专利名称：一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于燃烧设备技术领域，特别涉及矿井通风瓦斯及低浓度气态烃的燃烧 装置。
技术背景
煤层气是一种在含煤岩层中，以腐植性有机物质为主的成煤物质在成煤过程中自 生、自储式非常规的天然气，俗称瓦斯，主要成分为甲垸，占90%以上。煤层气一直 以来被看作是对煤矿开采造成严重安全威胁的有害气体，在煤炭开采史中，由于矿井通 风瓦斯导致了多起瓦斯、煤尘爆炸事故和煤与瓦斯的突出事故。而且甲垸作为矿井通风 瓦斯的主要成分，其常温下的发热量为3.43 3.71MJ/Nm3，其热值与天然气相当，是一 种高效、洁净的非常规天然气，可以用作民用燃料，也可以用于发电和汽车燃料，具有 很高的经济价值。若将甲垸直接排放到大气中， 一方面造成了有限的不可再生资源的严 重浪费；另一方面，矿井通风瓦斯的主要成分甲烷是具有强烈温室效应的气体，其温室 效应要比二氧化碳大20倍，散发到大气中的甲垸污染环境，导致气候异常，同时大气 中的甲烷消耗平流层中的臭氧，而臭氧减少使照射到地球上的紫外线增加、形成烟雾， 还可诱发某些疾病，危害人类健康。据有关报道，全世界每年排入大气中甲垸的总量为 4.1~6.6亿吨，主要来源于煤矿开采、垃圾填埋、石油和天然气工业、动物粪便和遗体 等，大多数是在甲烷浓度低于1%的情况下排放的，造成了严重的资源浪费和大气污染。 因此研究一种矿井通风(低浓度)瓦斯燃烧及热能利用装置具有重要的意义。
目前将低浓度瓦斯作为主要燃料，采用的燃烧技术主要有两类 一类是美国Sequa 公司和瑞典ADTEC (现已被MEGTEC合并)研制开发的热流转反应器技术(Thermal Flow-Reversal Reactor即TFRR)，另一类是加拿大能源多样化实验室和NRcan研制的 催化流转反应器技术(Catalytic Flow-Reversal Reactor即CFRR) 。 TFRR的基本原理 与高温空气燃烧(High Temperature Air Combustion即HTAC)相同，通过换向阀装 置往复变更流动回路，达到循环换热的目的，不同点在于HTAC的多孔介质蓄热器仅仅 在空气和燃气之间起周期性换热作用，燃烧发生在自由空间中；而TFRR中的燃烧与换 热均直接发生在多孔介质中。该设备可处理0. 35%瓦斯浓度，而其进一步的报告中宣称 可以自主燃烧的下限为0. 15%。 CFRR与TFRR有着基本相似的结构和运行方式，不同之处是在热交换器和热交换介质之间加了一层催化剂层，使瓦斯自燃温度降低和风流转向 周期增长。然两者均存在的问题是需要定期的气流换向；而且为了避免大量散热，维持 燃烧稳定进行，反应器周围需有良好的绝热层，致使设备结构及操作复杂。
笔者所在的课题组设计了一种新型的环形燃烧器(中国专利CN201021800， 2008.02.13)，可解决上述两种装置CFRR与TFRR存在的问题，然而笔者在进一步的 研究中发现，该环形燃烧器的燃烧中心区——多孔介质难以定位；隔板需要用耐高温材 料制作，结构复杂，制造成本增加；由于隔板的存在，对多孔介质的形状有特殊的要求，
增加了加工的难度；并且矿井通风瓦斯在该结构的燃烧路径较短，燃烧不易稳定在多孔
介质内部，致使发生飞温失控(高温区从多孔介质飘移至环形通道，再由环形通道飘移 出燃烧器外)或熄火现象。为此，对环形燃烧器的结构进行了改进优化，并且对燃烧器 进行组合设计，采用并联燃烧器单元结构，避免了端部热损，提高了燃烧效率和其稳定
性；可根据矿井通风瓦斯的流量控制启动燃烧器的数目，解决了由于矿井通风瓦斯流量 不稳定造成的难以控制的难题，改善了燃烧器的适应范围，可适合燃烧低浓度的气态烃 及其热能利用，解决目前能源浪费及环境污染问题。 实用新型内容
本实用新型一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，包括端密封板，气流进口和出 口，多孔材料，置于多孔材料的电加热元件和耐高温热管；其特征在于矿井通风瓦 斯由进口进入环形通道，与在另一环行通道内的高温烟气发生逆流换热，预热至一定温 度，进入在环状通道圈中心的多孔材料一侧，经气流均布板整流后，以轴向气流方向在 多孔介质内中发生燃烧，燃烧产生的高温烟气在多孔材料的另一侧汇合，经环形通道与 矿井通风瓦斯换热后由安装在环形结构上的出口排出。耐高温热管安置在烟气次内层通 道，通入水蒸气与烟气进行热量交换，产生过热蒸汽，供发电或它用；也可通入空气带 走多余的热量以备利用。由电加热元件对多孔材料预热至矿井通风瓦斯的着火温度。用 长螺栓将多个燃烧器并联在一起，根据矿井通风瓦斯的流量判断燃烧器的使用个数，启 动燃烧器内置的电加热元件和进气、出气阀门。
