CN114278918B - 一种沉浸式防爆高温混合气发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沉浸式防爆高温混合气发生装置，适用于瓦斯及页岩气抽采的注热使用。包括燃烧系统和降温系统；将燃烧室及烟气换热管道设置在充满水的罐体中，气态还原剂和氧化剂在燃烧室内进行受控燃烧，燃烧产生的热量通过燃烧室壁、换热板和回程管传递给水，从而降低烟气的温度，提高水的温度。当水的温度到达沸点时，不断蒸发成水蒸气，并与燃烧产生的高温尾气混合，形成混合气，该混合气的温度可以根据进入燃烧室的氧化剂和还原剂的量进行控制。本装置燃烧的过程中火焰完全沉浸在水中，外加防爆罐体，能生产高温混合气的同时，有效防止火焰和火星泄漏，能够有效提供高温以CO2、水蒸气为主的混合气，可以用来解决煤层透气性差，瓦斯抽采困难的问题，安全可靠效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温混合气发生装置，尤其适用于安全高效获得高温气体与过热蒸汽使用的一种沉浸式防爆高温混合气发生装置。
背景技术
近年来，由于我国煤矿开采逐步进入深部开采阶段，地应力高、瓦斯抽采困难等问题尤为突出，而解决这一问题的关键就在于瓦斯抽采。目前，常采用的瓦斯抽采方法主要有：水力压裂、深孔爆破、水力割缝、保护层开采，但是这些技术应用起来存在一些缺陷，例如：水力压裂容易造成水锁现象，堵塞瓦斯运移的通道；深孔爆破送药困难；水力割缝在软煤层应用效果较差，而且因排渣问题，不适用于向下打的钻孔；保护层开采不适应在单一煤层开采。因此，开发应用范围更广的煤层增透方法以解决低透气煤层瓦斯抽采困难的问题尤为重要。一些学者研究了温度对瓦斯吸附解吸的影响，认为温度的升高能显著促进瓦斯解吸，温度引发的热应力有助于煤层孔裂隙的产生，而煤矿井下因为有瓦斯的存在对防爆要求尤其高，至今未见有适用于井下作业的高温气体发生器；从地面产生高温气体通过管道输送至井下的方式因铺设管道过长，成本高企，沿程热损失大，目前也未见采用。本发明专利有望解决煤矿井下注气过程中高温气源获取的难题。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种能在煤矿井下安全高效生产高温气体的装置，通过在罐体中注满水，在水中设置燃烧室，将煤层中 的瓦斯直接在燃烧室中燃烧，产生的高温蒸汽和燃烧尾气注入至煤层，促进煤层进一步解吸瓦斯，瓦斯被抽采出来后进一步支持本装置的供气燃烧，从而解决瓦斯抽采难题。
为解决上述技术问题，本发明沉浸式防爆高温混合气发生装置，所述燃烧系统设置在降温系统内部，所述的降温系统包括外部设有保温层的罐体，罐体内充满冷却水，罐体顶部一端通过进水管连接有注水泵，进水管与罐体之间设有单向阀，进水管上设有阀门，罐体顶部的另一端通过阀门连接有蒸汽管，所述燃烧系统包括燃烧器，燃烧器和燃烧室，燃烧器的喷头设置在燃烧室的首端，燃烧室从中段开始上下间隔交替设有多个换热板，从而使燃烧器产生的烟气流向在经过多个换热板的燃烧室区域进行蛇形前进，燃烧室的尾端通过多根一次回程管连接有烟箱a，烟箱a通过多根二次回程管连接有烟箱b，烟箱b连接有排烟管，排烟管和蒸汽管的端部分别通过单向阀分别与三通结构的混合器连接，实现排烟管排除的尾气和蒸汽管排除的蒸汽混合，所述排烟管上设有火花熄灭器，实现排出烟气中无火星，并且烟气不能回流；通过将燃烧室及用以烟气换热的多根一次回程管、多根二次回程管设置在充满水的罐体中，利用气态还原剂和氧化剂在燃烧室内进行受控燃烧，燃烧产生的热量通过燃烧室壁、换热板和回程管传递给水，从而降低烟气的温度，提高水的温度，当水的温度到达沸点时，不断蒸发成水蒸气，并与燃烧产生的高温尾气在混合器中混合，形成用以煤层/岩层致裂增产瓦斯/页岩气的混合气，该混合气的温度可以根据进入燃烧室的氧化剂和还原剂的量进行控制，随着罐体中水被加热形成水蒸气通过混合器被排出后，进水管上的注水泵会根据液位计自动对罐体内的水进行补充。
