CN104141952B - 一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿瓦斯治理、减排技术领域，涉及一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置及方法，以甲烷浓度为3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯作为燃料，燃烧后产生650℃～1050℃高温烟气并回收利用。本发明的创新点在于设置蓄热材料预热段(10)和蓄热材料燃烧段(11)；极低浓度煤矿瓦斯先在蓄热材料预热段(10)内预热，在蓄热材料燃烧段(11)内完成燃烧过程并加热蓄热材料燃烧段(11)；蓄热材料燃烧段(11)和高温烟气通过传导、对流和辐射等方式向蓄热材料预热段(10)和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以维持连续、稳定燃烧。本发明以自然条件下无法燃烧的极低浓度瓦斯作为燃料，有效解决了甲烷浓度低于9％的煤矿瓦斯减排问题，且具有对甲烷浓度波动适应性强和热回收效率高等优点。

Description

一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯治理、减排技术领域，特别是涉及一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置及方法，以甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯作为燃料，通过将极低浓度煤矿瓦斯在燃烧装置内部预热维持稳定燃烧，产生650℃～1050℃高温烟气，烟气热量可供回收利用。本技术适用于处理、利用煤矿瓦斯抽采泵站高、低负压真空泵所抽采出的瓦斯气体。

背景技术

当前煤矿瓦斯抽采泵站抽采出的瓦斯气体，其甲烷浓度一般在3％～30％。除部分甲烷浓度高于9％的抽排瓦斯可以用于内燃机发电以外，甲烷浓度低于9％的抽排瓦斯没有成熟的处理、利用技术，目前全部排放大气。而内燃机发电技术仍然没有解决故障率高、受瓦斯浓度波动影响大等问题，使内燃机发电技术的推广应用受到很多限制。甲烷、空气预混气体的爆炸极限范围为5％～15％；对于甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯来说，由于存在大量过剩空气因而绝热燃烧温度降低，在自然条件下不会燃烧、爆炸，应用、处理难度较大。甲烷浓度低于1.2％的煤矿瓦斯可以采用蓄热氧化技术进行处理，但存在装置经济性差、热效率低、维修维护工作量大等问题。

全世界煤矿业每年通风和抽放排出的甲烷约2800万吨/年，预计到2015年可达3200万吨/年。据统计，我国煤矿每年向大气排放的甲烷量达190亿m³，居世界第一，约占中国工业生产中甲烷排放量的三分之一，而其中通过煤矿抽放系统排入大气的甲烷约为60～75亿m³，为西气东输工程设计年输气量的50％～63％。甲烷具有很强的温室效应，相当于二氧化碳温室效应的21倍，对臭氧的破坏能力是二氧化碳的7倍。煤矿瓦斯的直接排放，在浪费大量能源的同时引起巨大的环境污染问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置及方法，不仅能保证甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯连续、稳定燃烧和甲烷燃烧效率高于99.5％，还解决了内燃机发电技术故障率高、受瓦斯浓度波动影响大和蓄热氧化技术经济性差、热效率低、维修维护工作量大等问题。

为了克服现有技术的缺点和不足，根据本发明的一方面，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，包括：抽排瓦斯管道、安全输送装置、浓度控制装置、鼓风机、瓦斯燃烧装置本体、余热锅炉、锅炉排烟引风机和烟囱，其特征在于，所述抽排瓦斯管道经安全输送装置与所述浓度控制装置连通，所述鼓风机经空气输送管道Ⅰ与所述浓度控制装置连通，经所述抽排瓦斯管道、安全输送装置的煤矿抽排瓦斯与来自所述鼓风机的空气同时通入所述浓度控制装置，在所述浓度控制装置中混合后成为甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯，所述浓度控制装置的输出端经管道与所述瓦斯燃烧装置本体的瓦斯输入口连通，其中，

