CN100485260C - 一种低浓度气态烃的燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明低浓度气态烃的燃烧装置，特征是由薄板状外壁面和内壁面围成多圈的环状进气通道和排气通道，形成双向逆流的气流通道，连通位于环状通道圈中心的燃烧室；燃烧室中置有多孔材料；热量传输在双向逆流的圈状气流通道中的进出气流通道壁间实现，避免了现有反应器的气体和热交换介质之间的热量传输过程，同时避免了壁面的侧面热损；当气流通道圈数足够多时，本发明装置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，且无需定期气流换向和使用催化剂，对外部绝热要求低，简化了设备，降低了成本。本发明燃烧装置可适用于包括煤矿通风瓦斯气、天然气、沼气、石油生产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。

Description

一种低浓度气态烃的燃烧装置

技术领域：

本发明属于燃烧设备技术领域，特别涉及煤矿通风低浓度瓦斯气的燃烧装置。

背景技术：

中国《工业安全与环保》(2002，28(3)第3—5页)介绍了热流转反应器(Thermal Flow-Reversal Reactor，TFRR)的工作原理。该反应器分为三层，中间一层是换热器，外面两层是由石英砂或陶瓷颗粒构成的可高效存储和传输热量的热交换介质层。开始运行时，先由电热元件对其中一层热交换介质进行预热，使其达到瓦斯气燃烧所需的约1000℃以上温度，然后通入煤矿通风瓦斯气，热量从热交换介质传输到气体，气体受热达到燃烧所需温度发生氧化反应，放出热量，经过换热器层放出部分热量，然后到达另一层热交换介质并把大部分热量传输给它，存储燃烧后气体的热量以维持燃烧室的整体温度。在燃烧维持的前提下，热量的传输特别是由气体到固体的热量传输过程的效率限制了反应器的最高温度；若温度过高，则出口气体温度过高，带走的热量与壁面热损失之和若超过了燃烧热产，反应器温度会下降；由于反应器中热量不停地通过气体从一层热交换介质传输到另一层，原本高温的热交换介质层温度会不断降低，而另一层温度会不断升高，当高温热交换介质层的温度降低到接近或不能维持燃烧的时候，需要把气流的方向在自上而下和自下而上之间来回调换，使燃烧区域转移到另一层热交换介质层，如此反复，因此需要定期的气流换向，导致设备结构复杂；为了避免大量散热以保持热交换介质在1000℃以上，反应器周围需有良好的绝热层。

《中国煤炭》(2003，29(11)，第11—12页)介绍了加拿大矿产与能源技术研究中心(CANMET)研制开发的催化媒双向流反应器(Catalytic Flow-ReversalReactor，CFRR)。其结构设计及运行模式与上述TFRR基本相同，只是使用了催化剂以降低燃气的着火温度。这样虽然使燃烧较易发生，但由于引入了催化剂层，增加了设备的复杂度。TFRR所使用高效存储与传输热量的热交换介质层导致反应器温度受限需要定期的气流换向导致结构复杂和需有良好绝热层的缺点，在CFRR中仍然存在。

发明内容：

本发明提供一种低浓度气态烃的燃烧装置，以克服现有技术的上述缺点。

本发明低浓度气态烃的燃烧装置，包括气流进口(7)和出口(4)，多孔材料(15)和置于多孔材料15内的电加热元件19，由薄板状外壁面8和内壁面9围成环状进气通道12和排气通道14，形成双向逆流的气流通道，该气流通道连通位于环状通道圈中心的燃烧室16；其特征在于：在环绕燃烧室16的壁面固定1至3块隔板11把燃烧室分隔为连通的2至4个部分；燃烧室16内有置多孔材料15，多孔材料15内置有测温热电偶10；所述置于燃烧室16内之多孔材料15的体积占燃烧室空间的5～100％。

本发明所述低浓度气态烃是指平均浓度在0.03～3％之间的气态烃(其适燃浓度极限对于不同种类的气态烃会有所不同)，特别是指含甲烷平均浓度在0.2～0.75％的煤矿通风低浓度瓦斯气。

