專利名稱：燃料氣體在燃燒和利用上的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料氣體在燃燒和利用上的改進(jìn)。本發(fā)明的各種裝置及方法是在一優(yōu)選實(shí)施例中予以說明，所述裝置和方法是利用從礦井、廢碴坑等處出來的具有邊際能量?jī)r(jià)值的氣體，否則的話，這部分能量就浪費(fèi)掉了。
在本說明書中的術(shù)語(yǔ)“燃料氣體”是指它包括了可燃?xì)怏w，例如甲烷或含甲烷的氣體，如天然氣、煤層氣、沼氣、廢碴坑氣體及其它類似氣體，以及含一氧化碳的氣體，如高爐煤氣、煉鋼廠氣體、發(fā)生爐煤氣及其它類似氣體。這些燃料氣體也可以包括氣體的雜質(zhì)，例如氮?dú)狻⒍趸細(xì)饧翱諝獾?。在某些情況下，諸如對(duì)于煤礦通風(fēng)空氣，這些氣體被大大地稀釋了，而其燃料氣體與空氣之比必須是低于該混合物的爆炸下限或高于該混合物的爆炸上限。而且，上述“燃料氣體”還能包括燃料氣體與空氣有目的地?fù)交斓幕旌衔铩?br> 對(duì)于提供給實(shí)施本發(fā)明的燃燒室的“燃料氣體”來說，該術(shù)語(yǔ)“燃料氣體”是應(yīng)被理解為燃料氣體與空氣的混合物，且其混合物的燃料氣體與空氣之比是低于該混合物的爆炸下限。
發(fā)明的背景許多低品質(zhì)燃料，例如高爐煤氣以及被大量稀釋了的燃料氣體，如含甲烷的煤礦通風(fēng)空氣，是被白白地?zé)艋蚺欧诺袅耍鴽]有加以有效的利用，其主要原因是現(xiàn)有的技術(shù)成本很高，和/或沒有能使這些燃料被商業(yè)化地利用的低成本設(shè)備及合適的技術(shù)。由于要利用燃料氣體就必須壓縮很大體積的這些氣體，且由于該燃料氣體通過燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮和膨脹級(jí)的流量以及有關(guān)的燃燒問題，使得標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)無(wú)法采用。
采用燃?xì)廨啓C(jī)利用稀釋了的燃料氣體，還存在的問題是，為使燃料氣體供給燃?xì)廨啓C(jī)作為燃料，基本上所有的燃料氣體需被壓縮至高于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒壓力，而壓縮所需的設(shè)備及功率需求都是很費(fèi)錢的。
在易產(chǎn)生燃料氣體的地下煤礦中，甲烷的提取可以將地下采煤時(shí)形成的存在于煤層中的甲烷氣除去一部分，因?yàn)榧淄槿剂蠚饬魇呛涂諝饧捌渌廴疚锶缍趸嫉葥交煸谝黄?。用這種技術(shù)時(shí)所提取的甲烷與采煤時(shí)所釋放出來的甲烷氣總量之比一般是小于50％，而其較大部分排到煤礦的通風(fēng)空氣中。在這些煤礦中，甲烷在通風(fēng)空氣中的含量一般是在0.8％到1.0％之間。有人提出把全部或部分這種通風(fēng)空氣吸入到燃?xì)廨啓C(jī)中以利用這種不用就浪費(fèi)掉了的燃料氣，但是現(xiàn)代的高效及低成本的燃?xì)廨啓C(jī)一般是不適合于完成這樣的任務(wù)，因?yàn)檫@種燃?xì)廨啓C(jī)要求的總的甲烷與吸入空氣的容積比例一般要超過2％而接近于3％，因此即使甲烷在空氣中的容積比為1％，且吸入的甲烷在含甲烷的空氣中能夠燃燒，這種燃料氣體也大約只能提供燃?xì)廨啓C(jī)所要求的燃料量的三分之一左右。這樣的燃?xì)廨啓C(jī)即使燃燒問題可以解決，且煤礦的排出氣體可作為補(bǔ)充燃料，它也不能有效的利用這些煤礦中的燃料氣體流。
使用這種稀釋了的燃料氣體流，進(jìn)一步的問題是現(xiàn)代高效燃?xì)廨啓C(jī)用于冷卻及清洗的氣流量一般要占總空氣流量的15％以上，因此吸入空氣中相當(dāng)大的一部分甲烷是旁路繞過了燃燒級(jí)，這部分在空氣中的甲烷就沒有加以利用而是浪費(fèi)掉了。此外，旁路繞過燃燒級(jí)的甲烷隨后是在中等溫度的情況下加入到燃?xì)饬髦校苄纬筛鞣N活性基，如甲基羥基，它會(huì)促進(jìn)在燃燒級(jí)生成的氮氧化物轉(zhuǎn)化成有毒的可見的二氧化氮。
