一种污泥热解气的燃烧机理简化方法及用于验证该方法的燃气轮机系统

本发明属于污泥燃烧的模拟，具体涉及一种污泥热解气的燃烧机理简化方法及用于验证该方法的燃气轮机系统。

背景技术：

1、燃气轮机是一种将燃料化学能通过燃烧方式转化为机械能的高效、清洁的回转式动力输出装置。在燃气轮机燃烧室内，燃料的混合、点火与燃烧过程是一个非常复杂的碰撞复合过程，燃料的选择对燃气轮机内燃烧的稳定性和燃烧效率至关重要。目前燃气轮机技术领域正在以燃气轮机的燃烧系统为重点研究对象，开展灵活燃料低污染燃烧技术攻关，解决燃烧相关的一系列科学问题，包括灵活燃料的选取、灵活燃料火焰稳定原理与燃烧振荡控制技术、灵活燃料nox生成机理与控制技术、数字化氢燃料燃烧室建模及仿真等；以及掌握新型燃烧技术与方法，为实现先进燃气轮机灵活燃料低污染燃烧提供理论支撑。污水污泥作为生物质能源的一种，在世界各国每年的产量都不断增加，因此需要创新和可持续的废弃物管理解决方案。如何有效、无害地处理城市污泥，是国内外专家非常关注的问题。城市污泥的处置主要采用填埋、堆肥、焚烧、厌氧消化等方式，但都存在一定的局限性。

2、为了提高燃气轮机燃烧过程的数值计算精度，对燃料在燃气轮机燃烧室中的燃烧过程进行数值计算时，有必要采用燃料的燃烧反应动力学模型。在探究燃料燃烧机理中会涉及多组分和庞大基元反应数目，存在计算效率低下的问题，而极度简化的一步或两步经验燃烧模型由于对燃烧过程的描述不足，无法保证计算的准确性，因此燃烧机理的简化成为了燃烧领域的重要研究方向。现阶段，有多种方法可以简化复杂的反应机理。并且在复杂的动力学模型中，各物种的相对重要性很难确定，还需进行敏感性分析。敏感性分析能有效提高我们对燃烧模型中化学反应过程重要性的理解，有助于确定燃烧模型中反应过程的关键路径及其各反应物的敏感性。目前已有多项研究从宏观角度准确预测并分析燃料的燃烧行为。

3、目前已有多种简化机理的方法，但存在简化机理的方法单一，简化的化学反应机理不能很好的满足数值模拟的需要。并且模拟过程中燃气轮机燃烧动力学反应不完整，因此需要提出一个燃气轮机内燃料燃烧的机理简化方法，用于分析燃料燃烧机理。且对于燃气轮机内燃料的选取需要进一步探究，以满足碳排放的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种污泥热解气的燃烧机理简化方法及用于验证该方法的燃气轮机系统，以解决现有技术中燃气轮机中燃料燃烧排放的废气无法满足碳排放需求，模拟污泥热解气燃烧过程中燃气轮机燃烧动力学反应不完整的问题，通过提出一种适用于燃烧的机理简化方法，提高了模拟燃气轮机燃烧污泥热解气过程中的数值计算精度与工作过程数值计算效率，既可以保证数值模拟需求又可以方便的进行应用，同时采用污泥热解气作为燃气轮机燃料，实现了有效、无害地处理城市污泥，提高能源利用的效率。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明的技术方案之一在于提供了一种适用于燃气轮机的燃料燃烧机理简化方法，将drgep与drgpfa方法结合，包括如下步骤：

4、s1：根据燃料特性选择燃烧模型及其详细反应机理；

5、s2：使用drgep方法简化反应机理得到简化机理a；

6、s3：使用drgpfa方法简化所述简化机理a，得到简化机理b；

7、s4：对所述简化机理b进行敏感性分析；

8、s5：对所述简化机理b进行有效性验证，若符合要求，输出简化机理b，若不符合要求，对详细反应机理与drgep法简化参数进行优化后重新执行步骤s2。

9、进一步的，步骤s1中，所述详细反应机理为广泛应用且经大量试验验证的机理，或为了模拟分析实际燃料燃烧过程中的化学组成，进而构建的已经过试验验证的化学反应机理。

10、进一步的，步骤s1中，所述燃烧模型选自chemkin中的psr模型。

11、进一步的，步骤s1中，所述详细反应机理选自用于模拟甲烷燃烧的gri-mech3.0机理与用于探究热解油和热解气体中成分的燃烧机理。

12、在一个具体实施例中，所述用于探究热解油和热解气体中成分的燃烧机理选自论文[孙昱楠.污泥与垃圾共热解/焚烧及产物利用过程汞的迁移特性研究[d].天津大学,2020.doi:10.27356/d.cnki.gtjdu.2020.000433.]中附表b2中的热解油气燃烧基元反应机理。