所述隔板11的长度不超过燃烧室16直径的90％；隔板材料选用可耐温1300～1800℃的材料，包括高铝砖、硅砖、复合碳化硅、镁砖或刚玉。

所述气流通道可采用螺旋状、圆环状或方环状的多圈气流通道，通常采用3-25圈，该圈数是指薄板状内壁面9的环绕圈数；所述薄板状外壁面8和内壁面9之间可设有固定支撑棒13。

使用时，先启动电加热元件19对燃烧室16内的多孔材料15预热到超过低浓度气态烃燃烧所需的温度，然后从气流进口7通入低浓度气态烃，经环状进气通道12进入燃烧室16接触多孔材料15，热量从多孔材料15传输到低浓度气态烃使之达到燃烧所需温度后发生氧化反应，放出热量；燃烧后的气流通过燃烧室出口18进入排气通道14，再通过出口4排出；进入正常工作时，低浓度燃料气体的气流进入由薄板状外壁面8和内壁面9围成进气通道12后，被排气通道14内的高温排气经薄板壁面热交换加热，然后从燃烧室进口17进入燃烧室16，流经多孔材料15并在此完成燃烧过程。本发明采取双向逆流的圈状气流通道设置，目的是实现进出气流间的热量传输；在燃烧室16内填充多孔材料15，目的是加强燃烧的稳定性。

由于本发明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，避免了现有热流转反应器采用的气体和热交换介质之间的热量传输过程，同时避免了壁面的侧面热损，因此当气流通道圈数足够多时，本装置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；由于本发明中气体的加热在气流通道中进行，避免了热量被气体从一层热交换介质传输到另一层的过程，高温区不会转移，因此不需要定期进行气流换向以维持燃烧，从而简化了设备，降低了成本；由于本发明采取的双向逆流的圈状气流通道结构使装置的侧面热损可忽略不计，装置的热损失小，因而对外部绝热层要求比较低；从而既简化了设备，且降低了成本。

与现有热流转反应器相比，本发明采用的多孔材料15仅仅置于燃烧室内一部分，对热量的存储和传输仅仅起辅助作用，目的是加强燃烧的稳定性，因而使用的材料数量少且对其性能要求低，，维护要求也较低，其成本与热流转反应器相比极小；本发明中在燃烧室内添加隔板，主要是使燃烧更稳定，同时也避免了可能出现的燃烧不完全。

总之，由于本发明低浓度气态烃的燃烧装置采取了双向逆流的圈状气流通道，与现有装置相比，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，对外部绝热要求低，简化了设备，降低了成本。本发明燃烧装置可适用于包括煤矿通风瓦斯气、天然气、沼气、石油生产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。

附图说明：

图1为本发明的气流通道为圆环状、隔板数为1的低浓度气态烃燃烧装置的实施例结构示意图。

图2是气流通道为螺旋状、隔板数为2的低浓度气态烃燃烧装置的实施例结构示意图。

图3是气流通道为方环状、隔板数为1的低浓度气态烃燃烧装置的实施例结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本发明低浓度气态烃的燃烧装置的具体实施方式。

实施例1：

图1给出了本实施例低浓度气态烃的燃烧装置的气流通道为圆环的实施结构示意图：由薄板状外壁面8和内壁面9围成多圈圆环形的进气通道12和排气通道14，形成双向逆流的气流通道，连通位于环状通道圈中心的燃烧室16。一般气流通道的圈数可取3至25圈，圈数小于3时热量的传输量较弱，而大于25时成本太高，得不偿失。

本实施例中，在燃烧室内从外壁面中延伸出一块隔板11把燃烧室16分为连通的两部分，隔板的长度为燃烧室16直径的70％，一般其长度不要超过燃烧室直径的90％，太长会影响气流的流通；本实施例中的隔板使用复合碳化硅材料制造。可在薄板状外壁面8和内壁面9之间设有固定支撑棒13，以起到固定两板间距离和支撑的作用。进气通道12经燃烧室进口17连通燃烧室16。为了稳定燃烧，在燃烧室16中置有多孔材料15。本实施例中在燃烧室16内置有多孔材料15的体积占燃烧室16空间的20％；通常若多孔材料少于5％会影响燃烧的稳定性，随着多孔材料所占燃烧室体积比的增加，燃烧的稳定性会加强，一般情况下多孔材料所占燃烧室的比例可不超过50％以节省材料；根据需要，多孔材料也可增加到100％，此时为多孔介质燃烧状态；在多孔材料15内置电加热元件19，并可同时设置测温热电偶10。燃烧室16通过燃烧室出口18连通排气通道14，再经出口4与外界连通；进气通道12通过进口7同时与风机5和煤矿通风气气源1相通，在进口7处安装瓦斯表3。

