CN106468213B - 一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法。为使煤尘在进入气缸后能被火花塞快速点燃，本方法在煤尘中混入最佳体积浓度的瓦斯，煤尘、瓦斯和空气三者比例根据煤尘和瓦斯混合物爆炸释放出最大能量值时的比例确定。混合物按此比例爆炸产生冲击波推动活塞，将爆炸冲击波能量转换为机械能；活塞带动曲轴连杆连接发电机将机械能转换为电能；并对爆炸产生的高温气体的热量进行回收利用。本技术经由煤尘粉碎及干燥系统、配气系统、扬尘系统、气缸清扫系统、气缸冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统，实现发电和余热利用。本发明可以改变传统燃煤发电技术、提高能量转换效率和发电效率，是一种新的煤炭发电方法。

Description

一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法

技术领域

本发明涉及煤矿能源技术领域，尤其涉及一种利用可燃性煤尘结合瓦斯等可燃性气体爆炸发电的技术及方法。

背景技术

目前火力发电的厂的工作原理一般为用输煤皮带从煤场运至煤斗中，煤斗中的原煤要先送至磨煤机内磨成煤粉，磨碎的煤粉由热空气携带经排粉风机送入锅炉的炉膛内燃烧。煤粉燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来，洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后通过高压加热器送入省煤器，在省煤器内水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁循环，吸收煤在燃烧过程中放出的热量。部分水在水冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中，饱和蒸汽在过热器中继续吸热，成为过热蒸汽。过热蒸汽有很高的压力和温度，因此有很大的热势能。具有热势能的过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能，高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器联在一起，当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。在余热利用方面，汽轮机的排汽压力通常分为0.78～1.28MPa和0.12～0.25MPa两等，前者供给工业生产后者供民用采暖实现热电联产。

在20世纪70年代我国开始兴起水煤浆技术。水煤浆由65％的煤、34％的水和1％的化学添加剂，经过一定的工艺流程加工筛去煤炭中无法燃烧的成分等杂质，仅将碳本质保留下来。其灰分及含硫量较低、燃烧效率高，烟尘、S0₂及氮氧化物排放量都低于燃油和燃煤。燃烧水煤浆与燃煤发电相比节省了大部分煤场及灰场占地、有较好的环保效益、燃烧效率更高等特点。

我国从20世纪50年代开始利用矿井瓦斯，但瓦斯利用率非常低，主因是煤矿抽采瓦斯浓度普遍较低且不稳定，难以满足工业利用和化工产品的要求。瓦斯发电是煤矿低浓度瓦斯利用的最佳途径，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，对柴油发电机组加以改造而成。它由原来燃油改为燃烧瓦斯，发动机驱动发电机运转达到由机械能转化为电能的目的。针对煤矿瓦斯浓度不稳定、压力波动大的特点，瓦斯发电机组在燃料供给系统中采用先进的电子控制系统。首先，发电机组混合器腔内的氧传感器提供精确控制信号，通过步进电机控制空气和瓦斯的流量，实现对空燃比的精确控制，即甲烷与氧气的体积比为1∶2。在机组运行过程中，甲烷的含量控制在5％～16％爆炸极限之间。电子点火后甲烷在气缸内充分爆炸做功，内燃机活塞上下往复运动带动曲轴旋转，从而发电机转子切割磁力线发出电能。这种技术使内燃机无条件地适应了煤矿瓦斯的特点，解决了因瓦斯不稳定而影响发电机组功率波动大的问题。瓦斯与空气爆炸反应过程中采用瓦斯与空气先混合，后增压技术，调低燃比，配合新概念预燃室技术，利用局部点火能量相对优势，尔后放大点火能量，加快甲烷燃烧速度，降低发动机负荷，增加发动机功率，从而大大提高经济效益。这种利用预燃室、电子点火的贫燃技术加大了点火能量，保证了低热值燃气的正常点火，同时降低了排放减少了环境污染。

在利用煤或水煤浆发电过程中，煤或水煤浆的化学能转化为热能，水吸收大部分热能后产生高压水蒸气并推动蒸汽轮机做功产生机械能，最后经由发电机将机械能转化为电能。整个过程经过多次能量的转化较为复杂，尤其在将水加热成过热蒸汽的过程中所需锅炉占地面积巨大，同时热量耗散严重导致了煤燃烧所产生的能量仅有部分用于发电，效率较低。利用低浓度瓦斯爆炸发电的方法也存在一定的局限性，在一般的瓦斯矿井中瓦斯的产出量并不大，其产生的能量不足以满足大规模低浓度瓦斯爆炸发电厂的巨大需求。

