CN109519942A - 一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，系统主要由瓦斯预热装置、分别与瓦斯预热装置左右两端相连接的进、排气装置、气体监控系统和与斯特林发电机相连的多孔介质燃烧器以及与排气装置相连的热电冷三联产系统组成。采用煤矿低浓度瓦斯、低浓度天然气等低热值气体在多孔介质内进行燃烧，燃烧热进入斯特林发电机进行发电，余热则通过蒸汽动力机进行二次发电、制冷以及供暖；此外本发明还具有实时监测气体功能，及时应对气体泄漏，瓦斯浓度超标等问题；本系统还具有精准自预热功能，对气体进行提前自预热，使其温度达到初始要求。该系统方法操作方便、节能环保、效果好、安全性能高。

Description

一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统及方法

技术领域

本发明涉及燃烧系统技术领域，具体涉及一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统及方法。

背景技术

多孔介质中的蓄热燃烧技术是近几十年发展起来的一项新兴燃烧技术，它与传统燃烧技术相比具有稳定性好、燃烧效率高、燃烧强度高、污染物排放低、负荷调节范围广、贫燃极限宽等优点。高孔隙率的多孔介质具有很大的导热系数、热辐射力、比表面积和热容量等，因而在实现预混气体和多孔介质之间以及燃烧产物与多孔介质之间的快速传热有独特优势。煤矿低浓度瓦斯气体、低浓度天然气、垃圾填埋气等是典型的低热值气体，在普通燃烧器中难以燃烧。已有的研究表明，利用多孔介质的蓄热优势，低热值气体能实现稳定燃烧。因此，对基于多孔介质的低热值气体燃烧的研究意义重大。

发电系统中常用的发电机是燃气轮机或蒸汽轮机。这两种传统式发电机输出的功率大，对燃料的品质要求高。煤矿低浓度瓦斯、低浓度天然气等低热值气体，不仅浓度低，而且浓度的波动范围大，传统发电机常常不能正常工作。于是，为利用低热值气体，现在的发电系统常常引入螺杆式膨胀机来将低热值气体产生的机械能转化为电能。其中的发电部分很好的利用螺杆式膨胀机的优点，然而，其中的循环水部分，没有充分利用烟气的余热，造成本身能量密度不大的低热值气体能量流失，降低能量利用效率。同时，烟气部分的热量流失，会导致环境热污染严重，不利于环保。

由于低热值气体的特点,使得传统的燃烧技术特别是如何产生高品位电能方面存在较大困难。所以，低热值燃气发电至今尚未实现大范围的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能充分利用余热、节能环保、安全性能高的多孔介质蓄热燃烧发电系统。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：包括多孔介质燃烧器、斯特林发电机、进气管、排气管和热电冷三联产系统；

所述进气管与多孔介质燃烧器之间设有瓦斯预热装置，所述瓦斯预热装置包括换热管、预热管、温度计和外热机，进气管、换热管、预热管依次连接，所述换热管设置在多孔燃烧器内中部，进气管和预热管设置于多孔燃烧器外部，所述温度计设置在预热管上外热机前端对通过外热机之前的气体进行温度检测，预热管尾端与多孔介质燃烧器底端相连；

所述多孔介质燃烧器包括底部的阻火层、上部的多孔介质储热层，所述特斯林发电机设置在多孔介质储热层中，斯特林发动机端连接排气管，排气管螺旋缠绕在多孔介质燃烧器外部，尾端连接热电冷三联产系统。

优选的，本发明还包括气体监控系统，所述气体监控系统包括无线智能终端，连接在进气管上的控制阀和计算机，所述控制阀通过信号线与计算机第一端口相连，点火器通过信号线与计算机第二端口相连，所述点火器设置在多孔介质燃烧怄气的下部，甲烷传感器通过信号线与计算机第三端口相连，所述无线智能终端与计算机通信连接。