--所述瓦斯燃烧装置本体的壳体内设置有间壁换热器，所述间壁换热器的内侧设置有蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段；在所述瓦斯燃烧装置本体的一端设置有启动加热装置，另一端设置有高温烟气排出口，在靠近所述高温烟气排出口的瓦斯燃烧装置本体的壳体侧壁上设置有所述瓦斯输入口；所述间壁换热器的一端与所述瓦斯燃烧装置本体的设置有所述瓦斯输入口的一端的端壁密封连接，所述间壁换热器的另一端与所述瓦斯燃烧装置本体的另一端壁留有一定间隙；

--所述高温烟气排出口依次与余热锅炉、锅炉排烟引风机、烟囱连通；

所述极低浓度煤矿瓦斯进入瓦斯燃烧装置本体后，先通过间壁换热器初步预热至50℃～150℃，然后在蓄热材料预热段内继续吸热，达到极低浓度煤矿瓦斯的燃烧温度后开始燃烧；点燃后的极低浓度煤矿瓦斯流经蓄热材料燃烧段完成燃烧过程并释放部分热量加热蓄热材料燃烧段；温度较高的蓄热材料燃烧段和高温烟气向温度较低的蓄热材料预热段和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以使未燃极低浓度煤矿瓦斯持续达到燃烧温度；从蓄热材料燃烧段流出的高温烟气经余热锅炉回收热量后通过锅炉排烟引风机、烟囱排入大气。

进一步地，本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，所述抽排瓦斯管道上设有瓦斯控制阀门。

进一步地，本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，所述蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段采用刚玉材质的蜂窝陶瓷材料，或采用刚玉或碳化硅材质的外径4mm至20mm的小球堆积而成。

进一步地，本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，所述启动加热装置包括空气输入端和燃料输入端，所述鼓风机经空气输送管道Ⅱ与所述空气输入端连通，所述燃料输入端接燃料管道；所述瓦斯燃烧装置冷态启动时，启动加热装置通过燃烧烟气加热蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段达到800℃以上，然后关闭启动加热装置并通入极低浓度煤矿瓦斯，完成燃烧装置预热启动。优选地，所述启动加热装置所使用的燃料为天然气或柴油。

进一步地，本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，所述空气输送管道Ⅰ、空气输送管道Ⅱ、燃料管道上均设置有控制阀门。

进一步地，本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，所述余热锅炉包括辐射受热段、对流受热段和水冷壁，所述辐射受热段设置于对流受热段的下部；所述辐射受热段的一端与所述高温烟气排出口连通，另一端与所述对流受热段的进口连通，所述对流受热段的出口经管道与所述锅炉排烟引风机连通；所述水冷壁的冷水进口设置在所述辐射受热段的进口附近，所述水冷壁的热水或蒸汽出口设置在所述对流受热段的出口附近。

根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题还提供了一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧方法，设置抽排瓦斯管道、安全输送装置、浓度控制装置、鼓风机、瓦斯燃烧装置本体、余热锅炉、锅炉排烟引风机和烟囱，其特征在于，

--经抽排瓦斯管道、安全输送装置的煤矿抽排瓦斯与来自鼓风机的空气同时通入浓度控制装置，在浓度控制装置中混合后成为甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯，

所述极低浓度煤矿瓦斯进入瓦斯燃烧装置本体后，先通过间壁换热器初步预热至50℃～150℃，然后在蓄热材料预热段内继续吸热，达到极低浓度煤矿瓦斯的燃烧温度后开始燃烧；点燃后的极低浓度煤矿瓦斯流经蓄热材料燃烧段完成燃烧过程并释放部分热量加热蓄热材料燃烧段；温度较高的蓄热材料燃烧段和高温烟气向温度较低的蓄热材料预热段和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以使未燃极低浓度煤矿瓦斯持续达到燃烧温度；从蓄热材料燃烧段流出的高温烟气经余热锅炉回收热量后通过锅炉排烟引风机、烟囱排入大气。

