CN103643986B - 自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置 - Google Patents

自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，包括金属外壳，金属外壳内设有蜂窝陶瓷氧化床，蜂窝陶瓷氧化床通过换热室分割为回热段和氧化段，回热段与金属外壳内壁之间的第一空腔通过进气隔板分割为第一进气室和排气室，氧化段与金属外壳内壁之间的第二空腔通过匀气隔板分割为第二进气室和混合室，匀气隔板上设有若干气体喷嘴；换热室内设有内置式换热器，内置式换热器的换热器入口和换热器出口分别与锅筒相连，第一进气室通过比例调节阀与瓦斯入口相连，第二进气室通过比例混合器与抽采低浓度瓦斯入口相连，比例调节阀通过连接管道与比例混合器相连，蜂窝陶瓷氧化床上的进气预热管两端分别与第一进气室和混合室连通。

Description

自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置
技术领域
本发明涉及一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，是一种基于蓄热及回热原理来协同氧化并利用煤矿抽采低浓度瓦斯与通风瓦斯的矿用设备，属于煤矿节能减排、煤矿安全技术及工程领域。
背景技术
我国具有丰富的煤矿瓦斯（煤层气）资源，地下2000m以内赋存的瓦斯（煤层气）资源量约30～35万亿m3，有效开采和利用煤炭及瓦斯资源在我国国民经济发展中的重要地位日益凸显。瓦斯也是一种清洁、高效、不可再生的能源，其发热量可达33.5～36.8MJ/m3，1m3瓦斯相当于1.3kg标准煤的发热量，并且其利用过程不会产生氮氧化合物及硫化物等有害物质。我国超过50%的煤层属于高瓦斯煤层，2009年我国煤矿生产过程中释放的瓦斯总量超过150亿m3，但将近2/3的瓦斯则以通风的形式直接排入了大气，既浪费了大量宝贵的能源资源，也污染了大气环境。此外，由于瓦斯（煤层气）的温室效应是二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏是CO2的7倍。目前在国际碳汇市场，每吨碳的减排量可以卖85元人民币，每年150亿m3瓦斯的减排和利用，可获得170亿人民币的收益。因此，煤矿瓦斯包括通风瓦斯的资源化利用，不仅可以在瓦斯利用方面获得直接的经济收益，又可在节能减排方面获得丰厚的回报。
对于煤矿抽采的低浓度瓦斯，目前可有效利用的方法多为瓦斯内燃式发电机组进行发电，但所用瓦斯浓度一般要求不低于6%，而对于1%～6%的抽采低浓度瓦斯大多以直接排空为主。至于煤矿通风瓦斯的处理，目前可选用的工业化技术包括热逆流氧化技术、催化逆流氧化技术。但现场应用表明，只有在通风瓦斯浓度高于0.5%的情况下，瓦斯氧化反应的放热方可维持氧化床的表面散热及氧化反应的稳定运行。此外，进行通风瓦斯处理的热逆流氧化技术或催化逆流氧化技术均采用了“往复流动模式”下的蓄热氧化原理，由于气流在氧化装置内的往复流动造成装置内的温度场始终处于波动的状态，其一方面会造成取热装置所得蒸汽参数的波动，极大的影响了蒸汽轮机组的安全运行；另一方面，往复流动模式下波动的温度场使得蓄热体始终处于冷热交替的循环状态，也极大的影响了蓄热体的机械强度和寿命。
发明内容
发明目的：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种原理先进、设备简单可靠、结构紧凑合理、节能减排效果显著的可实现煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化的一体化装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，包括金属外壳，金属外壳外壁设有保温隔热层，金属外壳内设有蜂窝陶瓷氧化床，蜂窝陶瓷氧化床通过换热室分割为回热段和氧化段，回热段与金属外壳内壁之间形成第一空腔，氧化段与金属外壳内壁之间形成第二空腔，第一空腔通过进气隔板分割为第一进气室和排气室，第二空腔通过匀气隔板分割为第二进气室和混合室，匀气隔板上设有若干气体喷嘴；换热室内设有内置式换热器，内置式换热器设有换热器入口和换热器出口，换热器入口和换热器出口分别与锅筒相连，锅筒上还设有给水入口和蒸汽出口，第一进气室设有第一进气入口，第一进气入口通过第一连接法兰与比例调节阀连接，第二进气室设有第二进气入口，第二进气入口通过第四连接法兰与比例混合器连接，通风瓦斯入口通过第二连接法兰与比例调节阀连接，抽采低浓度瓦斯入口通过第六法兰与比例混合器相连，连接管道的一端通过第三法兰与比例调节阀相连，连接管道的另一端通过第五法兰与比例混合器相连；排气室设有排气出口，排气管道通过第七法兰与排气出口相连，第二进气室设有高温烟气入口，高温烟气入口设有高温烟气阀门，高温烟气阀门与启动燃烧器相连，启动燃烧器上安装有启动燃烧器风机和启动燃料喷射泵；蜂窝陶瓷氧化床上还设有若干进气预热管，进气预热管的一端穿过进气隔板上与第一进气室相连通，进气预热管的另一端与混合室相连通。
