CN103234202A

CN103234202A - 引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器

Info

Publication number: CN103234202A
Application number: CN2013101521228A
Authority: CN
Inventors: 冉景煜; 祁文杰; 冉明矗; 王蕊蕊; 张力
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: CN103234202B

Abstract

本发明公开了一种引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，在燃烧器外壳的底部设有煤层气入口Ⅰ，顶部外圆周上设置环形腔体，在环形腔体的圆周上均布设有煤层气入口Ⅱ；在燃烧器外壳的内壁上部设置催化层；煤层气入口Ⅰ包括空气量调节外壳，燃烧器外壳的底部设置引射空气渐扩喷管，在空气量调节外壳内设置引射空气渐缩喷管；煤层气入口Ⅱ包括煤层气输入管Ⅰ和煤层气输入管Ⅱ；煤层气输入管Ⅰ一端设置引射烟气渐缩喷管；煤层气输入管Ⅱ的另一端设置引射烟气渐扩喷管。该燃烧器利用的是低浓度煤层气，能使低浓度煤层气在该燃器实现稳定燃烧。使用这种燃料不仅可以解决燃料短缺，而且可以避免能源浪费；由于温度的均匀化，使得有害气体的排放降低。

Description

引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧器技术领域，特别是涉及一种引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器。

背景技术

一般瓦斯、矿井瓦斯和风排瓦斯总称为煤层气，是煤层伴生的一种混合气体，在我国储量巨大，而且排空量很大，造成浪费。煤层气主要的成分是CH₄和N₂，伴有少量H₂S、SO₂、CO₂、CO、NO₂、H₂等气体。CH₄占含量20%-90%，对于不可燃部分，N₂占了很大一部分，因此，相对于纯CH₄气体，煤层气相对来讲较难燃烧，需要通过强化燃烧来实现煤层气的稳定燃烧。

普通的气体燃烧器只适用于天然气、煤气等高热值、高浓度的气体，对燃气性质要求较高，如发明专利号95219811.8和专利号00101580.x，由于煤层气热值相对较低，如果用他们来进行煤层气的燃烧，虽然能够实现点燃，但是将难以实现稳定的燃烧，而且，上述专利所用的煤层气甲烷浓度也较高（60%以上），较低浓度（30%-50%）很难实现燃烧利用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种可燃烧低浓度煤层气并实现负荷调节、稳定燃烧、效率高效的引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，包括燃烧器外壳，所述燃烧器外壳的底部设有煤层气入口Ⅰ，在燃烧器外壳的顶部外圆周上设置环形腔体，在环形腔体的圆周上均布设有多个煤层气入口Ⅱ；在燃烧器外壳的内壁上部设置催化层；

所述催化层由燃烧器外壳的中心向外壳内壁之间依次设置的多个环形陶瓷片组成，相邻环形陶瓷片之间形成燃气微通道；在环形陶瓷片的表面涂有催化剂；

所述煤层气入口Ⅰ包括与燃烧器外壳的底部连接的空气量调节外壳，所述燃烧器外壳的底部设置引射空气渐扩喷管，在空气量调节外壳内设置引射空气渐缩喷管，所述引射空气渐扩喷管的小端与引射空气渐缩喷管的小端对应；

所述煤层气入口Ⅱ包括煤层气输入管Ⅰ和煤层气输入管Ⅱ；所述煤层气输入管Ⅰ一端伸进环形腔体，伸入端上设置引射烟气渐缩喷管；所述煤层气输入管Ⅱ的一端伸向催化层的下方并与燃烧器外壳内连通，煤层气输入管Ⅱ的另一端设置引射烟气渐扩喷管，所述引射烟气渐缩喷管的小端与引射烟气渐扩喷管的小端对应；

所述环形腔体的内壁设有与燃烧器外壳内相通的烟气引射通孔，所述烟气引射通孔位于催化层的上方。

作为本发明的一种优选方案，所述环形陶瓷片的横截面成梭形。

作为本发明的另一种优选方案，所述空气量调节外壳上设有与引射空气渐缩喷嘴对应的进气孔。

作为本发明的一种改进方案，所述引射烟气渐缩喷管的大端口直径为1.3cm，所述引射烟气渐缩喷管的小端口直径为6mm，所述引射烟气渐缩喷管的小端口伸进引射烟气渐扩喷管的小端内，引射烟气渐缩喷管与引射烟气渐扩喷管之间的空隙为1mm，引射烟气渐缩喷管和引射烟气渐扩喷管的总长度为4～6cm。