某些低純度的氣體，如來自污水處理、“廢碴坑”操作、煤層及其它類似處的氣體，可含很高濃度的二氧化碳，二氧化碳濃度有時(shí)可高達(dá)70％以上。這種氣體在常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)及其相關(guān)聯(lián)的燃燒系統(tǒng)中即使能燃燒的話，燃燒起來也是很困難的。
本發(fā)明者在1992年6月在澳大利亞能源研究院的新聞雜志上(Australian Institute of Energy’s News Journal)發(fā)表了一篇文章，名為“消除煤礦的甲烷排放” (The Elimination of Coal Mine MethaneEmissions)，文中提出了吸入含甲烷的煤礦通風(fēng)空氣到燃?xì)廨啓C(jī)中，但此時(shí)尚未完全認(rèn)識(shí)到上述討論的各種存在的問題。在那時(shí)，提出了采用一個(gè)水封來作為火焰抑制及煤礦和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)之間的煤礦隔絕裝置，同時(shí)假如通風(fēng)空氣中的甲烷含量超過預(yù)定的上限，則采用一個(gè)專門的控制閥來改變稀釋空氣的量。從而確保燃?xì)廨啓C(jī)必要的安全運(yùn)行，這一系統(tǒng)存在的問題是較復(fù)雜的，并且若無(wú)安全控制裝置，該系統(tǒng)將在空氣中甲烷的容積含量約為3％左右或更高些(如果燃燒不完全)的情況下運(yùn)行。這會(huì)使甲烷在空氣中的容積比接近于操作下限，而這是不能接受的。
另一存在的問題是，如果空氣中的燃料氣體的混合物被吸入燃?xì)廨啓C(jī)或輸送到一個(gè)燃燒室，該混合物低于爆炸下限，則在混合點(diǎn)處將在短時(shí)間內(nèi)存在易爆混合物。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)或其它大的工業(yè)設(shè)備，在混合級(jí)的低壓降是合乎要求的，且可能爆炸的風(fēng)險(xiǎn)及其量級(jí)大小應(yīng)該是最小，盡管燃?xì)廨啓C(jī)及工業(yè)爐所需的空氣量及燃料氣體量較大。
盡管利用這些廢氣有諸多益處，直到現(xiàn)在燃?xì)廨啓C(jī)廠商尚未提出一個(gè)適合的燃?xì)廨啓C(jī)方案。
一般說來，對(duì)于各種加熱系統(tǒng)如工業(yè)及商業(yè)用燃燒器、燃燒爐、燃?xì)廨啓C(jī)等，在燃料氣體的燃燒過程中生成氮氧化物(NOX)是一個(gè)普遍問題。在許多應(yīng)用的場(chǎng)合下，由燃燒過程最終所生成燃?xì)獾睦硐霚囟却蟠蟮陀谌剂蠚怏w燃燒的火焰溫度，但在最終燃?xì)庵猩傻牡趸锏暮渴怯苫鹧鏈囟人_定，而不是由最終混合的燃?xì)鉁囟人_定。通常的問題是，燃?xì)廨啓C(jī)中的燃料燃燒時(shí)所要求的燃?xì)鉁囟攘考?jí)是在850℃到1200℃，但氮氧化物的含量是由燃燒室內(nèi)火焰溫度所確定的，即使是采用很先進(jìn)的燃燒方案(例如先富燃后貧燃)，預(yù)計(jì)其排出的燃?xì)獾牡趸锖吭?0ppm以下，而要將氮氧化物含量降到10ppm以下的話，一般就只能采用很特殊的燃燒系統(tǒng)，如催化裝置來實(shí)現(xiàn)。
催化燃燒系統(tǒng)一般依賴于使用貴重金屬催化劑，如鉑及鈀，其所存在的問題是這些金屬是稀少和昂貴的并且易被燃料氣體中的某些雜質(zhì)所毒化，譬如存在于廢碴坑中的硅烷類。
還存在的另一燃燒問題是燃料氣體與空氣混合物中燃料空氣的量低于該混合物的可燃下限，因此，采用目前的非催化燃燒技術(shù)，如不使用其它附加燃料來啟動(dòng)及維持燃燒的話，燃燒就無(wú)法進(jìn)行。
