CN109059010A - 一种低浓度瓦斯氧化热利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，包括壳体，壳体内部设置有燃烧室，以及和燃烧室相通并用于进出气的进出气结构，还设置有取热利用系统，其特征在于，取热利用系统包括设置在壳体内部的熔盐换热器。本发明相比常规的瓦斯蓄热氧化装置，具有系统运行安全可靠性更佳、换热及燃烧过程可控性更好、负荷适应能力更优及利于降低系统投资及运行费用等优点。

Description

一种低浓度瓦斯氧化热利用装置

技术领域

本发明涉及能源利用领域；特别是涉及一种对低浓度瓦斯热能利用的低浓度瓦斯氧化热利用装置。

背景技术

低浓度瓦斯是指甲烷浓度低于30%的煤层气，分为风排瓦斯（“乏风”）和抽放瓦斯两部分。其中，乏风瓦斯是指甲烷浓度低于0．75%的煤矿瓦斯。据有关部门统计，中国每年由乏风排入大气的甲烷相当于西气东输1年的输气量，产生的温室气体效应约为2亿吨二氧化碳当量。

故乏风瓦斯及低浓度瓦斯（尤其是浓度＜8%无法直接发电利用的低浓度瓦斯）通过蓄热氧化技术进行利用的途径，在煤矿现场已有工业应用案例。该技术在销毁处理甲烷的同时，又可输出热能满足多种煤矿负荷（用电、供热及制冷）需求，实现减排二氧化碳并提供替代能源解决方案的双重功效。

然而，如使用瓦斯蓄热氧化技术供给煤矿各种负荷，当气源不足难以全部满足最大负荷时，则系统需要配置辅助的负荷供应设备。当负荷变化幅度较大时又会导致氧化供热系统的利用效率偏低等问题。以瓦斯蓄热氧化供热系统为例，当瓦斯气源不足时，瓦斯蓄热氧化供热系统输出能力不足以满足全部供热负荷，则需辅助配置燃气锅炉或其他的供热途径来进行补充满足。同时因采暖季昼夜平均气温相差较大，瓦斯蓄热氧化供热系统建设规模虽不能满足夜间最大负荷需求，而白天时段瓦斯蓄热氧化供热系统的输出能力却有富裕，存在一定的供暖能力“浪费”。如增加瓦斯蓄热氧化供热系统的储热功能，利用“削峰填谷”的作用，储存白天时段低负荷期的热能，增加夜间时段高负荷期的供热输出能力，可最大程度的利用瓦斯蓄热氧化供热系统的输出能力，并使得瓦斯蓄热氧化供热系统建设规模的选择更有经济性，节约投资建设成本及运行费用。该“削峰填谷”的储能设计思路同样适用于瓦斯蓄热氧化发电、制冷或冷热电联供系统。

发明专利[201510068174.6]涉及一种瓦斯氧化装置及其操作方法，设置了二级浓度调节装置，并通过掺混尾气的方式稀释新的瓦斯气，同时利用尾气的热能。发明专利[201110276483.4]是一种两床立式结构的通风瓦斯氧化系统，在瓦斯蓄热氧化装置的氧化室外壁内设置模式壁换热面，并在模式壁换热面内侧设置内部隔热层，用于控制模式壁的吸热量，即氧化装置与余热回收装置为一体化设计。发明专利[201510272395.5]公开了一种乏风瓦斯氧化装置，在氧化炉本体底部设置进气口及加热装置，启动阶段借助加热装置、陶瓷旋流器的升温情况，逐步通入乏风瓦斯，达到启动温度加快的效果，节省启动阶段能量消耗。

上述三个现有专利技术均为氧化装置的固定输出模式，即最大输出能力受制于瓦斯气源浓度，且在低负荷时瓦斯蓄热氧化利用系统的利用率较低，无法通过储存低负荷时氧化装置输出热量，并在高负荷时释放热量，以实现负荷的“削峰填谷”。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够更好地适应负荷变化情况，提高低负荷时对乏风瓦斯以及低浓度的瓦斯的热能利用率的低浓度瓦斯氧化热利用装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，包括壳体，壳体内部设置有燃烧室，以及和燃烧室相通并用于进出气的进出气结构，还设置有取热利用系统，其特征在于，取热利用系统包括设置在壳体内部的熔盐换热器，熔盐换热器内具有熔盐腔道并填充有熔盐，熔盐腔道分别和熔盐流入管道以及熔盐流出管道相连，熔盐流入管道和熔盐流出管道外端连接出壳体并连接到供暖换热构件，所述熔盐流入管道或者熔盐流出管道上设置有熔盐循环泵使其构成熔盐循环通道，所述供暖换热构件用于形成用户侧供暖，取热利用系统还包括和供暖换热构件并联设置的一个熔盐储罐。

