CN101631845B - 燃烧设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃烧设备(10)，用于燃烧一种或多种可燃介质，如矿井甲烷和废煤。该设备具有带燃料进口(26，27)和气体出口(28)的燃烧单元(24)，其中可燃介质通过燃料进口进入燃烧单元以便在其中燃烧，气体出口供燃烧形成的气体流出燃烧单元，为下游设备如涡轮发动机(14)提供热能。该燃烧单元经设置用于挥发分释放反应、煤焦燃烧反应和气相反应。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于燃烧燃料介质的燃烧设备，具体涉及但不限于一种热力学系统，其具有用于燃烧一种或多种较低级燃料介质的燃烧设备和适合接收来自该燃烧设备的热能的热力学设备。
发明背景
已知的热力学设备通常具有含内置燃烧室的涡轮。该燃烧室用于燃烧较高级燃料，如高产煤(high yielding coal)。结果，有相当多的较低级资源如低级煤、生物质、城市垃圾等未得到利用，被视为废料。这些废料通常敞开堆放，往往被看作环境疮疤。
煤矿通风空气中的甲烷(CH4)约占煤矿CH4排放量的64％，但难以用作能源，因为空气体积大，而其中的甲烷资源稀薄，且浓度和流量变化不定。煤矿通风空气中的甲烷浓度低是一个主要的问题，要缓解该问题，就要在其稀释状态下进行处理，或者将其浓缩到可用于常规甲烷燃料发动机的水平。提高甲烷浓度的有效技术目前还没有出现，但在开发当中，而多数工作集中在极低浓度的甲烷的氧化。这些方法不仅复杂，而且成本效益不高。
甲烷是均质(homogonous)气体，当它在空气中的浓度低至＜1％时，需要大量的热能才能氧化。这通常是这样完成的，也就是将低浓度甲烷置于＞1000℃的很高温度下.3秒。甲烷的燃烧机理总体上可用下式表示：
CH4+2O2＝CO2+2H2O DH(298)＝-802.7千焦/摩尔
这是总的简化形式，因为实际反应机理涉及许多自由基链反应。甲烷的燃烧反应可产生CO或CO2，具体视反应的空气/甲烷之比而定。
CH4+2O2＝CO2+2H2O
CH4+3/2O2＝CO+2H2O
其他反应也有可能存在，如：
CH4+H2O＝CO+3H2
2H2+O2＝2H2O
CO+H2O＝CO2+H2
当考虑多步表面反应时，就非常需要研究甲烷催化燃烧的动力学机理。如文献Numerical Studies of Methane Catalytic Combustion inside a MonolithHoneycomb Reactor Using Multi-Step Surface Reactions(在整体式蜂窝型反应器中利用多步表面反应的甲烷催化燃烧的数值研究)，Combustion Science andTechnology(燃烧科技)，2000，150：27-28中所述，该文献作者在对整体式蜂窝型反应器中甲烷催化燃烧的数值研究中利用了23个不同的反应。当考虑多相反应时，情况将变得更加复杂。图1显示了以下文献为甲烷催化氧化提出的可能的机理：Methane Oxidation over Noble Metal Catalysts as Related toControlling Natural Gas Vehicle Emissions(与控制天然气车辆排放相关的贵金属催化剂上的甲烷氧化)，载于Silver JE和Summers编的Catalytic Control of AirPollution：Mobile and Stationary Sources(对空气污染的催化控制：移动和静止源)，美国化学会第202届全国会议，1991年8月25-30日，ACS丛书，第495卷，第12-25页。在此图中，“a”表示吸附相，“g”表示气相。
一般地，催化燃烧是多步过程，涉及反应物扩散到催化剂表面、吸附到催化剂上、发生反应以及产物从催化剂表面脱附并通过扩散回到体相中。多数动力学研究是在甲烷含量超过化学计量比的条件下进行的，其结果是，通常发现反应与氧的浓度无关。基于甲烷的反应级数通常在0.5与1之间。活化能随催化剂和操作温度的变化很大。一般认为铂和钯是实现低温完全氧化的最有效的催化剂，其他催化剂也已经过测试，但活性不及它们。
因此，在削减和利用煤矿通风空气中的甲烷(CH4)的现有和发展中技术领域，特别是CH4氧化领域，需要就技术可行性、工程应用性以及回收CH4氧化释放的热量的可能性解决一个或多个问题。
发明目的
本发明的目的是提供一种燃烧设备，它至少能克服上述现有技术中的一个或多个缺陷。
