CN104848233A - 一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉及其运行方法，其包括掺混鼓风机、抽排瓦斯安全阀组、瓦斯掺混装置、换向阀组、锅炉本体、引风机、锅炉引风机和烟囱；抽排瓦斯管道通过抽排瓦斯安全阀组连接瓦斯掺混装置瓦斯进口，掺混鼓风机连接瓦斯掺混装置空气进口，瓦斯掺混装置出口通过换向阀组连接锅炉本体；换向阀组连接引风机，锅炉本体烟气出口连接锅炉引风机，引风机和锅炉引风机都连接烟囱；锅炉本体內横向设置一锅筒，锅炉本体与锅筒之间形成液体腔室；在锅筒内腔一侧设置有燃烧装置，另一侧设置对流换热面，燃烧装置中的陶瓷蓄热材料层由第一耐火材料层分为第一陶瓷蓄热材料层和第二陶瓷蓄热材料层。本发明可以广泛应用于煤矿瓦斯的燃烧系统中。

Description

一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉及其运行方法，特别是关于一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉及其运行方法。

背景技术

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，而其中通过煤矿抽采泵站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％。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2％～30％；除少量甲烷浓度高于9％的抽排瓦斯可以用于内燃机发电以外，甲烷浓度低于9％的抽排瓦斯目前全部排放大气。甲烷、空气预混气体的爆炸极限范围为5％～15％；对于甲烷浓度为2％～3％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、处理难度极大，目前没有成熟的处理、利用技术，也没有能以甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯作为燃料的燃烧系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可有效提高甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯的氧化率，充分利用瓦斯氧化产生的热量，减少锅炉内热量损失的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉及其运行方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：它包括掺混鼓风机、抽排瓦斯安全阀、瓦斯掺混装置、换向阀组、锅炉本体、锅炉引风机、引风机和烟囱；抽排瓦斯管道通过所述抽排瓦斯安全阀连接所述瓦斯掺混装置的瓦斯进口，所述掺混鼓风机连接所述瓦斯掺混装置的空气进口，所述瓦斯掺混装置的出口通过所述换向阀组连接所述锅炉本体；所述锅炉本体的烟气出口连接所述锅炉引风机的进风口，所述锅炉本体还通过所述换向阀组连接所述引风机的进风口，所述锅炉引风机和所述引风机的出风口都连接至所述烟囱；

所述锅炉本体內横向设置有一锅筒，所述锅炉本体的炉壁与所述锅筒的管壁之间形成一液体腔室；在所述锅筒的内腔一侧设置有燃烧装置，另一侧设置有对流换热面，所述燃烧装置位于所述对流换热面底部；所述燃烧装置包括带有通孔的陶瓷蓄热材料层和第一耐火材料层，所述第一耐火材料层位于所述陶瓷蓄热材料层的中部，将所述陶瓷蓄热材料层分为对称的第一陶瓷蓄热材料层和第二陶瓷蓄热材料层；在位于所述锅筒一端口的所述锅炉本体的端面上靠近燃烧装置的部位设置有第一进出口和第二进出口，所述第一进出口与所述第一陶瓷蓄热材料层连通，所述第二进出口与所述第二陶瓷蓄热材料层连通；所述锅炉本体的烟气出口设置在位于所述锅筒另一端口的所述锅炉本体的端面上靠近所述对流换热面的部位。

所述换向阀组包括第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀和第四换向阀；所述第一换向阀的一端和所述第二换向阀的一端并联至所述瓦斯掺混装置的出口；所述第一换向阀的另一端连接所述第三换向阀的一端；所述第二换向阀的另一端连接所述第四换向阀的一端；所述第三换向阀的另一端和所述第四换向阀的另一端并联至所述引风机的进风口；所述锅炉本体的所述第一进出口与所述第一换向阀和所述第三换向阀之间的管道连通；所述锅炉本体的所述第二进出口与所述第二换向阀和所述第四换向阀之间的管道连通。

在所述锅炉本体底部靠近所述锅炉本体的所述第一进出口和所述第二进出口处设置有冷水进口，在所述锅炉本体上部靠近所述锅炉本体的烟气出口处设置有热水蒸汽出口。

所述对流换热面由换热管构成，所述对流换热面的烟气出口与所述锅炉本体的烟气出口连通。

在所述陶瓷蓄热材料层外部设置有第二耐火材料层。

所述锅炉本体的外壁设置有保温材料层。

一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉的运行方法，其包括以下步骤：

1)开启抽排瓦斯安全阀，煤矿抽排瓦斯经过抽排瓦斯管道进入瓦斯掺混装置，与由掺混鼓风机提供的新鲜空气混合，形成甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯；