这样，采用熔盐得到的取热利用系统，利用了熔盐热容量大的特点，依靠设置的熔盐储罐，在用户侧供暖低负荷时，能够将多余的热量存储于熔盐储罐内，然后在供暖需求大的时候再将熔盐储罐内的热量导出进行供热。故实现了“削峰填谷”的作用效果，使其能够更好地适应负荷变化情况，提高低负荷时对乏风瓦斯以及低浓度的瓦斯的热能利用率。

作为优化，所述熔盐储罐内部相隔形成有一个高温腔室和低温腔室，高温腔室外壁设置有连通到熔盐流出管道的储罐熔盐流入管道，储罐熔盐流入管道上串联设置有储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵，高温腔室外部还设置有连通到熔盐流出管的储罐熔盐流出管道，储罐熔盐流出管道连接于储罐熔盐流入管道前方（方位描述以管路中熔盐流动向前的方向为前，相反方向为后）且在二者之间的熔盐流出管道上还设置有熔盐至热用户调节阀；所述熔盐储罐的低温腔室连通设置于熔盐流入管道中，所述高温腔室和低温腔室之间连通设置且在连通位置设置有高温至低温熔盐调节阀。

这样，当用户侧负荷较小，燃烧室热量输出值大于用户侧负荷时，可以通过调节熔盐至热用户调节阀减小流量，同时打开储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵以及高温至低温熔盐调节阀，使得多余的部分高温熔盐流入到熔盐储罐的高温腔室中将热量储备起来。当用户侧负荷较大，燃烧室热量输出值小于用户侧负荷时，可以调节熔盐至热用户调节阀全部打开，关闭储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵，高温至低温熔盐调节阀保持打开畅通，使得燃烧室和熔盐储罐共同为用户侧输入高温熔盐提供热量。当燃烧室热量输出和用户侧供需平衡或者熔盐储罐已经充满高温熔盐无需进行高温熔盐补充时，完全打开熔盐至热用户调节阀，同时关闭储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵以及高温至低温熔盐调节阀即可。故这样，采用将熔盐储罐分隔为高温低温两个腔室，两个腔室依靠调节阀连通控制且低温腔室直接连通到熔盐流入管道的回路中，使得结构非常简单且能够稳定可靠地实现上述多种工况控制过程以适应负荷变化情况，实现“削峰填谷”的作用效果，同时该结构还可以避免用户侧回流直接流入到高温腔室，更加利于高温腔室内部的热量保持，降低能量损耗，提高热量利用效率。

作为优化，所述燃烧室位于壳体顶部，进出气结构位于壳体下方。这样更符合热空气流动规律，利于空气燃烧。

作为优化，燃烧室顶部还设置有助燃燃烧器。这样方便在装置开始使用时点火升温预热，保证装置顺利启动。

作为优化，所述壳体为设置有耐火衬里的钢壳体。这样可提高保温效果。

作为优化，所述进出气结构包括连通设置于燃烧室下端的四个水平并列的进出气腔室，每个进出气腔室内均设置有蓄放热填料层和所述熔盐换热器，所述熔盐流入管道以及熔盐流出管道各自均包括连接到用户侧的主路管道和分别连接到四个熔盐换热器的支路管道，支路管道上设置有支路管道调节阀；每个进出气腔室下端均安装连接有进气支路管道和出气支路管道，进气支路管道上设置有进气切换阀且连接到进气主路管道，进气主路管道设置进气主风机，出气支路管道上设置有出气切换阀且连接到出气主路管道，出气主路管道连接到烟囱出气。

这样，进出气腔室可以切换进气和出气方向，使其运行过程中，每间隔一段时间出气后切换为进气方向，使得上阶段出气过程中导致温度升高的蓄放热填料为进气进行预热，而上一阶段进气过程中由于余热进气导致温度逐渐降低的蓄放热填料能够再次被出气加热，依次循环，保证了对进气的预热效果，进而保证的燃烧室燃烧的充分和可靠，极大地提高了燃烧效率。

