CN101713534A - 低浓度可燃气体的燃烧方法及流化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低浓度可燃气体的燃烧方法，具体步骤包括：首先，将低浓度可燃气体和助燃空气分别通入换热器进行热交换；然后，将经过热交换后的低浓度可燃气体和助燃空气通入流化反应器的混合腔内进行混合；再将混合后的气体通过所述布风板进入所述燃烧器的燃烧腔内燃烧；燃烧后的气体作为换热器的热源。本发明还提供了一种实现上述方法的流化反应器。本发明不但能够使低浓度可燃气体可靠着火和稳定燃烧，而且流化反应器内温度波动小；燃烧腔既可作为反应器又可作为蓄热器，流化反应器工作在常压下时负荷调节范围较宽，混合气体中可燃成分的浓度高于2％时便可维持燃烧，故适应低浓度可燃气体燃烧。

Description

低浓度可燃气体的燃烧方法及流化反应器

技术领域

本发明涉及低浓度可燃气体的燃烧方法及其燃烧器，尤其涉及一种采用流化反应器燃烧低浓度可燃气体的方法及流化反应器。

背景技术

在煤矿开采、化学工业、石油工业和钢铁工业生产过程中，会产生大量的含有甲烷、一氧化碳、氢气等可燃性气体的废气。废气中可燃性气体的浓度常常低于10％，甚至低于5％，通常把浓度低于10％的可燃性气体称为低浓度可燃性气体。以煤矿开采为例，矿井瓦斯废气主要可燃气体是甲烷，且甲烷浓度低，浓度变化大等原因，这种低浓度可燃气体很难被点燃或者维持稳定燃烧。目前，低浓度可燃气体几乎都未进行回收处理就直接排向大气，一方面造成了有限的不可再生资源的严重浪费；另一方面加剧了大气污染和温室效应。因此，合理回收利用低浓度可燃气体具有节能和环保双重意义。

目前，对于甲烷浓度较低的气体的研究和利用，主要在以下几个方面：采用物理和化学方法提纯、作为辅助燃料或助燃剂和采用蓄热式燃烧技术。

采用物理和化学方法提纯，主要是针对含低浓度甲烷的气体。提纯技术是指将N₂或空气与甲烷分离，使气体中的甲烷含量提高，从而提高气体燃料的浓度。提纯技术主要有低温分离、变压吸附分离和膜分离等。低温分离设备造价高，只有当分离的流量较大时才有商业价值；变压吸附分离技术现在比较成熟，可以加以利用；膜分离技术简单，非常适用于小型气体分离站，但迄今还处于研究开发阶段。提纯方法的成本相对较高。

低浓度可燃气体由于包含了可燃气体以及一定量的O₂，可用来做辅助燃料或助燃剂，取代部分空气，节约部分燃料，常被用于内燃机、燃气轮机或锅炉，但是该技术要求主燃烧设备必须达到足够高的温度，且气体燃料的输送距离足够小。

蓄热式燃烧技术通过操作换向阀控制气体燃料的流向。前半个周期内，可燃气流过高温蓄热体时，吸收足够热量后产生氧化反应，燃烧产生的烟气流过另一个蓄热体时，释放出热量，并把蓄热体加热到足够高的温度。后半个周期内，通过操作换向阀，使可燃气从另一个蓄热体进入，完成类似燃烧和传热过程。可燃气浓度较高时，蓄热体容易超过承受的温度极限。该技术不仅要求换向操作必须及时准确，而且蓄热体材料承受冷热交变过程，要求很高。整个燃烧装置通常采用电加热方式启动，难度大，并且装置散热损失较多时，维持装置运行比较困难。新的蓄热式燃烧技术在两个蓄热体之间增加催化剂层，使气流的着火温度显著降低，弥补了蓄热式燃烧技术的部分不足之处，但对蓄热材料所承受的热应力变化及催化剂的要求较高。

