CN104566367B - 低浓度煤层气或瓦斯燃烧器及其配套系统 - Google Patents

低浓度煤层气或瓦斯燃烧器及其配套系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了低浓度煤层气或瓦斯燃烧器及其配套系统，包括金属外壳，金属外壳顶端边缘通过接法兰与锅炉连接，金属外壳内壁贴有陶瓷纤维层，在陶瓷纤维层内侧贴有耐火砖层，耐火砖层内部由顶部至底部依次设有多孔介质层上部和多孔介质层下部、陶瓷蜂窝板、耐热金属丝网和均压风室，耐热金属丝网四周固定在金属壳体上，将多孔介质层上部、多孔介质层下部、陶瓷蜂窝板支撑住，耐热金属丝网至金属外壳底部之间形成均压风室，均压风室中心的金属外壳底部设有煤层气或瓦斯进口，在煤层气或瓦斯进口上设有折流板。本发明的有益效果是燃烧器能够燃烧低浓度煤层气或瓦斯。

Description

低浓度煤层气或瓦斯燃烧器及其配套系统
技术领域
本发明属于气体燃烧技术领域，涉及低浓度煤层气或瓦斯燃烧器及其配套系统。
背景技术
我国煤层气(瓦斯)资源丰富，距地表以下2000m内的储量约为35万亿m3。但我国煤层气(瓦斯)利用率很低。根据统计数据，2013年我国煤层气(瓦斯)抽采量156亿立方米，利用66亿立方米，利用率仅为42.3％，主要原因在于：(1)煤层气(瓦斯)浓度低。我国50％以上的抽采煤层气(瓦斯)浓度在10％以下，其中又有大部分浓度低于5％。；(2)煤层气(瓦斯)参数波动大。煤层气(瓦斯)抽采过程中，浓度高时可以达到80％，低时在5％以下；(3)低浓度煤层气(瓦斯)是甲烷和空气的预混气体，常常处于爆炸浓度范围5％-15％附近，易燃易爆。
现有的常规燃气燃烧器一般针对高浓度的可燃性气体设计的，一般是扩散燃烧，不易发生回火，容易实现安全高效燃烧，但不适合燃烧低浓度煤层气或瓦斯。
多孔介质燃烧技术是一种新型燃烧技术，它可以使预混可燃气体在多孔介质内部安全高效燃烧。它最突出的优点之一就是可以扩展燃料的贫燃极限，降低最低可燃浓度。多孔介质燃烧器也有相关的专利技术，如两段燃烧、渐变式多孔介质燃烧等，有的仅仅是提出了多孔介质燃烧的概念或者方法，有的完成了多孔介质燃烧烧器的结构设计，但功率很小，只有几千瓦、十几千瓦，很难工业化应用，而且对燃烧器的稳定燃烧，如控制脱火、回火，缺乏相应的监测控制手段，对于易燃易爆的低浓度煤层气或瓦斯,燃烧器的安全性很难保证。多孔介质在高温火焰内容易发生热震现象，导致陶瓷材料容易断裂、塌缩，尤其是大型化以后，床层容易发生烧偏现象，无法正常燃烧，也会带来安全问题。此外，低浓度煤层气或瓦斯浓度变化范围较大，还没有多孔介质燃烧器能与其相适应。总之，目前还没有和工业锅炉相结合的适用于燃烧低浓度煤层气或瓦斯的大型多孔介质燃烧器。
在多年对低浓度煤层气或瓦斯多孔介质燃烧研究的基础上，发明了与工业锅炉相结合的大型化低浓度煤层气或瓦斯燃烧器及配套系统。本发明的多孔介质燃烧器功率大，单台达到MW级，适于工业化应用。在燃烧器本体方面，合理确定了多孔介质的组合结构、尺寸，可有效防止回火，实现了低浓度煤层气或瓦斯稳定高效燃烧。完成了燃烧器绝热保温层设计，包括材料选择和结构尺寸，最大限度地扩展煤层气或瓦斯最低可燃浓度。设计了均压均流结构，保证低浓度煤层气或瓦斯在多孔介质内流动的均匀性，防止局部速度过大或过低而发生脱火和回火以及烧偏现象。