通常知道，吸入被碳?xì)浠衔镂廴镜目諝獾饺細(xì)廨啓C(jī)燃燒并利用之作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料的一部分，但一般說來其污染物碳?xì)浠衔镏皇谴砹巳剂系囊恍〔糠?，這項(xiàng)技術(shù)主要是用來減少這些污染物的排放，而不能容易地用于提供常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料需求的主要部分，原因是受到常規(guī)燃燒室的限制。
本發(fā)明的目的之一是要克服或改進(jìn)在現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述的各種問題中的一個(gè)或更多。

發(fā)明內(nèi)容
首先，公開了一種用于燃燒燃料氣體的燃燒室，它包括了一個(gè)容器，該容器具有供應(yīng)燃料氣體的進(jìn)口；該容器具有一組空心管，該空心管的一端通向供給的燃料氣體而另一端通向燃燒區(qū)，這些空心管相隔開地排列，以至使這些管的外側(cè)形成一個(gè)可使燃燒區(qū)的已燃?xì)怏w流到容器出口的出口通道，而部分燃燒的已燃?xì)怏w的熱量傳給管內(nèi)的進(jìn)口燃料氣體，而使入口燃料氣體預(yù)熱，供應(yīng)的燃料氣體與空氣之比是低于這種燃料氣體的爆炸下限，在上述燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒是靠預(yù)熱的燃料氣體進(jìn)行反應(yīng)或自燃來實(shí)現(xiàn)的。
該燃燒室還能包括管間的擋板裝置以形成曲折的出口通道。這些管子可按容器的縱向排列，上述進(jìn)口及出口在容器的同一端而燃燒區(qū)在容器的另一端。利用所述擋板裝置可使這些管子排列成六角形，上述擋板裝置由裝配在所述管子上的六角形套筒構(gòu)成，并且相鄰套筒互鎖。還可以將一個(gè)燃燒室安排在所述燃燒區(qū)附近，以使在燃料氣體進(jìn)入燃燒室之前使上述燃燒區(qū)預(yù)熱到燃燒溫度。
本發(fā)明的另一方面，還公開了一種燃燒燃料氣體的方法，它包括以下步驟依靠先燃燒的燃料氣體釋放出來的熱量來預(yù)熱供應(yīng)的燃料氣體；使上述被預(yù)熱的燃料氣體保持一段時(shí)間，以進(jìn)行反應(yīng)或自燃；用一個(gè)曲折通道來排出上述已燃的燃料氣體，以與上述供應(yīng)的燃料氣體相互熱交換。
最好再布置一個(gè)燃燒區(qū)，其在一定溫度下足以使在供應(yīng)過程中被預(yù)熱了的燃料氣體燃燒。
按本發(fā)明的再一個(gè)方面，還公開了一種利用燃料氣體產(chǎn)生有用能的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)壓縮級(jí)，接納上述燃料氣體，經(jīng)壓縮后輸出；一個(gè)燃燒室，接納上述被壓縮了的燃料氣體，該燃料氣體對(duì)空氣的比例低于該燃料氣體的爆炸下限，該燃燒室在被預(yù)熱的燃料氣體燃燒之前利用已燃的燃料氣體的熱交換來預(yù)熱被壓縮了的燃料氣體，而燃燒是靠反應(yīng)或自燃下行的；一個(gè)膨脹級(jí)，該膨脹級(jí)用機(jī)械方式與所述壓縮級(jí)相連接，該膨脹級(jí)接受上述已燃的燃料氣體，而膨脹放出的能量是被轉(zhuǎn)化為有用的轉(zhuǎn)動(dòng)能。
按照優(yōu)選方式，從上述膨脹級(jí)排出的膨脹后的燃?xì)庠佥斔偷揭粋€(gè)換熱器，以使對(duì)尚未到達(dá)燃燒的經(jīng)壓縮的燃料氣體加熱。此外，一個(gè)發(fā)電機(jī)或空氣壓縮機(jī)與上述膨脹級(jí)連接以使上述轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。該供應(yīng)的燃料氣體可以是煤礦排出氣體及通風(fēng)空氣的混合物，該混合物可由混合級(jí)來形成，混合級(jí)包括上述煤礦通風(fēng)空氣輸送管道，在該管道的通徑里安排有一組管子用以接受煤礦排出氣體，這些管子開有許多小孔以引導(dǎo)煤礦排出氣體與上述煤礦通風(fēng)空氣相混合。最好，該燃料氣體是含甲烷的，而甲烷與空氣之比是小于等于2％。