本发明的另一个目的是提供一种间接点火热力学系统，其适合采用较低级燃料资源。
发明概述
因此，一方面，本发明涉及用于燃烧一种或多种可燃介质的燃烧设备。该设备包括燃烧单元，该单元具有适用于接收所述一种或多种可燃介质以在其中燃烧的燃料进口，以及用来让燃烧形成的燃烧气体流出所述燃烧单元、为下游设备提供热能的气体出口。该燃烧单元经设置用于挥发分释放反应、煤焦燃烧反应和气相反应。
较佳的是，该燃料进口经设计用于接收气态和固态可燃介质，该设备包含预热机构，适用于预热气态介质或所述气态介质中的任意介质。
还较佳的是，该加热机构经设置用于在燃烧气体到达所述下游设备之前或之后接收该燃烧气体。
该设备可具有安置在所述燃烧单元上游的混合单元。该混合单元适用于混合气态燃料介质和来自所述燃烧单元的固态废物燃料介质，然后将混合介质输送到燃烧单元。
较佳的是，所述一种或多种燃料介质包括低级煤、生物质或城市垃圾形式的低级燃料。
更佳的是，所述燃烧单元是窑。所述燃烧单元宜为旋转窑。
所述下游设备可以是一种热力学设备，其包括压缩机、膨胀机(expander)以及通过以开放或封闭循环形式连接该压缩机和膨胀机的热交换装置，一种可压缩工作介质在该开放或封闭循环中流动。较佳的是，所述燃烧气体经设置用来在热交换装置处加热所述工作介质。
膨胀机可释放废气，然后将该废气送到燃烧单元或混合单元，用于加热那里的介质。
所述固态燃料介质宜为低级煤，所述窑宜适用于将所述煤转化为燃料气和灰分，使其形成为副产物如闭孔或开孔球粒，用作轻质建材。可加入石灰石，将任何二氧化硫转化为硫酸钙。这应当至少能减少可引起环境问题的低级煤的量。
所述气态燃料介质的一种形式是甲烷气体。这是特别有利的，因为可以将地下矿井中浓度非常低的甲烷很好地利用起来，同时将其从矿井中清除。
热交换装置的一种形式包括第一热交换器，经设置用于接收来自所述燃烧单元的所述燃烧气体。
因此，本发明的燃烧设备不仅减少了矿井中的甲烷，利用了废煤，而且可以回收废能用于发电。废煤可在旋转窑内与来自抽排气(drainage gas)和通风空气中的矿井甲烷一起燃烧，尤其是抽排气火焰(drainage gas flame)，可在稳定窑内燃烧过程方面发挥作用。旋转窑具有“开放结构”，这使其可被指定用于涉及大块“粘性”燃料和废物的大规模焚烧应用。
附图简要说明
为了使本发明更容易理解和投入实施，下面将参考附图，其中：
图1是有关甲烷催化氧化的已知反应工艺的示意图；
图2是本发明热力学系统的一个实施方式的示意图；
图3是本发明热力学系统的另一个实施方式的示意图；
图4是图3所示设备适合用低级煤和废甲烷作燃料源的具体形式；
图5是显示气体温度随流量比变化的图线；
图6是显示能量百分数随流量比变化的图线；
图7是显示效率随流量比变化的图线；
图8是显示废煤与通风空气之比随流量比变化的图线。
发明详述
先看图2，它显示了本发明一个实施方式的热力学系统10的框图。系统10具有燃烧设备12和封闭循环热力学设备14。在此实施方式中，设备14用于为涡轮发动机提供动力。
设备14具有用于压缩工作介质的压缩机16，在此情况中，所述工作介质是空气。在同流换热器20中，利用来自涡轮18的排出空气预热来自压缩机16的压缩空气。然后，将经预热的压缩空气送到高温热交换器22，压缩空气自热交换器返回涡轮18后发生膨胀，在涡轮18处供能(功率输出)做功。在此情况中，涡轮驱动发电机(未示出)发电。
燃烧设备12具有旋转窑24形式的燃烧单元，该旋转窑具有进口26，该进口具有用于进料气的端口和用于进料煤的另一个端口27。
燃烧单元24中的燃烧气体从出口28出来，为高温热交换器22提供热能，加热压缩气体。然后，压缩气体继续行进到低温热交换器，预热来自煤矿或产生甲烷的任何地方的通风空气或抽排空气(drain air)，然后将其送往烟道。经预热的通风空气与来自窑24的固体废物在混合单元32中混合，然后在同流换热器34处进一步加热混合材料，再将其送入燃烧单元24。
燃烧单元24代表着进料煤与经预热的进料气之间发生的反应，包括挥发分释放、煤焦燃烧和气相反应。利用下面的方程给出的与反应温度相关的经验关系式估计煤焦是否烧去。此关系适用于任何窑，但对于具体的窑、操作条件和进料煤，应当对其加以修正，以与实验结果关联起来。来自窑的产物气体在窑出口处视为达到平衡。根据实验数据估算窑的热损失。有两种产物离开窑，一种是热的燃烧气体，另一种是包含煤焦和灰分的固体废物。这些固体废物用于预热进料气体，具体做法是混合这些固体和气体，然后再分离；
