CN103062770A - 基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，包括依次连通的第一多孔介质蓄热室、第一多孔介质燃烧室、高温烟气分流室、第二多孔介质燃烧室和第二多孔介质蓄热室；其中所述第一多孔介质蓄热室和第二多孔介质蓄热室之间通过四通换向阀连通，该四通换向阀的另外两个接口分别接有空气管道和低温烟气管道；所述第一多孔介质燃烧室和第二多孔介质燃烧室分别接有第一燃气管道和第二燃气管道；所述高温烟气分流室上开设有高温烟气管道。该高温气体发生装置在蓄热式燃烧器基础上，加设多孔介质燃烧器，可燃用如煤矿瓦斯、化工排气低热值气体产生高温气体，燃气直接通入燃烧室，不需要使用预混气体，安全性更高。

Description

基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置

技术领域

本发明属于涉及高温气体发生系统，具体涉及一种基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置。

背景技术

高温空气发生系统不仅可用于生物质高温空气气化技术、高温空气煤气化技术、而且在冶金、机械和钢铁等行业中有很大应用前景。目前高温空气发生系统主要分为基于高温空气燃烧技术的蓄热式高温空气发生器和往复式热循环多孔介质燃烧高温空气发生器。

蓄热燃烧技术优点在于结构简单，体积小，燃料适应性强，控制简单。多孔介质燃烧技术，预混气体流经多孔介质时在多孔介质中进行燃烧；燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和辐射作用向上游传递预热预混气体，同时通过多孔介质本身蓄热能力回收高温烟气余热，不仅可提高气体燃烧效率，降低CO和NOx排放，且能显著拓宽燃料贫燃极限。但上述方法也存在缺点：蓄热式燃烧技术燃烧温度较高，燃烧时仍将产生大量NOx，二次污染严重；多孔介质燃烧技术目前主要处理预混气体，存在回火等安全问题。

目前申请的关于高温空气发生装置的专利，如往复式多孔介质燃烧高温空气发生装置(专利申请号200520015034.4)与高温空气发生器(专利申请号200420046162.0)，原理均采用燃烧产生的高温烟气加热蓄热体后，蓄热体换热给新鲜空气，被预热的新鲜空气分为两部分，一部分助燃维持燃烧，另一部分作为高温空气流出。该方法存在明显的缺点：炉温和高温空气温度波动较大。另外，针对某些工业应用，并不需要高温的新鲜空气，高温烟气即能满足生产需要，如高温烟气换热加热水蒸气推动汽轮机发电，高温烟气推动燃气轮机发电等，燃气燃烧除维持系统燃烧温度外的多余热量若以高温烟气带走，而非高温新鲜空气带走，可减少空气管道系统，简化装置结构。

因此，开发一种新型的燃烧适用范围广、可燃用低热值气体如煤矿瓦斯、安全稳定、结构简单的高温气体发生装置非常必要。

发明内容

本发明提供了一种基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，该高温气体发生装置可以不使用预混气体，不会导致回火，安全性更高，并且特别适用于低热值燃气。

一种基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，包括依次连通的第一多孔介质蓄热室、第一多孔介质燃烧室、高温烟气分流室、第二多孔介质燃烧室和第二多孔介质蓄热室；

其中所述第一多孔介质蓄热室和第二多孔介质蓄热室之间通过四通换向阀连通，该四通换向阀的另外两个接口分别接有空气管道和低温烟气管道；所述第一多孔介质燃烧室和第二多孔介质燃烧室分别接有第一燃气管道和第二燃气管道；

所述高温烟气分流室上开设有高温烟气管道。

本发明中，所述第一燃气管道和第二燃气管道直接接在燃烧室上，燃气直接通入燃烧室；空气经过蓄热室交换热量后成为高温空气，燃气与该高温空气相遇后可发生燃烧，由于不使用预混气体，不会发生回火，安全性大大提高。同时在第一多孔介质燃烧室(或第二多孔介质燃烧室)中燃烧产生的高温空气分成两部分，一部分进入第二多孔介质蓄热室(或第二多孔介质蓄热室)，将热量传递给其中的多孔介质，另一部分从高温烟气通道中直接导出使用。采用该装置特别适用于低热值燃气，当燃气为低热值气体时，如甲烷浓度为1.2％的低热值气体，燃烧产生的高温烟气中氧气浓度约为18.4％，高温烟气中气体成分与高温新鲜空气相差较小，也可满足部分高温空气工业应用需要。

