CN107525066A - 一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于瓦斯燃烧技术领域，涉及一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法及装置，其特征是，将2～16个带有多孔介质室和阻尼调节阀的脉动燃烧单元呈阵列式布置构成一个独立的子阵列，子阵列内部各个单元共享一个进气支管，每个子阵列通过进气支管与分配母管连接构成阵列系统，分配母管与带有燃烧控制器的供应干管连接。多孔介质室可有效避免爆燃或者爆炸，阻尼调节阀保证阵列系统中的各个脉动燃烧单元之间的进气流量均衡。本发明可将低浓度瓦斯利用范围降低至5％以上，解决了低浓度瓦斯脉动燃烧过程中着火困难和爆炸问题，保证稳定燃烧；将脉动燃烧单元数量灵活组合，可以改变装置的总功率，更合理地根据瓦斯抽采情况利用低浓度瓦斯。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯燃烧技术领域，具体涉及一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法及装置。
背景技术
瓦斯属于煤矿伴生资源，主要以吸附态的形式吸附在煤质表面。随着煤矿的大力开采，瓦斯产出量也大幅上升，针对甲烷浓度大于30％的瓦斯可以直接进行利用，但是针对浓度较小的瓦斯，除浓度大于7％的瓦斯用于瓦斯提纯和低浓度瓦斯发电外，在7％以内的瓦斯主要以排空方式处理，直接对环境造成污染。
近几年，为充分利用煤矿瓦斯资源，各机构对低浓度瓦斯燃烧利用的研究投入加大，均有阶段性的成果。当前，主要的低浓度瓦斯燃烧方式有多孔介质混燃、催化燃烧、过焓燃烧以及混掺燃烧等，但要达到稳定燃烧，上述方法需要瓦斯的甲烷浓度达到7％以上，针对于浓度在7％以内的低浓度瓦斯燃烧主要处于试验研究的阶段，仍不具形成成熟的低浓度瓦斯燃烧工业化技术。
低浓度瓦斯脉动燃烧是指在声场或脉动流作用下，在燃烧区内表征燃烧过程的状态参数如温度、压力、气流速度及热释放率等稳态变量都随时间周期性波动的低浓度瓦斯燃烧过程。由于低浓度瓦斯的脉动燃烧强化了低浓度瓦斯气流中质量、动量和热量的传递，使得脉动燃烧技术相对于稳态燃烧技术来说，具有燃烧强度高、燃烧效率高、传热效率高、总体热效率高、排烟污染小、结构简单紧凑、自吸增压等优点。该技术可将低浓度瓦斯利用从现有的7％以上的应用范围扩展至5％以上。
由于低浓度瓦斯脉动燃烧频率与装置自身尺寸具有良好的对应关系，为了在燃烧装置内部形成稳定的脉动场，脉动燃烧装置的尺寸就不能任意扩大，这就限制了脉动燃烧装置的大型化发展；此外，由于低浓度瓦斯热值较低，限制了单个小型的脉动燃烧装置的输出功率。因此，如何实现大功率的低浓度瓦斯脉动燃烧装置，是当前业内迫切需要解决的问题。
发明内容
为解决脉动燃烧稳定化和单个脉动燃烧装置输出功率较小的问题，本发明提供了一种运用多个小型脉动燃烧单元构成阵列实现阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧的方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法，具体步骤如下：
一、为实现低浓度瓦斯的燃烧利用，将由多个小功率的脉动燃烧单元1构成的大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8安装于煤矿瓦斯抽放泵站14引出的瓦斯利用管路9上；
二、煤矿瓦斯抽放泵站14通过真空泵将低浓度瓦斯从煤矿井下抽采至地面后，送入瓦斯利用管路9；
三、正常工作时，阀门一11处于常开状态，阀门二12处于常关状态，瓦斯利用管路9中的低浓度瓦斯经过阻火器10后进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8；
四、进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8的低浓度瓦斯首先经过安装在供应干管7上的燃烧控制器6对瓦斯流量进行集中调节后进入分配母管5；
五、进入分配母管5的低浓度瓦斯再经过分配输送后进入每个进气支管4；
六、每个进气支管4连通2～16个带有多孔介质室2和阻尼调节阀3的脉动燃烧单元1，低浓度瓦斯在呈阵列式布置的每个脉动燃烧单元1中进行脉动燃烧；
