[发明专利]低浓度瓦斯燃烧器、燃烧试验系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及低浓度瓦斯燃烧领域，具体来说，特别是涉及一种低浓度瓦斯燃烧器、一种燃烧试验系统及其控制方法。

背景技术

煤矿瓦斯又叫煤层气，是指赋存与生气源岩中的自储式天然可燃气体，它的主要成分是甲烷，是一种优质的能源，可以用作燃料和化工原料。我国煤炭资源丰富，煤层气资源也比较丰富，据研究，我国陆上煤田在埋深小于2000米以浅的煤层气资源量为30-35万亿立方米，与常规天然气资源相接近。仅我国国有煤矿每天涌出的量就达到10M立方米，相当于3.7-7.3Mt标准煤。

同时，煤矿瓦斯还是一种强烈的温室效应气体，GWP值（全球变暖潜能值）相当于二氧化碳的21倍，我国每年瓦斯总涌出量约为77亿立方米，其中绝大部分直接排放到了大气中，对环境造成了严重的危害。此外，煤矿瓦斯是一种易燃易爆气体，当它与空气或氧气混合达到一定浓度后在一定的诱发能量的作用下，即可燃烧或者爆炸，给煤矿开采带来了安全隐患。因此，对瓦斯的开发利用具有保证安全采煤、开发新能源、促进环境保护三重效果。

近年来，抽放瓦斯已经成功地用作民用和工业燃料、生产炭黑和甲醛的化工原料以及发电用燃料，取得了巨大的经济效益。然而，这些应用要求瓦斯必须有较高的浓度，如民用或者生产炭黑时，瓦斯浓度必须大于40vol.%；生产甲醛，瓦斯浓度必须大于30vol.%；用于燃气轮机发电时浓度至少为35±4vol.%。当矿井中煤矿瓦斯浓度低于30vol.%时，由于无法利用，这部分瓦斯被直接排入到空气中，既浪费了能源有对环境造成了极大地污染。对于低浓度的瓦斯要想在现有技术水平上利用，必须要经过提纯工艺，然而，瓦斯提纯技术大多还处于开发研究阶段，即使比较成熟的变压吸附技术，其工序也比较复杂，经济性不高，而且只适合于浓度差异不太大的场合，对低浓度瓦斯气体的提纯实际价值不大。

瓦斯可燃浓度范围为5.3-15vol.%，在空气中的化学恰当比燃烧浓度为9.524vol.%，在空气中的最低燃烧浓度为4.5vol.%，对于低浓度瓦斯，理论上瓦斯浓度只要不低于5.3vol.%就可以采用常规方式直接燃烧利用，但实际上，低浓度瓦斯直接燃烧很不稳定，有爆炸的危险，在常规设备上很难安全、可靠、稳定、高效的利用。因此，对低浓度瓦斯燃烧规律和特性的研究很有必要，现阶段的研究表明，在瓦斯燃烧的火焰内部插入一段导热系数高的多孔介质，使热量在从下游高热区到上游低热区的整个介质内循环，在质量流率提高的情况下，火焰还能正常维持，但是多孔介质的性能及结构对瓦斯燃烧火焰稳定性、燃烧后有害气体CO和NO排放量有很大影响，不同的进气方式得到的瓦斯燃烧后的有害气体排放量也不相同。因此，一种能保证低浓度瓦斯正常燃烧，同时能对瓦斯燃烧规律和特性以及燃烧后有害气体排放量做出定量分析的低浓度瓦斯燃烧试验系统显得很有必要，现阶段，在对多孔介质材料性能研究方面，研究者们对于多孔介质中热量传递的实验和理论研究，仍处于初期开发阶段，其研究结果和研究方法只能具有一定参考价值。缺乏多孔介质结构、性能参数对燃烧、传热与污染排放特性的相关研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够定量分析多孔介质性能、数量对瓦斯燃烧规律影响的低浓度瓦斯燃烧器。

本发明的另一个目的在于提供一种能够定量分析多孔介质性能、结构、瓦斯-空气当量比对瓦斯燃烧规律影响的燃烧试验系统。

本发明还有一个目的在于提供一种能够定量分析多孔介质性能和结构、瓦斯-空气当量比对瓦斯燃烧规律影响的燃烧试验系统控制方法。

为了实现本发明的目的，采取的技术方案是：

一种低浓度瓦斯燃烧器，包括燃烧室，所述燃烧室设有燃烧腔以及与燃烧腔相通的进气口，所述燃烧腔内设有点火枪，燃烧腔内靠近进气口一侧设有陶瓷芯，所述燃烧室沿陶瓷芯高度方向上至少两个高度层设有热电偶，并且同一高度层至少有三个所述热电偶。

瓦斯从进气口进入到燃烧腔内，通过点火枪点火使瓦斯在燃烧腔内燃烧，通过热电偶获取相应位置上的温度，并经过分析计算，得到火焰的位置和火焰迁移规律，从而得到陶瓷芯的结构性能对低浓度瓦斯燃烧的影响规律，为设计燃烧器提供理论依据，这种结构简单，使用方便。

下面对技术方案进一步说明：

在其中一个实施例中，所述陶瓷芯由陶瓷片叠加而成。陶瓷芯由陶瓷片叠加而成可以控制陶瓷芯的总厚度，不同厚度的陶瓷芯能得到不同的瓦斯燃烧效果，从而得到不同厚度陶瓷芯对低浓度瓦斯燃烧的影响规律，为燃烧室的设计提供理论依据。