在本发明中，进一步的，所述进气预热管采用叉排交错布置。
在本发明中，进一步的，所述气体喷嘴数量与进气预热管数量相同，并且气体喷嘴在匀气隔板上的安装位置与进气预热管在蜂窝陶瓷氧化床上的安装位置一一对应。
在本发明中，进一步的，所述蜂窝陶瓷氧化床的材质为三氧二化铝、碳化硅、二氧化锆、莫来石或堇青石；蜂窝陶瓷氧化床的孔型为正方形、矩形、正六边形、圆形或三角形。
在本发明中，进一步的，所述内置式换热器为蛇形管结构。
有益效果：
1）通风瓦斯经回热预热后进入混合室，并于气体喷嘴喷入的抽采低浓度瓦斯混合后一起进入蜂窝陶瓷氧化床，实现了通风瓦斯与抽采低浓度瓦斯的协同一体化氧化处理；
2）蜂窝陶瓷氧化床回热段的设置有效提高了热量的回收，并可同时将热量用于含瓦斯气体在进气预热管内进行预热，实现了装置的自回热运行；
3）采用含瓦斯气流单向流通蓄热氧化的运行模式，有效避免了传统往复流通模式下氧化装置内温度场的连续波动和运行的不稳定，同时有效避免了蜂窝陶瓷氧化床因往复流通温度周期变化而引起的热应力破坏；
4）内置式换热器采用多组小容量、集中布置在换热室内进行取热，便于内置式换热器的集中管理与更换，有利于蒸汽参数的稳定；
5）进气预热管以叉排交错形式布置在蜂窝陶瓷氧化床的内部，保证了回热效果，同时结构紧凑合理；
6）装置的启动采用外置式的启动燃烧器进行，启动时采用启动燃烧器产生的高温烟气对蜂窝陶瓷氧化床进行预热，启动运行方便，同时便于启动系统的维护管理。
附图说明
图1是本发明的主视剖面结构图；
图2是图1的A–A剖面结构图；
图3是图1的B–B剖面结构图；
图4是图1的C–C剖面结构图。
图中：1–通风瓦斯入口，2–第一连接法兰，3–第一进气入口，4–保温隔热层，5–金属外壳，6–第一进气室，7–进气隔板，8–排气室，9–进气预热管，10–第七连接法兰，11–排气管道，12–排气出口，13–蜂窝陶瓷氧化床，14–换热室，15–换热器出口，16–换热器入口，17–蒸汽出口，18–锅筒，19–给水入口，20–混合室，21–匀气隔板，22–第二进气室，23–高温烟气入口，24–启动燃烧器风机，25–启动燃料喷射泵，26–启动燃烧器，27–高温烟气阀门，28–气体喷嘴，29–进气入口，30–第四连接法兰，31–抽采低浓度瓦斯入口，32–第六连接法兰，33–比例混合器，34–第五连接法兰，35–内置式换热器，36–连接管道，37–第三连接法兰，38–比例调节阀，39–第二连接法兰，40-回热段，41-氧化段。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1至4所示，本发明的自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置包括金属外壳5，金属外壳5外壁设有保温隔热层4，金属外壳5内设有蜂窝陶瓷氧化床13。蜂窝陶瓷氧化床13的材质可以采用三氧二化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）、二氧化锆（ZrO2）、莫来石或堇青石；蜂窝陶瓷氧化床13的孔型可以为正方形、矩形、正六边形、圆形或三角形。蜂窝陶瓷氧化床13通过换热室14分割为回热段40和氧化段41，回热段40与金属外壳5内壁之间形成第一空腔，氧化段41与金属外壳5内壁之间形成第二空腔，第一空腔通过进气隔板7分割为第一进气室6和排气室8，第二空腔通过匀气隔板21分割为第二进气室22和混合室20，匀气隔板21上设有若干气体喷嘴28。换热室14内设有内置式换热器35，内置式换热器35为蛇形管结构，内置式换热器35的两端设有换热器入口16和换热器出口15，换热器入口16和换热器出口15分别与锅筒18相连，锅筒18上还设有给水入口19和蒸汽出口17。第一进气室6设有第一进气入口3，第一进气入口3通过第一连接法兰2与比例调节阀38连接，第二进气室22设有第二进气入口29，第二进气入口29通过第四连接法兰30与比例混合器33连接，通风瓦斯入口1通过第二连接法兰39与比例调节阀38连接，抽采低浓度瓦斯入口31通过第六法兰32与比例混合器33相连，连接管道36的一端通过第三法兰37与比例调节阀38相连，连接管道36的另一端通过第五法兰34与比例混合器33相连；排气室8设有排气出口12，排气管道11通过第七法兰10与排气出口12相连，第二进气室22设有高温烟气入口23，高温烟气入口23设有高温烟气阀门27，高温烟气阀门27与启动燃烧器26相连，启动燃烧器26上安装有启动燃烧器风机24和启动燃料喷射泵25。蜂窝陶瓷氧化床13上还设有若干进气预热管9，进气预热管9的一端穿过进气隔板7上与第一进气室6相连通，进气预热管9的另一端与混合室20相连通。在本实施例中，进气预热管9采用叉排交错布置，即任意两排进气预热管9横向相互错位，任意两列进气预热管9纵向相互错位，气体喷嘴28数量与进气预热管9数量相同，并且气体喷嘴28在匀气隔板21上的安装位置与进气预热管9在蜂窝陶瓷氧化床13上的安装位置一一对应。