七、低负荷下大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8中的个别的脉动燃烧单元1可能出现熄火现象，由于多孔介质室2有很强的隔爆、稳燃作用，并不需要对个别熄火的脉动燃烧单元1进行常规的熄火保护处理；若阵列中熄火的脉动燃烧单元1占到40％以上，整个大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8进入统一的熄火保护流程，阀门一11关闭，阀门二12打开，低浓度瓦斯经过应急排空管线13处理排空，待熄火保护处置完毕后，重复步骤三～六，继续低浓度瓦斯燃烧利用。
一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置，包括脉动燃烧单元1，多孔介质室2，阻尼调节阀3，进气支管4，分配母管5，燃烧控制器6和供应干管7，其特征是，将2～16个带有多孔介质室2和阻尼调节阀3的脉动燃烧单元1呈阵列式布置构成一个独立的子阵列，子阵列内部各个单元共享一个进气支管4，每个子阵列通过进气支管4与分配母管5连接构成阵列系统，分配母管5与带有燃烧控制器6的供应干管7连接。
所述的脉动燃烧单元1的阵列式布置不限于矩形阵列，还可以是环形阵列、三角形阵列、多边形阵列等形式；脉动燃烧单元1为尺寸根据低浓度瓦斯进气浓度设计的脉动燃烧管，是构成大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8的基础单元，每个脉动燃烧单元1的功率为20-500kw，脉动燃烧单元1周围需包裹保温材料，形成卫燃带，确保脉动燃烧单元1燃烧时产生的热量不会快速散失。
所述的多孔介质室2设置在脉动燃烧单元1的顶部，多孔介质室2中有蜂窝陶瓷与金属筛板共同构成的多孔介质稳燃材料、电子点火装置和火焰探测装置等，多孔介质具备独特的阻火阻爆特性，配合电子点火装置和火焰探测装置，可以确保脉动燃烧单元1在热态低负荷时，出现熄火也可以无需吹扫直接点火，可有效避免爆燃或者爆炸。
所述的阻尼调节阀3设置在脉动燃烧单元1和进气支管4之间，其作用为粗调各个脉动燃烧单元1的低浓度瓦斯进气流量，保证阵列系统中的各个脉动燃烧单元1之间的进气流量均衡，在燃气阻尼调节阀3调节的基础上，再配合多孔介质室2的均压效应，可保证工作时每一个脉动燃烧单元1的热负荷基本均匀。
所述的燃烧控制器6设置于供应干管7上，包含独立的阻火器、过滤器、火焰探测信号变送器和FSSS控制模块等，燃烧控制器6的作用为大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8在启动、停机和运行时，由燃烧控制器6对所有脉动燃烧单元1统一进行吹扫、进气/流量调节/闭气、火检和点火等控制流程，无需对单个的脉动燃烧单元1进行单独控制。
本发明的有益效果：
1.可有效地将低浓度瓦斯利用范围降低至5％(甲烷浓度)以上，实现以前浓度过低的排空瓦斯的利用新途径。
2.装置结构紧凑，节省工业场地的同时，节约投资成本。
3.解决了低浓度瓦斯脉动燃烧过程中着火困难和爆炸的问题，保证稳定燃烧。
4.可根据煤矿瓦斯井下抽采情况，对大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置的脉动燃烧单元数量进行灵活组合，以改变装置的总功率，更合理地根据瓦斯抽采情况利用低浓度瓦斯。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法示意图；
图2是本发明一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置俯视结构示意图；
图3是本发明应用于“火管式”能量回收利用方式示意图；
图4是本发明应用于“水管式”能量回收利用方式示意图。
图中：1、脉动燃烧单元，2、多孔介质室，3、阻尼调节阀，4、进气支管，5、分配母管，6、燃烧控制器，7、供应干管，8、大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置，9、瓦斯利用管路，10、阻火器，11、阀门一，12、阀门二，13、应急排空管线，14瓦斯抽放泵站，15、炉胆，16、锅筒，17、烟气换热管，18、后烟室，19、烟囱，20、前烟室，21、锅炉炉膛，22、水冷壁，23、汽包，24、过热器，25、再热器，26、省煤器。
