专利名称：一种超低浓度可燃气体的燃烧及其热能梯级利用系统的制作方法
技术领域：
本发明属于燃烧设备技术领域，特别涉及煤矿通风瓦斯的燃烧及其热能 梯级利用系统。
背景技术：
瓦斯是煤矿开采中最大的安全隐患，它是以甲烷(CH4)为主的多种气 体的混合物；其中甲烷浓度为85%的瓦斯，热值为34.6 MJ/m3。据统计， 我国的煤炭百万吨死亡率2004年约3人，这一水平是美国的100多倍，印 度的10多倍。其中95%以上都是死于瓦斯爆炸引起的事故，瓦斯爆炸给煤 矿的正常生产造成了巨大的损失。
在煤矿的开采中，为了预防瓦斯爆炸，通常采用通风稀释的方法，将瓦 斯的浓度控制在1%以下，这部分瓦斯被称为通风瓦斯。通风瓦斯也是一种 储量巨大的低品位能源，甲烷浓度为1%的通风瓦斯，理论燃烧温度为265°〇。 虽然通风瓦斯中瓦斯的浓度只有约1%，但是由于排放量巨大，造成了巨大 的能源浪费。根据美国EPA (Environmental Protection Agency)做的调查，2000 年全球VAM (Ventilation Air Methane)排放量为16.6 Bm3，中国VAM排放量 6.5 Bm3，占总量的39.2%。预计2010年CH4排放量将增至2800万t,其中 70%(中国则为90%)来自CH4浓度低于1%的煤矿通风瓦斯。根据我国1996 年及2000年进行全国矿井瓦斯情况的调査，通风瓦斯量分别为106亿m3 和96亿m3,位居世界第一，所含瓦斯的低位发热量相当于3370万t标准 煤的低位发热量，如果能将这部分资源作为能源进行开发利用，这将对于保障我国的能源安全起到不可忽视的作用。此外，钢铁生产和石化工艺中排放的大量可燃气体， 一般都会直接排空 或燃烧后排放，其热能白白浪费，并没有得到充分的利用。中国《工业安全与环保》(2002， 28 (3))中介绍了热力双向反应器 (Thermal Flow Reversal Reactor, TFRR)的工作原理，该反应器分为上中 下三部分，中部为换热器层，上下两部分为石英砂或陶瓷颗粒构成的可高效 存贮和传输热量的热交换层。开始运行时，先使用电加热元件对热交换层进 行预热，以达到通风瓦斯燃烧所需的温度，约100(TC以上，然后通入通风 瓦斯，通风瓦斯流经一侧热交换层的过程中被预热，达到燃烧所需温度发生 氧化反应，放出热量继续流动。流经换热器层时放出部分热量，然后到达另 一热交换层并放出大部分热量，存储燃烧后气体的热量以维持燃烧室内的整 体温度。随着时间的推移，反应器中的高温段会不断向出口侧偏移，进口侧 的热交换层的温度会不断降低，为了保持燃烧的稳定进行，需要将气体的流 向在由上而下或者由下而上之间切换，以保证反应器中的高温段在反应器中 部来回波动'。为了提高反应器的热能利用效率，需要将流向切换时间控制在 一个合理的范围，切换时间太短，意味着反应器换热时间太短，进口气温不 能被预热到燃烧温度；切换时间太长，高温段偏离中心太远，燃烧产物放热 不会大部分被热交换层吸收，排烟温度过高，这二者都容易导致反应器发生 熄火现象。由于TFRR采用的是石英砂或陶瓷颗粒，气体流过时压降较大，有时需 要专门的增压设备来克服沿程压降，这增加了系统的复杂程度和投资成本。 同时，由于石英砂或陶瓷颗粒的传热性能较差，气流换向时间较长，这导致 了其处理能力较小。此外，由于TFRR只利用了高温的反应气体放出的热能， 并未回收排烟中的低品位热能，能源利用效率没有最大化。加拿大矿产与能源技术研究中心(CANMET)研制开发的催化热力双 向反应器(Catalytic Flow Reversal Reactor, CFRR)其结构设计和运行方式 与TFRR基本相同，通过采用催化剂来降低通风瓦斯的着火温度。但CFRR中因为采用石英砂和陶瓷颗粒导致增加专门的增压设备、处理能力较小和能
源利用效率没有最大化等缺点仍然存在。此外，由于CFRR采用催化剂和蓄 热介质分离的设计方式，导致了更换催化剂困难，气体适应性差。
中科大扈鹏飞等发明的双向逆流圈状反应器，通过使用反应后的气体与 反应前气体的间壁换热，达到预热进气和降低排烟温度的目的，虽然结构简 单，成本较低，但却存在气体种类和浓度适应性较差，改装复杂，成本较高 等缺点。且该发明仅为一种燃烧反应器，并未提出热能的综合利用方案。