本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置及方法，其创新点在于：一、设置蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段；蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段采用刚玉材质的蜂窝陶瓷材料，也可采用刚玉或碳化硅材质、外径4mm至20mm的小球堆积而成；经过抽排瓦斯管道、瓦斯控制阀门、安全输送装置的煤矿抽排瓦斯与来自鼓风机的空气同时进入浓度控制装置，混合后成为甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯；进入瓦斯燃烧装置本体内的极低浓度煤矿瓦斯先在蓄热材料预热段内吸热，达到极低浓度煤矿瓦斯的燃烧温度后开始燃烧；点燃后的极低浓度煤矿瓦斯流经蓄热材料燃烧段完成燃烧过程并释放部分热量加热蓄热材料燃烧段；温度较高的蓄热材料燃烧段和高温烟气通过传导、对流和辐射等方式，不断向温度较低的蓄热材料预热段和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以使未燃极低浓度煤矿瓦斯达到燃烧温度；从蓄热材料燃烧段流出的高温烟气(烟气温度650℃～1050℃)进入余热锅炉回收热量，之后通过锅炉排烟引风机、烟囱排入大气。二、在瓦斯燃烧装置本体内、蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段外部设置间壁换热器；间壁换热器用于初步预热经过浓度控制装置进入瓦斯燃烧装置本体内的极低浓度煤矿瓦斯(在此初步预热至50℃～150℃)，同时减少瓦斯燃烧装置本体散热损失，降低瓦斯燃烧装置本体外表面温度。三、在瓦斯燃烧装置本体头部设置启动加热装置；瓦斯燃烧装置冷态启动时，启动加热装置以天然气、柴油等气体或液体燃料作为能源，通过燃烧烟气加热蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段达到800℃以上，然后关闭启动加热装置并通入极低浓度煤矿瓦斯，完成燃烧装置预热启动。

本发明的优点在于：一、燃烧装置以自然条件下无法燃烧的甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯作为燃料，回收、利用大量能源，同时为解决甲烷浓度低于9％的煤矿瓦斯减排问题提供一种技术方案；二、与内燃机发电技术比较，燃烧装置对甲烷浓度波动、煤尘和水的适应性强，能够自动调节运行状态，无运动部件故障率低；三、与蓄热氧化技术比较，燃烧装置设备投资少、热量回收效率高、技术经济性好，结构简单、维修维护方便。

附图说明

图1是本发明实施例的系统原理图。

其中，抽排瓦斯管道(1)、瓦斯控制阀门(2)、安全输送装置(3)、浓度控制装置(4)、鼓风机(5)、瓦斯燃烧装置本体(6)、间壁换热器(7)、燃料管道(8)、启动加热装置(9)、蓄热材料预热段(10)、蓄热材料燃烧段(11)、余热锅炉(12)、辐射受热段(121)、对流受热段(122)、水冷壁(123)、锅炉排烟引风机(13)、烟囱(14)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的一种实施方式。本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，包括抽排瓦斯管道1、安全输送装置3、浓度控制装置4、鼓风机5、瓦斯燃烧装置本体6、余热锅炉12、锅炉排烟引风机13和烟囱14，抽排瓦斯管道1经安全输送装置3与浓度控制装置4连通，鼓风机5经空气输送管道Ⅰ与浓度控制装置4连通，经抽排瓦斯管道1、安全输送装置3的煤矿抽排瓦斯与来自鼓风机5的空气同时通入浓度控制装置4，在浓度控制装置4中混合后成为甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯，浓度控制装置4的输出端经管道与瓦斯燃烧装置本体6的瓦斯输入口连通。

瓦斯燃烧装置本体6的壳体内设置有间壁换热器7，间壁换热器7的内侧设置有蓄热材料预热段10和蓄热材料燃烧段11；在瓦斯燃烧装置本体6的一端设置有启动加热装置9，另一端设置有高温烟气排出口，在靠近高温烟气排出口的瓦斯燃烧装置本体6的壳体侧壁上设置有瓦斯输入口；间壁换热器7的一端与瓦斯燃烧装置本体6的设置有瓦斯输入口的一端的端壁密封连接，间壁换热器7的另一端与瓦斯燃烧装置本体6的另一端壁留有一定间隙。高温烟气排出口依次与余热锅炉12、锅炉排烟引风机13、烟囱14连通。

本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，抽排瓦斯管道1上设有瓦斯控制阀门2。空气输送管道Ⅰ、空气输送管道Ⅱ、燃料管道8上均设置有控制阀门。

