蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

0基于多孔介質(zhì)燃料的低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中國是主要的煤炭生產(chǎn)國，擁有豐富的煤炭資源（磚瓦）。全國煤層資源總量為36.812932m3，占世界總量的12.15%，排名世界第三，相當(dāng)于中國的傳統(tǒng)天然氣資源。我國多數(shù)高瓦斯礦井煤層透氣性差,為了提高抽采效果,多采用高負(fù)壓、大流量抽采系統(tǒng),這樣勢(shì)必造成漏氣量增加,抽采瓦斯?jié)舛冉档?達(dá)不到瓦斯利用條件。目前現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)還不能適應(yīng)我國瓦斯?jié)舛鹊?、波?dòng)大的特點(diǎn),其主要原因在于,絕大部分瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于30%,且波動(dòng)較大,而蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)的燃燒方式不能適應(yīng)我國瓦斯發(fā)電的這一特點(diǎn),瓦斯?jié)舛鹊蜁?huì)經(jīng)常導(dǎo)致燃燒系統(tǒng)熄火,并且濃度波動(dòng)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)造成沖擊,使得發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。為了突破低濃度瓦斯發(fā)電技術(shù)的瓶頸,文獻(xiàn)提出一種基于多孔介質(zhì)燃燒器驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的煤層氣發(fā)電新技術(shù)。一方面,多孔介質(zhì)燃燒器是一種以多孔介質(zhì)為載體的基于過焓燃燒理論的預(yù)混燃燒技術(shù),對(duì)于低濃度瓦斯的燃燒具有很好的適應(yīng)性。另一方面,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃機(jī),與內(nèi)燃機(jī)相比對(duì)燃料特性要求低,只要能保證其熱缸端連續(xù)供給熱能即可,同時(shí)具有效率高、污染小的優(yōu)點(diǎn)。因此,將多孔介質(zhì)燃燒器對(duì)低濃度氣源的良好適應(yīng)性和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的外燃特性有機(jī)結(jié)合,可以初步構(gòu)建一套低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)。但由于低濃度瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)大,產(chǎn)生的熱量不均,會(huì)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行造成沖擊,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此,為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,提高發(fā)電效率,筆者在多孔介質(zhì)燃燒器驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一套蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)。通過增加蓄熱系統(tǒng)來緩解瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)造成的沖擊,并對(duì)其蓄熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。1以技術(shù)為依托的減少瓦斯在多孔介質(zhì)燃燒過程中的壓力,并增加其工作過程,以改善斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。①配氣及回?zé)嵯到y(tǒng):提供燃燒用的預(yù)混可燃?xì)怏w,并保證燃燒氣體的濃度范圍和精度滿足要求,同時(shí)利用回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)預(yù)混氣體進(jìn)行預(yù)熱,以拓展瓦斯的貧燃極限。②冷卻系統(tǒng):利用循環(huán)水對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部及其冷端進(jìn)行冷卻,使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷端維持在恒定溫度,保證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。③斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出。④燃燒及蓄熱系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)低濃度瓦斯在多孔介質(zhì)燃燒器中的穩(wěn)定燃燒,同時(shí)保證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端能被高溫?zé)煔饩鶆蚣訜?并維持在恒定溫度。⑤煙氣控制與調(diào)溫系統(tǒng):控制多孔介質(zhì)燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蛩固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)熱端傳遞過程,從而控制熱端的溫度,避免斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端超溫而損壞。由于低濃度瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)較大,燃燒產(chǎn)生的熱量通常不均,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃機(jī),其熱端如果無法保證穩(wěn)定熱源的供給,則會(huì)導(dǎo)致斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定,功率輸出波動(dòng)大。