本發(fā)明還公開了一個(gè)如前所限定的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，這一燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)壓縮機(jī)，如前所述作為壓縮級(jí)。
本發(fā)明還進(jìn)而公開了一種在一燃?xì)廨啓C(jī)中利用燃料氣體來產(chǎn)生有用能的方法，該方法包括以下步驟壓縮燃料氣體；在所述燃料氣體燃燒之前，靠先燃燒的燃料氣體釋放的熱量來預(yù)熱已壓縮了的燃料氣體；利用反應(yīng)或自燃來燃燒所述預(yù)熱的燃料氣體；膨脹所述的已燃燃?xì)庖援a(chǎn)生有用能。
最好，還利用膨脹級(jí)排出的排氣的熱量來加熱已壓縮了的燃料氣體。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是實(shí)施本發(fā)明的燃燒室的截面?zhèn)纫晥D；圖2a及2b示出燃燒室的其它實(shí)施例；圖3a表示了熱交換管組件的細(xì)節(jié)；圖3b表示了圖3a管組的一種排列；圖4是利用煤礦排出氣體及通風(fēng)氣體來發(fā)電的裝置的示意圖；圖5是與圖4同樣的裝置，表示這行參數(shù)；圖6a及6b表示了氣體混合裝置的細(xì)節(jié)；圖7表示了在混合裝置內(nèi)氣體混合區(qū)的細(xì)節(jié)。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式現(xiàn)參照?qǐng)D1來詳細(xì)說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖1表示燃燒室2的簡(jiǎn)化形式。
包括有助燃空氣的燃料氣體(例如甲烷)以低于爆炸下限的濃度通過管子20供應(yīng)到燃燒室2的進(jìn)口集箱14，該燃料氣體再經(jīng)過管板4進(jìn)到熱交換管6，在此處，燃料氣體在進(jìn)入燃燒區(qū)8之前被加熱到著火溫度?？繙囟鹊奶岣咭约案邷厝紵齾^(qū)8的容積給燃料氣體提供了足夠的停留時(shí)間，通過自由基誘發(fā)的燃燒反應(yīng)來反應(yīng)及自燃。這樣的燃燒過程本質(zhì)上是自發(fā)的，而同時(shí)含甲烷成分的氣體轉(zhuǎn)換成二氧化碳及水蒸汽。不需要為燃燒發(fā)生裝置提供火焰，這會(huì)生成少量的氮氧化合物，甚至可低達(dá)5ppm以下。
離開燃燒區(qū)8的熱燃?xì)饨?jīng)過熱交換管6的外側(cè)，同時(shí)該熱燃?xì)獗换旌喜⒃谕ㄟ^管22導(dǎo)出之前，靠一系列擋板10以曲折或繞行的路徑被引導(dǎo)通過管子的外表面，從而基本上被燒掉并以需要的溫度供給燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹級(jí)。
燃燒室2適合地是用隔絕材料作襯里且有一隔熱內(nèi)襯，如陶瓷瓦和/或環(huán)。管子6是由非金屬材料制成的，如碳化硅，管子是粘接在金屬制成的管板4之內(nèi)，且管板4合適于隔絕相應(yīng)于出口管道22那一側(cè)的高溫燃?xì)狻?br> 利用燃燒器12把燃燒室2引到工作溫度，分別將從管道24出來的燃料及從管道26出來的空氣喂入燃燒室12，從供應(yīng)管20內(nèi)的燃料源和空氣源也同樣可以獲得上述兩項(xiàng)，一旦達(dá)到了工作溫度(對(duì)甲烷，約為大于1000℃)，燃燒器12就關(guān)掉，而只是連續(xù)供應(yīng)少量的空氣用于冷卻，該燃燒器也能在低負(fù)荷下作為起動(dòng)燃燒室來工作。
