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CN105649771A - 一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法 - Google Patents

一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法 Download PDF

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杨龙龙
王静伟
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Abstract

本发明涉及一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法。为使浓度低于5％爆炸下限的瓦斯得到充分利用、尤其是浓度低于0.75％的矿井回风瓦斯，本方法在瓦斯中喷入最佳体积浓度的可燃易爆的气体或液体，其价格相对便宜，易于储存和运输，且具有较低的爆炸下限，与极低浓度瓦斯混合后可以点燃爆炸，进而做功产生机械能，机械能由活塞带动曲轴连杆连接发电机转换为电能，并对余热进行回收利用。本技术包括瓦斯输送及干燥系统、液体雾化系统、配气系统、冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统。本发明可以充分利用浓度低于5％的瓦斯、提高能量转换效率并减少温室气体的排放，是一种新的节能减排的发电方法。

Description

一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法
技术领域
本发明涉及能源技术及节能减排领域，尤其涉及一种浓度低于5％的瓦斯结合可燃液体或气体的混合物爆炸发电的技术及方法。
背景技术
瓦斯是煤矿井下主要的有害气体和危险源，其主要成分是甲烷。2010年，全世界因煤矿开采而排入大气中的甲烷约为2800万吨，其中80％左右来自浓度低于1％的矿井回风中。一方面甲烷是清洁高效的能源；另一方面，单位质量的甲烷对大气温室效应的影响是二氧化碳的21倍，是严重的温室气体。因而，合理的回收利用低浓度的瓦斯，尤其是矿井回风中的瓦斯，具有节约能源和保护环境的双重意义。
煤矿瓦斯利用主要集中在民用燃料、工业锅炉、生产炭黑、甲醛和发电等。但主要利用的是浓度在30％以上的部分，且总体利用率很低，因为大部分的抽放瓦斯常年在30％以下。大量的低浓度瓦斯被直接排放排放入大气中或在锅炉中与其他燃料混合燃烧，这样都只能利用一小部分的低浓度瓦斯，对资源造成极大的浪费，同时也污染了环境。鉴于此情况，随着科技的不断发展，低浓度瓦斯输运及安全利用技术不断完善，国家安全生产监督管理总局于2010年对《煤矿安全规程》相关条款进行修改，取消了对煤矿瓦斯利用浓度的限制，给低浓度瓦斯的利用提供了法律保障。
低浓度瓦斯利用现今主要在如下几个方面：提纯分离，即变压变温吸附，这种方式成本过高，投入大于产出，不具备应用价值；焚烧排放，即对低浓度瓦斯进行燃烧后排入大气，虽然一定程度上减少了温室效应，但是对于浓度过低无法点燃的瓦斯不适宜，且浪费了能源；氧化技术，将抽排的低浓度瓦斯与煤矿乏风瓦斯进行混合，发生氧化反应后利用产生的热能,进行发电、制冷和制热，进行热量的阶梯利用。这种技术具有可行性，但仍然无法充分利用大量的风排瓦斯；低浓度瓦斯发电技术，主要有三种方式：燃气轮机发电、蒸汽轮机发电和往复式活塞内燃机组发电。其中，往复式活塞内燃机组发电效率更高，成本更低具有好的市场前景。低浓度瓦斯发电机基于成熟的内燃机技术结合煤矿瓦斯的特点，利用发电机组加以改造。它通过燃爆瓦斯的化学能驱动发电机运转，达到由机械能转化为电能的目的。
瓦斯的爆炸极限是5％至16％，低于5％浓度的瓦斯既不能点燃也不能爆炸，因此无法直接以常规能源的方式进行利用，而这部分瓦斯又占到了瓦斯排放总量的多数，解决这部分低浓度瓦斯的利用问题显得尤为重要。基于现有的低浓度瓦斯发电技术，采用经济成本较低、来源较广，且爆炸下限很低的可燃气体、液体，将可燃液体雾化后与瓦斯混合或将可燃气体直接与瓦斯混合，可以降低其爆炸下限，点燃引爆做功，浓度配比由理论计算并由实验室试验验证后确定。从而实现了对大量风排瓦斯的利用，达到节能减排的目的。
发明内容
鉴于上述现有技术领域中实际情况，本发明旨在提出一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明为一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，包括瓦斯输送及干燥系统、液体雾化系统、配气系统、阻火器、气缸、冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统、数控调节系统、浓度传感器、减压阀、切断阀、瓦斯压力表、电磁阀等组成，可以完成极低浓度瓦斯和可燃气体、液体从混合、爆炸做功、发电、余热利用的整个过程。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，可燃液体经雾化形成小液滴，随之喷入气缸中与极低浓度瓦斯混合。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，可燃气体通过电磁阀控制流量，通入气缸中与极低浓度瓦斯混合。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，所用的可燃液体或者气体，其价格相对便宜，易于储存和运输，且具有较低的爆炸下限，与极低浓度瓦斯混合后可以点燃爆炸。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，瓦斯输送及干燥系统带有浓度传感器，对通入的瓦斯浓度进行实时监测，由预先编程计算与之相对应的可燃气体、液体的浓度，进而控制喷入气缸的可燃气体或液体的量。
所述的可燃气体、液体的量，可燃气体、液体的量由瓦斯的浓度确定，根据理论计算及实验验证后的最佳浓度配比，通过浓度传感器将极低浓度瓦斯的实时浓度反馈给计算机控制器，通过电磁阀控制喷入混合的可燃气体或液体的量，使混合物达到较低的爆炸下限。