13、进一步的，步骤s2中，通过drgep方法来识别燃料详细反应机理中不重要的组分和反应，最终得到对燃料燃烧特征量具有一定影响的基元反应，进而形成燃气轮机燃料的简化机理a。

14、在一个具体实施方式中，步骤s2中，将co、no、n2o和hcl设置为关键组分，通过drgep方法来识别燃料详细反应机理中不重要的组分和反应，简化过程的误差阈值为20％，最终得到对燃料燃烧特征量具有一定影响的基元反应，进而形成燃气轮机燃料的简化机理a。

15、进一步的，步骤s2中，drgep法基于直接关系图法(drg)简化原理作进一步改进，根据评估所有组分对各反应路径的总体影响来进行简化，从目标组分开始进行搜索，找出每个组分最重要的反应路径，具体为：

16、采用组分a对组分b生成率的正规化贡献rab来研究组分a与组分b之间的耦合关系，使用“r”值来确定存储在机理中的组分，“r”值还考虑了可通过直接或间接耦合从这些组分中获得的其他组分，其中，rab与“r”值的公式为：

17、

18、其中，公式(1)中，pa和ca分别为组分a的生成率和消耗率，νa,i为a的化学计量系数，ωi为生产速率，δib的取值为1(第i个基元反应包含b)或0，通过预先设置一系列重要组分和阀值ε，比较ε与rab的大小，当rab＜ε时表示组分b对a的影响可以忽略，从机理中移除b不会引起a的较大误差，可将相应的组分和反应去除；当rab＞ε时，则表示b对a的贡献足够大，从机理中删除b会对a的预测产生较大误差，路径关系将保留；公式(2)中，s为从组分a到b的所有可能路径的集合，rij为给定反应路径下沿a的权重链乘积。

19、进一步的，步骤s3中通过drgpfa方法，利用反应间的生产通量和消耗通量选出重要的反应路径，使模型中燃料里的机理进行最大程度的简化，得到燃气轮机燃料的简化机理b。

20、进一步的，步骤s3中，drgpfa法是结合了drg和路径通量法(pfa)的形成的新的简化方法，该方法的基本原理是用生产通量和消耗通量取代绝对反应速率，从而识别重要的反应途径，其中，生产通量pa与消耗通量ca的公式为(a表示物质a)：

21、

22、其中，公式(3)与公式(4)中，νa,i为a的化学计量系数，ωi为生产速率。

23、在一个具体实施方式中，步骤s3中，将co、no、n2o和hcl设置为关键组分，通过drgpfa方法，利用反应间的生产通量和消耗通量选出重要的反应路径，使模型中燃料里的机理进行最大程度的简化，简化过程的误差阈值为20％，得到燃气轮机燃料的简化机理b。

24、更进一步的，步骤s3中，通过drgep+drgpfa简化方法对燃料里的组分进行甄别、筛选、剔除，最大程度的使模型简化，得到燃气轮机燃料的简化机理b。

25、进一步的，步骤s4中通过敏感性分析法，对简化机理b进行分析，得到对燃烧特征量具有一定影响的基元反应。

26、进一步的，步骤s4中，敏感性分析法可以深入分析燃气轮机燃料在燃烧过程中具体发生的反应以及对燃烧过程影响较大的反应，敏感性系数的数值越大对燃烧过程的影响越大。

27、在一个具体实施方式中，通过对敏感性系数绝对值位于敏感性系数范围内的反应进行筛选，得到在燃烧过程中具体发生的反应以及对燃烧过程影响较大的反应，敏感性系数范围具体为：co>0.015，no>0.2，n2o>0.25，hcl>0.01。

28、进一步的，步骤s5中，所述有效性验证具体为：采用简化前的机理计算结果与简化机理b的数值计算结果进行对比分析，若误差在15％内，则符合要求，若误差超出设定范围(15％)，则不符合要求。