浙江大学岑可法等人发明的往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，虽 然也可实现强化燃烧和低污染物排放的目的。但其特征在于将燃烧器与蓄热 介质分为独立两个部分，蓄热介质只起到存储高温烟气部分热能的作用。通 过燃气在两侧蓄热介质和燃烧器之间循环切换，来实现多孔介质燃烧与蓄热 相结合产生高温空气。但此种设计方法会增加系统的控制复杂程度，且对系 统的保温及施工有更高的要求，也并未实现热能的梯级利用。
邓洋波和解茂昭发明的往复流动下多孔介质超绝热燃烧装置，其虽然也 能实现稀薄气体的自维持燃烧。但其原理在于只适用于浓度比较高的可燃气 体，经过点火器点燃后，通过逐步减小燃气流量来实现稀薄气体的自维持燃 烧。并不适用于本来就不能点火燃烧的超低浓度可燃气体。
陈宜亮等人发明的煤矿乏风甲院氧化装置，其结构虽与本发明相似，但 其原理是基于传统的氧化反应，与本发明基于催化反应不同。且并未说明是 否只能应用于煤矿乏风或任意低浓度可燃气体。
发明内容
本发明提供一种超低浓度可燃气体的燃烧及其热能梯级利用系统,不仅 可以对超低浓度的可燃气体进行燃烧，而且对其产生的热能可以进行梯级利 用。
本发明的技术方案是这样实现的
风机经由管路与流量控制阀相连；流量控制阀和另一流量控制阀与浓度 监测表相连；浓度监测表与第一电磁阀和第二电磁阀连接；第一电磁阀与第二电磁阀相连；第三电磁阀与第四电磁阀相连；时间继电器连接控制第一电 磁阀与第三电磁阀；时间继电器连接控制第二电磁阀与第四电磁阀；第一电
磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀与反应器相连；反应器内置电 加热元件和另一电加热元件、附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质、测温热电偶 束、换热器；预热回收装置与换热器、第三电磁阀、第四电磁阀相连。
附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质选用包括高铝砖、硅砖、复合碳化硅、 镁砖、刚玉、高岭土、堇青石或红柱石在内的单一组分或多种材料混合的可
耐温10ocrc i8ocrc的蓄热材料，且存在均匀的任意形状通孔方便气体流过。
电加热元件为内置的电加热棒或均匀加热附载催化剂的蜂窝多孔蓄热 介质的电加热带。
由于本发明采用了附载催化剂的蜂窝状蓄热介质， 一方面由于蜂窝状通 孔的存在，减少了气体流动时的压损，可以实现本系统直接安装在矿井的通 风井处或钢铁化工企业的排气出口，无需专门的增压设备。另一方面，由于 采用了多孔的蜂窝状蓄热介质，气固之间的传热效率大大提升，提高了该系 统的处理能力。
由于本发明将催化剂附载在蜂窝状蓄热介质的通孔内壁上，由于内壁上 多孔的存在，增大了比表面积，能够增加催化剂的附载量，进一步提高催化 燃烧效率。同时，因为采用整体附载式催化，对气体的种类和浓度的适应性 有很大的提高，如果燃气种类发生改变，只需更换附载催化剂的蓄热介质即 可，节约了改造时间和成本。
由于本发明采用了附载催化剂的蜂窝状蓄热介质，如果希望达到更高的 工作温度，进一步降低燃烧的浓度极限，只需要增加蓄热介质的量即可；同 时也通过改变催化剂的种类来实现降低燃烧的浓度极限的目的。
由于本发明不仅可以利用反应器中部高品位的热能，还能通过回收尾部 烟气的低品位热能来预热内置换热器工质或提供热水，实现了热能梯级利用 的目的。本发明系统采用的蜂窝状催化蓄热介质和热能利用方案，不仅能实现达 到更高工作温度和降低燃烧的浓度极限的目的，还能达到热能的梯级利用。 本发明系统对气体的种类和浓度适应性好，改造成本低，且改造手段方便快 捷。本发明系统适用于包括煤矿通风瓦斯、天然气、沼气、石油油层气、高 炉煤气及钢铁和石化生产中的可燃废气在内的超低浓度可燃气体。
图1是本发明在反应器中部设置换热器并在尾部设置余热回收装置的 结构示意图。图2是本发明在反应器中部抽取部分高温烟气做工并在尾部设置余热 回收装置的结构示意图。以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