因此,需增加一種蓄熱結(jié)構(gòu),以改善斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。低濃度瓦斯進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器燃燒,產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱器中,將熱量傳遞給蓄熱器中的蓄熱介質(zhì),再由蓄熱介質(zhì)將熱量傳遞給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱缸。蓄熱器可以使低濃度瓦斯在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的熱量多時(shí)儲(chǔ)存,少時(shí)釋放,有效降低由于氣源濃度波動(dòng)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊,確保斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端具有穩(wěn)定的熱源,從而保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。從多孔介質(zhì)燃燒器出來的高溫?zé)煔?通過煙氣引入口引入蓄熱器,其中一部分煙氣通過內(nèi)筒上面流入蓄熱器內(nèi)筒里,另一部分煙氣流入蓄熱器內(nèi)、外筒管壁之間,然后通過蓄熱器內(nèi)筒壁側(cè)面的開口均勻進(jìn)入內(nèi)筒里,并加熱蓄熱介質(zhì),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端浸在蓄熱球中。蓄熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。2試驗(yàn)工況及注意事項(xiàng)在搭建的試驗(yàn)臺(tái)上,進(jìn)行多種不同工況下的燃燒蓄熱試驗(yàn)。主要研究蓄熱器蓄熱介質(zhì)的蓄熱性能以及氣源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)性能的影響,并探求蓄熱器(填充蓄熱球)的緩沖氣源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。1)瓦斯成分及濃度測(cè)定。試驗(yàn)用氣為淮北蘆嶺山煤礦抽采的瓦斯氣體。氣體成分及濃度如下:CH4體積分?jǐn)?shù)為36%,CO2體積分?jǐn)?shù)為1.2%,N2及其他氣體體積分?jǐn)?shù)為62.8%。2)試驗(yàn)工況。試驗(yàn)工況有以下4種:①蓄熱器在燃燒加熱、運(yùn)行、停機(jī)整個(gè)階段蓄熱介質(zhì)溫度變化。②蓄熱器無蓄熱球時(shí),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間和蓄熱器溫度變化。③蓄熱器填充蓄熱球時(shí),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間和蓄熱器溫度變化。④蓄熱球顆粒直徑變化時(shí),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間和蓄熱器溫度變化。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)各閥門、開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)和處理,并做好多孔介質(zhì)燃燒器點(diǎn)火、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)充氣等準(zhǔn)備工作。燃燒穩(wěn)定后,查看溫度采集系統(tǒng)顯示的燃燒系統(tǒng)溫度,當(dāng)溫度變化量在5min內(nèi)小于5℃,并且該段時(shí)間內(nèi)溫度沒有增大或減小的趨勢(shì),認(rèn)為溫度基本不變,即燃燒工況穩(wěn)定。待斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱缸溫度到達(dá)啟動(dòng)溫度后,通過電啟動(dòng)裝置,啟動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。待斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)測(cè)量斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。逐漸減少煙氣流量,停止燃燒后,記錄蓄熱器上各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化以及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)時(shí)間。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后,對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行放氣處理。打開蓄熱器,蓄熱器分別填充直徑為6、8、10、12mm的蓄熱球進(jìn)行試驗(yàn)。重復(fù)上述試驗(yàn)步驟,測(cè)量并記錄有蓄熱球填充時(shí)的蓄熱器溫度變化、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間等參數(shù)。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1蓄熱器內(nèi)溫度分布為了研究斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在加熱、運(yùn)行、?；痣A段蓄熱器的溫度分布變化及蓄熱能力,在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前,首先對(duì)蓄熱器進(jìn)行加熱,待達(dá)到一定溫度后啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),同時(shí)測(cè)定蓄熱器在加熱過程中蓄熱介質(zhì)內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化,蓄熱器內(nèi)部自上而下排列的6只熱電偶所測(cè)得的蓄熱器內(nèi)溫度變化結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,蓄熱器的溫度在加熱狀態(tài)下均勻受熱升溫,基本呈線性關(guān)系遞增,由于引風(fēng)機(jī)的作用煙氣往下流通,使蓄熱器的上下層溫度分布比較均勻。