优选的，所述热电冷三联产系统包括蒸汽动力机、与蒸汽动力机右端相连的发电机、与蒸汽动力机下端相连的吸收式制冷器和换热器。

优选的，所述瓦斯预热装置还包括控制器，外热机和温度计均通过信号线与控制器相连。

优选的，所述的多孔介质燃烧器和多孔介质储热层中的多孔介质为泡沫陶瓷多孔介质或蜂窝陶瓷多孔介质。

优选的，所述多孔介质燃烧器和预热管外层均包覆有隔热层，排气管除缠绕在多孔介质燃烧器上的管道外其他部分外层也包覆有隔热层。

优选的，所述隔热层为石棉隔热层、真空隔热层或气凝胶毡隔热层。

优选的，所述多孔介质燃烧器为圆柱形或方形。

优选的，所述蒸汽动力机为蒸汽轮机或为蒸汽式螺杆膨胀机。

优选的，所述吸收式制冷器为有氨水吸收式制冷机或溴化锂吸收式制冷机。

一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧方法，包括以下步骤：

S1.开启计算机通过甲烷传感器对周围环境进行甲烷监测，浓度达标后开启控制阀将低浓度瓦斯由进气管送入换热管内通过多孔介质燃烧器内温度进行提前预热；

S2.预热后的低浓度瓦斯经预热管送入排气管，排气管内有温度计对预热气体进行测温，温度如果没有达到要求温度，则通过控制器给外热机发信号，启动外热机对气体进行加热，预热后达到要求的气体通过阻火层送入多孔介质燃烧器内部，经点火器点燃后燃烧；

S3.燃烧后气体送入多孔介质储热层，进入斯特林发电机做功将热能转化为机械能，并将机械能转化为电能。热能转化后的气体由排气管送入螺旋式排气管中进行储热，带有余热的气体送入蒸汽动力机中进行二次热能转化为机械能，并由发电机将机械能转化为电能；

S4.流经蒸汽动力机后的气体一部分进入吸收式制冷机产生制冷效果，一部分经过换热器提取热量后有排气管排出；

S5.若环境气体中甲烷浓度超标，甲烷传感器经信号线发送信号给计算机，计算机关闭控制阀和点火器，并发无线信号给无线智能终端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用多孔介质燃烧器，使气体燃烧更充分，提高能量利用效率；排出的气体通过管道缠绕在燃烧器外部，可以降低壁面热量排放。

2、本发明具有自主断气和不点火功能，设置有甲烷传感器对气体进行监测，若甲烷气体泄漏，可以及时发信号给计算机，关闭控制阀和点火器，并自动给无线智能终端发消息，极大的提高了本发明使用过程中的安全性。

3、本发明具有精准的自行预热气体功效，进入多孔介质中的气体先经过容器内温度预热，预热后气体温度通过温度计测量，若预热温度没有达到要求，控制器则会启动外热机对气体进行加热，从而精准控制气体达到预热要求温度，使得进入燃烧器内的气体温度更充分燃烧，极大的提高了能量的利用效率。

4.本发明采用多孔介质燃烧器对低热值气体燃烧后利用斯特林发电机进行发电后对余热进行利用，余热则通过蒸汽动力机进行二次发电、制冷以及供暖，二次发电、制冷和供暖又可以将斯特林发电机发电后的预热再一次进行分级利用，从而提供整个系统的能量利用率。

附图说明

图1为本发明实施例4系统结构示意图；

其中，1-无线智能终端，2-进气管，3-信号线，4-控制阀，5-计算机，6-甲烷传感器，7-排气管，8-隔热层，9-斯特林发动机，10-多孔介质储热层，11-多孔介质燃烧器，12-换热管，13-预热管，14-点火器，15-温度计，16-控制器，17-外热机，18-阻火层，19-蒸汽动力机，20-发电机，21-吸收式制冷器，22-换热器。

具体实施方式

本发明提供一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，采用煤矿低浓度瓦斯、低浓度天然气等低热值气体在多孔介质内进行燃烧，燃烧热进入斯特林发电机进行发电，余热则通过蒸汽动力机进行二次发电、制冷以及供暖。

本发明实施例所提供的技术方案为解决上述技术问题，其总体思路如下：

一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，包括多孔介质燃烧器、斯特林发电机、进气管、排气管和热电冷三联产系统；

所述进气管与多孔介质燃烧器之间设有瓦斯预热装置，所述瓦斯预热装置包括换热管、预热管、温度计和外热机，进气管、换热管、预热管依次连接，所述换热管设置在多孔燃烧器内中部，进气管和预热管设置于多孔燃烧器外部，所述温度计设置在预热管上外热机前端对通过外热机之前的气体进行温度检测，预热管尾端与多孔介质燃烧器底端相连；