XC＝-32+0.1168xT-2.596E-5xT2
系统10的净功率输出这样计算：从涡轮产生的功率中减去压缩机和风扇所需的功率。效率这样计算：用净功率输出除以进料煤和通风空气的热值之和。对于图示系统，计算得到的效率是26.1％，其中煤含50％的灰分(热值10.1MJ/kg)，通风空气含0.37％的甲烷。
看图3，所示热力学设备10的第二个实施方式基本上类似于图2所示设备，并且相同的部分采用相同的附图标记。示意图中所示的一些部分只是象征性的，用来将该过程分解成更容易显示的子过程。例如，图的左边有该模型采用的8个单元，用来再现真窑中存在的不同过程。下面描述该模型如何通过这些独立的单元操作说明窑。
●“MIX-100”是指将窑的所有进料，即空气流、煤和液化石油气(LPG)混合起来的混合器；
●“挥发分燃烧”是指将煤的挥发性组分转化为气相并允许挥发分与其他气体反应的反应器。挥发分的释放通常是煤燃烧的第一阶段，也是唯一可能与LPG竞争耗氧的阶段；
●“烧去煤焦”是指在给定反应温度下，估计将与剩余氧反应的煤焦比例的反应器，其中温度和煤焦烧去比例通过迭代计算。用下面给出的基于反应过程中所达峰温的二次方程估计煤焦烧去的百分数，其中XC是煤焦烧去的百分数，T是所达到的温度，单位为开尔文。该方程完全是经验性的，其设计基础是转化率在低温下较低(300K时约为0％)，而在2000K时达到100％。该方程适用于任何窑，但对于具体的窑、操作条件和进料煤，应当对其加以修正，以与实验结果关联起来；
XC＝-32+0.1168xT-2.596E-5xT2
●“气体平衡”是指供气体发生反应，以计算窑出口处的平衡组成和温度的反应器。仅当窑的进料接近化学计量比，使得一氧化碳和氢少量产生时，这个操作才有意义。在典型的燃烧条件下，气体将会得到充分氧化，形成二氧化碳和水蒸气；
●“MIX-107”是指重新混合固相和气相的混合器；
●“E-113”是指热交换器，它从窑转移一些热量，预热正被鼓吹通过窑的外部夹套的空气，用作窑内额外的燃烧空气；
●“窑HL”是指假想的热交换器(fictional exchanger)，它代表窑和相关管道向大气中散失的热。这可用来调节窑的出口温度，使之与通过实验得到的数值相匹配；
●“分离器”代表在窑的出口分离来自窑的气体产物中的固体物质。
间接点火涡轮系统构成该工艺图的右半部分。它包含两个将热从窑的气体产物转移到压缩空气的热交换器，用来将空气加热到所需温度的顶部燃烧器(topping combustor)，以及涡轮-压缩机组(图中示为分开的涡轮和压缩机单元)。该图还包含许多假想的热交换器，用来表示管道以及设备的单元部件的热损失。顶部燃烧器烧掉压缩空气中的甲烷，将涡轮入口温度保持在目标温度。该系统的净功率输出这样计算，即从涡轮产生的功率中减去压缩机和风扇所需功率。
通过输入进料流量、温度和气体组成的测定值，可调整该模型，以确定主要组件的热损失、旋转设备的性能以及使用该模型的未知流速。除了可用来确认系统性能、鉴定实验设备中存在的缺陷外，该模型还可用作工具，用来预计实验设备在不同操作条件下的性能，为改进系统的构造进行开发设计。
设备12的燃烧单元24是旋转窑的形式，适合接收已研磨成大小约为6-8mm的低级煤。旋转窑24还经过一定的设计，使得低级煤在其中具有较长的停留时间和较大的高温表面积，以确保浓度很低的矿井甲烷燃烧。
因此，图2和3所示设备24可用于燃烧废弃的煤(低级煤)和矿井废甲烷。
煤燃烧产生的灰分可加工成有用的副产物，如闭孔或开孔球粒，它是制造轻质建材和沙砾替代品的理想材料。这样，灰分含量极高的低级煤燃烧后，产生的飞灰或矿渣很少或没有。
可加入石灰石，将任何硫的化合物转化为硫酸钙。
若适当选择工厂规模，将矿井通风空气和废弃物全部利用起来，则可在抑制温室效应方面带来最大的效益，因为它使用的是含碳废物，若将含碳废物堆放在地表，它将发生自燃，最终变成二氧化碳排放物。由于该系统具有独立的流动通道，所以可灵活地改变通风空气与涡轮气体的流量比例。通过设定气体从高温热交换器排出的温度，即可对此加以控制。图4显示了通风空气与涡轮气体的流速比随主热交换器出口温度变化的函数关系。此值的实用范围是0.5-2.5，最小值由废煤的能值决定。
改变窑/涡轮的流量比，就会改变从通风空气与废煤得到的能量之比，这种情况示于图5，其中显示了多个不同的甲烷浓度。图5还说明了该系统的灵活性是如何使它用于0％-100％的通风空气的。这使该系统的性能与矿井的要求相匹配。在此图中，甲烷浓度的变化出现在平行于该图纵坐标轴的平面内。甲烷浓度的变化可通过增大煤的流速来补偿，而不是改变涡轮/窑的流量比。