而且更重要的是，本方案中采用了四个进出气腔室，这样能够形成两个进气的腔室和两个出气的腔室，并进而使得进出气切换时，可以控制单次只切换一组进出气腔室的进出气方向，保留另一组进出气腔室方向不变。这样相比两个进出气腔室的结构，不仅仅能够使得处理相同流量时单个蓄热室横截面积减半，有利于气流均匀分布，避免蓄热体热量局部集聚，运行安全性更优，换向阀门直径缩减，利于加工；而且更重要的是，四室式相比两室式结构，单次流程切换一个蓄热室的流动方向，避免了同时切换时（瞬时流量为0）对前端输送风机造成憋压的影响，提高了风机运行寿命，保障了运行安全性。此外，四室式结构相比两室结构，由于不用过于担心切换频繁导致的安全性问题，故可以在单个进气腔室还在较高温度时即切换为出气状态，这样就可以极大地降低换向过程中进气侧腔室完全未燃烧的气体发生逃逸的情况，提高资源利用效率。同时，四室式结构切换时，改善了燃烧室内气体流动方向单一的情况，使得燃烧室内气体流动情况更加复杂，避免了燃烧室出现死角位置导致燃烧不充分的情况，极大地提高了燃烧室燃烧效率。

作为优化，每个进出气腔室中，还设置有吸脱附填料层，吸脱附填料层中设置有水分吸附剂填料和/或硫分吸附剂填料。

这样，可以依靠吸脱附填料层吸附处理掉进气中夹杂的水分、硫分，避免水分导致燃烧不充分，以及硫分导致的燃烧室内壁腐蚀问题，提高了燃烧效率并延长了燃烧室使用寿命。而且，该设置的吸脱附填料层设置的独特位置，结合本装置能够进行切换的进出气结构，使得进出气切换后，进气过程中吸附到吸脱附填料层的水分、硫分能够再次随出气脱附带走，如此循环。故简单地依靠一个吸脱附填料层，无需更换材料，就达到了对进气杂质的永久处理效果，处理非常方便可靠且高效。

进一步地，吸脱附填料层水平设置于进出气腔室下端靠近入口位置，吸脱附填料层上方水平设置第一层蓄放热填料层，第一层蓄放热填料层上方设置熔盐换热器，熔盐换热器上方靠近燃烧室位置设置第二层蓄放热填料层。

这样，进气时先经过吸脱附填料层进行吸附避免杂质对后续处理的影响，出气时最后经过脱吸附填料层可以利于尾气余温实现脱附，提高尾气余温利用效率；同时进气经过吸脱附填料层后分别通过两层蓄放热填料层预热后再进入到燃烧室，提高了进气预热效果且使得进气分布更加均匀，有利于提高后续燃烧效率。另外，将熔盐换热器设置在两层蓄放热填料层之间，利于控制温度梯度变化，避免其在进气和出气过程中，温度变化过快而引起安全隐患。

进一步地，熔盐换热器为列管式结构，通过螺栓连接及密封件固定于进出气腔室内壁上。这样更利于熔盐换热器在出气时受热，且利于提高进气的分布均匀效果。

进一步地，进气主路管道上还设置有旁通管道连接到出气主路管道上，旁通管道上安装有旁通管路手动开关阀和旁通管道气动开关阀。

这样，正常工作时，旁通管道关闭，而当出现瓦斯浓度超限、或蓄/放热层温度大幅波动系统运行出现安全风险时，即可打开旁通管路，将气源直接旁通至烟囱，以避免装置运行出现安全事故。

