[发明专利]一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置

说明书

技术领域：

本发明属于燃烧设备技术领域，特别涉及矿井通风瓦斯及低浓度气态烃的燃烧装置。

背景技术：

煤层气是一种在含煤岩层中，以腐植性有机物质为主的成煤物质在成煤过程中自生、自储式非常规的天然气，俗称瓦斯，主要成分为甲烷，占90％以上。煤层气一直以来被看作是对煤矿开采造成严重安全威胁的有害气体，在煤炭开采史中，由于矿井通风瓦斯导致了多起瓦斯、煤尘爆炸事故和煤与瓦斯的突出事故。而且甲烷作为矿井通风瓦斯的主要成分，其常温下的发热量为3.43～3.71MJ/Nm3，其热值与天然气相当，是一种高效、洁净的非常规天然气，可以用作民用燃料，也可以用于发电和汽车燃料，具有很高的经济价值。若将甲烷直接排放到大气中，一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费；另一方面，矿井通风瓦斯的主要成分甲烷是具有强烈温室效应的气体，其温室效应要比二氧化碳大20倍，散发到大气中的甲烷污染环境，导致气候异常，同时大气中的甲烷消耗平流层中的臭氧，而臭氧减少使照射到地球上的紫外线增加、形成烟雾，还可诱发某些疾病，危害人类健康。据有关报道，全世界每年排入大气中甲烷的总量为4.1～6.6亿吨，主要来源于煤矿开采、垃圾填埋、石油和天然气工业、动物粪便和遗体等，大多数是在甲烷浓度低于1％的情况下排放的，造成了严重的资源浪费和大气污染。因此研究一种矿井通风(低浓度)瓦斯燃烧及热能利用装置具有重要的意义。

目前将低浓度瓦斯作为主要燃料，采用的燃烧技术主要有两类：一类是美国Sequa公司和瑞典ADTEC(现已被MEGTEC合并)研制开发的热流转反应器技术(ThermalFlow-Reversal Reactor即TFRR)，另一类是加拿大能源多样化实验室和NRcan研制的催化流转反应器技术(Catalytic Flow-Reversal Reactor即CFRR)。TFRR的基本原理与高温空气燃烧(High Temperature Air Combustion即HTAC)相同，通过换向阀装置往复变更流动回路，达到循环换热的目的，不同点在于HTAC的多孔介质蓄热器仅仅在空气和燃气之间起周期性换热作用，燃烧发生在自由空间中；而TFRR中的燃烧与换热均直接发生在多孔介质中。该设备可处理0.35％瓦斯浓度，而其进一步的报告中宣称可以自主燃烧的下限为0.15％。CFRR与TFRR有着基本相似的结构和运行方式，不同之处是在热交换器和热交换介质之间加了一层催化剂层，使瓦斯自燃温度降低和风流转向周期增长。然两者均存在的问题是需要定期的气流换向；而且为了避免大量散热，维持燃烧稳定进行，反应器周围需有良好的绝热层，致使设备结构及操作复杂。

笔者所在的课题组设计了一种新型的环形燃烧器(专利申请号200710020394.7)，可解决上述两种装置CFRR与TFRR存在的问题，然而笔者在进一步的研究中发现，该环形燃烧器的燃烧中心区——多孔介质难以定位；隔板需要用耐高温材料制作，结构复杂，制造成本增加；由于隔板的存在，对多孔介质的形状有特殊的要求，增加了加工的难度；并且矿井通风瓦斯在该结构的燃烧路径较短，燃烧不易稳定在多孔介质内部，致使发生飞温失控(高温区从多孔介质飘移至环形通道，再由环形通道飘移出燃烧器外)或熄火现象。为此，对环形燃烧器的结构进行了改进优化，并且对燃烧器进行组合设计，采用并联燃烧器单元结构，避免了端部热损，提高了燃烧效率和其稳定性；可根据矿井通风瓦斯的流量控制启动燃烧器的数目，解决了由于矿井通风瓦斯流量不稳定造成的难以控制的难题，改善了燃烧器的适应范围，可适合燃烧低浓度的气态烃及其热能利用，解决目前能源浪费及环境污染问题。

发明内容：

本发明一种矿井通风瓦斯燃烧及热能利用装置，包括端密封板，气流进口和出口，多孔材料，置于多孔材料的电加热元件和耐高温热管；其特征在于：矿井通风瓦斯由进口进入环形通道，与在另一环行通道内的高温烟气发生逆流换热，预热至一定温度，进入在环状通道圈中心的多孔材料一侧，经气流均布板整流后，以轴向气流方向在多孔介质内中发生燃烧，燃烧产生的高温烟气在多孔材料的另一侧汇合，经环形通道与矿井通风瓦斯换热后由安装在环形结构上的出口排出。耐高温热管安置在烟气次内层通道，通入水蒸气与烟气进行热量交换，产生过热蒸汽，供发电或它用；也可通入空气带走多余的热量以备利用。由电加热元件对多孔材料预热至矿井通风瓦斯的着火温度。用长螺栓将多个燃烧器并联在一起，根据矿井通风瓦斯的流量判断燃烧器的使用个数，启动燃烧器内置的电加热元件和进气、出气阀门。