29、进一步的，步骤s5中，详细机理是在现有的具体实验的反应机理中选取的燃烧机理，并且此简化机理在实验中得到过验证。

30、进一步的，步骤s5中，对详细反应机理的进行优化方法包括：基于敏感性分析得到的不同反应的敏感性系数，调整基元反应的指数前因子；

31、对drgep法简化参数的调整方法包括：调整简化过程的误差阈值。

32、本发明的技术方案之二在于提供了一种燃烧污泥热解气的燃气轮机系统，包括污泥干化子系统、热解气化炉、燃气轮机、发电机；

33、所述污泥干化子系统对污泥进行分级干化处理，干化后的污泥输送至热解气化炉中热解，将产生的污泥热解气输送至燃气轮机中燃烧，热能在发电机中转化为电能，燃气轮机排放的高温烟气为污泥干化子系统干化污泥提供热源。

34、进一步的，所述热解气化炉中炉温为250℃-650℃，优选为600℃，过量空气系数为0.2-0.6，优选为0.2，控制炉温和进氧量可使污泥中的有机成分充分热解。

35、进一步的，所述燃气轮机中还通入天然气与空气，与污泥热解气共同燃烧，污泥热解气化能有效破坏和杀死病原体，污泥中的有机成分转化为可燃气体、高热值的燃料油及部分固定碳，剩余部分转化为残渣，减容效果明显。

36、更进一步的，当所述燃气轮机中污泥热解气作为燃料达到燃气轮机燃烧条件时，停止空气与天然气的输送，利用污泥热解气推动燃气轮机发电，实现了污泥能源资源的利用，满足污泥处理的节能减排要求，进一步提高能源利用率。

37、进一步的，所述污泥干化子系统包括污泥供应装置、干化装置i、气固分离装置i、干化装置ii、气固分离装置ii；

38、所述污泥供应装置将污泥输入干化装置i中进行干化，干化后的污泥与烟气、水蒸气以及部分挥发性气体在气固分离装置i中分离，污泥输送至干化装置ii进行二次干化，二次干化后的污泥与烟气、水蒸气以及部分挥发性气体在气固分离装置ii中再次分离，二次干化后的污泥进入热解气化炉中热解。

39、进一步的，所述燃气轮机系统还包括烟气净化装置与引风机，所述气固分离装置i与气固分离装置ii的气体输出端均与烟气净化装置连接，干化后的烟气、水蒸气及部分挥发性气体在烟气净化装置中净化后通过引风机排入大气。

40、进一步的，所述燃气轮机排放的高温烟气输送至干化装置i和余热利用系统，分别作为干化装置i和干化装置ii的热源。

41、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

42、1、模拟过程综合两种简化方法(drgep+drgpfa)对燃气轮机中燃料的燃烧反应机理进行简化，对燃料里的组分进行甄别、筛选、剔除不重要的文件，最大程度的使模型得到简化，获得燃料简化机理，使得简化机理的结果与详细反应机理的结果之间的误差尽量减少，提高了燃气轮机燃烧过程的数值计算精度，避免传统单一方法在简化过程中出现不精确地删除组分与基元反应的现象。

43、2、通过敏感性分析对燃料燃烧过程进行深度探究，获取对燃烧影响较大的基元反应以及这些反应对燃烧排放污染物的影响程度。本发明可以在机理模型简化的过程中进行调整，最大程度的保证模型的可靠性与准确性，有效提高了利用化学反应机理耦合计算流体模型燃烧数值计算的效率。

44、3、使用污泥作为燃气轮机的能源，污泥干化过程中通过烟气净化装置处理挥发性气体，经干化处理，污泥的减量化、稳定化效果显著，有效避免污泥填埋和土地利用造成的污染地下水和环境问题，污泥热解后杀灭微生物，产生可利用资源，且燃气轮机排放的尾气进一步回收利用用于污泥干化，整个过程既解决了污泥的无害化处理，又减少了污染的排放，做到了绿色环保。

45、4、在燃气轮机燃烧的过程中将污泥热解气作为燃料，既能实现污泥的无害化、减量化、稳定化和资源化处理，又能将污泥作为一种灵活燃料，实现燃气轮机的低污染燃烧技术。污泥干化过程中通过烟气净化装置处理挥发性气体，污泥热解气化能有效破坏和杀死病原体，污泥中的有机成分转化为可燃气体、高热值的燃料油及部分固定碳，剩余部分转化为残渣，减容效果明显。

46、5、利用污泥热解气推动燃气轮机发电，实现了污泥能源资源的利用，满足污泥处理的节能减排要求，进一步提高能源利用率。且燃气轮机的烟气余热作为污泥干化的热源，实现能源梯级利用，热效率高，可以节省污泥干化的燃料成本，实现工质的循环利用，减少重复建设，具有良好的经济效益。