圖2a表示基于上述簡(jiǎn)化燃燒室的一個(gè)燃燒室2’的典型的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。該燃燒室提供了一組熱交換管6，其每個(gè)下端向供應(yīng)管20開口，擋板10用于常規(guī)的叉流阻擋。圖2b表示了一個(gè)類似的燃燒室2’’，它采用延伸板16以保證連續(xù)的向上流動(dòng)并隨之分開地向下流到熱交換區(qū)。
圖3a表示具有與管6成一體的六角形擋板的碳化硅管的一部分，而圖3b表示管6的排列，那里的六角形擋板支撐塊10’是錯(cuò)開的排列而形成了到出口管道22去的曲折通道以保證有效的熱交換。實(shí)例在一個(gè)實(shí)施例中，其燃燒室2’’是用來給一個(gè)類似于Centaur 3000R的燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)燃料，這種燃?xì)廨啓C(jī)是回流換熱式的，其燃燒室是在燃?xì)廨啓C(jī)殼體之外的，燃?xì)廨啓C(jī)的燃料如甲烷與進(jìn)口空氣一起吸入到燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)，該燃?xì)廨啓C(jī)的基本特征及尺寸如下空氣/甲烷的供給流量17.4千克/秒分析大氣壓力下以24℃的水飽合1.6％甲烷(容積/容積，以干重為基準(zhǔn))98.4％空氣(容積/容積，以干重為基準(zhǔn))空氣/甲烷的進(jìn)氣溫度400℃燃?xì)獾呐艢鉁囟?850℃燃燒室內(nèi)徑 1190毫米管束管數(shù) 1794管外徑 19毫米(按三角形間距排列)管長(zhǎng) 2000毫米擋板數(shù) 5管頂?shù)饺紵翼斁嚯x 1000毫米這些管子是2毫米厚的Sandvik 253-MA合金，其內(nèi)表面用BSW絲錐壓制成鋸齒狀并且用鎳電鍍，管板4及擋板10亦是用Sandvik 253-MA合金制成。管子的外表面(高溫)覆有陶瓷氧化物如多鋁紅柱石的涂層。
如上述的燃燒室亦可應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)、精煉爐及加熱爐等其它形式。
進(jìn)而還在另一個(gè)實(shí)施例中，在管6中可裝有許多多孔陶瓷桿，在其中用已知方式充滿了熟知的催化劑，如對(duì)含甲烷燃料的鎳以及對(duì)含一氧化碳燃料的氧化鋅基催化劑。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是關(guān)于含甲烷的煤礦通風(fēng)氣及煤礦排出氣體的利用，現(xiàn)參照?qǐng)D4來予以說明，圖4示出一總的燃?xì)廨啓C(jī)100。該燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮102是用驅(qū)動(dòng)軸108與膨脹級(jí)104相連。膨脹級(jí)104用另一驅(qū)動(dòng)軸110與發(fā)電機(jī)106相連。發(fā)電機(jī)106的電輸出是從煤礦通風(fēng)空氣及煤礦排出氣體中回收得到的能量，它能被輸?shù)诫娋W(wǎng)，從而代表了一種可售商品。
含甲烷的煤礦通風(fēng)空氣通過進(jìn)口管道250送至混合裝置112(下文將進(jìn)行說明)，進(jìn)到該混合裝置來的還有按定量控制的煤礦排出氣體，該氣體靠進(jìn)口管道252進(jìn)入混合裝置?；旌衔镫S后通過出口管254由燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)102通過吸入口吸入。
然后被壓縮機(jī)壓縮了的含甲烷的空氣通過出口管道256離開壓縮機(jī)102通往同流間壁式換熱器(recuperator)116，在同流間壁式換熱器116中含甲烷的空氣以熱交換的方式被加熱，之后經(jīng)過管道258輸往燃燒室114，該燃燒室116是按圖1至3b的教導(dǎo)并且按本例的目的按前例的特殊說明制成的。熱(已燃的)氣體離開燃燒室114通過管道262輸往膨脹級(jí)104。
