甲醇可直接燃烧外,间接燃烧甲醇燃料的燃气轮机循环方案也被国内外研究学者所提出。虽然尚未获得大规模的工业应用,但是仍可作为将来高效率利用能源的一种方式。
间接燃用甲醇技术包括两种方式:甲醇重整及甲醇裂解。其本质就是利用甲醇燃料的重整反应和裂解反应:
甲醇的催化裂解反应
CH3OH→CO+2H2-21.7kCal/(kg·mol)
甲醇的蒸汽重整反应
CH3OH+H2O→CO2+3H2-11.8kCal/(kg·mol)
由于上述两个反应方程式表明,上述甲醇的催化裂解反应和重整反应均属于吸热反应。现以催化裂解反应为例说明。在甲醇催化裂解反应中,在催化剂作用下,甲醇被分解为CO和H2为主的合成气,合成气被送向燃气轮机燃烧室进行燃烧。在分解过程中,热源为低品位热源,将原本难于利用的低品位热能转化为合成气的高品位的热能,由此提高了能源利用效率。
蒸汽重整不是一个单独的反应,该反应分为分解反应和置换反应两个阶段:
分解反应(www.daowen.com)
CH3OH→CO+2H2-21.7kCal/(kg·mol)
置换反应
CO+H2O→CO2+H2+9.9kCal/(kg·mol)
CO的分解反应
CO→C+CO2
CO分解反应的温度发生在300~500℃之间,所以在裂解反应中,由于不发生置换反应,CO容易分解产生有害的焦炭。
从工程热力学角度上看,间接燃烧甲醇提高效率的原理为:化学反应中,反应前后总焓的变化等于反应前后总的吉布斯自由焓函数的变化,以及反映过程中吸收和放出的热量。吉布斯自由焓函数的变化表明了化学反应过程中最大的可能输出功。如果能够逐级利用燃料化学能中所代表最大可能转化功,而不是像燃烧过程燃料的高品位化学能直接转化成低品位热能那样,导致极大程度上的化学损失,甲醇燃烧后的低温热能可以被用于甲醇分解以及重整等反应过程中的热量吸收,如此一来使得化学能的逐级利用得到实现。
经吸收低品位余热甲醇在进行分解或重整反应后生成CO以及H2之后,尽管化学能的品质降低,即化学錡降低,也就是最大可转化功减少,但是甲醇燃料在裂解反应或重整反应过程中所吸收的低品位的热能,通过上述化学能品质的降低或化学錡降低而转变成较高品质的热能,所以这部分的化学錡损失的利用优于直接燃烧所造成的化学錡损失。这也就是造成应用甲醇分解或重整反应回收燃气轮机余热技术的燃气轮机效率,好于直接运用燃烧过程的燃气轮机的原因。又因为采用此种工艺并不是对热能的简单逐级的利用,所以与常规余热回收利用方式相比,这种余热方式具有更高的热效率。
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