2)对锅炉本体进行预热，开启第一换向阀和第四换向阀，甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯经过第一换向阀从锅炉本体的第一进出口进入第一陶瓷蓄热材料层，在第一陶瓷蓄热材料层中进行氧化放热；从第一陶瓷蓄热材料层流出的高温烟气，一部分进入第二陶瓷蓄热材料层，对第二陶瓷蓄热材料层进行预热后由锅炉本体的第二进出口经第四换向阀、引风机和烟囱排出大气；另一部分进入对流换热面的换热管中，与液体腔室内的水进行热量交换后由锅炉本体的烟气出口经锅炉引风机和烟囱排出大气；

3)经过5分钟～120分钟后，换向阀组执行切换动作，关闭第一换向阀和第四换向阀，开启第二换向阀和第三换向阀，甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯经过第二换向阀从锅炉本体的第二进出口进入第二陶瓷蓄热材料层，在第二陶瓷蓄热材料层中进行氧化放热；从第二陶瓷蓄热材料层流出的高温烟气，一部分进入第一陶瓷蓄热材料层，对第一陶瓷蓄热材料层进行预热后由锅炉本体的第一进出口经第三换向阀、引风机和烟囱排出大气；另一部分进入对流换热面的换热管中，与液体腔室内的水进行热量交换后由锅炉本体的烟气出口经锅炉引风机和烟囱排出大气；

4)经过5分钟～120分钟后，换向阀组执行切换动作，关闭第二换向阀和第三换向阀，开启第一换向阀和第四换向阀，重新进入步骤2)。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用将陶瓷蓄热材料层分为两部分，瓦斯在其中一部分进行氧化放出的部分热量对另一部分进行加热，作为瓦斯在另一部分进行氧化所需要的热量，实现了热量的循环利用，减少了能量的损耗。2、本发明由于采用换热阀组使得本发明中的极低浓度煤矿瓦斯锅炉可以实现周期性往复切换运行，可有效保持陶瓷蓄热材料层的温度，满足甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯在陶瓷蓄热材料层中进行氧化所需的热量。3、本发明由于采用将燃烧装置与对流换热面均设置在锅炉本体内的锅筒内腔中，使得锅炉本体的炉壁与锅筒的管壁之间形成液体腔室，液体腔室内的液体通过对流换热面充分吸收甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯氧化产生的部分高温烟气的热量，有效提高了热量的回收利用率。4、本发明由于在陶瓷蓄热材料层外部设置有耐火材料层，且在锅炉本体的外壁设置有保温材料层，大大地减少了热量的损失。综上所述，本发明可以广泛应用于煤矿瓦斯的燃烧系统中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明换向运行示意图之一；

图3是本发明换向运行示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其包括掺混鼓风机1、抽排瓦斯安全阀2、瓦斯掺混装置3、换向阀组、锅炉本体4、锅炉引风机5、引风机6和烟囱7。抽排瓦斯管道通过抽排瓦斯安全阀2连接瓦斯掺混装置3的瓦斯进口，掺混鼓风机1连接瓦斯掺混装置3的空气进口，瓦斯掺混装置3的出口通过换向阀组连接锅炉本体4，锅炉本体4的烟气出口连接锅炉引风机5的进风口，锅炉本体4还通过换向阀组连接引风机6的进风口。锅炉引风机5和引风机6的出风口都连接至烟囱7。

锅炉本体4內横向设置有一锅筒，锅炉本体4的炉壁与锅筒的管壁之间形成一液体腔室8；在锅筒的内腔一侧设置有燃烧装置，另一侧设置有对流换热面9，燃烧装置位于对流换热面9底部。燃烧装置包括带有通孔的陶瓷蓄热材料层和第一耐火材料层10，第一耐火材料层10位于陶瓷蓄热材料层的中部，将陶瓷蓄热材料层分为完全对称的第一陶瓷蓄热材料层11和第二陶瓷蓄热材料层12。在位于锅筒一端口的锅炉本体4的端面上靠近燃烧装置的部位设置有第一进出口13和第二进出口14，第一进出口13与第一陶瓷蓄热材料层11连通，第二进出口14与第二陶瓷蓄热材料层12连通。锅炉本体4的烟气出口设置在位于锅筒另一端口的锅炉本体4的端面上靠近对流换热面9的部位。