故本发明针对现有的瓦斯蓄热氧化装置输出能力受限于气源浓度且在低负荷热利用率偏低的问题，通过改进瓦斯蓄热氧化装置的结构设计，在蓄热氧化装置内集成熔盐换热器，控制蓄热室内烟气温度梯度，稳定燃烧室反应过程，并导出相应热量进行储存，实现应对热负荷波动的“削峰填谷”。本发明相比常规的瓦斯蓄热氧化装置，具有系统运行安全可靠性更佳、换热及燃烧过程可控性更好、负荷适应能力更优及利于降低系统投资及运行费用等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的低浓度瓦斯氧化热利用装置结构示意简图。图中管道简化为线条表示，同时箭头表示流动方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例：参见图1，一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，包括壳体1，壳体1内部设置有燃烧室2，以及和燃烧室2相通并用于进出气的进出气结构，还设置有取热利用系统，其中，取热利用系统包括设置在壳体内部的熔盐换热器3，熔盐换热器内具有熔盐腔道并填充有熔盐，熔盐腔道分别和熔盐流入管道4以及熔盐流出管道5相连，熔盐流入管道4和熔盐流出管道5外端连接出壳体1并连接到供暖换热构件6，所述熔盐流入管道或者熔盐流出管道上设置有熔盐循环泵7使其构成熔盐循环通道，所述供暖换热构件6用于形成用户侧供暖，取热利用系统还包括和供暖换热构件并联设置的一个熔盐储罐8。

这样，采用熔盐得到的取热利用系统，利用了熔盐热容量大的特点，依靠设置的熔盐储罐，在用户侧供暖低负荷时，能够将多余的热量存储于熔盐储罐内，然后在供暖需求大的时候再将熔盐储罐内的热量导出进行供热。故实现了“削峰填谷”的作用效果，使其能够更好地适应负荷变化情况，提高低负荷时对乏风瓦斯以及低浓度的瓦斯的热能利用率。

本实施方式中，所述熔盐储罐8内部相隔形成有一个高温腔室9和低温腔室10，高温腔室9外壁设置有连通到熔盐流出管道5的储罐熔盐流入管道11，储罐熔盐流入管道11上串联设置有储罐熔盐进口阀12和储罐熔盐泵13，高温腔室9外部还设置有连通到熔盐流出管5的储罐熔盐流出管道14，储罐熔盐流出管道14连接于储罐熔盐流入管道11前方（方位描述以管路中熔盐流动向前的方向为前，相反方向为后）且在二者之间的熔盐流出管道上还设置有熔盐至热用户调节阀15；所述熔盐储罐8的低温腔室10连通设置于熔盐流入管道4中，所述高温腔室9和低温腔室10之间连通设置且在连通位置设置有高温至低温熔盐调节阀16。

这样，当用户侧负荷较小，燃烧室热量输出值大于用户侧负荷时，可以通过调节熔盐至热用户调节阀减小流量，同时打开储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵以及高温至低温熔盐调节阀，使得多余的部分高温熔盐流入到熔盐储罐的高温腔室中将热量储备起来。当用户侧负荷较大，燃烧室热量输出值小于用户侧负荷时，可以调节熔盐至热用户调节阀全部打开，关闭储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵，高温至低温熔盐调节阀保持打开畅通，使得燃烧室和熔盐储罐共同为用户侧输入高温熔盐提供热量。当燃烧室热量输出和用户侧供需平衡或者熔盐储罐已经充满高温熔盐无需进行高温熔盐补充时，完全打开熔盐至热用户调节阀，同时关闭储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵以及高温至低温熔盐调节阀即可。故这样，采用将熔盐储罐分隔为高温低温两个腔室，两个腔室依靠调节阀连通控制且低温腔室直接连通到熔盐流入管道的回路中，使得结构非常简单且能够稳定可靠地实现上述多种工况控制过程以适应负荷变化情况，实现“削峰填谷”的作用效果，同时该结构还可以避免用户侧回流直接流入到高温腔室，更加利于高温腔室内部的热量保持，降低能量损耗，提高热量利用效率。

其中，所述燃烧室2位于壳体1顶部，进出气结构位于壳体下方。这样更符合热空气流动规律，利于空气燃烧。

其中，燃烧室2顶部还设置有助燃燃烧器17。这样方便在装置开始使用时点火升温预热，保证装置顺利启动。

其中，所述壳体1为设置有耐火衬里的钢壳体。这样可提高保温效果。

其中，所述进出气结构包括连通设置于燃烧室下端的四个水平并列的进出气腔室18，每个进出气腔室18内均设置有蓄放热填料层19和所述熔盐换热器3，所述熔盐流入管道4以及熔盐流出管道5各自均包括连接到用户侧的主路管道和分别连接到四个熔盐换热器的支路管道，支路管道上设置有支路管道调节阀20；每个进出气腔室18下端均安装连接有进气支路管道21和出气支路管道22，进气支路管道21上设置有进气切换阀且连接到进气主路管道，进气主路管道设置进气主风机23，出气支路管道22上设置有出气切换阀且连接到出气主路管道，出气主路管道连接到烟囱24出气。