对于流化床燃烧技术，中国专利申请号为89100176.X公开了一种用流化床燃烧固体燃料的方法，指出了流化床具有燃烧效率高、污染物排放少的优点，但并未涉及气体燃料的燃烧。中国专利号为200820110474.1涉及气体燃料在流化床中的燃烧，该发明采用快速床和湍流流化床相结合的方法，利用载氧体在快速床和湍流床之间的循环，实现了高浓度气体燃料的燃烧和二氧化碳的收集，但并未涉及浓度低于10％的可燃气体的燃烧。

综上所述，低浓度可燃气体直接燃烧和利用技术还不成熟，并受到成本、输送距离或蓄热材料等方面的限制。流化床燃烧技术具有燃烧效率高，污染物少的优点，但目前主要应用在固体燃料和高浓度的气体燃料，对于低浓度可燃气体并未涉及。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是解决低浓度可燃气体热值低、可燃成分浓度变化幅度大、稳定燃烧困难等问题，提供一种在流化反应器内燃烧低浓度可燃气体的方法。

本发明的另一个目的是为实现上述方法，同时克服现有流化反应器燃烧不连续和燃烧不稳定，提供一种可连续稳定燃烧，且结构简单的流化反应器。

本发明的目的是这样实现的：一种低浓度可燃气体的燃烧方法，其特征在于：采用流化反应器作为燃烧器，燃烧器的布风板上置有砂粒；该方法的具体步骤包括：首先，将低浓度可燃气体和助燃空气分别通入换热器进行热交换；然后，将经过热交换后的低浓度可燃气体和助燃空气通入流化反应器的混合腔内进行混合；再将混合后的气体通过所述布风板进入所述燃烧器的燃烧腔内燃烧；燃烧后的气体作为换热器的热源。

进一步，所述砂粒为石英砂颗粒，粒径为0.1～10mm。

本发明还提供了一种流化反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体由布风板分隔为混合腔和燃烧腔，混合腔上设有燃气进气孔和助燃空气进气孔，燃烧腔上设有燃烧气体出气孔I；还包括燃气换热器和助燃空气换热器，燃气换热器的换热管一端为燃气进口端，另一端与燃气进气孔连通，助燃空气换热器的换热管一端为助燃空气进口端，另一端与助燃空气进气孔连通；所述燃烧气体出气孔I分别与燃气换热器和助燃空气换热器的换热腔连通；所述布风板上设有一层砂粒。

进一步，所述燃气换热器的换热腔壁上设有燃烧气体进气孔I和燃烧气体出气孔II，所述助燃空气换热器设有燃烧气体进气孔II和燃烧气体出气孔III，所述燃烧气体出气孔I分别与燃烧气体进气孔I和燃烧气体进气孔Ⅱ连通，所述燃烧气体出气孔II与燃烧气体进气孔Ⅱ连通；

进一步，在所述燃烧气体出气孔I与燃烧气体进气孔II连通的管路和燃烧气体出气孔II与燃烧气体进气孔II连通的管路上分别设有流量控制阀；

进一步，所述布风板的出风孔上固定设有盲孔结构的风帽，风帽的侧壁上设有风帽小孔，所述布风板的出风孔、风帽小孔和燃烧腔依次连通。

本发明的有益效果：本发明不但能够使低浓度可燃气体可靠着火和稳定燃烧，而且流化反应器内温度波动小；燃烧腔既可作为反应器又可作为蓄热器，流化反应器工作在常压下时负荷调节范围较宽，混合气体中可燃成分的浓度高于2％时便可维持燃烧，故适应低浓度可燃气体燃烧。

本发明中，在布风板上的反应腔内填充有砂粒，燃气和空气分别经换热器预热后，从反应器壳体底部进入混合腔混合，经过布风板和风帽后，进入砂粒层，砂粒随混合气流向上运动，并把热量传递给混合气体，当混合气体温度达到可燃着火点后，气体中的可燃成分与氧气发生氧化反应，放出热量，并将热量传递给砂粒，但由于重力的作用，被气流带到燃烧腔内上部的高温砂粒沿腔壁回落到布风板上，为低浓度的可燃气体提供了着火和稳定燃烧的条件。同时燃烧反应生成的气体产物由燃烧气体出气孔I排除并进入换热器内，将热量传递给可燃气体和助燃空气，避免浪费气体燃烧产生的热量，同时也可对低浓度可燃气体进行预热，提高低浓度的可燃气体的着火几率和稳定燃烧效率。流化反应器既适合低浓度可燃气体燃烧，节约能源和减少温室气体的排放，而且结构简单、成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为布风板和风帽装配的结构示意图。