所述多孔介质燃烧器包括底部的阻火层、上部的多孔介质储热层，所述特斯林发电机设置在多孔介质储热层中，斯特林发动机端连接排气管，排气管螺旋缠绕在多孔介质燃烧器外部，尾端连接热电冷三联产系统。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，包括多孔介质燃烧器、斯特林发电机、进气管、排气管和热电冷三联产系统；

所述进气管与多孔介质燃烧器之间设有瓦斯预热装置，所述瓦斯预热装置包括换热管、预热管、温度计和外热机，进气管、换热管、预热管依次连接，所述换热管设置在多孔燃烧器内中部，进气管和预热管设置于多孔燃烧器外部，所述温度计设置在预热管上外热机前端对通过外热机之前的气体进行温度检测，预热管尾端与多孔介质燃烧器底端相连；

所述多孔介质燃烧器包括底部的阻火层、上部的多孔介质储热层，所述特斯林发电机设置在多孔介质储热层中，斯特林发动机端连接排气管，排气管螺旋缠绕在多孔介质燃烧器外部，尾端连接热电冷三联产系统。

实施例1所提供的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统将低热值的气体进行燃烧并实现多级利用，进入多孔介质中的气体先经过容器内温度预热，预热后气体温度通过温度计测量，若预热温度没有达到要求，控制器则会启动外热机对气体进行加热，从而精准控制气体达到预热要求温度，使得进入燃烧器内的气体温度更充分燃烧，极大的提高了能量的利用效率。

实施例2：

实施例2所提供的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统是在实施例1的基础上进行的优化方案，实施例2所提供的精准自预热安全节能型蓄热燃烧系统还包括气体监控系统，所述气体监控系统包括无线智能终端，连接在进气管上的控制阀和计算机，所述控制阀通过信号线与计算机第一端口相连，点火器通过信号线与计算机第二端口相连，所述点火器设置在多孔介质燃烧怄气的下部，甲烷传感器通过信号线与计算机第三端口相连，所述无线智能终端与计算机通信连接。

实施例2所提供的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统不仅可以采用煤矿低浓度瓦斯、低浓度天然气等低热值气体在多孔介质内进行燃烧，燃烧热进入斯特林发电机进行发电，余热则通过蒸汽动力机进行二次发电、制冷以及供暖，气体监控系统还具有实时监测气体功能，及时应对气体泄漏，瓦斯浓度超标等问题。

实施例3：

实施例3所提供的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统是在实施例1或实施例2的基础上进行的优化方案，实施例3所提供的精准自预热节能型蓄热燃烧系统其中所述热电冷三联产系统包括蒸汽动力机、与蒸汽动力机右端相连的发电机、与蒸汽动力机下端相连的吸收式制冷器和换热器。

所述多孔介质燃烧器和预热管外层均包覆有隔热层，排气管除缠绕在多孔介质燃烧器上的管道外其他部分外层也包覆有隔热层。所述隔热层为石棉隔热层、真空隔热层或气凝胶毡隔热层中的一种，但不限于石棉隔热层、真空隔热层或气凝胶毡隔热层。

所述蒸汽动力机优选为蒸汽轮机或蒸汽式螺杆膨胀机中的一种，但不限于蒸汽轮机或蒸汽式螺杆膨胀机。

所述吸收式制冷器优选为氨水吸收式制冷机或溴化锂吸收式制冷机中的一种，但不限于氨水吸收式制冷机或溴化锂吸收式制冷机。

实施例3所提供的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统不仅可以采用煤矿低浓度瓦斯、低浓度天然气等低热值气体在多孔介质内进行燃烧，燃烧热进入斯特林发电机进行发电，余热则通过蒸汽动力机进行二次发电、制冷以及供暖，气体监控系统具有实时监测气体功能，及时应对气体泄漏，瓦斯浓度超标等问题，同时所述多孔介质燃烧器和预热管外层均包覆有隔热层，排气管除缠绕在多孔介质燃烧器上的管道外其他部分外层也包覆有隔热层能更好的起到保温隔热的作用，提高系统的能量利用率。

实施例4：

实施例4提供一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，如图1所示，实施例4所提供的精准自预热节能型蓄热燃烧系统包括：无线智能终端1，进气管2，信号线3，控制阀4，计算机5，甲烷传感器6，排气管7，隔热层8，斯特林发动机9，多孔介质储热层10，多孔介质燃烧器11，换热管12，预热管13，点火器14，温度计15，控制器16，外热机17，阻火层18，蒸汽动力机19，发电机20，吸收式制冷器21，换热器22。