從膨脹級(jí)104排出的氣體靠出口管264通往同流間壁式換熱器116，經(jīng)冷卻的排出氣體經(jīng)出口管266離開同流間壁式換熱器116而排向大氣。
余熱鍋爐可利用離開同流間壁式換熱器116的經(jīng)冷卻而排出的燃?xì)鈦砩a(chǎn)水蒸汽以用于冷卻渦輪盤、軸承及其它的通常用從燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)來的空氣來冷卻的部件，由此強(qiáng)迫或能使全部含甲烷(燃料氣體)的空氣被吸入燃?xì)廨啓C(jī)以使其流向燃燒系統(tǒng)。
在這種情況下，分餾燃料是作為啟動(dòng)燃料經(jīng)管260、而空氣經(jīng)管268分別供入燃燒室114來啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)。
對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用情況，采用了多級(jí)渦輪，且在接近于它們的額定功率下運(yùn)行。在負(fù)荷上的主要變化可以靠關(guān)掉多級(jí)渦輪的個(gè)別級(jí)來達(dá)到，而與燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷相差不大的載荷變化亦可靠改變?nèi)細(xì)怆x開燃燒室114而進(jìn)入出口管道262內(nèi)的溫度設(shè)定來完成。負(fù)荷變化也可由通常的方式改變通往燃?xì)廨啓C(jī)的燃料流量的方法來完成，例如利用在壓縮機(jī)級(jí)102及膨脹級(jí)采用可調(diào)進(jìn)氣葉片。
在本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)選方案中，示于圖4的燃?xì)廨啓C(jī)100中幾乎全部的燃料要求由空氣進(jìn)氣中的甲烷來供給以及由受控的燃料氣體噴入到壓縮機(jī)102的吸入流中來供給。
如Westinghouse的CW191PG及Solar的Centaur 400R這樣的燃?xì)廨啓C(jī)，它們目前均不再生產(chǎn)，以及通用電氣公司的Frame-1、Frame-2以及Frame-5燃?xì)廨啓C(jī)都是被認(rèn)為是老式過時(shí)的機(jī)組，這些機(jī)組較適合用于本發(fā)明的實(shí)施例中。
被列出的這些型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)，當(dāng)其修改成包括有所述的燃燒室114時(shí)，當(dāng)甲烷在吸入空氣中容積含量超過2％時(shí)是不能工作的，這一含量大大低于甲烷在空氣中的爆炸下限。該燃?xì)廨啓C(jī)用于吸入煤礦通風(fēng)空氣時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)本身就成為一種平行和獨(dú)立于任何可調(diào)式分析儀器或其它煤礦安全裝置的有效監(jiān)視裝置。
圖6a及6b表示一個(gè)管式結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，在該結(jié)構(gòu)處的進(jìn)口煤礦通風(fēng)空氣及煤礦排出氣體是在混合裝置112內(nèi)混合。圖6a是圖6b沿A-A線的剖視圖。管道250包括一組垂直安裝間隔地排列的空心管150，這些空心管靠頂部及底部的連接管152及154互相連接。頂部管152接受來自進(jìn)口管252的煤礦排出氣體而向下供給垂直管150。如圖7所示，最好是每個(gè)垂直管150在其周緣都有一組小孔160，排出燃料氣體從這些小孔處出來與煤礦通風(fēng)空氣相混合。