作为本发明的另一种改进方案，所述引射空气渐缩喷管的大端口直径为3.2cm，所述引射空气渐缩喷管的小端口直径为1.1cm，所述引射空气渐缩喷管的小端口伸进引射空气渐扩喷管的小端口内，引射空气渐缩喷管与引射空气渐扩喷管之间的空隙为1.0～3.5mm，引射空气渐扩喷管和引射空气渐缩喷管的总长度为8.0～12.0cm。

与现有技术相比，本发明的引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器具有如下优点：

1、该燃烧器利用的是低浓度煤层气，使用这种燃料不仅可以解决燃料的短缺问题，而且可以避免能源的浪费。由于温度的均匀化，使得有害气体的排放降低，排出的主要燃烧产物为CO₂和H₂O。

2、该燃烧器使用环形陶瓷片组成的燃气微通道，流道内实现重整反应，产生的H₂可以实现强化燃烧的目的；微流道壁面表面积很大，而且为陶瓷表面，可以起到蓄热，从而实现稳定燃烧的目的。

3、该燃烧器利用引射烟气来预热煤层气，可以稳定燃烧和提高燃烧效率，而且烟气还为催化反应提供了活性粒子。

4、该燃烧器直接利用火焰辐射热，以及回流烟气来预热混合气流，这样不仅可以稳定燃烧与提高燃烧效率，而且烟气还为催化反应提供了活性粒子。

附图说明

图1为引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器的结构示意图；

图2为引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器的俯视图；

图3为催化层的剖面视图。

附图中： 1—燃烧器外壳； 2—环形腔体； 3—催化层； 4—环形陶瓷片；5—燃气微通道； 6—空气量调节外壳； 7—引射空气渐扩喷管； 8—引射空气渐缩喷管； 9—煤层气输入管Ⅰ； 10—煤层气输入管Ⅱ； 11—引射烟气渐缩喷管； 12—引射烟气渐扩喷管； 13—烟气引射通孔； 14—进气孔； 15—陶瓷片； 16—燃烧器混合腔； 17—催化层支撑环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1、2所示，引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，包括燃烧器外壳1。燃烧器外壳1的底部设有煤层气入口Ⅰ，在燃烧器外壳1的顶部外圆周上设置环形腔体2，在环形腔体2的圆周上均布设有多个煤层气入口Ⅱ，本实施中，在环形腔体2的圆周上成对称均布设有四个煤层气入口Ⅱ。在燃烧器外壳1的内壁上部设置催化层3。

催化层的结构如图2、3所示，在燃烧器外壳1的内壁圆周上设有催化层支撑环17，催化层3安装在催化层支撑环17上。催化层3由燃烧器外壳1的中心向外壳1内壁之间依次设置的多个环形陶瓷片4组成，环形陶瓷片4的横截面成梭形。多个环形陶瓷片4通过横向设置的陶瓷片15连接，相邻环形陶瓷片4之间形成燃气微通道5，燃气微通道5的剖面形状为拉法尔喷管形，因此混合气流进入燃气微通道5会加速减压，这不仅有利于强化气流在环形陶瓷片4壁面实现催化反应，而且还能预防回火的发生。在环形陶瓷片4的表面涂有催化剂（如Ni基催化剂），混合气在催化层3当中完成催化重整反应，催化重整反应完成后，气流离开催化层3，在催化层3上部完成最后的燃烧过程，并完成一个循环。微通道催化重整反应自身也会产生热量，因此燃气微通道5内处于高温状态，不仅满足了重整反应需要的温度，而且燃气微通道5能存储热量，保证火焰的稳定性。环形腔体2的内壁设有与燃烧器外壳1内相通的烟气引射通孔13，烟气引射通孔13位于催化层3的上方。

煤层气入口Ⅰ包括与燃烧器外壳1的底部连接的空气量调节外壳6，燃烧器外壳1的底部设置引射空气渐扩喷管7，在空气量调节外壳6内设置引射空气渐缩喷管8，引射空气渐扩喷管7的小端与引射空气渐缩喷管8的小端对应。煤层气的50%～60%从煤层气入口Ⅰ进入，经过引射空气渐缩喷管8减速降压，引射空气渐缩喷管8和引射空气渐扩喷管7衔接处的压力为负压，环境中的空气在压差作用下，由引射空气渐扩喷管7引射进入燃烧器混合腔16。