设计了燃烧器基质支撑结构，防止床层塌缩。设计了多道防回火结构和监控措施，保障了燃烧安全性。设计了燃烧器点火方式和方法，保证低浓度煤层气或瓦斯成功点燃。针对低浓度煤层气或瓦斯浓度变化大的问题，设计了配气系统和调节方法，从而保证进入燃烧器的煤层气或瓦斯浓度在合理范围，防止燃烧温度过高烧坏基质，或过低无法点燃。设计了燃烧监测控制系统。以上措施，保证了大型低浓度煤层气或瓦斯燃烧器安全稳定高效运行，实现工业化应用。
现有技术的缺点：
1、现有的多孔介质燃烧器尺寸小，功率小，只有几千瓦，十几千瓦，不适合工业应用。本发明解决了大型化问题。
2、大型化燃烧器床层塌缩后容易发生烧偏现象，燃烧不稳定，容易产生安全问题。本发明设计了防止燃烧基质床层坍塌结构。
3、现有多孔介质燃烧器缺乏脱火、回火监测控制手段，本发明设计了燃烧稳定结构与监测控制方法，解决了工业应用的安全问题。
4、现有的多孔介质燃烧器没有考虑燃料浓度变化大的问题，不适于燃烧低浓度煤层气或瓦斯，本发明设计了配气机构，调节进入燃烧器的煤层气或瓦斯浓度,解决了这个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了低浓度煤层气或瓦斯燃烧器，解决了现有的多孔介质燃烧器没有考虑燃料浓度变化大的问题，不适于燃烧低浓度煤层气或瓦斯的问题。
本发明的另一个目的是提供低浓度煤层气或瓦斯燃烧器的配套系统。
本发明所采用的技术方案是包括金属外壳，金属外壳顶端边缘通过接法兰与锅炉连接，金属外壳内壁贴有陶瓷纤维层，在陶瓷纤维层内侧贴有耐火砖层，耐火砖层内部由顶部至底部依次设有多孔介质层上部和多孔介质层下部、陶瓷蜂窝板、耐热金属丝网和均压风室，耐热金属丝网四周固定在金属壳体上，将多孔介质层上部、多孔介质层下部、陶瓷蜂窝板支撑住，耐热金属丝网至金属外壳底部之间形成均压风室，均压风室中心的金属外壳底部设有煤层气或瓦斯进口，在煤层气或瓦斯进口上设有折流板。
进一步，低浓度煤层气或瓦斯燃烧器的燃料为低浓度煤层气或瓦斯，也可以是高炉煤气、焦炉煤气、地下气化气、垃圾填埋气、常规天然气等类似气体。
进一步，所述多孔介质层中多孔介质类型可以是泡沫型、颗粒堆积型、直孔网格型或纤维网格型。
进一步，所述多孔介质层中多孔介质材料为金属材料或非金属材料。
进一步，所述多孔介质层中孔径分布可以均匀式、两段式或渐变式，优选为上层孔径大、下层孔径小。
低浓度煤层气或瓦斯燃烧器的配套系统，包括混气罐，混气罐上设有煤层气或瓦斯入口和空气入口，混气罐通过管道连接管道阻火器，在混气罐与管道阻火器之间依次设有瓦斯浓度测量仪、流量调节阀和流量计，管道阻火器通过管道连接安装在燃烧室的燃烧器，燃烧室设有高能电点火器、热成像仪、下部热电偶、上部热电偶，下部热电偶设置与多孔介质层下部同层，上部热电偶设置与多孔介质层上部同层。
本发明的有益效果是燃烧器能够燃烧低浓度煤层气或瓦斯。
附图说明
图1是本发明低浓度煤层气或瓦斯燃烧器结构示意图；
图2是本发明低浓度煤层气或瓦斯燃烧器配套系统结构示意图。