这样，进出气腔室可以切换进气和出气方向，使其运行过程中，每间隔一段时间出气后切换为进气方向，使得上阶段出气过程中导致温度升高的蓄放热填料为进气进行预热，而上一阶段进气过程中由于余热进气导致温度逐渐降低的蓄放热填料能够再次被出气加热，依次循环，保证了对进气的预热效果，进而保证的燃烧室燃烧的充分和可靠，极大地提高了燃烧效率。

而且更重要的是，本方案中采用了四个进出气腔室，这样能够形成两个进气的腔室和两个出气的腔室，并进而使得进出气切换时，可以控制单次只切换一组进出气腔室的进出气方向，保留另一组进出气腔室方向不变。这样相比两个进出气腔室的结构，不仅仅能够使得处理相同流量时单个蓄热室横截面积减半，有利于气流均匀分布，避免蓄热体热量局部集聚，运行安全性更优，换向阀门直径缩减，利于加工；而且更重要的是，四室式相比两室式结构，单次流程切换一个蓄热室的流动方向，避免了同时切换时（瞬时流量为0）对前端输送风机造成憋压的影响，提高了风机运行寿命，保障了运行安全性。此外，四室式结构相比两室结构，由于不用过于担心切换频繁导致的安全性问题，故可以在单个进气腔室还在较高温度时即切换为出气状态，这样就可以极大地降低换向过程中进气侧腔室完全未燃烧的气体发生逃逸的情况，提高资源利用效率。同时，四室式结构切换时，改善了燃烧室内气体流动方向单一的情况，使得燃烧室内气体流动情况更加复杂，避免了燃烧室出现死角位置导致燃烧不充分的情况，极大地提高了燃烧室燃烧效率。

其中，每个进出气腔室18中，还设置有吸脱附填料层25，吸脱附填料层25中设置有水分吸附剂填料和/或硫分吸附剂填料。

这样，可以依靠吸脱附填料层吸附处理掉进气中夹杂的水分、硫分，避免水分导致燃烧不充分，以及硫分导致的燃烧室内壁腐蚀问题，提高了燃烧效率并延长了燃烧室使用寿命。而且，该设置的吸脱附填料层设置的独特位置，结合本装置能够进行切换的进出气结构，使得进出气切换后，进气过程中吸附到吸脱附填料层的水分、硫分能够再次随出气脱附带走，如此循环。故简单地依靠一个吸脱附填料层，无需更换材料，就达到了对进气杂质的永久处理效果，处理非常方便可靠且高效。

其中，吸脱附填料层24水平设置于进出气腔室下端靠近入口位置，吸脱附填料层上方水平设置第一层蓄放热填料层，第一层蓄放热填料层上方设置熔盐换热器，熔盐换热器上方靠近燃烧室位置设置第二层蓄放热填料层。

这样，进气时先经过吸脱附填料层进行吸附避免杂质对后续处理的影响，出气时最后经过脱吸附填料层可以利于尾气余温实现脱附，提高尾气余温利用效率；同时进气经过吸脱附填料层后分别通过两层蓄放热填料层预热后再进入到燃烧室，提高了进气预热效果且使得进气分布更加均匀，有利于提高后续燃烧效率。另外，将熔盐换热器设置在两层蓄放热填料层之间，利于控制温度梯度变化，避免其在进气和出气过程中，温度变化过快而引起安全隐患。具体实施时，熔盐换热器和两层蓄放热填料层之间位置可以根据实际运行经验调整，布置原则为控制气流通过蓄放热填料层时不发生甲烷氧化反应，熔盐换热器可起到控制蓄放热填料层不发生均质氧化反应的作用，而蓄放热填料层仅仅起到蓄放热的作用。

另外，实施时，吸脱附填料层24距离进出气腔室入口之间的内腔形成漏斗形结构的气流分布室，可以使得进气进入吸脱附填料层时更加均布，避免气流进入较大横截面积的填料层时气流分布不均蓄放热填料层局部过热产生造成安全隐患。气流分布室中设置有支撑网格架，既能起到支撑上方吸脱附填料层的作用，也能将进气分配得更加均匀。