具体实施方式
参见图1，本发明提出的一种大功率阵列式低浓度燃气脉动燃烧方法，具体步骤如下：
一、为实现低浓度瓦斯的燃烧利用，将由多个小功率的脉动燃烧单元1构成的大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8安装于煤矿瓦斯抽放泵站14引出的瓦斯利用管路9上；
二、煤矿瓦斯抽放泵站14通过真空泵将低浓度瓦斯从煤矿井下抽采至地面后，送入瓦斯利用管路9；
三、正常工作时，阀门一11处于常开状态，阀门二12处于常关状态，瓦斯利用管路9中的低浓度瓦斯经过阻火器10后进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8；
四、进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8的低浓度瓦斯首先经过安装在供应干管7上的燃烧控制器6对瓦斯流量进行集中调节后进入分配母管5；
五、进入分配母管5的低浓度瓦斯再经过分配输送后进入每个进气支管4；
六、每个进气支管4连通2～16个带有多孔介质室2和阻尼调节阀3的脉动燃烧单元1，低浓度瓦斯在呈阵列式布置的每个脉动燃烧单元1中进行脉动燃烧；
七、低负荷下大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8中的个别的脉动燃烧单元1可能出现熄火现象，由于多孔介质室2有很强的隔爆、稳燃作用，并不需要对个别熄火的脉动燃烧单元1进行常规的熄火保护处理；若阵列中熄火的脉动燃烧单元1占到40％以上，整个大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8进入统一的熄火保护流程，阀门一11关闭，阀门二12打开，低浓度瓦斯经过应急排空管线13处理排空，待熄火保护处置完毕后，重复步骤三～六，继续低浓度瓦斯燃烧利用。
参见图2，一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置，包括脉动燃烧单元1，多孔介质室2，阻尼调节阀3，进气支管4，分配母管5，燃烧控制器6和供应干管7，其特征是，将2～16个带有多孔介质室2和阻尼调节阀3的脉动燃烧单元1呈阵列式布置构成一个独立的子阵列，子阵列内部各个单元共享一个进气支管4，每个子阵列通过进气支管4与分配母管5连接构成阵列系统，分配母管5与带有燃烧控制器6的供应干管7连接。工作时，低浓度瓦斯进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8后，顺序经过供应干管7、分配母管5和进气支管4进入到脉动燃烧单元1中进行脉动燃烧。
所述的脉动燃烧单元1的阵列式布置不限于矩形阵列，还可以是环形阵列、三角形阵列、多边形阵列等形式；脉动燃烧单元1为尺寸根据低浓度瓦斯进气浓度设计的脉动燃烧管，是构成大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8的基础单元，每个脉动燃烧单元1的功率为20-500kw，脉动燃烧单元1周围需包裹保温材料，形成卫燃带，确保脉动燃烧单元1燃烧时产生的热量不会快速散失。
所述的多孔介质室2设置在脉动燃烧单元1的顶部，多孔介质室2中有蜂窝陶瓷与金属筛板共同构成的多孔介质稳燃材料、电子点火装置和火焰探测装置等，多孔介质具备独特的阻火阻爆特性，配合电子点火装置和火焰探测装置，可以确保脉动燃烧单元1在热态低负荷时，出现熄火也可以无需吹扫直接点火，可有效避免爆燃或者爆炸。
所述的阻尼调节阀3设置在脉动燃烧单元1和进气支管4之间，其作用为粗调各个脉动燃烧单元1的低浓度瓦斯进气流量，保证阵列系统中的各个脉动燃烧单元1之间的进气流量均衡。在燃气阻尼调节阀3调节的基础上，再配合多孔介质室2的均压效应，可保证工作时每一个脉动燃烧单元1的热负荷基本均匀。
所述的燃烧控制器6设置于供应干管7上，包含独立的阻火器、过滤器、火焰探测信号变送器和FSSS控制模块等，燃烧控制器6的作用为大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8在启动、停机和运行时，由燃烧控制器6对所有脉动燃烧单元1统一进行吹扫、进气/流量调节/闭气、火检和点火等控制流程，无需对单个的脉动燃烧单元1进行单独控制。