作为优选，所述高温烟气管道上设有高温烟气控制开关；

所述空气管道上设有空气开关；

所述低温烟气管道上设有低温烟气开关。

其中，通过高温烟气控制开关、空气开关和低温烟气开关可以控制高温烟气所分成的两部分的各自的比例。

本发明中，所述第一多孔介质蓄热室和第二多孔介质蓄热室中填充有多孔介质蓄热材料，该多孔介质蓄热材料为蜂窝陶瓷、陶瓷蓄热小球或泡沫陶瓷，孔隙率范围为0.3-0.85，其中，该多孔介质蓄热材料孔径、孔隙率均匀或孔径、孔隙率逐渐变化。该多孔介质蓄热材料可以实现烟气余热的极限回收。

作为进一步的优选，所述的高温烟气管道带有伸入所述高温烟气分流室的出气管，该出气管可以使高温烟气更方便地进入高温烟气管道；作为进一步的优选，所述出气管伸入高温烟气分流室部分材料采用高温耐火材料，伸入高温烟气分流室的距离h的范围为0≤h≤H，其中H为高温烟气分流室深度。当h＝H时，出气管管壁上开设小孔。

作为优选，所述第一燃气管道上设有第一燃气阀；

所述第二燃气管道上设有第二燃气阀，通过所述第一燃气阀和第二燃气阀控制进入所述高温气体发生装置的燃气量。

作为进一步的优选，该高温气体发生装置还包括周期切换装置；

所述第一燃气阀、所述第二燃气阀和所述四通换向阀由所述周期切换装置控制，所述周期切换装置控制所述四通换向阀发生周期性的转向，并控制所述第一燃气阀和所述第二燃气阀周期性的开合，从而控制整个装置中的气体的流向发生周期性的转化，实现高温烟气的连续输出。

作为优选，所述的第一多孔介质燃烧室包括布置有多孔介质的第一燃烧部和未布置多孔介质的第一入口部；

所述第一入口部与所述第一多孔介质蓄热室相连；

所述的第二多孔介质燃烧室包括布置有多孔介质的第二燃烧部和未布置多孔介质的第二入口部；

所述第二入口部与所述第二多孔介质蓄热室相连；

在所述第一多孔介质燃烧室和所述第二多孔介质燃烧室中布置的多孔介质一般为孔径、孔隙率均匀或孔径、孔隙率逐渐变化的泡沫陶瓷。

当所述泡沫陶瓷的孔径均匀时，孔径范围为0.1mm～5mm；当所述泡沫陶瓷的孔隙率均匀时，孔隙率范围为0.4-1，当孔隙率为1时，所述第一燃烧部和所述第二燃烧部中为自由空间，不布置多孔介质；当所述泡沫陶瓷的孔径逐渐变化时，孔径变化范围为0.1mm～5mm之内，并且由燃烧部与入口部的界面处开始，孔径单调增加或减小变化；当所述泡沫陶瓷的孔隙率逐渐变化时，孔隙率变化范围为0.4-1之内，并且由燃烧部(包括第一燃烧部和第二燃烧部)与入口部(包括第一入口部)的界面处开始，孔隙率单调增加或减小变化。

本发明中，利用多孔介质燃烧技术的低污染排放特性，使燃烧效率提高，进一步降低NOx等污染物排放，拓宽了燃料的适用范围。装置可燃烧热值低于200kJ/Nm³的低热值可燃气体，可稳定产生温度高于1000℃的高温烟气。同时，高温空气和燃气在多孔介质燃烧器内扩散燃烧，燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和辐射作用向上游和下游传递，最高燃烧温度显著降低，大大降低了热力型NOx的排放。进一步，多孔介质燃烧器中由于多孔介质的热惰性，燃烧温度波动较小，可产生温度波动很小的高温气体。

作为优选，所述第一燃气管道和第二燃气管道分别与第一入口部和第二入口部连通。

作为进一步的优选，所述第一燃烧部与第一入口部相接触的部分装有均流阻力孔板，所述均流阻力孔板主要起均压均流控制阻力的作用。

作为进一步的优选，所述均流阻力孔板上开设有通孔；

所述均流阻力孔板的孔隙率为0.1～0.7，此时，可以使气体方便地通过所述均流阻力孔板，并能使燃烧更加稳定。

作为优选，所述的高温烟气管道于高温烟气分流室顶部的中心布置或者偏心布置。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)在蓄热式燃烧器基础上，加设多孔介质燃烧器，可燃用如煤矿瓦斯、化工排气等低热值气体产生高温气体，装置可燃烧热值低于200kJ/Nm³的低热值燃气，可稳定产生温度高于1000℃的高温烟气。

(2)高温烟气一部分分流作为高温气体抽出直接使用，而不是置换高温空气，简化了整个装置的结构；另一部分进入多孔介质蓄热室，交替加热新鲜空气，从而实现蓄热式燃烧技术和多孔介质燃烧技术相结合的高温气体发生方法。