进一步，所述燃烧器头部设置在燃烧室内，尾部延伸出罐体分别连接有空气管道、还原剂管道和控制箱，其中空气管道和还原剂管道上同样顺序设有单向阀、空燃比调节器和回火防止器，实现气体向燃烧室中单向进入防止倒流，回火防止器阻止火星或火焰向气源方向蔓延，避免气源压力不足时火焰倒流，空燃比调节器实时监测还原剂管道中还原剂的浓度和流速，并根据管道截面积，计算出纯流量，从而自动控制空气管道中空气的进入量，使氧气和还原剂达到最佳燃烧比。
进一步，燃烧器上设有点火器，实现燃烧器中的点火，在燃烧室靠近燃烧器喷嘴的燃烧室下端以及烟箱a内的下端分别设有热电阻，分别监测燃烧室和烟箱a的温度。
进一步，所述燃烧室、多支一次回程管、烟箱a、二次回程管和烟箱b之间顺序连接并设置成S形结构，其中燃烧室首尾之间为长条结构，烟箱a设置在燃烧室头部上方，烟箱b设置在烧室尾部上方，燃烧室尾部设有与烟箱a平行的凸起结构，多支一次回程管两端分别与凸起结构、烟箱a的下半部分相互连接，烟箱b设置在烧室尾部凸起结构上方，二次回程管两端分别与烟箱a的上半部分、烟箱b相互连接。
进一步，燃烧室底部与罐体之间设有用以支撑的支架，罐体底部设有支腿。
进一步，罐体上还分别设有安全阀、液位计，罐体的下部设有排水管。
进一步，所述燃烧室内部设置的多个换热板为矩形鳍片结构，增加燃烧室内烟气的与燃烧室外壁的接触，强化与燃烧室周围冷却水的换热。
进一步，所述混合器连接蒸汽管和排烟管，两处来流在混合器中充分混合。
进一步，所述的多根一次回程管和多根二次回程管平行设置，并整齐排列设置在烟箱a与烟箱b之间，燃烧室内燃气先到烟箱a再到烟箱b过程中增加了燃气与冷却水之间的接触面积，从而使燃气的温度得到显著降低。
进一步，多根一次回程管、二次回程管和烟箱a、烟箱b组成燃烧尾气排放回路，增加了的尾气加热水的路径，使尾气中的热量均匀释放在外侧包围的水中从而形成足量的蒸汽，同时若出现漏电时，也便于观测发现，同时通过更换对应的烟箱或者回程管来进行修理，方便快捷，此外，烟箱和回程管可以设置成快速拼接结构，可以根据实际的加热需要来调整需要的回程管数量以及烟箱的数量，从而调整最终进入混合器的尾气温度，使用灵活。
有益效果：
本装置通过将燃烧室及烟气换热管道设置在充满水的罐体中，气态还原剂和氧化剂在燃烧室内进行受控燃烧，燃烧产生的热量通过燃烧室壁、换热板和回程管传递给水，从而降低烟气的温度，提高水的温度。当水的温度到达沸点时，不断蒸发成水蒸气，并与燃烧产生的高温尾气混合，形成混合气，该混合气的温度可以根据进入燃烧室的氧化剂和还原剂的量进行控制。本装置燃烧的过程中火焰完全沉浸在水中，外加防爆罐体，通过混合器能生产高温混合气的同时，混合气主要成分为水蒸气、二氧化碳和氮气，能够有效防止火焰和火星泄漏，特别适用于有防爆要求的注热场景。
本装置产生的混合气体为煤层注热提供优质、便宜、安全的热工质；燃料为井下的瓦斯气体，有利于减少瓦斯的排放，减少温室气体瓦斯对环境的危害；产生的高温混合气注入到煤层，能促进煤层瓦斯解吸，解吸的瓦斯被抽走后进一步燃烧，继续为煤层提供注热能源，同时降低或消除煤与瓦斯突出或者瓦斯爆炸的风险；注热后诱发的煤层产生热应力，热应力导致煤体产生孔裂隙，有利于瓦斯的运移抽走。避免了井下煤层注热蒸汽采用的从井上铺设管道至井下的大量工程，有利于煤层注热技术的推广。该装置结构简单，操作方便，需要的人工较少，能够有效的解决煤层透气性差，瓦斯抽采困难的问题，在瓦斯治理领域中有着广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种水浴沉浸式防爆高温混合气发生装置；
图2 A-A处剖面图构示意图；
图3 B-B处剖面图构示意图。
图中：1-保温层；2-罐体；3-液位计；4-蒸汽管；5-混合器；6-安全阀；7-单向阀；8-进水管；9-阀门；10-烟箱a；11-注水泵；12-控制箱；13-点火器；14-回火防止器；15-空燃比调节器；16-空气管道；17-还原剂管道；18-燃烧器；19-支腿；20-热电阻；21-燃烧室；22-换热板；23-排水管；24-一次回程管；25-二次回程管；26-烟箱b；27-火花熄灭器；28-排烟管；29-烟气流向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