其中，熔盐换热器3为列管式结构，通过螺栓连接及密封件固定于进出气腔室内壁上。这样更利于熔盐换热器在出气时受热，且利于提高进气的分布均匀效果。

其中，进气主路管道上还设置有旁通管道26连接到出气主路管道上，旁通管道26上安装有旁通管路手动开关阀和旁通管道气动开关阀。

这样，正常工作时，旁通管道关闭，而当出现瓦斯浓度超限、或蓄/放热层温度大幅波动系统运行出现安全风险时，即可打开旁通管路，将气源直接旁通至烟囱，以避免装置运行出现安全事故。两个开关阀可以实现双保险，提高安全性。

本实施方式中，熔盐换热器为列管式换热器，材质为耐蚀钢，布置于蓄热室内的蓄热填料层之间。壳体为隔热保温壳体，由隔热保温内衬与钢结构外壳构成，隔热保温内衬可选用硅酸铝陶瓷纤维毡、保温岩棉等材料。吸附/脱附层为吸附剂材料，根据气源条件确定吸附/脱附层功能，如气源水分含量大，则选用对水分具有强选择吸附性能的商业吸附剂，如气源硫分含硫高，则选用对硫分具有强选择吸附性能的商业吸附剂，如气源同时含硫且水分含硫较高，则需设置双吸附/脱附层。

本装置工作时，当系统处于稳定运行阶段时，主风机输送混合均匀的超低浓度瓦斯气源经换向阀组流入装置，依次进入进出气腔室、吸脱附填料层（气源含有水分/硫分被吸附于该层）、蓄放热填料层，并与熔盐换热器进行换热，流过熔盐换热器后，被上部的蓄放热填料层释放的热量进一步加热至氧化反应起始温度（点火温度）以上，于燃烧室发生氧化反应释放热量，并经出气一侧的蓄放热填料层（释放热量于该层）、熔盐换热器、吸脱附填料层（上一相反流向中吸附的水分/硫分此时被较高温度的排气脱附，并被排气携带出该层）及进出气腔室,流出装置，经换向阀组排至烟囱。在这一过程中，维持系统自热平衡外多余的热量被熔盐换热器中的熔盐介质带走，并经锅炉等用户侧换热器产生蒸汽等热媒进行热能利用，如供热、供暖或发电利用等。

熔盐换热器布置于蓄放热填料层之间，通过熔盐导热带走蓄热体热量，控制蓄热体内的温度梯度，避免蓄热体升温过快引起安全隐患。实施时，熔盐换热器为列管式结构，通过螺栓连接及密封件固定于钢结构壳体上。工作时热空气（烟气）直接冲刷熔盐管道进行间壁式换热。

本实施方式中，吸脱附填料层布置于进出气腔室的钢架结构之上，吸脱附填料层上下表面使用不锈钢金属丝网进行固定。

本实施方案中的装置的结构类型为四室结构类型（“室”指代用于蓄热/放热的进出气腔室，后续用于出气和蓄热的进出气腔室简称蓄热室，用于进气和放热的进出气腔室简称放热室）。单个蓄热室需经历吸附、一次放热、熔盐换热、二次放热四个过程，单个放热室需经历一次吸热、熔盐换热、二次吸热及脱附等四个过程。

另外，实施时，还可以在燃烧室顶部可设置多个（2个及以上）取热口，并通过取热管道串联各取热口输出多余高温烟气，以减小取热口位置对燃烧室气流及温度分布的影响。

实施时，熔盐储罐还可以按热能利用途径不同可设置为不同类型的储罐，如用于发电利用，则可分设低温储罐、中温储罐及高温储罐，用于储热供暖时，可分设低温储罐及高温储罐。

实施时，吸脱附填料层填料类型根据气源组分情况确定，如气源水分较高，则确定填料类型为水吸附性强的填料，如氧化铝等；如气源硫分含硫较高，则确定填料类型为硫分吸附性强的填料，如5A分子筛等；如气源的水分含硫及硫分均不可忽略，需进行处理，则填料层按需分别设置水分吸/脱附层及硫分吸/脱附层。