换向阀组包括第一换向阀15、第二换向阀16、第三换向阀17和第四换向阀18。第一换向阀15的一端和第二换向阀16的一端并联至瓦斯掺混装置3的出口；第一换向阀15的另一端连接第三换向阀17的一端；第二换向阀16的另一端连接第四换向阀18的一端；第三换向阀17的另一端和第四换向阀18的另一端并联至引风机6的进风口。锅炉本体4的第一进出口13与第一换向阀15和第三换向阀17之间的管道连通；锅炉本体4的第二进出口14与第二换向阀16和第四换向阀18之间的管道连通。

上述实施例中，在锅炉本体4底部靠近锅炉本体4的第一进出口13和第二进出口14处设置有冷水进口19，在锅炉本体4上部靠近锅炉本体4的烟气出口处设置有热水蒸汽出口20，液体通过冷水进口19进入液体腔室8内，与极低浓度煤矿瓦斯氧化放热后产生的高温烟气进行换热，换热后的液体由热水蒸汽出口20排出液体腔室8。

上述实施例中，对流换热面9由换热管构成，对流换热面9的烟气出口与锅炉本体4的烟气出口连通。

上述实施例中，在陶瓷蓄热材料层外部设置有第二耐火材料层21，以便减少陶瓷蓄热材料层的散热。

上述实施例中，锅炉本体4的外壁设置有保温材料层22，用于减少因锅炉本体4的散热损失的热量。

上述实施例中，对流换热面9的面积根据25.8m²/MW～32.2m²/MW的标准设置，较普通燃油、燃气锅炉增加20％～50％，有效地提高极低浓度煤矿瓦斯锅炉的热量回收效率。

本发明还提供了一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉的运行方法，包括以下步骤：

1)开启抽排瓦斯安全阀2，煤矿抽排瓦斯经过抽排瓦斯管道进入瓦斯掺混装置3，与由掺混鼓风机1提供的新鲜空气混合，形成甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯。

2)对锅炉本体4进行预热，开启第一换向阀15和第四换向阀18，如图2所示，甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯经过第一换向阀15从锅炉本体4的第一进出口13进入第一陶瓷蓄热材料层11，在第一陶瓷蓄热材料层11中进行氧化放热。从第一陶瓷蓄热材料层11流出的高温烟气，一部分进入第二陶瓷蓄热材料层12，对第二陶瓷蓄热材料层12进行预热后由锅炉本体4的第二进出口14经第四换向阀18、引风机6和烟囱7排出大气；另一部分进入对流换热面9的换热管中，与液体腔室8内的水进行热量交换后由锅炉本体4的烟气出口经锅炉引风机5和烟囱7排出大气。

3)经过5分钟～120分钟后，换向阀组执行切换动作，关闭第一换向阀15和第四换向阀18，开启第二换向阀16和第三换向阀17，如图3所示，甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯经过第二换向阀16从锅炉本体4的第二进出口14进入第二陶瓷蓄热材料层12，在第二陶瓷蓄热材料层12中进行氧化放热。从第二陶瓷蓄热材料层12流出的高温烟气，一部分进入第一陶瓷蓄热材料层11，对第一陶瓷蓄热材料层11进行预热后由锅炉本体4的第一进出口13经第三换向阀17、引风机6和烟囱7排出大气；另一部分进入对流换热面9的换热管中，与液体腔室8内的水进行热量交换后由锅炉本体4的烟气出口经锅炉引风机5和烟囱7排出大气。

4)经过5分钟～120分钟后，换向阀组执行切换动作，关闭第二换向阀16和第三换向阀17，开启第一换向阀15和第四换向阀18，重新进入步骤2)，极低浓度煤矿瓦斯锅炉经换向阀组执行切换动作进行周期性的往复切换运行。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：它包括掺混鼓风机、抽排瓦斯安全阀、瓦斯掺混装置、换向阀组、锅炉本体、锅炉引风机、引风机和烟囱；抽排瓦斯管道通过所述抽排瓦斯安全阀连接所述瓦斯掺混装置的瓦斯进口，所述掺混鼓风机连接所述瓦斯掺混装置的空气进口，所述瓦斯掺混装置的出口通过所述换向阀组连接所述锅炉本体；所述锅炉本体的烟气出口连接所述锅炉引风机的进风口，所述锅炉本体还通过所述换向阀组连接所述引风机的进风口，所述锅炉引风机和所述引风机的出风口都连接至所述烟囱；