煤层气入口Ⅱ包括煤层气输入管Ⅰ9和煤层气输入管Ⅱ10。煤层气输入管Ⅰ9一端伸进环形腔体2，伸入端上设置引射烟气渐缩喷管11。煤层气输入管Ⅱ10的一端伸向催化层3的下方并与燃烧器外壳1内连通，煤层气输入管Ⅱ10的另一端设置引射烟气渐扩喷管12，引射烟气渐缩喷管11的小端与引射烟气渐扩喷管12的小端对应。燃气进入催化层3后，在催化层3上部完成最终的燃烧过程。引射烟气煤层气从煤层气输入管Ⅰ9进入，经过引射烟气渐缩喷管11减速降压，引射烟气渐缩喷管11和引射烟气渐扩喷管12衔接处的压力为负压，催化层3上部火焰的压力大于引射烟气渐缩喷管11和引射烟气渐扩喷管12衔接处的压力，因此，在压差作用下，火焰中的烟气以及一部分空气由烟气引射通孔13进入环形腔体2和煤层气输入管Ⅱ10并流入燃烧器混合腔16中，与燃烧器外壳1底部进入的燃气混合进入催化层3，进行催化重整反应。

可燃煤层气分五部分分别进入燃烧器，其中50～60%的低浓度煤层气由燃烧器下部通入煤层气入口Ⅰ，这一股煤层气气流用来引射环境中的空气，实现燃气预混燃烧；其余煤层气分别由环形腔体2周围四个煤层气入口Ⅱ进入，用来引射烟气。引射的空气量可根据煤层气的品质进行调节，引射进入燃烧器的烟气可预热混合气体，强化燃烧，并且提供部分活性粒子以及H₂0作为催化反应的反应物。混合气流进入煤层气催化层3，在环形陶瓷片4的壁面煤层气中甲烷实现催化燃烧和催化重整反应：

CH₄+2H₂O=CO₂+4H₂

CH₄+CO₂=2CO+2H₂

生成的H₂热值很高，且能降低燃气着火温度，可以强化燃烧，而且环形陶瓷片4组合而成的燃气微通道5有很大的表面积，而且表面为陶瓷材料，具有较大的辐射蓄热能力，因此，可实现煤层气的稳定燃烧。

在燃烧器外壳1的底部向下延伸，空气量调节外壳6通过螺纹配合旋套在延伸段上，空气量调节外壳6上设有与引射空气渐缩喷嘴8对应的进气孔14，通过向上或向下旋转空气量调节外壳6，便可调节空气进气量。

燃烧器如作为家用燃烧器高约2.5dm，直径约1.5dm，引射烟气渐缩喷管11的大端口直径为1.3cm，引射烟气渐缩喷管11的小端口直径为6mm，引射烟气渐缩喷管11的小端口伸进引射烟气渐扩喷管12的小端内，引射烟气渐缩喷管11与引射烟气渐扩喷管12之间的空隙为1mm，引射烟气渐缩喷管11和引射烟气渐扩喷管12的总长度为4～6cm。引射空气渐缩喷管8的大端口直径为3.2cm，引射空气渐缩喷管8的小端口直径为1.1cm，引射空气渐缩喷管8的小端口伸进引射空气渐扩喷管7的小端口内，引射空气渐缩喷管8与引射空气渐扩喷管7之间的空隙为1.0～3.5mm，引射空气渐扩喷管7和引射空气渐缩喷管8的总长度为8.0～12.0cm，设计压力损失考虑燃烧器混合腔16内涡带来的压力损失，燃气微通道5内的压力损失，部分沿程损失，以及喷嘴衔接处的压力损失。引射空气的引射空气渐扩喷管7和引射空气渐缩喷管8能够进行调节，不同CH₄含量的煤层气引射不同比例的空气，空气引射量相对于煤层气为17～35%。煤层气甲烷浓度越高，空气引射量调节越大。低浓度的煤层气需要较少的空气实现催化重整制氢反应，来强化燃烧的进行。