本发明的工作过程：开启启动燃烧器26，启动燃烧器风机24和启动燃料喷射泵25分别将空气和燃料引至启动燃烧器26混合并燃烧，燃烧产生的高温烟气依次通过高温烟气阀门27、第二进气室、气体喷嘴28和混合室20进入进气预热管9，通过进气预热管9向蜂窝陶瓷氧化床13导热，将蜂窝陶瓷氧化床13预热至1000℃左右，关闭启动燃烧器26；通风瓦斯和抽采低浓度瓦斯分别由通风瓦斯入口1和抽采低浓度瓦斯入口31进入，根据通风瓦斯的浓度调整比例调节阀38的开度，控制第一进气入口3和连接管道36的通风瓦斯的流量比例，同时根据抽采低浓度瓦斯的浓度调整比例混合器33的开度，比例混合器33用于将通风瓦斯与抽采低浓度瓦斯以一定比例混合，以提高混合气体中的瓦斯浓度，提高氧化装置运行的稳定性和热量利用的经济性，第一进气室6内的通风瓦斯经进气预热管9预热后在混合室20与气体喷嘴28喷入的抽采低浓度瓦斯相混合，一起进入蜂窝陶瓷氧化床13的氧化段41进行蓄热氧化反应，蓄热氧化反应会产生高温烟气，高温烟气先通过内置式换热器35进行取热，然后进入蜂窝陶瓷氧化床13的回热段40进一步进行热量回收，温度降低后的烟气最后由排气室8经排气出口12、排气管道11进行排空。
内置式换热器35取热过程：取热用的循环水由给水入口19首先进入锅筒18，在蒸汽与循环水密度差的驱动下，循环水从换热器入口16进入内置式换热器35提取热量，然后由换热器出口15进入锅筒进行水汽分离，产生的蒸汽自蒸汽出口17排出至热量利用场所。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，其特征在于：它包括金属外壳(5)，金属外壳(5)外壁设有保温隔热层(4)，金属外壳(5)内设有蜂窝陶瓷氧化床(13)，蜂窝陶瓷氧化床(13)通过换热室(14)分割为回热段(40)和氧化段(41)，回热段(40)与金属外壳(5)内壁之间形成第一空腔，氧化段(41)与金属外壳(5)内壁之间形成第二空腔，第一空腔通过进气隔板(7)分割为第一进气室(6)和排气室(8)，第二空腔通过匀气隔板(21)分割为第二进气室(22)和混合室(20)，匀气隔板(21)上设有若干气体喷嘴(28)；
所述换热室(14)内设有内置式换热器(35)，内置式换热器(35)设有换热器入口(16)和换热器出口(15)，换热器入口(16)和换热器出口(15)分别与锅筒(18)相连，锅筒(18)上还设有给水入口(19)和蒸汽出口(17)，第一进气室(6)设有第一进气入口(3)，第一进气入口(3)通过第一连接法兰(2)与比例调节阀(38)连接，第二进气室(22)设有第二进气入口(29)，第二进气入口(29)通过第四连接法兰(30)与比例混合器(33)连接，通风瓦斯入口(1)通过第二连接法兰(39)与比例调节阀(38)连接，抽采低浓度瓦斯入口(31)通过第六连接法兰(32)与比例混合器(33)相连，连接管道(36)的一端通过第三连接法兰(37)与比例调节阀(38)相连，连接管道(36)的另一端通过第五连接法兰(34)与比例混合器(33)相连，排气室(8)设有排气出口(12)，排气管道(11)通过第七连接法兰(10)与排气出口(12)相连，第二进气室(22)设有高温烟气入口(23)，高温烟气入口(23)设有高温烟气阀门(27)，高温烟气阀门(27)与启动燃烧器(26)相连，启动燃烧器(26)上安装有启动燃烧器风机(24)和启动燃料喷射泵(25)；
蜂窝陶瓷氧化床(13)上还设有若干进气预热管(9)，进气预热管(9)的一端穿过进气隔板(7)上与第一进气室(6)相连通，进气预热管(9)的另一端与混合室(20)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，其特征在于：所述进气预热管(9)采用叉排交错布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，其特征在于：所述气体喷嘴(28)数量与进气预热管(9)数量相同，并且气体喷嘴(28)在匀气隔板(21)上的安装位置与进气预热管(9)在蜂窝陶瓷氧化床(13)上的安装位置一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，其特征在于：所述蜂窝陶瓷氧化床(13)的材质为三氧二化铝、碳化硅、二氧化锆、莫来石或堇青石；蜂窝陶瓷氧化床(13)的孔型为正方形、矩形、正六边形、圆形或三角形。
5.根据权利要求1所述的一种自回热型煤矿低浓度瓦斯与通风瓦斯协同氧化一体化装置，其特征在于：所述内置式换热器(35)为蛇形管结构。
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