本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，余热锅炉12包括辐射受热段121、对流受热段122和水冷壁123，辐射受热段121设置于对流受热段122的下部；辐射受热段121的一端与高温烟气排出口连通，另一端与对流受热段122的进口连通，对流受热段122的出口经管道与锅炉排烟引风机13连通；水冷壁123的冷水进口设置在辐射受热段121的进口附近，水冷壁123的热水或蒸汽出口设置在对流受热段122的出口附近。

本发明的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置中，在瓦斯燃烧装置本体6头部设置启动加热装置9；启动加热装置9包括空气输入端和燃料输入端，鼓风机5经空气输送管道Ⅱ与空气输入端连通，燃料输入端接燃料管道8，瓦斯燃烧装置冷态启动时，启动加热装置9以天然气、柴油等气体或液体燃料作为能源，通过燃烧烟气加热蓄热材料预热段10和蓄热材料燃烧段11达到800℃以上，然后关闭启动加热装置9并通入极低浓度煤矿瓦斯，完成燃烧装置预热启动；启动加热装置9工作时，由燃料管道8提供燃料，由鼓风机5提供助燃风。

在瓦斯燃烧装置本体6内腔中部设置蓄热材料预热段10和蓄热材料燃烧段11，用于强化高温烟气向未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，维持持续、稳定燃烧。蓄热材料预热段10和蓄热材料燃烧段11采用刚玉材质的蜂窝陶瓷材料堆砌，也可采用刚玉或碳化硅材质、外径4mm至20mm的小球堆积而成。在瓦斯燃烧装置本体6内、蓄热材料预热段10和蓄热材料燃烧段11外部设置间壁换热器7，用于初步预热进入瓦斯燃烧装置本体6内的极低浓度煤矿瓦斯，从而提高极低浓度煤矿瓦斯最终进入蓄热材料燃烧段11前的温度；设置间壁换热器7同时还可以减少瓦斯燃烧装置本体6的散热损失，降低瓦斯燃烧装置本体6的外表面温度。

经过抽排瓦斯管道1、瓦斯控制阀门2、安全输送装置3的煤矿抽排瓦斯与来自鼓风机5的空气同时进入浓度控制装置4，混合后成为甲烷浓度3％～5％的极低浓度煤矿瓦斯。极低浓度煤矿瓦斯进入瓦斯燃烧装置本体6后，先通过间壁换热器7初步预热至50℃～150℃，然后在蓄热材料预热段10内继续吸热，达到极低浓度煤矿瓦斯的燃烧温度后开始燃烧；点燃后的极低浓度煤矿瓦斯流经蓄热材料燃烧段11完成燃烧过程并释放部分热量加热蓄热材料燃烧段11；温度较高的蓄热材料燃烧段11和高温烟气通过传导、对流和辐射等方式，不断向温度较低的蓄热材料预热段10和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以使未燃极低浓度煤矿瓦斯持续达到燃烧温度，维持燃烧的连续性、稳定性。从蓄热材料燃烧段11流出的高温烟气(烟气温度650℃～1050℃)进入余热锅炉12回收热量，之后通过锅炉排烟引风机13、烟囱14排入大气。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，包括：抽排瓦斯管道、安全输送装置、浓度控制装置、鼓风机、瓦斯燃烧装置本体、余热锅炉、锅炉排烟引风机和烟囱，其特征在于，所述抽排瓦斯管道经安全输送装置与所述浓度控制装置连通，所述鼓风机经空气输送管道Ⅰ与所述浓度控制装置连通，经所述抽排瓦斯管道、安全输送装置的煤矿抽排瓦斯与来自所述鼓风机的空气同时通入所述浓度控制装置，在所述浓度控制装置中混合后成为甲烷浓度3%～5%的极低浓度煤矿瓦斯，所述浓度控制装置的输出端经管道与所述瓦斯燃烧装置本体的瓦斯输入口连通，其中，