上述装置的工作过程为：

A——启动预热阶段

①使用助燃燃烧器，喷入火焰对装置内的燃烧室及蓄放热填料层进行预热，当蓄放热填料层各层温度达到设定温度目标值，能够对进气实现预热效果时，预热完成，关闭助燃燃烧器。

②启动熔盐储罐内置的电加热系统，对熔盐进行加热，当达到设定加热温度后，关闭电加热装置，启动熔盐系统。

B——预热后趋于稳定阶段

预热完成后，依次打开从进气主风机至各进出气腔室的对应进排气阀组，逐步加大风量及瓦斯浓度，直至系统趋于稳定状态——蓄热室与放热室温度分布梯度规律保持一致并且稳定。

在该过程中，通过调节熔盐流量，使得熔盐换热器隔开的蓄放热填料层的温度维持在600℃以下，并使得气体流过蓄放热填料层时达到氧化反应温度，发生氧化反应。

C——稳定运行阶段

系统进行稳定运行阶段后，通入超低浓度瓦斯气源（浓度可低至约1%左右）经进气主风机、进气的主路管道和支路管道并经进气切换阀进入到两个放热室，然后进入吸脱附填料层，瓦斯气源中水分/硫分被吸附于该层，然后气体流过蓄放热填料层被预热至一定温度，一般为400-600℃，然后在熔盐换热器位置换热，加热熔盐，并在上一层蓄放热填料层部分继续吸收热量，达到氧化反应条件后，流动至燃烧室发生氧化反应，释放热量，变为更高温度的烟气，再流经两个蓄热室，蓄热室中的蓄放热填料层将热量部分储存于该层，并与对应的熔盐换热器进行换热，出气再通过蓄热室中的吸脱附填料层时，利用排气的高温（约100℃）将该吸脱附填料层上一循环吸附的水分/硫分脱附出来，随排气经出气支路管道和出气主路管道排至烟囱。

在稳定运行阶段时，每经过一个时间间隔后，切换一组蓄热室与放热室的进出气方向，这样，经过四个时间间隔后，切换回原始进出气状态，完成一个切换工作循环。

D——意外工况、非正常运行情况

当出现瓦斯浓度超限、或蓄/放热层温度大幅波动系统运行出现安全风险时，打开旁通管到上的开关阀，将气源直接旁通至烟囱，以避免氧化装置运行出现安全事故。

实施时，以处理混合气流量60000Nm³/h为例，甲烷体积浓度取1.2%，气源组分中硫分为H₂S，H₂S的含量为100-600ppm。蓄热/放热室蓄热材料优选为堇青石，蓄热孔道为正四边形，规整填料，单块堇青石填料尺寸为0.2m×0.2m×0.3m，堆积孔隙率为68%。熔盐换热器为内盘管式换热器，熔盐介质为熔盐组合物，优选为包括16wt%的LiNO₃、15wt%的NaNO₃、41wt%的KNO₃和28wt%的Ba(NO₃)₂，熔盐储罐可以为自带电加热功能及电加热自控系统，储罐保温性能良好。吸脱附填料层主要功能为吸附硫分（H₂S），吸附剂选取5A分子筛（0.8K₂O：0.2Na₂O：1Al₂O₃：2.0SiO₂:xH₂O），柱状，直径为0.0033m，高度为0.007m，材料密度为1100kg/m³，比表面积为500m²/g，孔容积为0.22cm³/g。吸脱附填料层的孔隙率为45%。吸脱附填料层通过金属丝网在上部进行固定。换向时间的设置为90-150s，根据实际的运行效果（考虑吸附穿透）进行调整优化。

本发明专利相比已有技术，具有以下优点：

1在结构形式上，本装置通过在蓄放热填料层之间布置熔盐换热器，有利于控制蓄放热填料层的温升，使得各个室蓄放热填料层温度梯度更稳定，有利于瓦斯蓄热氧化装置的稳定运行，且通过温度的控制，更利于减少过高温度燃烧污染物气体的生成及排放（如氮氧化物等）。

2在热能利用效率上，本装置除了排气损失及热能用户侧的熔盐换热损失，相比传统的瓦斯蓄热氧化装置，减少了排出高温烟气产生的排气损失，因而热能利用效率更高。

3在适应负荷能力上，解决瓦斯蓄热氧化装置在低负荷时瓦斯蓄热氧化利用系统的利用率低的问题，通过储存低负荷时氧化装置输出热量，并在高负荷时释放热量，以实现负荷的“削峰填谷”，可显著提高瓦斯蓄热氧化装置的规模利用效率，适应负荷变化时的灵活性更优。