该燃烧器结构简单，催化层3可以进行更换，使用寿命长。煤层气压力2000Pa～3000Pa足以实现燃烧器的正常工作，因此，可以作为家用燃气灶使用。该燃烧器如作为工业燃烧器，燃烧器可根据上述燃烧器的尺寸进行比例放大。其中，催化层空隙应该低于0.5cm，厚度应该小于8cm，虽然空隙的减小以及厚度的增加会让重整效果更好，但是这会使得所需燃气压力升高，压力的升高会增加利用成本。

本燃烧器利用预混的方式实现低浓度煤层气的燃烧利用，燃烧器混合腔16中的甲烷含量控制在25%～45%之内，应高于甲烷爆炸极限15%。待燃烧器稳定工作后，燃烧器混合腔16中混合气流温度在200℃左右，混合气流热量由引射的烟气以及催化层热辐射所提供。

总体来讲，催化反应所需温度较低，300℃即可实现甲烷催化生成H₂,可降低着火温度，从而使得燃烧强度增加明显。同时，环形陶瓷片的引入可蓄积热量，形成一个稳定的辐射火源，保证低浓度煤层气的稳定燃烧。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，其特征在于：包括燃烧器外壳（1），所述燃烧器外壳（1）的底部设有煤层气入口Ⅰ，在燃烧器外壳（1）的顶部外圆周上设置环形腔体（2），在环形腔体（2）的圆周上均布设有多个煤层气入口Ⅱ；在燃烧器外壳（1）的内壁上部设置催化层（3）；

所述催化层（3）由燃烧器外壳（1）的中心向外壳（1）内壁之间依次设置的多个环形陶瓷片（4）组成，相邻环形陶瓷片（4）之间形成燃气微通道（5）；在环形陶瓷片（4）的表面涂有催化剂；

所述煤层气入口Ⅰ包括与燃烧器外壳（1）的底部连接的空气量调节外壳（6），所述燃烧器外壳（1）的底部设置引射空气渐扩喷管（7），在空气量调节外壳（6）内设置引射空气渐缩喷管（8），所述引射空气渐扩喷管（7）的小端与引射空气渐缩喷管（8）的小端对应；

所述煤层气入口Ⅱ包括煤层气输入管Ⅰ（9）和煤层气输入管Ⅱ（10）；所述煤层气输入管Ⅰ（9）一端伸进环形腔体（2），伸入端上设置引射烟气渐缩喷管（11）；所述煤层气输入管Ⅱ（10）的一端伸向催化层（3）的下方并与燃烧器外壳（1）内连通，煤层气输入管Ⅱ（10）的另一端设置引射烟气渐扩喷管（12），所述引射烟气渐缩喷管（11）的小端与引射烟气渐扩喷管（12）的小端对应；

所述环形腔体（2）的内壁设有与燃烧器外壳（1）内相通的烟气引射通孔（13），所述烟气引射通孔（13）位于催化层（3）的上方。

2.根据权利要求1所述的引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，其特征在于：所述环形陶瓷片（4）的横截面成梭形。

3.根据权利要求1所述的引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，其特征在于：所述空气量调节外壳（6）上设有与引射空气渐缩喷嘴（8）对应的进气孔（14）。

4.根据权利要求1所述的引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，其特征在于：所述引射烟气渐缩喷管（11）的大端口直径为1.3cm，所述引射烟气渐缩喷管（11）的小端口直径为6mm，所述引射烟气渐缩喷管（11）的小端口伸进引射烟气渐扩喷管（12）的小端内，引射烟气渐缩喷管（11）与引射烟气渐扩喷管（12）之间的空隙为1mm，引射烟气渐缩喷管（11）和引射烟气渐扩喷管（12）的总长度为4～6cm。

5.根据权利要求1所述的引射烟气回流式低浓度煤层气燃烧器，其特征在于：所述引射空气渐缩喷管（8）的大端口直径为3.2cm，所述引射空气渐缩喷管（8）的小端口直径为1.1cm，所述引射空气渐缩喷管（8）的小端口伸进引射空气渐扩喷管（7）的小端口内，引射空气渐缩喷管（8）与引射空气渐扩喷管（7）之间的空隙为1.0～3.5mm，引射空气渐扩喷管（7）和引射空气渐缩喷管（8）的总长度为8.0～12.0cm。