基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统及方法，内燃机内设置的贫氧燃烧室的一端经过连接烟道与余热锅炉连接，连接烟道设置有CO催化氧化装置和用于热量传递的换热器，余热锅炉用于对送入的烟气进行换热利用，发电机、余热锅炉与内燃机连接组成分布式燃气能源利用系统。本发明专利技术的内燃机系统在还原性气氛下燃烧，以及在CO催化氧化装置内低温氧化几乎无NOx的生成，因此可严格控制NOx排放水平，减少环境污染；本发明专利技术的贫氧燃烧催化氧化余热利用的燃气内燃机方法，可有效降低NOx的排放的同时回收热量，避免传统SCR装置的一系列不利影响，结构简单，有较好的经济性。该系统适用范围广，可应用于各种类型的内燃机结构。

【技术实现步骤摘要】
基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统及方法
本专利技术属于天然气分布式能源
，具体涉及基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统及方法。
技术介绍
近年来，国家大力倡导“分布式能源”，是相较于传统的“集中式”能源利用方式而言的，是指建立在用户负荷中心附近而非远距离传输的能源综合利用系统，涵盖发电、热电联产、储能和能源管理系统等多种形式在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，争取实现适度排放的目标；在能源的输送和利用上分片布置，减少长距离输送能源的损失，有效地提高了能源利用的安全性和灵活性。该系统的原动机，内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等。燃气内燃机的发电效率通常在30％～40％之间，比较常见的机型一般可以达到35％。燃气内燃机最突出的优点正是发电效率比较高，其次是设备集成度高，安装快捷，对于气体中的粉尘要求不高，基本不需要水，设备的单位千瓦造价也比较低。但是其产生的废热烟气温度高达450～550℃，造成一定的能量浪费。对于燃气内燃机而言，通常过量空气系数对其有一定影响。天然气燃烧过程中过量空气系数小于1时，CO排放加剧，天然气消耗量增加，但发动机能够达到最大功率；而过量空气系数大于1时，NOx排放加剧，发动机功率降低，但燃烧完全，降低CO排放。目前燃气内燃机组在发电过程中，通常会遇到NO排放较高的问题，有的甚至高达300ppm，严重制约了天然气分布式能源的发展。天然气内燃机中NOx主要以热力型NOx为主,有利于NOx生成的3个条件是高温、富氧、高温持续时间长，而温度对NOx的生成影响最为显著。NO是主要大气污染物之一，会对生态环境造成一定的影响。因此燃气内燃机组NOx减排问题迫在眉睫。对于传统燃气内燃机发电机组，通常采用SCR脱硝及CO脱除装置处理尾气，然而该技术在应用中经常面临很多严重问题，例如SCR催化剂活性温度区间为320℃～400℃，低负荷下脱硝装置入口烟温低于活性温度，脱硝效率较差；SCR催化剂与氨的废料处理问题；氨逃逸对其他设备影响问题；喷氨与烟气能否混合均匀等。这些存在的问题会导致脱硝效率难以到达国家要求水平。研究表明，燃气内燃机当量比φ(实际燃空比/理论燃空比)为0.88时，NOx的生成量达到最大值，当量比在0.88<φ<1.2时，NOx生成量随φ的增加急剧减少，因此研究天然气内燃机贫氧燃烧很有意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统及方法，通过将天然气低温分级燃烧，尾气催化氧化处理，可实现高效低NOx排放，降低大气污染；实现建立在用户侧的热电联合、热量合理回收利用的清洁高效分布式能源利用系统。本专利技术采用以下技术方案：基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，包括内燃机、发电机、连接烟道及余热锅炉，内燃机内设置有贫氧燃烧室，连接烟道设置有CO催化氧化装置和换热器，贫氧燃烧室经过连接烟道与余热锅炉连接，余热锅炉用于对送入的烟气进行换热利用，发电机与内燃机连接组成分布式燃气能源利用系统。具体的，贫氧燃烧室位于内燃机气缸内的上部空腔中，贫氧燃烧室内保持过量空气系数为0.8～0.9，用于对送入的天然气进行贫氧燃烧。进一步的，贫氧燃烧室的上端设置有火花塞，火花塞两侧分别设置有进气门和排气门，排气门与连接烟道连接。进一步的，贫氧燃烧室的下部设置有活塞，活塞的曲轴连杆通过皮带或齿轮与发电机连接。具体的，内燃机设置有排气门，连接烟道的烟气入口与排气门连接，连接烟道的烟气出口与余热锅炉的烟气入口连接，换热器位于烟气入口处，CO催化氧化装置位于烟气出口处，换热器和CO催化氧化装置之间设置有补风室。进一步的，补风室上下分层布置有多个高温空气入口。进一步的，CO催化氧化装置内CO催化剂采用CeO2气凝胶担载CuO催化剂，CO催化氧化装置的过量空气系数为1～1.05。具体的，余热锅炉内设置有用于换热的蒸汽管道，烟气经蒸汽管道换热后通过余热锅炉的烟气出口排出。一种基于贫氧燃烧余热利用的分布式燃气能源利用方法，采用活塞式结构的内燃机，内燃机的贫氧燃烧室内保持过量空气系数小于1，天燃气在贫氧燃烧室内贫氧燃烧带动曲轴连杆结构输出机械能发电，然后烟气进入连接烟道，经高温空气入口补风后，低温烟气进行补燃，在CO催化氧化装置作用下烟气中残余CO被全部氧化，CO催化氧化装置中过量空气系数为1～1.05，最后将烟气送入余热锅炉中，实现热量回收利用。