发明内容

鉴于上述现有技术领域中的实际情况，本发明旨在提出一种利用煤尘、瓦斯爆炸发电的装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明为一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，包括煤尘粉碎及干燥系统、煤尘仓、配气系统、扬尘系统、阻火器、气缸、气缸清扫系统、气缸冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统、减压阀、切断阀、瓦斯压力表、电磁阀、高压瓦斯气瓶、空压机等部分组成，可以完成煤尘和瓦斯从混合、爆炸发电、余热利用的整个过程。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，煤尘粉碎系统由破碎机和一定目数的偏心震动筛组成，可以将煤块粉碎至一定粒径的粉煤并储存在煤尘仓里。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，煤尘仓能储存一定量和一定粒径的煤粉，内部含有干燥系统，能对喷吹之前的煤粉进行干燥；在煤尘仓底部有漏斗形出口，煤尘仓与扬尘腔体之间有阻火器和逆止阀门，以防回火进入煤尘仓。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，配气系统由瓦斯储气钢瓶、空压机、压力表、流量计、电磁阀、阻火器、混合气体储存容器组成。混合气体储存容器的浓度由电磁阀控制开启时间的长短调节，压力表监测储存容器的压力以便及时补充混合气体。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，煤尘仓电磁阀门和混合气体储存容器的阀门同时打开，煤尘经煤尘仓底部出口自由下落至扬尘腔体的漏斗形装置，漏斗底部与瓦斯、空气混合气体相连接，经过一定压力的瓦斯、空气混合气体的喷吹，煤尘与混合气体在扬尘腔体里充分混合，经过阻火器、电磁阀进入气缸。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，煤尘与混合物进入气缸的时间由电磁阀自动控制，电磁阀与火花塞动作有一定时间间隔，煤尘、瓦斯混合气体进入气缸后，火花塞随即点火，爆炸推动活塞做功。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，瓦斯混合气体的浓度是根据煤尘的可燃性进行确定的，对于爆炸性粉尘可充入少量的瓦斯气体，对于非爆炸性粉尘可增加瓦斯气体的浓度来进行喷吹。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，气缸有特殊的清系统。由于煤尘不同于可燃性气体，其爆炸过程中会产生一定量的固体颗粒，气缸长时间的运行会产生大量的颗粒，清扫系统可以每隔一定周期对缸体进行清扫(吹扫)，不同种类的煤尘含灰分和挥发分的量不一样，这个清扫周期取决于所用煤尘的种类。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，爆炸缸体有一套冷却系统，通过节温阀进行冷却，以保证气缸在合适的温度范围内运行。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，煤尘和瓦斯混合物在气缸中爆炸做功后，高温烟气通过热交换器将热量传递给循环工质进行预热利用，最终由排烟口排出。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，与预先混合系统和煤尘仓以及扬尘系统连接的端口都设有阻火器，以保证系统的安全。

所述的一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的技术及方法，煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸推动活塞运动，进而推动热机系统工作，经由发电系统将机械能转化成电能。

所述的推动活塞做功的煤尘、瓦斯、空气混合物，煤尘、瓦斯、空气混合物的体积浓度处于爆炸浓度范围内且可以被火花塞引爆，最佳浓度根据实验确定，与煤质、灰分、挥发分有关。

所述的煤尘仓和瓦斯混合气体容器，一次喷吹的粉尘量和瓦斯混合气体的量都是通过电磁阀进行控制，在扬尘系统里按一定比例混合。

所述的余热利用系统，高温废气在排出过程中将热交换器中的水加热，水由冷却水系统进出口流入和排出，排出的热水可为采暖系统提供热能。

附图说明

图1为一种利用煤尘、瓦斯爆炸发电装置示意图，由：瓦斯气瓶(1)、压力及流量计(2)、破碎机(3)、瓦斯流量控制阀(4)、混合气体储存容器(5)、电磁阀(6)、防爆器(7)、阻火器(8)、煤尘仓(9)、煤尘仓电磁阀门(10)、煤仓阻火器(11)、扬尘腔体(12)、扬尘腔体阻火器(13)、气缸(14)、火花塞(15)、曲轴(16)、气缸排烟管道(17)、发电系统(18)、热交换器(19)、冷却水进口(20)、排烟口(21)、冷却水出口(22)、空压机(23)、气缸电磁阀(24)、节温阀(25)等部件组成。