若充分利用废弃物不是主要考虑的问题，则可通过增大窑/涡轮流量比，减小燃气涡轮的尺寸、输出，从而降低其资本费用。由于HTH和燃气涡轮在尺寸上是相关联的，并且是该系统的主要资本费用项目，所以对于给定的通风流速，该系统的总资本费用降低了。然而，图6显示，窑/涡轮流量比的增大导致该系统的效率下降，因为在产生的电量一定的情况下，更多的能量通过窑的同流换热器跑出去了。
或者，若最大程度利用废煤是优先考虑的问题，则煤的流速也可通过改变窑/涡轮比例达到最大。图7显示了煤与通风空气的重量比随窑/涡轮流量比的变化情况。该图表明，在没有通风空气可用或矿井停止运行的应用中，该设施也可通过只用煤的方式运行。该系统是治理老矿井废煤堆的备选工具。
虽然上面已经通过示例性实例对本发明作出了说明，但是对于本领域的技术人员来说，对它们的许多变化和改进是显而易见的，只要不背离下面的权利要求书为本发明设定的宽阔范围。
Claims (15)
1.用于燃烧一种或多种可燃介质的燃烧设备，其包括燃烧单元和预热机构，该燃烧单元具有适用于接收所述一种或多种可燃介质以在其中燃烧的燃料进口，以及用来让燃烧形成的一种或多种燃烧气体流出所述燃烧单元、为下游设备提供热能的气体出口，该预热机构经设置适用于预热气态介质或所述气态介质中的任意介质并经设置用于在所述一种或多种燃烧气体到达所述下游设备之前或之后接收所述一种或多种燃烧气体；该燃烧单元经设置用于挥发分释放反应、煤焦燃烧反应和气相反应。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一种或多种可燃介质包括气态燃料介质和固态废物燃料介质，该设备还包括安置在所述燃烧单元上游的混合单元，该混合单元适用于混合气态燃料介质和固态废物燃料介质，并将其输送到所述燃烧单元。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述下游设备是一种热力学设备，其包括压缩机、膨胀机以及通过开放或封闭循环形式连接该压缩机和膨胀机的热交换装置，一种可压缩工作介质在该开放或封闭循环中流动。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述一种或多种燃烧气体经设置用来在热交换装置处加热所述工作介质。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，膨胀机可经设置用于释放废气，然后将该废气送到燃烧单元或混合单元，用于加热那里的介质。
6.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述热交换装置包括第一热交换器，经设置用于接收来自所述燃烧单元的所述燃烧气体。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，燃料进口经设计用于接收气态和固态可燃介质。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一种或多种可燃介质包括较低级煤和/或生物质和/或城市垃圾形式的较低级燃料。
9.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述燃烧单元是窑。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述固态废物燃料介质是较低级煤，所述窑适用于将所述煤转化为燃料气和灰分，使其形成为副产物。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述气态燃料介质是甲烷气体。
12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述较低级煤是可与矿井甲烷燃烧的废煤。
13.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述窑是旋转窑。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述旋转窑具有开放结构，用于涉及大块粘性燃料和废物的大规模焚烧应用。
15.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述甲烷气体是矿井甲烷。
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