如图1所示，其系统主要包括风机1经由管路与流量控制阀2相连；流量控制阀2和另一流量控制阀 3与浓度监测表4相连;浓度监测表4与第一电磁阀5和第二电磁阀6连接； 第一电磁阀5与第二电磁阀6相连；第三电磁阀11与第四电磁阀12相连；时间继电器13连接控制第一电磁阀5与第三电磁阀11;时间继电器14连 接控制第二电磁阀6与第四电磁阀12;第一电磁阀5、第二电磁阀6、第三 电磁阀11、第四电磁阀12与反应器15相连；反应器15内置电加热元件7 和另一电加热元件8、附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质9、测温热电偶束10、 换热器16;预热回收装置17与换热器16、第三电磁阀11、第四电磁阀12 相连。电加热元件7、 8采用内置的硅碳棒。换热壁面16采用在反应器中部的 内壁上铺设水冷壁面，余热回收装置采用管壳换热器，蜂窝多孔蓄热介质采 用红柱石挤压成型的通孔尺寸为2mmx2mm，壁厚lmm的蜂窝式蓄热介质， 附载催化剂采用溶胶凝胶法制备的Ce-Zr-Mn-0固溶体催化剂，使用浸渍-焙烧法附载在蓄热介质的通孔内壁。使用时，先启动电加热元件7、 8将蜂窝多孔蓄热介质9加热至可燃气 体的催化起燃温度之上，并根据测温热电偶束10所测得的温度数据保持一 定时间以保证整个反应器内温度均匀恒定，此后关闭电加热元件。如在反应 系统工作过程中反应器内温度低于催化起燃温度，可再次启用电加热元件进 行热补偿。可燃气体通过流量阔3进入燃气供应管路，并通过浓度监测表4来控制 浓度，当可燃气体中所含空气量不足时，可以通过控制调节风机1中空气的 流量将可燃气体所需的燃烧空气量补足(补足空气量随可燃气体所需燃烧空 气的差额而变化)，以保证整个反应系统的稳定运行。以可燃气体流动方向自上而下为例，此时电磁阀5、 12开启，电磁阀6、 ll关闭。气体通过电磁阀5流进反应器15，此时气体温度低于蜂窝多孔蓄 热介质9的温度，随着气体向下流动，上部蜂窝多孔蓄热介质9逐步被冷却， 气体温度不断升高，等升高至催化起燃温度时，气体发生催化燃烧燃烧反应 并放出热量。此时部分热量被中部的水冷壁面吸收，水冷壁面内经过预热的 工质被加热，并通往发电机组发电。气体不断向下流动并放热，此时气体不 断被冷却，下部蜂窝多孔蓄热介质9不断被加热，直至通过出口流向电磁阀 12。因为此时排烟温度还有部分低品位热能，所以可以在尾部加设余热回收 装置17换热器预热进入反应器中部水冷壁面的工质来回收这部分热能。最 终排烟经过管壳式换热器排空。随着反应的不断进行，会出现进口处蜂窝多孔蓄热介质9温度不断降 低，出口处蜂窝多孔蓄热介质9温度不断升高，反应的高温区从中部向出口 处偏移的情况，此种偏移达到一定程度之后，有可能出现进来的气体不能被 预热到催化起燃温度或气体放热不能被下部蜂窝多孔蓄热介质9大部分吸 收的情况，导致整个反应系统熄火。因此需要通过时间继电控制器13、 14 来切换气体的流向，以保证反应的高温区在反应器15的中部一定区域内作 周期性偏移。同样，气体流向从下向上流动时，此时电磁阀6、 ll开启，电磁阀5、12关闭，系统工作过程与上述相同。停止工作时，先切断气流供给，再使用风机将整个系统吹扫5min即可。 图2所示系统主要包括可燃气体供应管路、风机l、流量控制阀2、 3、浓度监测表4、第一、 第二、第三、第四电磁阀5、 6、 11、 12、时间继电控制器13、 14、电加热 元件7、 8、附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质9、测温热电偶束10、反应器 15、余热回收装置17、燃气轮机18。其中气体燃烧过程与图1所示系统相同，不同之处在于，在反应器15 中部的高温反应区内，抽取50% 70%的高温烟气通往燃气轮机18发电， 抽气剩余气体用来加热下部蜂窝多孔蓄热介质9，并经由设在尾部的管壳式 换热器回收排烟热能用来提供生活热水。