通常情况下11TI—l.髻簿强嚣瓣■■●●■豳I 电瓦斯可发电3.5kWh.0}繇褐匿琵翻 0二一 中国煤层气气源的不稳定性 煤层气气源的不稳定性主要表现在以下三方面:气的热能通过锅炉内的管束把水转换为蒸汽,利用 (1)煤层气浓度的不稳定.一方面,煤层气浓度蒸汽推动蒸汽轮机再驱动发电机发电.优点是对于 直矿井,抽采方法,抽采技术和抽采阶段的不同而燃料气体品质要求比较低,只要燃气燃烧器能够承 同.另一方面,受先抽后采政策的影响,中受的气体,一般都可以适应.缺点是小机组能源利 国的抽采瓦斯浓度一般低于25%,风排瓦斯的浓度用效率很低,移动不方便. 一 般低于2%.因此,传统的燃烧技术对于气源浓度燃气轮机机组通过压气机涡轮将空气压缩,高 勺不稳定尤其是低浓度煤层气就显得力不从心了.压空气在燃烧室与燃料混合燃烧,是空气急剧膨胀 (2)煤层气产量的不稳定.煤层气产量随矿井和做功,推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电.优 由采阶段的不同而不同.因此,就要求发电系统的点是运行可靠,便于移动.缺点是效率较低,而且 O-机功率范围要广.对燃料要求较高,燃烧系统不能很好地适应煤层气 (3)煤层气抽采地点的移动性.当某个地区的煤气源的不稳定性. 昙气资源枯竭后,煤层气抽采地点就需要作相应迁燃气内燃机的工作原理基本与汽车发动机相 多,否则就需要铺设长距离的输送管线.因此,就. 表1目前主要的煤层气发电方式比较 性能指标 发审方式单 便现有煤层气发电技术 现有煤层气发电技术包括蒸汽轮机,燃气轮机蒸汽轮机好gt;30000否1～ l6 |口燃气内燃机发电机组,如表l所示.燃气轮机一般lO～10000是24高 蒸汽轮机机组采用锅炉来直接燃烧燃气,将燃内燃机差5O～5000是4O高 ^^^弱罐自m∞ 同,燃料任气缸内燃烧,所产牛的燃气直接推动活 塞做功.优点效率较高,便十移动.缺点是对燃 料要求高,燃烧系统不能ff』好地适应煤层e气源 的不稳定性. 此,现有发I乜技术能很好地适[f1闺煤层 气气源小稳定性的求. 3一种煤层气发电新技术的提出 3.1斯特林发动机蚶气源不稳定忡的适应 斯特林发动机的原理很早就提出来r,如l 所示,』:作介顷}J芰封个气缸之间.热能通过 换热器或加热器rrl外部热源供给,然后转化为曲柄 的动能. 1.膨帐气缸;1.【作介顷;3.酬热器; 4压缩气缸;5.J缩活笨;6.轮;7.膨胀活塞 图1斯特林发动机原理 6 斯特林发动机是一种外燃机,只要保证热能稳 定供给,该发动机本身小受气源不稳定性的制约. 单机功率从1kW到10O00RW,能够满足不气 源产量的要求.斯特林发动机比『人】燃机少40%的零 部件,体积小,移动方便.斯特林发动机的热效率 理沦卜最高,目前实际热效率完全可以与燃气内燃 机婉荚. 3.2多扎介质燃烧器时C源稳定性的适应 上述分析表明,伍保ilE热能稳定供给的条件 F,斯特林发动机刘气源不稳定性具有很强的适』 能/I].因此,采?种能够适应煤层气气源不稳定 性尤其是低浓度煤层气的燃烧技术就成为问题的关 键.多扎介质燃烧器无疑是首选. 首先,多孔介质燃烧器是一种以多了L介质为载 于过焓燃烧理论的预混燃烧技术(见圈2).多 ? 月予q 孔介质有很小的着火孔和很高的热容量.凶此,这 种燃烧技术对气源的不稳定性适应能力很强,而且 可以扩展煤层气的燃烧下限,从而燃烧自由卒问不 能燃烧的低浓度瓦斯. 1.热电偶; 2.绝热层; 3.内胆; 4.外简; 5.多扎介质 6.点火器; 7.支架 图2多孔介质燃烧器结构 其次,污染物排放水平比传统预混燃烧器或扩 散燃烧器低.由于多孔介质内火孔分布均匀.而且 换热系数很大,因此使得燃烧室内温度分布较均 匀,降低污染物的生成. 最后,热效率很高,存相同热负荷下比本生灯 式燃烧节约燃料达30%～5