附图中的附图标记所代表的结构如下：

1-反应器壳体    2-布风板    3-混合腔    4-燃烧腔    5-燃气进气孔6-助燃空气进气孔    7-燃烧气体出气孔I    8-燃气换热器9-助燃空气换热器    10-燃气进口端    11-助燃空气进口端    12-砂粒13-燃烧气体进气孔I    14-燃烧气体出气孔II    15-燃烧气体进气孔II16-燃烧气体出气孔III    17-流量控制阀    18-风帽    19-风帽小孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

低浓度可燃气体的燃烧方法，采用流化反应器作为燃烧器，燃烧器的布风板上置有砂粒；该方法的具体步骤包括：首先，将低浓度可燃气体和助燃空气分别通入换热器进行热交换；然后，将经过热交换后的低浓度可燃气体和助燃空气通入流化反应器的混合腔内进行混合；再将混合后的气体通过所述布风板进入所述燃烧器的燃烧腔内燃烧；燃烧后的气体作为换热器的热源。

在本实施例中，砂粒为石英砂颗粒，石英砂颗粒为惰性颗粒，粒径为0.1～10mm，预先堆积在布风板上并形成至少100mm高度的砂粒层。0.1～10mm粒径的石英砂颗粒易随向上冲出的混合气体向上运动，并与混合气体充分混合，温度较高的石英砂把热量传递给混合气体，使混合气体温度达到着火点；同时石英砂颗粒具有坚硬，使用过程中不易破碎的优点。砂粒层的厚度应根据不同的燃气和气体的压力以及反应器壳体的体积进行确定。

图1为本发明的结构示意图，图2为布风板和风帽装配的结构示意图，如图所示：流化反应器包括反应器壳体1、燃气换热器8和助燃空气换热器9。反应器壳体1由布风板2分隔为混合腔3和燃烧腔4，混合腔3上设有燃气进气孔5和助燃空气进气孔6，燃烧腔4上设有燃烧气体出气孔I 7，布风板2上设有一层砂粒12。燃气换热器8的换热管一端为燃气进口端10，另一端通过气管与燃气进气孔5连通；助燃空气换热器9的换热管一端为助燃空气进口端11，另一端与助燃空气进气孔6连通。燃气换热器8的换热腔壁上设有燃烧气体进气孔I 13和燃烧气体出气孔II 14，助燃空气换热器9设有燃烧气体进气孔II 15和燃烧气体出气孔III 16，燃烧气体出气孔I 7分别通过烟道与燃烧气体进气孔I 13和燃烧气体进气孔II 15连通，燃烧气体出气孔II 14通过烟道与燃烧气体进气孔II 15连通。

在燃烧气体出气孔I 7与燃烧气体进气孔II 15连通的烟道和燃烧气体出气孔II 14与燃烧气体进气孔II 15连通的烟道上分别设有流量控制阀17。利用烟道内安装的流量控制阀17调节两条烟道内燃烧气体的流量，从而控制可燃气体的预热温度，使燃气换热器出口温度、混合腔内混合气体的温度均低于着火温度，防止可燃气体在进入燃烧腔之前发生燃烧。

布风板2的出风孔上固定设有盲孔结构的风帽18，风帽18的侧壁上设有风帽小孔19，布风板2的出风孔、风帽小孔19和燃烧腔4依次连通。风帽18采用盲孔结构，风帽小孔19设在风帽18的侧壁上，可避免起着循环预热作用的砂粒通过布风板2的出风孔进入混合腔3内，向上流动的混合气体从侧壁上风帽小孔19冲出也有利于曳起布风板2板面上的砂粒，使其与混合气体混合更充分，传热效果更佳。

