[发明专利]燃烧设备

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于燃烧燃料介质的燃烧设备，具体涉及但不限于一种热 力学系统，其具有用于燃烧一种或多种较低级燃料介质的燃烧设备和适合接收 来自该燃烧设备的热能的热力学设备。

发明背景

已知的热力学设备通常具有含内置燃烧室的涡轮。该燃烧室用于燃烧较高 级燃料，如高产煤(high yielding coal)。结果，有相当多的较低级资源如低级 煤、生物质、城市垃圾等未得到利用，被视为废料。这些废料通常敞开堆放， 往往被看作环境疮疤。

煤矿通风空气中的甲烷(CH₄)约占煤矿CH₄排放量的64％，但难以用作 能源，因为空气体积大，而其中的甲烷资源稀薄，且浓度和流量变化不定。煤 矿通风空气中的甲烷浓度低是一个主要的问题，要缓解该问题，就要在其稀释 状态下进行处理，或者将其浓缩到可用于常规甲烷燃料发动机的水平。提高甲 烷浓度的有效技术目前还没有出现，但在开发当中，而多数工作集中在极低浓 度的甲烷的氧化。这些方法不仅复杂，而且成本效益不高。

甲烷是均质(homogonous)气体，当它在空气中的浓度低至＜1％时，需 要大量的热能才能氧化。这通常是这样完成的，也就是将低浓度甲烷置于＞1000 ℃的很高温度下.3秒。甲烷的燃烧机理总体上可用下式表示：

CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O      DH₍₂₉₈₎＝-802.7千焦/摩尔

这是总的简化形式，因为实际反应机理涉及许多自由基链反应。甲烷的燃 烧反应可产生CO或CO₂，具体视反应的空气/甲烷之比而定。

CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O

CH₄+3/2O₂＝CO+2H₂O

其他反应也有可能存在，如：

CH₄+H₂O＝CO+3H₂

2H₂+O₂＝2H₂O

CO+H₂O＝CO₂+H₂

当考虑多步表面反应时，就非常需要研究甲烷催化燃烧的动力学机理。如 文献Numerical Studies of Methane Catalytic Combustion inside a Monolith Honeycomb Reactor Using Multi-Step Surface Reactions(在整体式蜂窝型反应器 中利用多步表面反应的甲烷催化燃烧的数值研究)，Combustion Science and Technology(燃烧科技)，2000，150：27-28中所述，该文献作者在对整体 式蜂窝型反应器中甲烷催化燃烧的数值研究中利用了23个不同的反应。当考 虑多相反应时，情况将变得更加复杂。图1显示了以下文献为甲烷催化氧化提 出的可能的机理：Methane Oxidation over Noble Metal Catalysts as Related to Controlling Natural Gas Vehicle Emissions(与控制天然气车辆排放相关的贵金 属催化剂上的甲烷氧化)，载于Silver JE和Summers编的Catalytic Control of Air Pollution：Mobile and Stationary Sources(对空气污染的催化控制：移动和静止 源)，美国化学会第202届全国会议，1991年8月25-30日，ACS丛书，第 495卷，第12-25页。在此图中，“a”表示吸附相，“g”表示气相。