具体的，包括以下步骤：S1、压缩气瓶中的天然气经减压预热处理后与增压后的空气混合，经内燃机的进气门吸入内燃机中，通过火花塞点火后在内贫氧燃烧室中燃烧形成高温燃烧区，高温燃烧区内保持过量空气系数为0.8～0.9，维持反应为贫氧燃烧氛围；S2、燃气膨胀做功带动活塞做往复运动带动曲轴连杆转动，通过皮带或齿轮将内燃机输出的机械能传递到发电机发电，未完全燃烧的高温烟气经排气门进入连接烟道；S3、从内燃机排出的高温烟气通过连接烟道的换热器降低温度后进入补风室，补风室由高温空气入口分层均匀通入空气；S4、通过补风室的混合气体再进入CO催化氧化装置，在CO催化氧化装置中未完全燃烧的烟气中的CO被全部氧化，然后烟气送入余热锅炉中回收热量；S5、余热锅炉内布置有蒸汽管道，连接烟道中送入的烟气与蒸汽管道中的水蒸气对流换热，降低排烟温度，并提供热量，最后烟气经余热锅炉的出口排出。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，通过将天然气依次在内燃机中的贫氧燃烧室和补风区后的CO催化氧化装置内分级燃烧，可实现高效低NOx排放，降低大气污染，与传统燃气内燃发电机组相比，省掉传统SCR脱硝装置，从源头上避免了NOx生成，脱硝效果更好；燃烧温度较低，对设备耐热程度要求降低，节省材料成本；装置简单，只需对余热锅炉之前的烟道进行改造；大大避免了传统SCR脱硝装置在脱硝过程中遇到的催化剂最佳温度限制、喷氨混合均匀性以及催化剂废料处理等严重问题，避免氨逃逸等造成的环境污染问题；另外氨气生产使用受限，传统SCR脱硝装置需氨及催化剂共同作用，仅需要CuO作为催化剂，仅用来催化氧化CO，运行及维护成本低廉，有较高的经济性。进一步的，内燃机中贫氧燃烧室内采用贫氧燃烧方式，过量空气系数在0.8～0.9，维持反应为贫氧燃烧氛围，燃烧室内持续为还原性气氛，产生的热力型NOx大幅减少。由于与氮气结合的氧气越来越少，并且由于天然气燃烧速度加快，使得高温燃气滞留缸内时间缩短，氧气的减少和滞留时间的缩短共同制约了NOx的生成。另外过量的甲烷不仅会还原一部分NOx，而且会吸收缸内热量，使得缸内的温度降低，温度和氧气的不足共同影响了NOx的生成；然而由于贫氧燃烧室内氧气不足，产生的烟气中含有1％左右的CO，此未完全燃烧的烟气经对流换热器降低温度后在补风室中继续燃烧，烟气中残余的CO在CO催化氧化装置中被CO催化剂完全氧化，由于此处温度较低，产生的NOx极少，因此利用该分级燃烧方式可有效地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，包括内燃机(1)、发电机(2)、连接烟道(3)及余热锅炉(4)，内燃机(1)内设置有贫氧燃烧室(5)，连接烟道(3)设置有CO催化氧化装置(14)和换热器(11)，贫氧燃烧室(5)经过连接烟道(3)与余热锅炉(4)连接，余热锅炉(4)用于对送入的烟气进行换热利用，发电机(2)与内燃机(1)连接组成分布式燃气能源利用系统。

【技术特征摘要】
1.基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，包括内燃机(1)、发电机(2)、连接烟道(3)及余热锅炉(4)，内燃机(1)内设置有贫氧燃烧室(5)，连接烟道(3)设置有CO催化氧化装置(14)和换热器(11)，贫氧燃烧室(5)经过连接烟道(3)与余热锅炉(4)连接，余热锅炉(4)用于对送入的烟气进行换热利用，发电机(2)与内燃机(1)连接组成分布式燃气能源利用系统。2.根据权利要求1所述的一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，贫氧燃烧室(5)位于内燃机(1)气缸内的上部空腔中，贫氧燃烧室(5)内保持过量空气系数为0.8～0.9，用于对送入的天然气进行贫氧燃烧。3.根据权利要求1或2所述的一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，贫氧燃烧室(5)的上端设置有火花塞(6)，火花塞(6)两侧分别设置有进气门(9)和排气门(10)，排气门(10)与连接烟道(3)连接。4.根据权利要求1或2所述的一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，贫氧燃烧室(5)的下部设置有活塞(7)，活塞(7)的曲轴连杆(8)通过皮带或齿轮与发电机(2)连接。5.根据权利要求1所述的一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，内燃机(1)设置有排气门(10)，连接烟道(3)的烟气入口与排气门(10)连接，连接烟道(3)的烟气出口与余热锅炉的烟气入口连接，换热器(11)位于烟气入口处，CO催化氧化装置(14)位于烟气出口处，换热器(11)和CO催化氧化装置(14)之间设置有补风室(13)。6.根据权利要求5所述的一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气能源利用系统，其特征在于，补风室(13)上下分层布置有多个高温空气入口(12)。7.根据权利要求5所述的一种基于贫氧燃烧催化氧化的分布式燃气...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘银河，张旭，周耀，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61