如图1所示，本发明的沉浸式防爆高温混合气发生装置，诸如矿井下的煤层、页岩气、页岩油等消耗能量大的开采场所，还能用以高温清洗、谷物种子驱虫或灭活、建筑混泥土浇筑后的保养等对热工质要求不高的领域。其包括燃烧系统和降温系统；所述燃烧系统设置在降温系统内部，所述的降温系统包括外部设有保温层1的罐体2，罐体2内充满冷却水，罐体2顶部一端通过进水管8连接有注水泵11，进水管8与罐体2之间设有单向阀7，进水管8上设有阀门9，罐体2顶部的另一端通过阀门连接有蒸汽管4，所述燃烧系统包括燃烧器18，燃烧器18和燃烧室21，燃烧器18的喷头设置在燃烧室21的首端，燃烧室21从中段开始上下间隔交替设有多个换热板22，从而使燃烧器18产生的烟气流向29在经过多个换热板22的燃烧室21区域进行蛇形前进，燃烧室21内部设置的多个换热板22为矩形鳍片结构，增加燃烧室21内烟气的与燃烧室21外壁的接触，强化与燃烧室21周围水的换热。
燃烧室21的尾端通过多根一次回程管24连接有烟箱a10，烟箱a10通过多根二次回程管25连接有烟箱b26，烟箱b26连接有排烟管28，排烟管28和蒸汽管4的端部分别通过单向阀分别与三通结构的混合器5连接，实现排烟管28排除的高温尾气和蒸汽管4排除的蒸汽混合，所述排烟管28上设有火花熄灭器27，实现排出烟气中无火星，并且烟气不能回流；通过将燃烧室21及用以烟气换热的多根一次回程管24、多根二次回程管25设置在充满水的罐体2中，利用气态还原剂和氧化剂在燃烧室内进行受控燃烧，燃烧产生的热量通过燃烧室壁、换热板和回程管传递给水，从而降低烟气的温度，提高水的温度，当水的温度到达沸点时，不断蒸发成水蒸气，并与燃烧产生的高温尾气在混合器5中混合，形成用以煤层/岩层致裂增产瓦斯/页岩气的混合气，该混合气的温度可以根据进入燃烧室21的氧化剂和还原剂的量进行控制，随着罐体2中水被加热形成水蒸气通过混合器5被排出后，进水管8上的注水泵11会根据液位计3自动对罐体2内的水进行补充。本装置使用多根整齐排列的一次回程管24、二次回程管25和烟箱a10、烟箱b26组成尾气排放回路，增加了的尾气加热水的路径，使尾气中的热量均匀释放在外侧包围的水中从而形成足量的蒸汽，同时若出现漏电时，也便于观测发现，同时通过更换对应的烟箱或者回程管来进行修理，方便快捷，此外，烟箱和回程管可以设置成快速拼接结构，可以根据实际的加热需要来调整需要的回程管数量以及烟箱的数量，从而调整最终进入混合器5的尾气温度，使用灵活。
燃烧室21底部与罐体2之间设有用以支撑的支架，罐体2底部设有支腿19，罐体2上还分别设有安全阀6、液位计3，罐体2的下部设有排水管23。
如图2和图3所示，燃烧器18头部设置在燃烧室21内，尾部延伸出罐体2分别连接有空气管道16、还原剂管道17和控制箱12，其中空气管道16和还原剂管道17上同样顺序设有单向阀、空燃比调节器15和回火防止器14，实现气体向燃烧室中单向进入防止倒流，回火防止器14阻止火星或火焰向气源方向蔓延，避免气源压力不足时火焰倒流，空燃比调节器15实时监测还原剂管道17中还原剂的浓度和流速，并根据管道截面积，计算出纯流量，从而自动控制空气管道16中空气的进入量，使氧气和还原剂达到最佳燃烧比；燃烧器18上设有点火器13，实现燃烧器18中的点火，在燃烧室21靠近燃烧器18喷嘴的燃烧室21下端以及烟箱a10内的下端分别设有热电阻20，分别监测燃烧室21和烟箱10a的温度；所述燃烧室21、多支一次回程管24、烟箱a10、二次回程管25和烟箱b26之间顺序连接并设置成S形结构，其中燃烧室21首尾之间为长条结构，烟箱a10设置在燃烧室21头部上方，烟箱b26设置在烧室21尾部上方，燃烧室21尾部设有与烟箱a10平行的凸起结构，多支一次回程管24两端分别与凸起结构、烟箱a10的下半部分相互连接，烟箱b26设置在烧室21尾部凸起结构上方，二次回程管25两端分别与烟箱a10的上半部分、烟箱b26相互连接。多根一次回程管24和多根二次回程管25平行设置，并整齐排列设置在烟箱a10与烟箱b26之间，燃烧室21内燃气先到烟箱a10再到烟箱b25过程中增加了燃气与水之间的接触面积，从而利用燃气给水进行加热从而获得燃气和水蒸气的气体。