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段由于自身帶走一部分熱量,在相同供熱量的前提下,蓄熱器溫度有些降低。停火后,蓄熱器上層溫度下降較下層快,這是因?yàn)樾顭崞魃蠈訙囟雀?蓄熱器上端與大氣連通,蓄熱器與空氣換熱量大;下層溫度有的不降反升,這是因?yàn)橐L(fēng)機(jī)的抽引作用使得空氣攜帶上面的一部分熱量在蓄熱器流動(dòng)時(shí),將熱量傳遞給了下層的蓄熱介質(zhì)。3.2蓄熱器溫度測(cè)試蓄熱材料作為熱的載體,工作中要求它在短時(shí)間內(nèi)能夠具有及時(shí)吸收和放出熱量的能力,才能在與放熱及被預(yù)熱介質(zhì)的熱交換過程中,將放熱介質(zhì)的熱量傳遞到蓄熱介質(zhì)的內(nèi)部并及時(shí)地釋放給被預(yù)熱介質(zhì),這種及時(shí)吸熱放熱的特性,要求作為蓄熱載體的材料必須具有良好的導(dǎo)熱性能。蓄熱器內(nèi)部加入氧化鋁陶瓷蓄熱球,這種蓄熱介質(zhì)熱容量大,而且體積小,具有良好的導(dǎo)熱蓄熱能力,并具有較高的耐火溫度和抗震強(qiáng)度。為了探究蓄熱器蓄熱介質(zhì)緩沖煙氣波動(dòng)的能力,分別測(cè)試了蓄熱器內(nèi)沒有蓄熱球,以及具有不同粒徑(6、8、10、12mm)蓄熱球時(shí)蓄熱器內(nèi)平均溫度變化狀況。試驗(yàn)在結(jié)束燃燒狀態(tài)后測(cè)量蓄熱器溫度變化,計(jì)算蓄熱器溫度平均值。結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,有蓄熱球時(shí)蓄熱器溫度變化普遍比無蓄熱球時(shí)溫度明顯變化緩慢,說明蓄熱球蓄熱效果較好。由圖4和圖5可知,蓄熱球粒徑不同會(huì)影響蓄熱器的蓄熱性能,蓄熱器溫度變化速率隨蓄熱球粒徑的減小呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),停機(jī)時(shí)間隨蓄熱球粒徑的減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),因此存在一個(gè)最佳粒徑。從試驗(yàn)結(jié)果來看,蓄熱球粒徑為10mm時(shí)效果最好。3.3無蓄熱介質(zhì)及瓦斯體積流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響不同預(yù)混氣體瓦斯?jié)舛葧?huì)導(dǎo)致煙氣熱量的變化,而對(duì)一定濃度的瓦斯,體積流量變化也會(huì)導(dǎo)致煙氣熱量變化,煙氣熱量的變化會(huì)導(dǎo)致斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變化。為了測(cè)試瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí),蓄熱器對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響,分別測(cè)量在有蓄熱介質(zhì)與無蓄熱介質(zhì)以及瓦斯體積流量變化的情況下斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,在有蓄熱介質(zhì)與無蓄熱介質(zhì)的情況下,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變化量與瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化呈線性關(guān)系,在有蓄熱介質(zhì)情況下其變化量要比無蓄熱介質(zhì)情況下趨于平緩。相比于煙氣直接加熱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱缸,由煙氣先傳遞熱量給蓄熱器,再由蓄熱器將熱量傳給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱缸,由于蓄熱球良好的導(dǎo)熱性和較大熱容量,能很好地緩沖瓦斯?jié)舛鹊牟▌?dòng)對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率變化的影響。當(dāng)瓦斯?jié)舛壬仙龝r(shí)因?yàn)樾顭峤橘|(zhì)大的熱容量導(dǎo)致蓄熱介質(zhì)溫度上升幅度很小,進(jìn)而減緩了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率增長,而當(dāng)濃度降低時(shí),產(chǎn)生的熱量變少,此時(shí)蓄熱介質(zhì)所儲(chǔ)存的熱量將會(huì)直接補(bǔ)充給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端,從而保證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定功率的輸出。4蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)1)與無蓄熱器時(shí)相比,有蓄熱器時(shí)蓄熱器溫度變化較平緩,且在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相同最高轉(zhuǎn)速下停機(jī)時(shí)間較長,說明蓄熱器效果較好。2)蓄熱球直徑不同會(huì)影響蓄熱器的蓄熱性能,蓄熱球粒徑為10mm時(shí)蓄熱效果最好。3)蓄熱器可以使低濃度瓦斯在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的熱量多時(shí)儲(chǔ)存,少時(shí)釋放,有效降低由于氣源濃度波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊。4)蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)是一種適合于我國煤層氣的瓦斯利用方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)我國低濃度煤礦瓦斯的開發(fā)與利用。引用格式:馬云龍,陳寧,許麗麗,等.蓄熱式低濃度瓦斯發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),20