(3)采用周期切换装置控制各控制阀，使高温空气和燃气在多孔介质燃烧器内扩散燃烧，不存在回火等问题，运行可靠安全，易调节。

(4)燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和辐射作用向上游和下游传递，最高燃烧温度显著降低，大大降低了热力型NOx的排放。

(5)利用多孔介质燃烧器中多孔介质的热惰性，可使燃烧温度波动较小，可产生温度波动范围很小的高温气体。

(6)该装置燃烧适用范围更广、节能效果明显、污染排放更低、负荷变化更宽、高温气体温度波动更小。

附图说明

图1为本发明的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置的结构示意图；

图2为多孔介质在第一燃烧室中布置的结构示意图；

图3为第一燃气管道与第一燃烧室连接方式的结构示意图；

图4为燃烧室中均流阻力孔板中的通孔的形状，其中，(a)圆形通孔，(b)三角形通孔，(c)矩形通孔，(d)横向长条形通孔，(e)纵向长条形通孔；

图5为高温烟气管道与高温烟气分流室的连接方式的结构示意图；

图6为高温烟气管道偏心布置示意图；图中，1：第一多孔介质蓄热室；2：第一燃气管道；3：第一点火源；4：第一多孔介质燃烧室；41：均流阻力孔板；42：耐高温泡沫陶瓷；43：第一入口部；5：高温烟气分流室；51：高温烟气管道；6：第二多孔介质燃烧室；7：第二点火源；8：第二燃气管道；81：第二入口部；9：第二多孔介质蓄热室；10：四通换向阀；11：空气开关；12：烟气开关；13：流量计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置做进一步描述。

由图1所示的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置的结构示意图可知，该高温气体发生装置包括依次连通的第一多孔介质蓄热室1、第一多孔介质燃烧室4、高温烟气分流室5、第二多孔介质燃烧室6和第二多孔介质蓄热室9，为了便于保温，在第一多孔介质蓄热室1、第一多孔介质燃烧室4、高温烟气分流室5、第二多孔介质燃烧室6和第二多孔介质蓄热室9的外表面包裹一层保温材料。

其中，第一多孔介质燃烧室4、高温烟气分流室5和第二多孔介质燃烧室6可以通过管道进行连接，也可以设置成一体，构成一个炉膛，第一多孔介质燃烧室4和第二多孔介质燃烧室6分别位于炉膛的两端，高温烟气分流室5位于炉膛的中心部位(如图2所示)，此时结构更紧凑，有利于节省空间。高温烟气出气管伸入炉膛的位置可以在炉膛中心，也可以偏心布置(图6)。

第一多孔介质蓄热室1内部填充有蜂窝陶瓷，该蜂窝陶瓷的孔径和孔隙率均匀，孔隙率范围为0.6，采用蜂窝陶瓷有利于烟气余热的回收，并有利于传热给低温空气。第一多孔介质蓄热室1的一端与第一多孔介质燃烧室4连接，另外一端通过管道连接到四通换向阀10上。

第一多孔介质燃烧室4包括布置有耐高温泡沫陶瓷42的第一燃烧部和内部为空的第一入口部43，耐高温泡沫陶瓷42的孔径和孔隙率均匀，孔径范围为0.1mm～5mm，孔隙率范围为0.4～1。

其中，第一入口部与第一多孔介质蓄热室1相连。第一多孔介质燃烧室4上连有第一燃气管道2，在第一燃气管道2上设有第一燃气阀，用于控制通入第一燃气管道2的燃气的用量。

图3为燃气管道4与燃烧室连接方式的结构示意图，由图2可知，第一燃气管道2连接于第一入口部，此时，在第一燃烧部与第一入口部交界的一端设置有如图3所示的均流阻力孔板41。在均流阻力孔板41上开设有通孔，通孔的形状可以为图4中(a)所示的圆形、(b)所示的三角形、(c)所示的矩形，(d)所示的横向长条形或者(e)所示的纵向长条形，均流阻力孔板41的孔隙率一般为0.1～0.7。实施过程中，均流阻力孔板的孔隙率也可为1，即不设置均流阻力孔板。

在第一燃烧部的内壁上还设置有第一点火源3，当该高温气体发生装置刚开始运行时，第二多孔介质蓄热室9无法使空气加热到足够的温度进而使燃气燃烧，此时，需要借助第一点火源3使燃气燃烧。

以上所述为第一多孔介质蓄热室1和第一多孔介质燃烧室4的结构，第二多孔介质蓄热室9和第二多孔介质燃烧室6的结构基本相同。

高温烟气分流室5的侧壁上连有用于导出高温烟气的高温烟气管道51，高温烟气管道51上设有高温烟气控制开关，该高温烟气控制开关可控制高温烟气管道51的开合，并能控制其中的气体流量。