--所述瓦斯燃烧装置本体的壳体内设置有间壁换热器，所述间壁换热器的内侧设置有蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段；在所述瓦斯燃烧装置本体的一端设置有启动加热装置，另一端设置有高温烟气排出口，在靠近所述高温烟气排出口的瓦斯燃烧装置本体的壳体侧壁上设置有所述瓦斯输入口；所述间壁换热器的一端与所述瓦斯燃烧装置本体的设置有所述瓦斯输入口的一端的端壁密封连接，所述间壁换热器的另一端与所述瓦斯燃烧装置本体的另一端壁留有一定间隙；

--所述高温烟气排出口依次与余热锅炉、锅炉排烟引风机、烟囱连通；

所述极低浓度煤矿瓦斯进入瓦斯燃烧装置本体后，先通过间壁换热器初步预热至50℃～150℃，然后在蓄热材料预热段内继续吸热，达到极低浓度煤矿瓦斯的燃烧温度后开始燃烧；点燃后的极低浓度煤矿瓦斯流经蓄热材料燃烧段完成燃烧过程并释放部分热量加热蓄热材料燃烧段；温度较高的蓄热材料燃烧段和高温烟气向温度较低的蓄热材料预热段和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以使未燃极低浓度煤矿瓦斯持续达到燃烧温度；从蓄热材料燃烧段流出的高温烟气经余热锅炉回收热量后通过锅炉排烟引风机、烟囱排入大气。

2.根据权利要求1所述的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，其特征在于，所述抽排瓦斯管道上设有瓦斯控制阀门。

3.根据权利要求1所述的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，其特征在于，所述蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段采用刚玉材质的蜂窝陶瓷材料，或采用刚玉或碳化硅材质的外径4mm至20mm的小球堆积而成。

4.根据权利要求1至3任一项所述的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，其特征在于，所述启动加热装置包括空气输入端和燃料输入端，所述鼓风机经空气输送管道Ⅱ与所述空气输入端连通，所述燃料输入端接燃料管道；所述瓦斯燃烧装置冷态启动时，启动加热装置通过燃烧烟气加热蓄热材料预热段和蓄热材料燃烧段达到800℃以上，然后关闭启动加热装置并通入极低浓度煤矿瓦斯，完成燃烧装置预热启动。

5.根据权利要求4任一项所述的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，其特征在于，所述空气输送管道Ⅰ、空气输送管道Ⅱ、燃料管道上均设置有控制阀门。

6.根据权利要求1至3任一项所述的极低浓度煤矿瓦斯燃烧装置，其特征在于，所述余热锅炉包括辐射受热段、对流受热段和水冷壁，所述辐射受热段设置于对流受热段的下部；所述辐射受热段的一端与所述高温烟气排出口连通，另一端与所述对流受热段的进口连通，所述对流受热段的出口经管道与所述锅炉排烟引风机连通；所述水冷壁的冷水进口设置在所述辐射受热段的进口附近，所述水冷壁的热水或蒸汽出口设置在所述对流受热段的出口附近。

7.一种极低浓度煤矿瓦斯燃烧方法，设置抽排瓦斯管道、安全输送装置、浓度控制装置、鼓风机、瓦斯燃烧装置本体、余热锅炉、锅炉排烟引风机和烟囱，其特征在于，

--经抽排瓦斯管道、安全输送装置的煤矿抽排瓦斯与来自鼓风机的空气同时通入浓度控制装置，在浓度控制装置中混合后成为甲烷浓度3%～5%的极低浓度煤矿瓦斯，

所述极低浓度煤矿瓦斯进入瓦斯燃烧装置本体后，先通过间壁换热器初步预热至50℃～150℃，然后在蓄热材料预热段内继续吸热，达到极低浓度煤矿瓦斯的燃烧温度后开始燃烧；点燃后的极低浓度煤矿瓦斯流经蓄热材料燃烧段完成燃烧过程并释放部分热量加热蓄热材料燃烧段；温度较高的蓄热材料燃烧段和高温烟气向温度较低的蓄热材料预热段和未燃极低浓度煤矿瓦斯传递热量，以使未燃极低浓度煤矿瓦斯持续达到燃烧温度；从蓄热材料燃烧段流出的高温烟气经余热锅炉回收热量后通过锅炉排烟引风机、烟囱排入大气。