具体实施方式

根据上述的一种利用煤尘、瓦斯爆炸发电装置，包括煤尘干燥系统、预先配气系统、扬尘系统、气缸清扫系统、气缸冷却系统、余热利用系统、曲轴连杆系统、发电系统。由配气系统预先制取一定压力、浓度的瓦斯空气混合气体，通过电磁阀的开闭将一定量的经过干燥的煤尘在扬尘腔体中扬起、充分混合，然后进入气缸。通过点火使混合后的瓦斯、空气、煤尘爆炸推动气缸做功，通过发电系统从而使机械能转化成电能。与此同时气缸具有冷却系统，爆炸产生的高温尾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 (13)

1.一种利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，包括：煤尘粉碎及干燥系统、煤尘仓(9)、配气系统、扬尘系统、阻火器(13)、气缸(14)、气缸清扫系统、气缸冷却系统、余热利用系统、热机系统、发电系统、减压阀、切断阀、瓦斯压力表(2)、配气系统电磁阀(6)、气缸电磁阀(24)、煤尘仓电磁阀门(10)、高压瓦斯气瓶、空压机部分组成，可以完成煤尘和瓦斯从混合、爆炸发电、余热利用的整个过程；

煤尘仓电磁阀门(10)和混合气体储存容器的阀门同时打开，煤尘经煤尘仓底部出口自由下落至扬尘腔体的漏斗形装置，漏斗底部与瓦斯、空气混合气体相连接，经过一定压力的瓦斯、空气混合气体的喷吹，煤尘与混合气体在扬尘腔体(12)里充分混合，经过煤仓阻火器(11)、煤尘仓电磁阀门(10)进入气缸(14)；

瓦斯混合气体的浓度是根据煤尘的可燃性进行确定的，对于易爆炸性粉尘充入少量的瓦斯气体，对于不易爆炸性粉尘增加瓦斯气体的浓度来进行喷吹；

所述瓦斯空气混合气体的进气口位于所述扬尘腔体的下部，煤尘进入口位于所述扬尘腔体的上部。

2.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，煤尘粉碎系统由破碎机(3)和一定目数的偏心震动筛组成，可以将煤块粉碎至一定粒径的煤尘并储存在煤尘仓(9)里。

3.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，煤尘仓(9)能储存一定量和一定粒径的煤尘，内部含有干燥系统，能对喷吹之前的煤尘进行干燥；在煤尘仓(9)底部有漏斗形出口，煤尘仓(9)与扬尘腔体(12)之间有阻火器(11)和逆止阀门，以防回火进入煤尘仓(9)。

4.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，配气系统由高压瓦斯气瓶(1)、空压机(23)、压力及流量计(2)、配气系统电磁阀(6)、混合气体储存容器(5)组成，混合气体储存容器的浓度由配气系统电磁阀(6)控制开启时间的长短调节，压力及流量计(2)监测储存容器的压力及流量以便及时补充混合气体。

5.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，煤尘与混合物进入气缸(14)的时间由气缸电磁阀(24)自动控制，气缸电磁阀(24)与火花塞(15)动作有一定时间间隔，煤尘、瓦斯混合气体进入气缸(14)后，火花塞(15)随即点火，爆炸推动活塞做功。

6.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，气缸有特殊的清扫系统，由于煤尘不同于可燃性气体，其爆炸过程中会产生一定量的固体颗粒，气缸长时间的运行会产生大量的颗粒，清扫系统可以每隔一定周期对缸体进行清扫，不同种类的煤尘含灰分和挥发分的量不一样，这个清扫周期取决于所用煤尘的种类。

7.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，爆炸缸体有一套冷却系统，通过节温阀(25)进行冷却，以保证气缸在合适的温度范围内运行。

8.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，煤尘和瓦斯混合物在气缸中爆炸做功后，高温烟气通过热交换器(19)将热量传递给循环工质进行余热利用，最终由排烟口(21)排出。

9.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，与预先混合系统和煤尘仓(9)以及扬尘系统连接的端口都设有阻火器，以保证系统的安全。

10.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸推动活塞运动，进而推动热机系统工作，经由发电系统(18)将机械能转化成电能。

11.根据权利要求1所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，煤尘、瓦斯、空气混合物的体积浓度处于爆炸浓度范围内且可以被火花塞(15)引爆，最佳浓度根据实验确定，与煤质、灰分、挥发分有关。

12.根据权利要求5所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，一次喷吹的粉尘量和瓦斯混合气体的量都是通过配气系统电磁阀(6)和煤尘仓电磁阀门(10)进行控制，在扬尘系统里按一定比例混合。

13.根据权利要求8所述的利用煤尘、瓦斯和空气混合物爆炸发电的方法，其特征在于，高温废气在排出过程中将热交换器(19)中的水加热，水由冷却水系统进口(20)流入和水由冷却水系统出口(22)排出，排出的热水可为采暖系统提供热能。

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