此系统中抽气比例不能太大或太 小，抽气比例过大，出口处蜂窝多孔蓄热介质9不能得到足够的热量补偿， 不足以加热下次进气至催化起燃温度，导致反应系统熄火；抽气量过小，排 烟温度过高，设在尾部的余热回收装置不足以吸收全部热量，导致热量浪费。停止工作时，先切断气流供给，再使用风机将整个系统吹扫5min即可。由于某些气体的成分会有一定波动性，其所需的燃烧空气有可能出现补 足的现象，因此当所需空气量不足时可能威胁到系统的安全运行，因此需要 通过浓度检测表4的监测数据来控制风机1的空气流量来保证整个系统的稳 定运行。由于本发明采用了附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质9，不仅蓄热能力 强，传热效率高，而且抗热震性能好，使用寿命长。因为催化剂时附载在蓄 热介质通孔的内壁上，此种介质内壁上存在大量毛细孔，增大了比表面积， 提高了催化剂的附载量。也可以同时附载针对不同气体的催化剂，增强了气 体种类的适应性。此外，该系统的维修更换也简便易行，只需更换蓄热介质 的种类或改变流向变换的周期即可，成本低工期短。另外，本发明系统还针对排烟中的低品位热能加以利用，也提高了整体 的热能利用效率。本发明系统是针对煤矿通风瓦斯中甲烷平均浓度在0.1°/。 1%之间的现状来设计的。针对这部分通风瓦斯进行回收利用，不仅能够实现低品位能源 的有效利用，还能通过减排换取碳汇来收到很大的经济效益和环保效益。本发明系统也适用于任何可以催化燃烧系统的可燃气体，这些气体作为 燃料不会改变进气气流的热物性，不同的可燃气体，只是着火温度和发热量 不同，当燃气不是通风瓦斯时，只需要更换附载催化剂的种类和改变蓄热介 质的预热温度即可，其改造成本低，简便易行。
权利要求
1.一种超低浓度可燃气体的燃烧及其热能梯级利用系统，该系统包括风机(1)经由管路与流量控制阀(2)相连；流量控制阀(2)和另一流量控制阀(3)与浓度监测表(4)相连；浓度监测表(4)与第一电磁阀(5)和第二电磁阀(6)连接；其特征在于，第一电磁阀(5)与第二电磁阀(6)相连；第三电磁阀(11)与第四电磁阀(12)相连；时间继电器(13)连接控制第一电磁阀(5)与第三电磁阀(11)；时间继电器(14)连接控制第二电磁阀(6)与第四电磁阀(12)；第一电磁阀(5)、第二电磁阀(6)、第三电磁阀(11)、第四电磁阀(12)与反应器(15)相连；反应器(15)内置电加热元件(7)和另一电加热元件(8)、附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质(9)、测温热电偶束(10)、换热器(16)；预热回收装置(17)与换热器(16)、第三电磁阀(11)、第四电磁阀(12)相连。
2. 根据权利要求1所述的超低浓度可燃气体的燃烧及其热能梯级利用 系统，其特征在于，附载催化剂的蜂窝多孔蓄热介质(9)选用包括高铝砖、 硅砖、复合碳化硅、镁砖、刚玉、高岭土、堇青石或红柱石在内的单一组分 或多种材料混合的可耐温100(TC 1800。C的蓄热材料，且存在均匀的任意 形状通孔方便气体流过。
3. 根据权利要求1所述的超低浓度可燃气体的燃烧及其热能梯级利用 系统，其特征在于，电加热元件(7、 8)为内置的电加热棒或均匀加热附载 催化剂的蜂窝多孔蓄热介质(9)的电加热带。
全文摘要
本发明涉及一种超低浓度可燃气体的燃烧及其热能梯级利用系统，电磁阀和管路形成气体流向周期变化的气路，连接内置蓄热介质和换热器的燃烧室；热量传输在气体和蓄热介质及换热器之间实现。当蓄热介质附载不同催化剂时，可以实现更低的起燃温度；当蓄热介质的数量足够多时，可以实现更高的气体预热温度；通过改变催化剂和蓄热介质的数量，可以实现更高的工作温度和更低的燃烧浓度极限，且通过改变催化剂的种类和电磁阀的换向周期，可以实现更好的气体适应性与负荷调节性。通过内置换热器内的工质与燃烧后高温气体的换热或利用系统反应后高温烟气，可以实现高品位热能的利用；通过降低最终产物的排烟温度，可以实现低品位热能的利用。
文档编号F23C13/08GK101319781SQ20081015021
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者刘艳华, 刘银河, 王一坤, 车得福 申请人:西安交通大学