使用时，先启动电加热元件19，为了顺利地点火，此时进气阀门2和风机阀门6保持关闭，直到测温热电偶10测得的温度达到1000℃以上时打开进气阀门2，煤矿通风的低浓度瓦斯气1通过进口7经环状进气通道12进入燃烧室16，接触多孔材料15，此时风机阀门6仍然关闭，大约10分钟后，热量从多孔材料15传输到低浓度气态烃使之达到燃烧所需温度约1000℃以上后发生氧化反应，放出热量，此时关闭电加热；高温气体经过燃烧室出口18进入排气通道14，向进气通道内12的气体传输热量；装置进入正常工作状态后，进气通道12中进气气流被排气通道中的排气气流经薄板状间壁传热升温至1000℃以上，通过燃烧室进口17进入燃烧室16，在多孔材料15存储和传输热量的辅助作用下稳定燃烧，燃烧后的高温气体一方面将部分热量传输存储给多孔材料15，同时经过燃烧室出口18进入排气通道14，将大部分热量向进气通道内12的气体传输，最后从出口4排出。

停止装置工作时，先切断气流供给，再打开阀门6以空气吹扫气流通道5分钟。

本发明低浓度气态烃的燃烧装置的燃烧室中可设置或不设置隔板。

在设置使用一个隔板11的情况下，气流在燃烧室中流经一个U形路径，这样可使未燃的可燃气与高温已燃气及多孔材料的换热时间加长，增加了燃烧的稳定性；可燃气在燃烧室的停留时间变长，有效避免了未燃烧完全就被排走的情况。在一般情况下，隔板的块数在1至3之间为宜，太多于会导致结构复杂，增加维护难度，且成本增加。

由于煤矿通风气中的瓦斯涌出的浓度会有一定的波动性，当浓度变化超过一定范围时会影响装置的运行效果，甚至导致熄火，因此最好在进气口安装瓦斯表3随时监测、显示瓦斯浓度。运行时，如果瓦斯表3显示瓦斯浓度超过1.5％，则启动风机5，打开风机阀门6，向进气气流通道通风，直到瓦斯表3显示的瓦斯浓度处于0.2～0.75％范围，再关闭风机阀门6，停止风机5的运行；若瓦斯表3显示瓦斯浓度低于0.1％，则启动电加热元件19，直至瓦斯表3显示的瓦斯浓度处于0.2～0.75％范围时，停止电加热。

由于本发明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气流通道中的进出口气流间实现，避免了现有热流转反应器的气体和热交换介质之间的热量传输过程，同时避免了壁面的侧面热损；因此，当气流通道圈数足够多时，本装置能达到更高的工作温度，从而可进一步降低燃烧气的浓度极限；由于本发明中气体的加热在气流通道中进行，避免了热量被气体从一层热交换介质传输到另一层的过程，高温区不会转移，因此不需要定期气流换向维持燃烧，从而简化了设备，降低了成本；由于本发明采取的双向逆流的圈状气流通道结构使装置的侧面热损可忽略不计，装置的热损失小，因而对外部绝热层要求比较低，从而既简化了设备，且降低了成本。

本发明采用在燃烧室内置多孔材料以对热量的存储和传输起辅助作用，目的是加强燃烧的稳定性，因而与现有热流转反应器相比所用数量少得多，对材料的性能要求也较低，维护要求也较低，其成本与热流转反应器相比极小。

与现有催化媒双向流反应器相比，由于本发明采取了双向逆流的圈状气流通道，可达到更高的工作温度，在燃烧室内填充的多孔材料的辅助存储和传输热量作用下，不需要催化剂燃气流即可容易地进行燃烧。