這些鄰近管之間的空間與文丘里(venturi)混合器的工作原理相同，使燃料氣體噴射點(diǎn)處的空氣速度及燃料氣體速度到達(dá)這樣的速度，即能防止在出現(xiàn)任何不希望的點(diǎn)火源的情況下出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰的工作狀態(tài)。例圖5所示的實(shí)施例是利用Solar Centaur 3000 R機(jī)組。在該例中，燃?xì)廨啓C(jī)的速度控制是靠控制從發(fā)電機(jī)106出來的功率以及通過入口管252給燃?xì)廨啓C(jī)的燃料氣體供給量來實(shí)現(xiàn)的，它是通過控制燃料氣體的輸入以維持在出氣管道262內(nèi)的燃燒室出口溫度的預(yù)定范圍。煤礦通風(fēng)空氣的流量是13.306標(biāo)立方米/秒的空氣、0.134標(biāo)立方米/秒的甲烷以及0.403標(biāo)立方米/秒的水蒸汽。煤礦排出氣體的流量為0.081立方米/秒的甲烷、0.081立方米/秒的空氣以及0.005立方米/秒水蒸汽。立方米/秒是指每秒的標(biāo)準(zhǔn)立方米，眾所周知，它是0℃及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的質(zhì)量流量單位。該壓縮級(jí)的壓縮比為小于14∶1，而最好小于10∶1。經(jīng)壓縮的燃料氣體與空氣的容積比必需低于爆炸下限，在本例中采用的是1.6％(容積)，較佳范圍是在1.5％到2.0％之間。在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間足以使燃料在經(jīng)過燃燒室時(shí)基本上全部燒掉，燃燒后的燃?xì)猱a(chǎn)物的出口溫度最好應(yīng)在850℃到950℃之間，其上極限為1100℃。從燃燒室114出來的燃?xì)猱a(chǎn)物的最終溫度約為870℃，壓縮級(jí)104排出氣體的溫度為455℃，發(fā)電機(jī)1 06的電功率輸出為2420千瓦。
靠進(jìn)口管260供給燃燒室114的燃料氣流量指明了在供應(yīng)管250內(nèi)的通風(fēng)空氣中的甲烷含量，因此燃料氣體低流量或燃燒室高溫之類的適當(dāng)報(bào)警裝置就會(huì)關(guān)掉燃?xì)廨啓C(jī)，并指出在煤礦通風(fēng)系統(tǒng)里情況異常或不安全。
在另一實(shí)施例中，燃?xì)廨啓C(jī)100還能用來燃燒含有一氧化碳的煉鋼廠氣體，將此類氣體連同空氣一起吸入到該燃?xì)廨啓C(jī)的吸氣口中。燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的能量的一部分是用來直接或間接地壓縮空氣，以用于空氣分離制氧，以供鋼廠運(yùn)行，以及用于分離空氣的操作。進(jìn)而還可提供無(wú)燃料的空氣以供燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的清洗及冷卻用，以保證全部的燃料氣與空氣的混合物能被吸入到燃?xì)廨啓C(jī)并進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒系統(tǒng)中去。
在利用燃?xì)廨啓C(jī)的另一實(shí)施例中，離開壓縮機(jī)的燃料氣及空氣可以與水相接觸至飽和以便使空氣燃料氣混合物進(jìn)一步冷卻，水可以用廢水，諸如下水道污水或工地污水及其它類似物，這樣污水的容量會(huì)減少且至少其一部分產(chǎn)生臭味的成分可以轉(zhuǎn)移到助燃空氣中，以在燃燒室內(nèi)焚燒。
權(quán)利要求