使用该流化反应器时，从燃气换热器8的燃气进口端10通入可燃气体，从助燃空气换热器9的助燃空气进口端11通入助燃空气，可燃气体和助燃空气经热交换后通过气管进入混合腔3内，在混合腔3内充分混合后的气体通过布风板2的出风口并从风帽18上的风帽小孔19冲出进入燃烧腔4，同时曳起布风板2板面上的砂粒12向上运动，砂粒12随混合气流向上运动时并把自身的热量传递给混合气体。当混合气体的温度达到可燃成分着火点后，气体中的可燃成分与氧气发生燃烧氧化反应，放出热量，一部分热量传递给砂粒，但由于重力的作用，被气流带到燃烧腔4内上部的高温砂粒便沿腔壁回落到布风板2上，为低浓度可燃气体提供了着火和稳定燃烧的条件。燃烧反应后的气体产物由烟道分别进入燃气换热器8和助燃空气换热器9的换热腔内，并与换热管内的可燃气体和助燃空气进行热交换，将热量传递给可燃气体和助燃空气，随后经助燃空气换热器9上的燃烧气体出气孔III 16排除。

流化反应器既可作为燃烧反应装置，又可作为蓄热装置，不但适合一般气体燃料的燃烧，同时更适合低浓度可燃气体的燃烧，具有较强的火焰稳定能力，较宽的负荷调节范围。在常压下工作时，流化反应器不但可使气体燃烧完全，而且自身结构简单、使用寿命长。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种低浓度可燃气体的燃烧方法，其特征在于：采用流化反应器作为燃烧器，燃烧器的布风板上置有砂粒；该方法的具体步骤包括：首先，将低浓度可燃气体和助燃空气分别通入换热器进行热交换；然后，将经过热交换后的低浓度可燃气体和助燃空气通入流化反应器的混合腔内进行混合；再将混合后的气体通过所述布风板进入所述燃烧器的燃烧腔内燃烧；燃烧后的气体作为换热器的热源。

2.根据权利要求1所述低浓度可燃气体的燃烧方法，其特征在于：所述砂粒为石英砂颗粒，粒径为0.1～10mm。

3.一种流化反应器，包括反应器壳体(1)，所述反应器壳体(1)由布风板(2)分隔为混合腔(3)和燃烧腔(4)，混合腔(3)上设有燃气进气孔(5)和助燃空气进气孔(6)，燃烧腔(4)上设有燃烧气体出气孔I(7)；其特征在于：还包括燃气换热器(8)和助燃空气换热器(9)，燃气换热器(8)的换热管一端为燃气进口端(10)，另一端与燃气进气孔(5)连通，助燃空气换热器(9)的换热管一端为助燃空气进口端(11)，另一端与助燃空气进气孔(6)连通；所述燃烧气体出气孔I(7)分别与燃气换热器(8)和助燃空气换热器(9)的换热腔连通；所述布风板(2)上设有一层砂粒(12)。

4.根据权利要求3所述的流化反应器，其特征在于：所述燃气换热器(8)的换热腔壁上设有燃烧气体进气孔I(13)和燃烧气体出气孔II(14)，所述助燃空气换热器(9)设有燃烧气体进气孔II(15)和燃烧气体出气孔III(16)，所述燃烧气体出气孔I(7)分别与燃烧气体进气孔I(13)和燃烧气体进气孔II(15)连通，所述燃烧气体出气孔II(14)与燃烧气体进气孔II(15)连通。

5.根据权利要求4所述的流化反应器，其特征在于：在燃烧气体出气孔I(7)与燃烧气体进气孔II(15)连通的管路和燃烧气体出气孔II(14)与燃烧气体进气孔II(15)连通的管路上分别设有流量控制阀(17)。

6.根据权利要求3至5中任一项权利要求所述的流化反应器，其特征在于：所述布风板(2)的出风孔上固定设有盲孔结构的风帽(18)，风帽(18)的侧壁上设有风帽小孔(19)，所述布风板(2)的出风孔、风帽小孔(19)和燃烧腔(4)依次连通。

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