4在加工制造成本上，可将瓦斯蓄热氧化装置低负荷时段多余热量通过熔盐罐进行储存，满足高负荷时段的负荷需求，增加了瓦斯蓄热氧化装置的最大供热能力，在满足相同设计负荷的前提下，有利于节约瓦斯蓄热氧化装置的加工制造成本及运行成本

故本发明针对现有的瓦斯蓄热氧化装置输出能力受限于气源浓度且在低负荷热利用率偏低的问题，通过改进瓦斯蓄热氧化装置的结构设计，在蓄热氧化装置内集成熔盐换热器，控制蓄热室内烟气温度梯度，稳定燃烧室反应过程，并导出相应热量进行储存，实现应对热负荷波动的“削峰填谷”。本发明相比常规的瓦斯蓄热氧化装置，具有系统运行安全可靠性更佳、换热及燃烧过程可控性更好、负荷适应能力更优及利于降低系统投资及运行费用等优点。

Claims (10)

1.一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，包括壳体，壳体内部设置有燃烧室，以及和燃烧室相通并用于进出气的进出气结构，还设置有取热利用系统，其特征在于，取热利用系统包括设置在壳体内部的熔盐换热器，熔盐换热器内具有熔盐腔道并填充有熔盐，熔盐腔道分别和熔盐流入管道以及熔盐流出管道相连，熔盐流入管道和熔盐流出管道外端连接出壳体并连接到供暖换热构件，所述熔盐流入管道或者熔盐流出管道上设置有熔盐循环泵使其构成熔盐循环通道，所述供暖换热构件用于形成用户侧供暖，取热利用系统还包括和供暖换热构件并联设置的一个熔盐储罐。

2.如权利要求1所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，所述熔盐储罐内部相隔形成有一个高温腔室和低温腔室，高温腔室外壁设置有连通到熔盐流出管道的储罐熔盐流入管道，储罐熔盐流入管道上串联设置有储罐熔盐进口阀和储罐熔盐泵，高温腔室外部还设置有连通到熔盐流出管的储罐熔盐流出管道，储罐熔盐流出管道连接于储罐熔盐流入管道前方且在二者之间的熔盐流出管道上还设置有熔盐至热用户调节阀；所述熔盐储罐的低温腔室连通设置于熔盐流入管道中，所述高温腔室和低温腔室之间连通设置且在连通位置设置有高温至低温熔盐调节阀。

3.如权利要求1所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，所述燃烧室位于壳体顶部，进出气结构位于壳体下方。

4.如权利要求1所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，燃烧室顶部还设置有助燃燃烧器。

5.如权利要求1所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，所述壳体为设置有耐火衬里的钢壳体。

6.如权利要求1所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，所述进出气结构包括连通设置于燃烧室下端的四个水平并列的进出气腔室，每个进出气腔室内均设置有蓄放热填料层和所述熔盐换热器，所述熔盐流入管道以及熔盐流出管道各自均包括连接到用户侧的主路管道和分别连接到四个熔盐换热器的支路管道，支路管道上设置有支路管道调节阀；每个进出气腔室下端均安装连接有进气支路管道和出气支路管道，进气支路管道上设置有进气切换阀且连接到进气主路管道，进气主路管道设置进气主风机，出气支路管道上设置有出气切换阀且连接到出气主路管道，出气主路管道连接到烟囱出气。

7.如权利要求6所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，每个进出气腔室中，还设置有吸脱附填料层，吸脱附填料层中设置有水分吸附剂填料和/或硫分吸附剂填料。

8.如权利要求7所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，吸脱附填料层水平设置于进出气腔室下端靠近入口位置，吸脱附填料层上方水平设置第一层蓄放热填料层，第一层蓄放热填料层上方设置熔盐换热器，熔盐换热器上方靠近燃烧室位置设置第二层蓄放热填料层。

9.如权利要求8所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，熔盐换热器为列管式结构，通过螺栓连接及密封件固定于进出气腔室内壁上。

10.如权利要求6所述的一种低浓度瓦斯氧化热利用装置，其特征在于，进气主路管道上还设置有旁通管道连接到出气主路管道上，旁通管道上安装有旁通管路手动开关阀和旁通管道气动开关阀。