所述的理论计算，按照公式L＝1/(Y1/L1+Y2/L2)计算，其中L为混合物的爆炸下限，Y1、Y2为物质的组分，L1、L2为对应物质的爆炸下限。已知瓦斯浓度Y1，且混合物的浓度需大于L，可以得到与极低浓度瓦斯混合的可燃气体或液体所需的量。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，可燃混合物进入气缸的时间由电磁阀控制，电磁阀与火花塞有启动延时，混合物进入气缸后，火花塞将其点燃。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，气缸发生剧烈的爆炸反应，为了实现持续有效工作配有冷却系统，通过节温阀，采用冷却水调节气缸温度。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，可燃混合物在气缸内做功推动活塞运动，热能传递给循环工质，反应产物最终经排气口排出。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，气缸端口都设有阻火器，保障系统安全。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，可燃混合物爆炸产生的化学能通过活塞运动转换为机械能，带动曲轴连杆做功，通过发电机转换为电能。
所述的余热利用系统，反应废气通过热交换器把热传递给循环流动工质水，加热后的水可用作供暖、淋浴系统或其他用途。
所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，系统所使用的阻火器、流量计、传感器、电磁阀等部件都需是防爆认证装置。
附图说明
图1为一种利用极低浓度瓦斯与可燃液体混合爆炸发电装置示意图，由：瓦斯输送及干燥系统(1)、浓度传感器(2)、电磁阀(3)、数控调节系统(4)、液体雾化系统(5)、油泵(6)、阻火器(7)、喷嘴(8)、火花塞(9)、气缸排烟管道(10)、热交换器(11)、曲轴(12)、冷却水出口(13)、发电系统(14)、排烟管道出口(15)、冷却水出口(16)等部件组成。
图2为一种利用极低浓度瓦斯与可燃气体爆炸发电装置示意图，由：瓦斯输送及干燥系统(1)、浓度传感器(2)、电磁阀(3)、数控调节系统(4)、配气系统(5)、火花塞(6)、阻火器(7)、曲轴(8)、冷却水出口(9)、排烟管道(10)、热交换器(11)、冷却水入口(12)排烟管道出口(13)、发电系统(14)等部件组成。
具体实施方式
根据上述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，包括瓦斯输送及干燥系统、液体雾化系统、配气系统、冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统。由瓦斯输送及干燥系统通入一定压力、浓度的瓦斯空气混合气体，同时根据通入瓦斯的浓度，将一定浓度的可燃液体雾化或可燃气体喷入气缸中点火使混合物爆炸推动气缸做功，通过发电系统从而使机械能转化成电能。气缸具有冷却系统，爆炸产生的高温废气通过余热利用系统进行回收，从了提高能量的综合利用效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，包括瓦斯输送及干燥系统、液体雾化系统、配气系统、阻火器、气缸、冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统、数控调节系统、浓度传感器、减压阀、切断阀、瓦斯压力表、电磁阀等组成，可以完成极低浓度瓦斯和可燃气体、液体从混合、爆炸做功、发电、余热利用的整个过程。
2.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，可燃液体经雾化形成小液滴，随之喷入气缸中与极低浓度瓦斯混合。
3.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，可燃气体通过电磁阀控制流量，通入气缸中与极低浓度瓦斯混合。
4.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，所用的可燃液体或者气体，其价格相对便宜，易于储存和运输，且具有较低的爆炸下限，与极低浓度瓦斯混合后可以点燃爆炸。
5.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，瓦斯输送及干燥系统带有浓度传感器，对通入的瓦斯浓度进行实时监测，由预先编程计算与之相对应的可燃气体、液体的浓度，进而控制喷入气缸的可燃气体或液体的量。
6.根据权利要求4所述的可燃气体、液体的量，其特征在于，可燃气体、液体的量由瓦斯的浓度确定，根据理论计算及实验验证后的最佳浓度配比，通过浓度传感器将极低浓度瓦斯的实时浓度反馈给计算机控制器，通过电磁阀控制喷入混合的可燃气体或液体的量，使混合物达到较低的爆炸下限。
7.根据权利要求5所述的理论计算，其特征在于，按照公式L＝1/(Y1/L1+Y2/L2)计算，其中L为混合物的爆炸下限，Y1、Y2为物质的组分，L1、L2为对应物质的爆炸下限。已知瓦斯浓度Y1，且混合物的浓度需大于L，可以得到与极低浓度瓦斯混合的可燃气体或液体所需的量。
8.根据权利要求5所述形成的可燃气体、液体与极低浓度瓦斯的混合气体，其混合物的最小点火能应在火花塞的能力范围之内，保证每个周期都能成功点火。一个周期包括进气、压缩、点火爆炸做功、尾气排放，从而实现连续运行。
9.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，可燃混合物进入气缸的时间由电磁阀控制，电磁阀与火花塞有启动延时，混合物进入气缸后，火花塞将其点燃。
10.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，气缸发生剧烈的爆炸反应，为了实现持续有效工作配有冷却系统，通过节温阀，采用冷却水调节气缸温度。
11.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，可燃混合物在气缸内做功推动活塞运动，热能传递给循环工质，反应产物最终经排气口排出。
12.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，气缸端口都设有阻火器，保障系统安全。
13.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，可燃混合物爆炸产生的化学能通过活塞运动转换为机械能，带动曲轴连杆做功，通过发电机转换为电能。
14.根据权利要求8所述的余热利用系统，其特征在于，反应废气通过热交换器把热传递给循环流动工质水，加热后的水可用作供暖、淋浴系统或其他用途。
15.根据权利要求1所述的一种利用极低浓度瓦斯爆炸发电的技术及方法，其特征在于，系统所使用的阻火器、流量计、传感器、电磁阀等部件都需是防爆认证装置。
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