其中，进气管2与多孔介质燃烧器11之间设有瓦斯预热装置，所述瓦斯预热装置包括换热管12、预热管13、温度计15和外热机17，进气管2、换热管12、预热管13依次连接，所述换热管12设置在多孔燃烧器11内中部，进气管2和预热管13设置于多孔燃烧器11外部，所述温度计15设置在预热管13上外热机前端对通过外热机17之前的气体进行温度检测，预热管尾端与多孔介质燃烧器11底端相连；

所述多孔介质燃烧器11包括底部的阻火层18、上部的多孔介质储热层10，所述特斯林发电机9设置在多孔介质储热层10中，斯特林发电机9连接排气管7，排气管7螺旋缠绕在多孔介质燃烧器11外部，尾端连接热电冷三联产系统，其中多孔介质燃烧器11为圆柱形或方形。

所述气体监控系统包括无线智能终端1，连接在进气管2上的控制阀4和计算机5，所述控制阀4通过信号线3与计算机5第一端口相连，点火器14通过信号线3与计算机5第二端口相连，所述点火器14设置在多孔介质燃烧器的下部，甲烷传感器6通过信号线3与计算机5第三端口相连，所述无线智能终端1与计算机5通信连接。

所述发电机20与蒸汽动力机右端相连的发电机、吸收式制冷器21和换热器22与蒸汽动力机19下端相连，其中蒸汽动力机19为蒸汽轮机或蒸汽式螺杆膨胀机中的一种，但不限于蒸汽轮机或蒸汽式螺杆膨胀机；吸收式制冷器21为氨水吸收式制冷机或溴化锂吸收式制冷机中的一种，但不限于水吸收式制冷机或溴化锂吸收式制冷机。

所述瓦斯预热装置还包括控制器16，外热机17和温度计15均通过信号线与控制器16相连。

所述的多孔介质燃烧器11和多孔介质储热层10中的多孔介质为泡沫陶瓷多孔介质或蜂窝陶瓷多孔介质中的一种，但不限于泡沫陶瓷多孔介质或蜂窝陶瓷多孔。

所述多孔介质燃烧器11和预热管13外层均包覆有隔热层8，排气管7除缠绕在多孔介质燃烧器11上的管道外其他部分外层也包覆有隔热层8，其中隔热层8为石棉隔热层、真空隔热层或气凝胶毡隔热层中的一种，但不限于石棉隔热层、真空隔热层或气凝胶毡隔热层。

实施例4还提供一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧方法，包括以下步骤：

S1.开启计算机5通过甲烷传感器6对周围环境进行甲烷监测，浓度达标后开启控制阀4将低浓度瓦斯由进气管2送入换热管12内通过多孔介质燃烧器11内温度进行提前预热；

S2.预热后的低浓度瓦斯经预热管送入排气管7，排气管内有温度计15对预热气体进行测温，温度如果没有达到要求温度，则通过控制器16给外热机17发信号，启动外热机17对气体进行加热，预热后达到要求的气体通过阻火层16送入多孔介质燃烧器11内部，经点火器14点燃后燃烧；

S3.燃烧后气体送入多孔介质储热层10，进入斯特林发电机9做功将热能转化为机械能，并将机械能转化为电能。热能转化后的气体由排气管7送入螺旋式排气管中进行储热，带有余热的气体送入蒸汽动力机19中进行二次热能转化为机械能，并由发电机20将机械能转化为电能；

