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煤矿通风气催化燃烧微型燃气轮机系统特性分析

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燃气轮机催化燃烧发电技术具有环保、高效的优点，它在安全性、灵活性及输配电的成本等方面也具有明显的优势。煤矿通风气是煤矿开采过程中甲烷产生和排入大气的主要燃料能源浪费，迄今为止，还没有有效的方法能够有效利用这部分低热值排气，而本文所涉及的燃气轮机系统正是着眼于这部分低热值燃气而所提出，此系统的提出不仅一方面解决了煤矿通风气排空的能源浪费问题，另一方面也能进一步缓解气体排放所造成的温室效应，所以此系统近年成为发电领域的研究的一个热点。由于燃气轮机和催化燃烧室是具有很强非线性的部件，这对研究系统的动态特性带来了很大的难度。因此，系统的直接调试首先应该依据共同的特性参数对单个燃气轮机系统或者催化燃烧室的试验研究，通过对两者组合的燃气轮机系统进行调试磨合实验，为进一步商业化生产整个催化燃烧燃气轮机系统做好充分的技术准备。 本文主要做了以下几个方面的工作： 首先，研究了超低浓度煤层通风气体流过蜂窝状燃烧器的每一个微细通道，在通道表面发生催化反应的特性。通过对CH4与H2的催化特性研究，本节重点分析了催化燃烧室催化剂负载量、预混气体体积流量、燃料浓度、燃烧室入口温度和压力等因素对催化反应特性的影响。 其次，基于中澳合作澳方催化燃烧小试试验，本文按照中试燃气流量和压力温度等条件，独立设计了针对煤矿通风气中的主要成分CH4的中试催化燃烧实验台。主要工作集中在：整个催化实验台的流程设计；关键部件（加热器，催化燃烧器等）的机械设计；关键测试部件的选型（如流量剂，压力温度计以及气体成分分析仪等）；气体加热器的电气控制系统设计等方面。之外，使用传统的燃烧器代替催化燃烧器对依照煤矿通风气催化燃烧设计工况设计的燃气轮机系统进行了试车试验: 磨合实验、自循环不带负荷/带负荷试验以及启动电机试验。 采用已有的燃气轮机系统主要部件参数及催化燃烧室模拟计算建立的模型进行了动态仿真模型的建模，建立了煤矿通风气燃气轮机系统模型，并在此基础之上，对系统进行了的动态仿真试验和控制调节分析。 本文所做的工作对煤矿通风气燃气轮机系统的设计和进一步研究打下了基础；中试催化燃烧实验台的设计和燃气系统试验的成功完成，为之后的催化燃烧器与燃气轮机耦合试验奠定了坚实的实物技术基础；催化燃烧模拟试验和系统动态及控制仿真为之后的系统调试和控制策略进一步研究提供了参考。

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