由于本实用新型采取了双向逆流的圈状气流通道，热量传输在双向逆流的圈状进出 口气流通道壁间实现，而且外端的环状换热器对中心的燃烧反应区实现了径向保温，同 时燃烧器的并联避免了端面热损，而且可以相互预热，因此当气流通道圈数足够多时, 本装置燃烧中心区能达到更高的工作温度，从而可进一步降低燃烧的浓度极限；由于本实用新型中气体的换热在逆向环形换热器中进行，高温区始终处于燃烧器的中心位置， 因此不需要定期进行气流换向以维持燃烧，简化了设备和操作，降低了成本；由于本实 用新型采取的双向逆流的圈状气流通道结构和燃烧器的并联结构，使装置的热损面降 低，增加了燃烧的稳定性和减少了对外部绝热保温的要求。由于对燃烧器的结构的设计 优化，使得中心反应区的气流方向为轴向，即增加了燃烧反应的路径，提高了燃烧稳定 性和完全度，又简化了多孔材料的结构，可以采用市面上已有的多孔材料(如画形的泡 沫陶瓷片)，无须特殊加工制作，降低了制造成本。对燃烧器进行并联，根据矿井通风 瓦斯的流量控制燃烧器开启的个数，使设备的处理能力、流量适应性增强。
总之，由于本实用新型一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置采取了双向逆流的圈 状气流通道和燃烧器并联操作，径向和轴向保温好，中心反应区路径长，燃烧器中心能 达到更高的工作温度，可进一步降低燃烧的浓度极限，同时无需定期气流换向和催化剂， 散热面少对保温要求低，简化了设备，降低了成本，而且处理能力强、流量适应性强。 本实用新型燃烧装置可适用于包括矿井通风瓦斯气、天然气、石油开采中的油层气或化 工生产中的可燃废气在内的低浓度气态烃。
图1为本实用新型一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置的实例结构示意图。
图2是燃气均布板的俯视图。
图3燃烧器单元的结构示意图。
图4燃烧器单元结构的俯视图
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置的具 体实施方式。
图1给出了为本实用新型矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置的实例结构示意图。单 个燃烧器在平板1上有四个孔，由杆5从孔内穿入，端部用螺栓8固定，将多个环形燃 烧器并联组装成该装置。环形燃烧器并联的个数由具体使用时的矿井通风瓦斯的最大流 量决定。燃烧器的进气口 13和出气口2分别并联连接在矿井通风瓦斯主管道和烟气排 放管道上，并安装有电磁阀，根据矿井通风瓦斯的实时流量对燃烧器使用的个数进行控 制。环形燃烧器单元是由薄板壁面4和壁面14围成多圈环形的进气通道15和排气通道 3，形成双向逆流的气流通道。矿井通风瓦斯在进气通道15与排气通道3内的烟气换热后，进入矿井通风瓦斯汇合室10,再由燃气均布板11整流后均勾通入多孔材料7中进 行燃烧，燃气均布板ll的俯视图如图2所示。燃烧后的烟气在烟气汇合室6汇合后流 入排气通道3，与进气通道15内的矿井通风瓦斯换热后，经由出气口2至烟气主管道 排出。气流通道的圈数根据矿井通风瓦斯能自维持燃烧所需要的预热温度决定的换热面 积计算得出。
本实施例中，壁面(14)的最内层薄板两端均较外层薄板短至少lOmm，形成烟气 汇合室6和矿井通风瓦斯汇合室10，并由燃气均布板11实现对矿井通风瓦斯和烟气的 通道相对封闭，以及矿井通风瓦斯在多孔材料7内的均匀分布。该结构的设计使得矿井 通风瓦斯和烟气的流向如图3和图4所示。图3中，x表示矿井通风瓦斯垂直于纸面向 内流入进气通道15， 表示矿井通风瓦斯垂直于纸面向外流入进气通道15; 0表示烟气 垂直于纸面向外流入排气通道3; 0表示烟气垂直于纸面向外流入排气通道3。图4中 实线箭头表示矿井通风瓦斯在进气通道15中的流向，虚线箭头表示烟气在环行通道中 的流向。该结构减少了本研究室原专利(中国专利CN201021800, 2008.02.13)在多 孔介质中设置的隔板，而且延长了矿井通风瓦斯在多孔材料7内的燃烧反应路径和滞留 时间，使得矿井通风瓦斯更容易燃烧完全，增加了燃烧稳定区域。并且该结构使多孔介 质的形状要求降低为圆柱形，易于制造，可以用市面上已有的泡沫陶瓷过滤片叠在一起 构成中心的燃烧区域。泡沫陶瓷过滤片材料可选用氧化锆、碳化硅、氧化铝。