S4.流经蒸汽动力机19后的气体一部分进入吸收式制冷器21产生制冷效果；一部分经过换热器22提取热量后有排气管排出；

S5.若环境气体中甲烷浓度超标，甲烷传感器6经信号线3发送信号给计算机5，计算机5关闭控制阀4和点火器14，并发无线信号给无线智能终端1。

本发明实施例提供的一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统及方法至少包括如下技术效果：

本发明具有自主断气和不点火功能，设置有甲烷传感器对气体进行监测，若甲烷气体泄漏，可以及时发信号给计算机，关闭控制阀和点火器，并自动给无线智能终端发消息，极大的提高了本发明使用过程中的安全性。进入多孔介质中的气体先经过容器内温度预热，预热后气体温度通过温度计测量，若预热温度没有达到要求，控制器则会启动外热机对气体进行加热，从而精准控制气体达到预热要求温度，使得进入燃烧器内的气体温度更充分燃烧，极大的提高了能量的利用效率。采用多孔介质燃烧器，使气体燃烧更充分，提高能量利用效率；排出的气体通过管道缠绕在燃烧器外部，可以降低壁面热量排放。采用多孔介质燃烧器对低热值气体燃烧后利用斯特林发电机进行发电后对余热进行利用，余热则通过蒸汽动力机进行二次发电、制冷以及供暖，二次发电、制冷和供暖又可以将斯特林发电机发电后的预热再一次进行分级利用，从而提供整个系统的能量利用率。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：包括多孔介质燃烧器、斯特林发电机、进气管、排气管和热电冷三联产系统；

所述进气管与多孔介质燃烧器之间设有瓦斯预热装置，所述瓦斯预热装置包括换热管、预热管、温度计和外热机，进气管、换热管、预热管依次连接，所述换热管设置在多孔燃烧器内中部，进气管和预热管设置于多孔燃烧器外部，所述温度计设置在预热管上外热机前端对通过外热机之前的气体进行温度检测，预热管尾端与多孔介质燃烧器底端相连；

所述多孔介质燃烧器包括底部的阻火层、上部的多孔介质储热层，所述特斯林发电机设置在多孔介质储热层中，斯特林发动机连接排气管，排气管螺旋缠绕在多孔介质燃烧器外部，尾端连接热电冷三联产系统。

2.根据权利要求1所述的一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：还包括气体监控系统，所述气体监控系统包括无线智能终端，连接在进气管上的控制阀和计算机，所述控制阀通过信号线与计算机第一端口相连，点火器通过信号线与计算机第二端口相连，所述点火器设置在多孔介质燃烧器的下部，甲烷传感器通过信号线与计算机第三端口相连，所述无线智能终端与计算机通信连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：所述热电冷三联产系统包括蒸汽动力机、与蒸汽动力机右端相连的发电机、与蒸汽动力机下端相连的吸收式制冷器和换热器。

4.根据权利要求1或2所述的一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：所述瓦斯预热装置还包括控制器，外热机和温度计均通过信号线与控制器相连。

5.根据权利要求1或2所述的一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：所述的多孔介质燃烧器和多孔介质储热层中的多孔介质为泡沫陶瓷多孔介质或蜂窝陶瓷多孔介质。

6.根据权利要求1或2所述的一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于：所述多孔介质燃烧器和预热管外层均包覆有隔热层，排气管除缠绕在多孔介质燃烧器上的管道外其他部分外层也包覆有隔热层,所述隔热层为石棉隔热层、真空隔热层或气凝胶毡隔热层。

7.根据权利要求1或2所述的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于:所述多孔介质燃烧器为圆柱形或方形。

8.根据权利要求3所述的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于:所述蒸汽动力机为蒸汽轮机或为蒸汽式螺杆膨胀机。

9.根据权利要求3所述的精准自预热式安全节能型蓄热燃烧系统，其特征在于:所述吸收式制冷器为氨水吸收式制冷机或溴化锂吸收式制冷机。

10.一种精准自预热式安全节能型蓄热燃烧方法，其特征在于包括以下步骤:

S1.开启计算机通过甲烷传感器对周围环境进行甲烷监测，浓度达标后开启控制阀将低浓度瓦斯由进气管送入换热管内通过多孔介质燃烧器内温度进行提前预热；

S2.预热后的低浓度瓦斯经预热管送入排气管，排气管内有温度计对预热气体进行测温，温度如果没有达到要求温度，则通过控制器给外热机发信号，启动外热机对气体进行加热，预热后达到要求的气体通过阻火层送入多孔介质燃烧器内部，经点火器点燃后燃烧；

S3.燃烧后气体送入多孔介质储热层，进入斯特林发电机做功将热能转化为机械能，并将机械能转化为电能。热能转化后的气体由排气管送入螺旋式排气管中进行储热，带有余热的气体送入蒸汽动力机中进行二次热能转化为机械能，并由发电机将机械能转化为电能；

S4.流经蒸汽动力机后的气体一部分进入吸收式制冷机产生制冷效果，一部分经过换热器提取热量后有排气管排出；

S5.若环境气体中甲烷浓度超标，甲烷传感器经信号线发送信号给计算机，计算机关闭控制阀和点火器，并发无线信号给无线智能终端。