所述锅炉本体內横向设置有一锅筒，所述锅炉本体的炉壁与所述锅筒的管壁之间形成一液体腔室；在所述锅筒的内腔一侧设置有燃烧装置，另一侧设置有对流换热面，所述燃烧装置位于所述对流换热面底部；所述燃烧装置包括带有通孔的陶瓷蓄热材料层和第一耐火材料层，所述第一耐火材料层位于所述陶瓷蓄热材料层的中部，将所述陶瓷蓄热材料层分为对称的第一陶瓷蓄热材料层和第二陶瓷蓄热材料层；在位于所述锅筒一端口的所述锅炉本体的端面上靠近燃烧装置的部位设置有第一进出口和第二进出口，所述第一进出口与所述第一陶瓷蓄热材料层连通，所述第二进出口与所述第二陶瓷蓄热材料层连通；所述锅炉本体的烟气出口设置在位于所述锅筒另一端口的所述锅炉本体的端面上靠近所述对流换热面的部位。

2.如权利要求1所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：所述换向阀组包括第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀和第四换向阀；所述第一换向阀的一端和所述第二换向阀的一端并联至所述瓦斯掺混装置的出口；所述第一换向阀的另一端连接所述第三换向阀的一端；所述第二换向阀的另一端连接所述第四换向阀的一端；所述第三换向阀的另一端和所述第四换向阀的另一端并联至所述引风机的进风口；所述锅炉本体的所述第一进出口与所述第一换向阀和所述第三换向阀之间的管道连通；所述锅炉本体的所述第二进出口与所述第二换向阀和所述第四换向阀之间的管道连通。

3.如权利要求1所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：在所述锅炉本体底部靠近所述锅炉本体的所述第一进出口和所述第二进出口处设置有冷水进口，在所述锅炉本体上部靠近所述锅炉本体的烟气出口处设置有热水蒸汽出口。

4.如权利要求2所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：在所述锅炉本体底部靠近所述锅炉本体的所述第一进出口和所述第二进出口处设置有冷水进口，在所述锅炉本体上部靠近所述锅炉本体的烟气出口处设置有热水蒸汽出口。

5.如权利要求1～4中任一项所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：所述对流换热面由换热管构成，所述对流换热面的烟气出口与所述锅炉本体的烟气出口连通。

6.如权利要求1～4中任一项所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：在所述陶瓷蓄热材料层外部设置有第二耐火材料层。

7.如权利要求5所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：在所述陶瓷蓄热材料层外部设置有第二耐火材料层。

8.如权利要求1～4或7中任一项所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：所述锅炉本体的外壁设置有保温材料层。

9.如权利要求5所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉，其特征在于：所述锅炉本体的外壁设置有保温材料层。

10.一种如权利要求1～9中任一项所述的一种极低浓度煤矿瓦斯锅炉的运行方法，其包括以下步骤：

1)开启抽排瓦斯安全阀，煤矿抽排瓦斯经过抽排瓦斯管道进入瓦斯掺混装置，与由掺混鼓风机提供的新鲜空气混合，形成甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯；

2)对锅炉本体进行预热，开启第一换向阀和第四换向阀，甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯经过第一换向阀从锅炉本体的第一进出口进入第一陶瓷蓄热材料层，在第一陶瓷蓄热材料层中进行氧化放热；从第一陶瓷蓄热材料层流出的高温烟气，一部分进入第二陶瓷蓄热材料层，对第二陶瓷蓄热材料层进行预热后由锅炉本体的第二进出口经第四换向阀、引风机和烟囱排出大气；另一部分进入对流换热面的换热管中，与液体腔室内的水进行热量交换后由锅炉本体的烟气出口经锅炉引风机和烟囱排出大气；

3)经过5分钟～120分钟后，换向阀组执行切换动作，关闭第一换向阀和第四换向阀，开启第二换向阀和第三换向阀，甲烷浓度为2％～3％的极低浓度煤矿瓦斯经过第二换向阀从锅炉本体的第二进出口进入第二陶瓷蓄热材料层，在第二陶瓷蓄热材料层中进行氧化放热；从第二陶瓷蓄热材料层流出的高温烟气，一部分进入第一陶瓷蓄热材料层，对第一陶瓷蓄热材料层进行预热后由锅炉本体的第一进出口经第三换向阀、引风机和烟囱排出大气；另一部分进入对流换热面的换热管中，与液体腔室内的水进行热量交换后由锅炉本体的烟气出口经锅炉引风机和烟囱排出大气；

4)经过5分钟～120分钟后，换向阀组执行切换动作，关闭第二换向阀和第三换向阀，开启第一换向阀和第四换向阀，重新进入步骤2)。