图5为高温烟气管道51与高温烟气分流室5的一种连接方式的结构示意图，如图5所示，该高温烟气管道51带有伸入高温烟气分流室5的出气管，这样可更有利于高温烟气的导出，出气管伸入高温烟气分流室5的部分的材料采用高温耐火材料，伸入高温烟气分流室5的距离h的范围为0≤h≤H，其中H为高温烟气分流室5深度。当h＝H时，出气管管壁上开设小孔，在出气管的管壁上开设小孔可以更加有利于高温烟气的导出。

图6为高温烟气管道偏心布置示意图，如图6所示，高温烟气管道51偏离炉膛的中心线。

第一多孔介质蓄热室1和第二多孔介质蓄热室9通过管道连接到同一个四通换向阀10上，该四通换向阀10的另外两个接口分别接有空气管道和低温烟气管道，空气管道上设有空气开关11用于通入外部空气，高温烟气通过蓄热室变成低温烟气后经过低温烟气管道导出，在低温烟气管道上还设有低温烟气开关12和流量计13，以监测流出的低温烟气的量，并根据检测的信息对该高温烟气发生装置进行调节。

该高温气体发生装置的工作原理如下：前半周期，第一燃气阀和第一点火源3开启，第二燃气阀和第二点火源7关闭，空气如黑色箭头所示进入第一多孔介质蓄热室1被蓄热体预热，燃气与被预热的高温空气在第一多孔介质燃烧室4中扩散燃烧，高温烟气控制开关开启，燃烧产生的高温烟气一部分分流经作为高温气体抽出，一部分依次进入第二多孔介质燃烧室6和第二多孔介质蓄热室9，温度降低后经由低温烟气开关排出；后半周期，第一燃气阀和第一点火源3关闭，第二燃气阀和第二点火源7开启，空气进入第二多孔介质蓄热室9被蓄热体预热，燃气与被预热的高温空气在第二多孔介质燃烧室6中扩散燃烧，燃烧产生的高温烟气一部分分流经作为高温气体抽出，一部分依次进入第一多孔介质燃烧室4和第一多孔介质蓄热室1，温度降低后经由低温烟气开关排出。

在启炉阶段需要借助第一点火源3和第二点火源7进行点火，待多次循环后，多孔介质蓄热室温度上升，预热空气温度到达燃气着火点后，可以实现自动点火。

Claims (8)

1.一种基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，包括依次连通的第一多孔介质蓄热室(1)、第一多孔介质燃烧室(4)、高温烟气分流室(5)、第二多孔介质燃烧室(6)和第二多孔介质蓄热室(9)；

其中所述第一多孔介质蓄热室(1)和第二多孔介质蓄热室(9)之间通过四通换向阀(10)连通，该四通换向阀(10)的另外两个接口分别接有空气管道和低温烟气管道；所述第一多孔介质燃烧室(4)和第二多孔介质燃烧室(6)分别接有第一燃气管道(2)和第二燃气管道(8)；

所述高温烟气分流室(5)上开设有高温烟气管道(51)。

2.根据权利要求1所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述的高温烟气管道(51)带有伸入所述高温烟气分流室(5)的出气管。

3.根据权利要求2所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述出气管伸入高温烟气分流室(5)的部分的材料采用高温耐火材料，伸入高温烟气分流室(5)的距离h的范围为0≤h≤H，其中H为高温烟气分流室(5)深度。

4.根据权利要求1所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述的第一多孔介质燃烧室(4)包括布置有多孔介质的第一燃烧部和未布置多孔介质的第一入口部(43)；

所述第一入口部(43)与所述第一多孔介质蓄热室(1)相连；

所述的第二多孔介质燃烧室(6)包括布置有多孔介质的第二燃烧部和未布置多孔介质的第二入口部(81)；

所述第二入口部(81)与所述第二多孔介质蓄热室(9)相连。

5.根据权利要求4所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述第一燃气管道(2)和第二燃气管道(8)分别与第一入口部(43)和第二入口部(81)连通。

6.根据权利要求5所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述第一燃烧部与第一入口部(43)相接触的部分装有均流阻力孔板(41)。

7.根据权利要求6所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述均流阻力孔板(41)上开设有通孔；

所述均流阻力孔板(41)的孔隙率为0.1～0.7。

8.根据权利要求2所述的基于多孔介质燃烧和蓄热的高温气体发生装置，其特征在于，所述的高温烟气管道(51)于高温烟气分流室(5)顶部的中心布置或者偏心布置。

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