所述的大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8在利用低浓度瓦斯燃烧后将产生高温烟气，可以对高温烟气进行回收利用。若采用锅炉收集能量，可有两种热能回收方式：火管式和水管式。
实施例1
参照图1、图2和图3，本实施例中利用大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置应用于“火管式”能量回收利用方式，包括以下步骤：
1、将大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8安装于煤矿瓦斯抽放泵站14引出的瓦斯利用管路9上。
2、将大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8的脉动燃烧单元1管尾连接在锅炉的一侧。
3、工作时，打开阀门一11，瓦斯利用管路9中的低浓度瓦斯经过阻火器10后进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8，按序经过供应干管7、分配母管5和进气支管4进入到脉动燃烧单元1中进行脉动燃烧。
4、低浓度瓦斯在大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8中燃烧产生的高温烟气依次进入锅炉的炉胆15、后烟室18、烟气换热管17、前烟室20，最后从烟囱19中排放到大气或者烟气处理装置。炉胆15和烟气换热管17都沉浸在盛有水的锅筒16中，烟气在炉胆15和烟气换热管17内部流动将其热量传给水，从而完成热能回收。这种热量回收模式下烟气在管内流动，管外为水，因此称其为“火管式”热能回收模式。
实施例2
参照图1、图2和图4，本实施例中大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置应用于“水管式”能量回收利用方式，包括以下步骤：
1、将大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8安装于煤矿瓦斯抽放泵站14引出的瓦斯利用管路9上。
2、将大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8的脉动燃烧单元1管尾连接在锅炉的底部。
3、工作时，打开阀门一11，瓦斯利用管路9中的低浓度瓦斯经过阻火器10后进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8，按序经过供应干管7、分配母管5和进气支管4进入到脉动燃烧单元1中进行脉动燃烧。
4、低浓度瓦斯在大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置8中燃烧产生的高温烟气进入锅炉炉膛21，炉膛的外壁包围着内部有水的水冷壁22，在锅炉炉膛21里烟气向水冷壁22内部的水传热，水被加热后向上流入汽包23，在这里完成汽水分离，汽包23里产生的蒸汽依次流入过热器24和再热器25，向汽包23补充的水则首先通过省煤器26回收烟气余热；而从锅炉炉膛21流出的烟气则依次向过热器24、再热器25和省煤器26放热，最后从锅炉内流出去往烟气处理装置脱除有害燃烧产物。这种热量回收模式下烟气在管外流动，管内流动的是水或者水蒸气，因此称其为“水管式”热能回收模式。
Claims (7)
1.一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法，其特征是，
一、为实现低浓度瓦斯的燃烧利用，将由多个小功率的脉动燃烧单元(1)构成的大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)安装于煤矿瓦斯抽放泵站(14)引出的瓦斯利用管路(9)上；
二、煤矿瓦斯抽放泵站(14)通过真空泵将低浓度瓦斯从煤矿井下抽采至地面后，送入瓦斯利用管路(9)；
三、正常工作时，阀门一(11)处于常开状态，阀门二(12)处于常关状态，瓦斯利用管路(9)中的低浓度瓦斯经过阻火器(10)后进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)；
四、进入大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)的低浓度瓦斯首先经过安装在供应干管(7)上的燃烧控制器(6)对瓦斯流量进行集中调节后进入分配母管(5)；