图中，1.金属外壳，2.陶瓷蜂窝板，3.陶瓷纤维层，4.耐火砖层，5.多孔介质层上部，6.多孔介质层下部，7.耐热金属丝网，8.均压风室，9.折流板，10.煤层气或瓦斯进口，11.混气罐，12.管道阻火器，13.瓦斯浓度测量仪，14.流量调节阀，15.流量计，16.燃烧室，17.高能电点火器，18.热成像仪，19.下部热电偶，20.上部热电偶。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明系统由燃烧器本体、配气系统、点火与火检系统、稳燃与控制系统、监控系统组成。其中，燃烧器本体如图1所示，燃烧器为一立式结构，包括金属外壳1，金属外壳1顶端边缘通过接法兰与锅炉连接，金属外壳1内壁贴有陶瓷纤维层3，在陶瓷纤维层3上贴有耐火砖层4，金属外壳1内部由顶部至底部依次设有多孔介质层上部5和多孔介质层下部6、陶瓷蜂窝板2、耐热金属丝网7和均压风室8，耐热金属丝网7四周固定在金属壳体1上，将多孔介质层上部5和多孔介质层下部6、陶瓷蜂窝板2支撑住，耐热金属丝网7至金属外壳1底部之间形成均压风室8，均压风室8中心的金属外壳1底部设有煤层气或瓦斯进口10，在煤层气或瓦斯进口10上设有折流板9。
本发明燃烧器有两层绝热层，即陶瓷纤维层3和耐火砖层4，保证了燃烧器工作时金属外壳1温度低于50℃，减少了散热，从而可以最大限度地扩展低浓度煤层气或瓦斯贫燃极限。燃烧基质采用多孔介质即多孔介质层上部5和多孔介质层下部6。多孔介质类型优选为泡沫型，也可以是颗粒堆积型、直孔网格型、纤维网格型。多孔介质材料可以是金属材料，也可以是非金属材料。多孔介质层孔径分布可以是均匀式，也可以是两段式或渐变式，优选上层孔径大、下层孔径小，可以防止回火。陶瓷蜂窝板2，主要的作用是均流，使从下面来的燃气均匀进入多孔介质。此外，多孔介质层下部6孔眼直径优选为1mm，小于火焰淬熄直径，能有效防止回火。蜂窝陶瓷板2下面是耐热金属丝网7，其四周固定在金属壳体1上，主要作用是支撑上面的燃烧基质，防止多孔介质由于热震断裂而坍塌下来。陶瓷蜂窝板2和耐热金属丝网7由于孔眼直径都小于火焰淬熄直径，都可以防止回火。燃烧器煤层气或瓦斯进口10的喉口结构，使气流速度达到15m/s，远大于火焰传播速度，也可以防止回火。煤层气或瓦斯进口10设置了折流板9，折流板9使燃气进入燃烧器后改变方向，向四周流动，而不是直接上冲，使均压风室8压力均匀，防止泡沫陶瓷内气流速度不均，起到稳定火焰的作用。
本发明的低浓度煤层气或瓦斯燃烧器配套系统如图2所示，包括混气罐11，混气罐11上设有煤层气或瓦斯入口和空气入口，混气罐11通过管道连接管道阻火器12，在混气罐11与管道阻火器12之间依次设有瓦斯浓度测量仪13、流量调节阀14和流量计15，管道阻火器12通过管道连接安装在燃烧室16内的燃烧器，燃烧室16设有高能电点火器17、热成像仪18，下部热电偶19设置与多孔介质层下部6同层，上部热电偶20设置与多孔介质层上部5同层。燃料为低浓度煤层气或瓦斯，也可是高炉煤气、焦炉煤气、地下气化气、垃圾填埋气、常规天然气等类似气体。
低浓度煤层气或瓦斯燃烧器配套系统主要由以下几个系统组成：
配气系统：主要有管道阻火器12、流量计15、流量调节阀14、瓦斯浓度测量仪13、气体混合罐即混气罐11组成。配气系统的作用是将低浓度煤层气或瓦斯与来自高压风机的空气在混气罐11里按照一定的比例混合，达到适宜燃烧的浓度，然后经过输送管路送入燃烧器本体进行燃烧。在配气系统出口，安装一管道阻火器12，防止火焰向上游传播。