使用前，通过注入空气检查各连接处的密封性，确保管路连接不漏气；
关闭排水管23，启动注水泵11，向混合气发生装置的降温系统中注入清水并淹没整个燃烧装置，关注液位计3，保持水平面与降温系统留有5-20cm空余，然后停止注水泵11；
打开空气管道16和还原剂管道17向燃烧喷嘴18中注入混合气体注，
利用控制箱12控制点火器13持续打火，利用空燃比调节器15调节输出的还原剂与空气管道16输出的空气比并通过燃烧喷嘴向燃烧腔内输送，从而产生燃烧，利用控制箱12检测燃烧室和烟箱内的温度温度，温度持续上升至100℃以上，表明点火成功；
利用液位计3控制注水泵11进行补水，保持最低降温系统内的水位能淹没烟箱最高处；燃烧室内的燃烧尾气在加热蒸汽发生装置内的水形成蒸汽的同时，将温度降低至450°以内以避免引燃煤层，之后通过排烟管与蒸汽输送管在混合器5内混合形成混合气，之后利用混合气进行相应的施工。
Claims (7)
1.一种沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：包括燃烧系统和降温系统；所述燃烧系统设置在降温系统内部，所述的降温系统包括外部设有保温层（1）的罐体（2），罐体（2）内充满冷却水，罐体（2）顶部一端通过进水管（8）连接有注水泵（11），进水管（8）与罐体（2）之间设有单向阀（7），进水管（8）上设有阀门（9），罐体（2）顶部的另一端通过阀门连接有蒸汽管（4），所述燃烧系统包括燃烧器（18），燃烧器（18）和燃烧室（21），燃烧器（18）的喷头设置在燃烧室（21）的首端，燃烧室（21）从中段开始上下间隔交替设有多个换热板（22），从而使燃烧器（18）产生的烟气流向（29）在经过多个换热板（22）的燃烧室（21）区域进行蛇形前进，燃烧室（21）的尾端通过多根一次回程管（24）连接有烟箱a（10），烟箱a（10）通过多根二次回程管（25）连接有烟箱b（26），烟箱b（26）连接有排烟管（28），排烟管（28）和蒸汽管（4）的端部分别通过单向阀分别与三通结构的混合器（5）连接，实现排烟管（28）排除的尾气和蒸汽管（4）排除的蒸汽混合，所述排烟管（28）上设有火花熄灭器（27），实现排出烟气中无火星，并且烟气不能回流；通过将燃烧室（21）及用以烟气换热的多根一次回程管（24）、多根二次回程管（25）设置在充满水的罐体（2）中，利用气态还原剂和氧化剂在燃烧室内进行受控燃烧，燃烧产生的热量通过燃烧室壁、换热板和回程管传递给水，从而降低烟气的温度，提高水的温度，当水的温度到达沸点时，不断蒸发成水蒸气，并与燃烧产生的高温尾气在混合器（5）中混合，形成用以煤层/岩层致裂增产瓦斯/页岩气的混合气，该混合气的温度可以根据进入燃烧室（21）的氧化剂和还原剂的量进行控制，随着罐体（2）中水被加热形成水蒸气通过混合器（5）被排出后，进水管（8）上的注水泵（11）会根据液位计（3）自动对罐体（2）内的水进行补充；
所述燃烧器（18）头部设置在燃烧室（21）内，尾部延伸出罐体（2）分别连接有空气管道（16）、还原剂管道（17）和控制箱（12），其中空气管道（16）和还原剂管道（17）上同样顺序设有单向阀、空燃比调节器（15）和回火防止器（14），实现气体向燃烧室中单向进入防止倒流，回火防止器（14）阻止火星或火焰向气源方向蔓延，避免气源压力不足时火焰倒流，空燃比调节器（15）实时监测还原剂管道（17）中还原剂的浓度和流速，并根据管道截面积，计算出纯流量，从而自动控制空气管道（16）中空气的进入量，使氧气和还原剂达到最佳燃烧比；