五、进入分配母管(5)的低浓度瓦斯再经过分配输送后进入每个进气支管(4)；
六、每个进气支管(4)连通2～16个带有多孔介质室(2)和阻尼调节阀(3)的脉动燃烧单元(1)，低浓度瓦斯在呈阵列式布置的每个脉动燃烧单元(1)中进行脉动燃烧；
七、低负荷下大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)中的个别的脉动燃烧单元(1)可能出现熄火现象，由于多孔介质室(2)有很强的隔爆、稳燃作用，并不需要对个别熄火的脉动燃烧单元(1)进行常规的熄火保护处理；若阵列中熄火的脉动燃烧单元(1)占到40％以上，整个大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)进入统一的熄火保护流程，阀门一(11)关闭，阀门二(12)打开，低浓度瓦斯经过应急排空管线(13)处理排空，待熄火保护处置完毕后，重复步骤三～六，继续低浓度瓦斯燃烧利用。
2.根据权利要求1所述的一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法，其特征是，所述的脉动燃烧单元(1)的阵列式布置不限于矩形阵列，还可以是环形阵列、三角形阵列、多边形阵列等形式；脉动燃烧单元(1)为尺寸根据低浓度瓦斯进气浓度设计的脉动燃烧管，是构成大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)的基础单元，每个脉动燃烧单元(1)的功率为20-500kw，脉动燃烧单元(1)周围需包裹保温材料，形成卫燃带。
3.根据权利要求1所述的一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法，其特征是，所述的多孔介质室(2)设置在脉动燃烧单元(1)的顶部，多孔介质室(2)中有蜂窝陶瓷与金属筛板共同构成的多孔介质稳燃材料、电子点火装置和火焰探测装置，多孔介质具备独特的阻火阻爆特性，配合电子点火装置和火焰探测装置，可以确保脉动燃烧单元(1)在热态低负荷时，出现熄火也可以无需吹扫直接点火，可有效避免爆燃或者爆炸。
4.根据权利要求1所述的一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法，其特征是，所述的阻尼调节阀(3)设置在脉动燃烧单元(1)和进气支管(4)之间，其作用为粗调各个脉动燃烧单元(1)的低浓度瓦斯进气流量，保证阵列系统中的各个脉动燃烧单元(1)之间的进气流量均衡，在燃气阻尼调节阀(3)调节的基础上，再配合多孔介质室(2)的均压效应，可保证工作时每一个脉动燃烧单元(1)的热负荷基本均匀。
5.根据权利要求1所述的一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧方法，其特征是，所述的燃烧控制器(6)设置于供应干管(7)上，包含独立的阻火器、过滤器、火焰探测信号变送器和FSSS控制模块，燃烧控制器(6)的作用为大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置(8)在启动、停机和运行时，由燃烧控制器(6)对所有脉动燃烧单元(1)统一进行吹扫、进气/流量调节/闭气、火检和点火等控制流程，无需对单个的脉动燃烧单元(1)进行单独控制。
6.一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置，包括脉动燃烧单元(1)，多孔介质室(2)，阻尼调节阀(3)，进气支管(4)，分配母管(5)，燃烧控制器(6)和供应干管(7)，其特征是，将2～16个带有多孔介质室(2)和阻尼调节阀(3)的脉动燃烧单元(1)呈阵列式布置构成一个独立的子阵列，子阵列内部各个单元共享一个进气支管(4)，每个子阵列通过进气支管(4)与分配母管(5)连接构成阵列系统，分配母管(5)与带有燃烧控制器(6)的供应干管(7)连接。
7.根据权利要求6所述的一种大功率阵列式低浓度瓦斯脉动燃烧装置，其特征是，所述的脉动燃烧单元(1)的阵列式布置不限于矩形阵列，还可以是环形阵列、三角形阵列、多边形阵列等形式。
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