点火与火检系统：由高能电点火器17和热成像仪18组成。高能电点火器17安装在燃烧室内，产生高能电火花，将煤层气或瓦斯预混气体点燃。热成像仪18用来监测点火是否成功。当煤层气或瓦斯浓度低于5％时，无法在冷态的多孔介质内直接燃烧。首先要用较高浓度的煤层气或瓦斯引燃，利用回火方法，将多孔泡沫陶瓷加热，然后再通入浓度为5％以下的低浓度煤层气或瓦斯，就能保证正常燃烧。热成像仪18可以实时显示燃烧器出口表面的温度，判断煤层气或瓦斯是否在泡沫陶瓷内部正常燃烧，以及是否发生偏烧现象。
监控系统：监控系统主要由瓦斯浓度监测仪13、流量调节阀14、流量计15、热成像仪18、下部热电偶19、上部热电偶20组成，实时监控煤层气或瓦斯流量、浓度和燃烧基质温度，进行调节控制，实时掌握燃烧性能，保证安全稳定高效燃烧。
本发明优选采用多道防回火结构。因为优选多孔介质层上部5孔眼密度小，多孔介质层下部6孔眼密度大，下层平均孔径小于火焰淬熄直径，可以防止回火。陶瓷蜂窝板2和耐热金属丝网7由于孔眼直径都小于火焰淬熄直径，都可以防止回火。燃烧器煤层气或瓦斯进口10的喉口结构，使气流速度达到15m/s，远大于火焰传播速度，也可以防止回火。在配气系统出口，安装一管道阻火器12，防止火焰向上游传播。
防脱火方法主要是应用下部热电偶19和上部热电偶20，根据其显示温度可以判断火焰是否向下游移动，发生脱火。此外，根据热成像仪18，也可以观察燃烧器出口表面的温度，判断是否发生脱火现象，进而控制可燃气流速，保证安全高效燃烧。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.低浓度瓦斯燃烧器，其特征在于：包括金属外壳(1)，金属外壳(1)顶端边缘通过接法兰与锅炉连接，金属外壳(1)内壁贴有陶瓷纤维层(3)，在陶瓷纤维层(3)内侧贴有耐火砖层(4)，耐火砖层(4)内部由顶部至底部依次设有多孔介质层上部(5)和多孔介质层下部(6)、陶瓷蜂窝板(2)、耐热金属丝网(7)和均压风室(8)，耐热金属丝网(7)四周固定在金属外壳(1)上，将多孔介质层上部(5)、多孔介质层下部(6)、陶瓷蜂窝板(2)支撑住，耐热金属丝网(7)至金属外壳(1)底部之间形成均压风室(8)，均压风室(8)中心的金属外壳(1)底部设有瓦斯进口(10)，在瓦斯进口(10)上设有折流板(9)；所述多孔介质层上部(5)为泡沫型或颗粒堆积型或直孔网格型或纤维网格型；所述多孔介质层下部(6)为泡沫型或颗粒堆积型或直孔网格型或纤维网格型；所述多孔介质层上部(5)孔径分布是均匀式或两段式或渐变式；所述多孔介质层下部(6)孔径分布是均匀式或两段式或渐变式；所述多孔介质层上部(5)孔径大，多孔介质层下部(6)孔径小；还包括混气罐(11)，混气罐(11)上设有瓦斯入口和空气入口，混气罐(11)通过管道连接管道阻火器(12)，在混气罐(11)与管道阻火器(12)之间依次设有瓦斯浓度测量仪(13)、流量调节阀(14)和流量计(15)，管道阻火器(12)通过管道连接安装在燃烧室(16)的燃烧器，燃烧室(16)设有高能电点火器(17)、热成像仪(18)、下部热电偶(19)、上部热电偶(20)，下部热电偶(19)设置与多孔介质层上部(5)同层，上部热电偶(20)设置与多孔介质层下部(6)同层。
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