燃烧器（18）上设有点火器（13），实现燃烧器（18）中的点火，在燃烧室（21）靠近燃烧器（18）喷嘴的燃烧室（21）下端以及烟箱a（10）内的下端分别设有热电阻（20），分别监测燃烧室（21）和烟箱（10）a的温度；
所述燃烧室（21）、多支一次回程管（24）、烟箱a（10）、二次回程管（25）和烟箱b（26）之间顺序连接并设置成S形结构，其中燃烧室（21）首尾之间为长条结构，烟箱a（10）设置在燃烧室（21）头部上方，烟箱b（26）设置在烧室（21）尾部上方，燃烧室（21）尾部设有与烟箱a（10）平行的凸起结构，多支一次回程管（24）两端分别与凸起结构、烟箱a（10）的下半部分相互连接，烟箱b（26）设置在烧室（21）尾部凸起结构上方，二次回程管（25）两端分别与烟箱a（10）的上半部分、烟箱b（26）相互连接；
使用前，通过注入空气检查各连接处的密封性，确保管路连接不漏气；
关闭排水管（23），启动注水泵（11），向混合气发生装置的降温系统中注入清水并淹没整个燃烧装置，关注液位计（3），保持水平面与降温系统留有5-20cm空余，然后停止注水泵（11）；
打开空气管道（16）和还原剂管道（17）向燃烧器（18）中注入混合气体注，
利用控制箱（12）控制点火器（13）持续打火，利用空燃比调节器（15）调节输出的还原剂与空气管道（16）输出的空气比并通过燃烧喷嘴向燃烧腔内输送，从而产生燃烧，利用控制箱（12）检测燃烧室和烟箱内的温度，温度持续上升至100℃以上，表明点火成功；
利用液位计（3）控制注水泵（11）进行补水，保持最低降温系统内的水位能淹没烟箱最高处；燃烧室内的燃烧尾气在加热降温系统内的水形成蒸汽的同时，将温度降低至450°以内以避免引燃煤层，之后通过排烟管与蒸汽输送管在混合器（5）内混合形成混合气，之后利用混合气进行相应的瓦斯抽采施工。
2.根据权利要求1所述的沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：燃烧室（21）底部与罐体（2）之间设有用以支撑的支架，罐体（2）底部设有支腿（19）。
3.根据权利要求1所述的沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：罐体（2）上还分别设有安全阀（6）、液位计（3），罐体（2）的下部设有排水管（23）。
4.根据权利要求1所述的沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：所述燃烧室（21）内部设置的多个换热板（22）为矩形鳍片结构，增加燃烧室（21）内烟气的与燃烧室（21）外壁的接触，强化与燃烧室（21）周围水的换热。
5.根据权利要求1所述的沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：所述混合器（5）连接蒸汽管（4）和排烟管（28），两处来流在混合器（5）中充分混合。
6.根据权利要求1所述的沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：所述的多根一次回程管（24）和多根二次回程管（25）平行设置，并整齐排列设置在烟箱a（10）与烟箱b（26）之间，燃烧室（21）内燃气先到烟箱a（10）再到烟箱b（25）过程中增加了燃气与水之间的接触面积，从而利用燃气给水进行加热从而获得燃气和水蒸气的气体。
7.根据权利要求1所述的沉浸式防爆高温混合气发生装置，其特征在于：多根一次回程管（24）、二次回程管（25）和烟箱a（10）、烟箱b（26）组成燃烧尾气排放回路，增加了的尾气加热水的路径，使尾气中的热量均匀释放在外侧包围的水中从而形成足量的蒸汽，同时若出现漏电时，也便于观测发现，同时通过更换对应的烟箱或者回程管来进行修理，方便快捷，此外，烟箱和回程管可以设置成快速拼接结构，可以根据实际的加热需要来调整需要的回程管数量以及烟箱的数量，从而调整最终进入混合器（5）的尾气温度，使用灵活。
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