在多孔材料7内置电加热元件16，引线从平板l开有的孔、槽中引出，保证各燃 烧器在并联时平板1能紧密贴在一起，相互传热，同时引线外应有耐高温材料加以保护， 连接电源。并在多孔材料7设置测温热电偶。在烟气的环行通道的次内层安装耐高温管 9，耐高温管9内通入蒸汽，利用矿井通风瓦斯燃烧释放的热能产生过热蒸汽，用于发 电。
使用时，先启动电加热元件16，对多孔材料7预热至120(TC，由测温热电偶测得 的。然后启动进气阀门，矿井通风瓦斯通过进气口 13经进气通道15进入矿井通风瓦斯 汇合室10，经燃气均布板11整流后进入多孔材料7，与预热的多孔材料7进行换热至 燃烧反应所需的温度后发生氧化反应，放出热量。待多孔材料7内的温度稳定时，关闭 电加热元件16。高温气体经过烟气汇合室6进入排气通道3,向进气通道15内的矿井 通风瓦斯换热;装置进入正常工作状态后,矿井通风瓦斯通过与高温烟气换热进行预热， 并在多孔材料7存储和传输热量的辅助作用下进行自维持稳定燃烧。由于煤矿通风气中的瓦斯涌出的浓度会有一定的波动性，可以设置不同浓度范围的矿井通风瓦斯在燃烧室 内自维持燃烧所需要的温度稳定范围，由安装在主管道上的瓦斯浓度表和测温热电偶将 该温度传输至控制单元,根据燃烧器设定的燃烧稳定工作温度范围控制电加热元件16 的开启与关闭，以及耐高温管9内通入蒸汽量，保证燃烧器不熄火、不过热。在矿井通 风瓦斯的主管道上设置流量检测器，实时检测矿井通风瓦斯的流量，再根据单个燃烧器 的负荷判断燃烧器的开启个数。流量检测器与燃烧器的距离，应大于燃烧器预热至 1200'C电加热元件16启动时间与矿井通风瓦斯流速的乘积，即矿井通风瓦斯进入所启 动的燃烧器即可发生稳定燃烧。
权利要求1、一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，由多个燃烧器单元并联组成；单个燃烧器包括进气口(13)和出气口(2)，进气口(13)并联连接在矿井通风瓦斯主管道上，出气口(2)并联连接在烟气主管道上，均装有电磁阀控制开关；内置的多孔材料(7)和置于其内的电加热元件(16)；热能利用的耐高温管(9)内通入高温蒸汽；其特征在于由薄板壁面(4)和壁面(14)围成的进气通道(15)和排气通道(3)，形成双向逆流的气流通道，连通位于中心处的矿井通风瓦斯汇合室(10)和烟气汇合室(6)；两汇合室之间内置有多孔材料(7)，燃气均布板(11)。
2、 如权利要求1所述的一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，特征在于单个燃烧器 在平板(1)上有四个孔，由杆(5)从孔内穿入，端部用螺栓(8)固定，将多个环形燃烧 器并联组装成该装置。
3、 如权利要求1所述的一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，特征在于进气通道 (15)和排气通道(3)采用螺旋状、圆环状或方环状的多圈气流通道。
4、 如权利要求1所述的一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，特征在于壁面(14) 的最内层薄板两端均较外层薄板短至少10mm，形成烟气汇合室(6)和矿井通风瓦斯汇合 室(10)，并由燃气均布板(11)对进气通道(15)和排气通道(3)封闭。
5、 如权利要求1所述的一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，特征在于燃烧器中心 装有圆柱形多孔材料(7)，其材料可选用氧化锆、碳化硅、氧化铝；多孔材料(7)内置电 加热元件(16)，引线从平板(1)开有的孔、槽中引出。
专利摘要本实用新型一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，包括逆流环形通道、中心内置多孔材料和耐高温热管，矿井通风瓦斯环形进入燃烧中心底部，经燃气均布板整流后，在多孔介质内轴向进行燃烧，烟气在上方汇集后进入环形通道与矿井通风瓦斯换热。对燃烧器单元并联安装，根据矿井通风瓦斯的流量对燃烧器的启动数目加以实时控制，根据燃烧区的温度对耐高温热管内蒸汽流量和电加热元件的控制，实现该装置对流量和浓度变化的矿井通风瓦斯的处理要求及保障设备稳定进行。
文档编号F23D14/12GK201149252SQ20072004699
公开日2008年11月12日 申请日期2007年9月6日 优先权日2007年9月6日
发明者瑜 俞, 扈鹏飞, 林其钊, 马培勇 申请人:中国科学技术大学