本发明低浓度气态烃的燃烧装置是根据我国煤矿通风气中的瓦斯平均浓度一般在0.2～0.75％之间的现状来设计的。如果瓦斯平均浓度不在0.2～0.75％之间，只需改变本装置的高度或改变气流通道的圈数即可达到燃烧目的。我国每年煤矿通风气中排放的没有经过处理的瓦斯高达150亿标准立方米，其温室效应超过荷兰全国的温室气体的排放量，造成了严重的环境污染，如果能将煤矿通风瓦斯气燃烧利用，则不仅能获得相当于至少1000万吨标准煤的能源，也把其温室效应减少到1/20以下。

煤矿通风中的瓦斯的主要成分甲烷是碳原子数为1的气态烃。本发明的燃烧装置对于由碳、氢两种元素以不同的比例组合而成的一部分碳原子数较少(一般不超过4个)、常温常压下的气态烃也都能适用，除煤矿通风瓦斯气之外，还包括天然气、沼气、石油生产中的油层气、化工生产中的可燃废气，它们的主要成分都是气态烃。

本发明燃烧装置可以燃烧不同种类的低浓度气态烃。低浓度气态烃(如0.2～0.75％的甲烷)由于其质量比重小，无论是何种气态烃作为燃料都基本不会改变进气气流的热物性，不同的气态烃，只是着火温度和摩尔燃烧热不同。当燃料气不是甲烷时，根据其着火温度不同，只需增加或减少几圈气流通道，就能改变进气气流达到的加热温度，加热到对应浓度下该气态烃的着火温度而使燃烧可以继续进行；摩尔燃烧热的不同只是使其燃烧的浓度极限不同，例如对于低浓度丙烷，在增加气流通道圈数的情况下燃烧的浓度极限可到0.04％以下；而对于甲烷，增加气流通道圈数后其燃烧浓度极限只能到0.08％。

实施例2：

本实施例是气流通道为螺旋状且隔板数为2个的情况。

图2为本实施例的结构示意图：本实施例采用螺旋状气流通道，在燃烧室16中采用2个隔板11将燃烧室分隔成3个区域，每个隔板的长度为燃烧室直径的70％。其它与实施例1相同。

螺旋状气流通道换热效果好，气流压力损失小，但加工较困难；工作时，气流在燃烧室16中被2个隔板分隔成3个区域中流经一个S型路径，再进入排气通道14通过出口4排出，这种结构可使燃烧室16内的热量传输和燃烧反应的时间延长，从而燃烧稳定性更好，使燃烧更完全。

实施例3：

本实施例是气流通道为方环状的情况。

图3为本实施例的结构示意图：薄板状外壁面8和内壁面9围成方环状的进气通道12和排气通道14。其它同实施例1。这种方环状气流通道与圆环状气流通道和螺旋状气流通道相比，其气流压力损失较大，但装置易于加工，可降低成本。

Claims (6)

1、一种低浓度气态烃的燃烧装置，包括气流进口(7)和出口(4)，多孔材料(15)和置于多孔材料(15)内的电加热元件(19)，由薄板状外壁面(8)和内壁面(9)围成环状进气通道(12)和排气通道(14)，形成双向逆流的气流通道，该气流通道连通位于环状通道圈中心的燃烧室(16)；其特征在于：在环绕燃烧室(16)的壁面固定1至3块隔板(11)把燃烧室分隔为连通的2至4个部分；燃烧室(16)内置有多孔材料(15)，多孔材料(15)内置有测温热电偶(10)；所述置于燃烧室(16)内之多孔材料(15)的体积占燃烧室空间的5～100％。

2、如权利要求1所述的气态烃的燃烧装置，特征在于所述低浓度气态烃是指平均浓度在0.03～3％之间的气态烃。

3、如权利要求1所述的气态烃的燃烧装置，特征在于所述低浓度气态烃为含甲烷平均浓度在0.2～0.75％的煤矿通风瓦斯气。

4、如权利要求1所述的气态烃的燃烧装置，特征在于所述隔板(11)的长度不超过燃烧室(16)直径的90％；隔板材料选用包括高铝砖、硅砖、复合碳化硅、镁砖或刚玉在内的可耐温1300～1800℃的材料。

5、如权利要求1所述的气态烃的燃烧装置，特征在于所述气流通道采用3-25圈螺旋状、圆环状或方环状的多圈气流通道。

6、如权利要求1所述的气态烃的燃烧装置，特征在于所述薄板状外壁面(8)和内壁面(9)之间设有固定支撑棒(13)。

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