1.一種用于燃燒燃料氣體的燃燒室，它包括一個(gè)容器，該容器具有供應(yīng)燃料氣體的進(jìn)口；一組空心管，該空心管有一端向供應(yīng)的燃料氣體開口而另一端與燃燒區(qū)相通，這些空心管相間隔排列，以使這些管的外面形成一個(gè)可使燃燒區(qū)的已燃?xì)怏w通過的出口通道，使已燃?xì)怏w從容器排至其外面，而已燃燃?xì)獾臒崃坎糠值貍鹘o管內(nèi)的進(jìn)口燃料氣體而使燃料氣體預(yù)熱，供應(yīng)的燃料氣體與空氣之比低于這種燃料氣體的爆炸下限，在上述燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒是靠預(yù)熱燃料氣體的反應(yīng)或自燃來實(shí)現(xiàn)的。
2.如權(quán)利要求1所述的燃燒室，其還包括在各管之間的擋板裝置以形成曲折的所述出口通道。
3.如權(quán)利要求2所述的燃燒室，其中管子可沿容器的縱向排列，所述進(jìn)口及出口在容器的同一端，而燃燒區(qū)在容器的另一端。
4.如權(quán)利要求2所述的燃燒室，其中管子通過擋板裝置排成六角形形狀，該擋板裝置由裝配在所述管上方并鎖定鄰接套筒的六角形套筒構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4中的任一項(xiàng)的燃燒室，它還可包括有一個(gè)安排在鄰接于上述燃燒區(qū)處的，以使燃料氣體進(jìn)入燃燒室之前預(yù)熱上述燃燒區(qū)到燃燒溫度的燃燒室。
6.一種燃燒燃料氣體的方法，它包括以下步驟利用已燃燒的燃料氣體釋放出來的熱量來預(yù)熱所供應(yīng)的燃料氣體；使所述被預(yù)熱的燃料氣體保持一段時(shí)間以進(jìn)行反應(yīng)或自燃；由一曲折通道來排出已燃的燃料氣體以與上述供應(yīng)的燃料氣體熱交換。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其還包括初始地預(yù)熱一個(gè)燃燒區(qū)使之達(dá)到一定的溫度，該溫度足以引起在供應(yīng)過程中被預(yù)熱了的燃料氣體燃燒。
8.一種利用燃料氣體而產(chǎn)生有用能的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)壓縮級(jí)，它接納所述燃料氣體，燃料氣體經(jīng)壓縮后輸出；一個(gè)燃燒室，它接納所述被壓縮了的燃料氣體，該燃料氣體與空氣之比低于該燃料氣體的爆炸下限，該被預(yù)熱的燃料氣體燃燒之前利用已燃的燃料氣體的熱量通過熱交換來預(yù)熱所述并壓縮了的燃料氣體，而燃燒是靠反應(yīng)或自燃引發(fā)的。一個(gè)膨脹級(jí)，該膨脹級(jí)用機(jī)械方式與壓縮級(jí)相連接，該膨脹級(jí)接受所述已燃的燃料氣體，而膨脹放出的能量是被轉(zhuǎn)化為有用的轉(zhuǎn)動(dòng)能。
9.按權(quán)利要求8所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，從所述膨脹級(jí)排出的膨脹后的燃?xì)庠佥斔偷揭粋€(gè)換熱器，以加熱已被壓縮了的而尚未到達(dá)燃燒室的燃料氣體。
10.如權(quán)利要求9所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，它還包括有一發(fā)電機(jī)，它與上述膨脹級(jí)連接以使上述轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。
11.如權(quán)利要求9所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，它還包括了一個(gè)空氣壓縮機(jī)，它與上述膨脹級(jí)連接以利用上述轉(zhuǎn)動(dòng)能來生產(chǎn)壓縮空氣。
12.如權(quán)利要求11所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中至少一部分所述供應(yīng)的壓縮空氣反回來用于冷卻及或清洗至少上述壓縮級(jí)及膨脹級(jí)之間的連軸器。
13.如權(quán)利要求9至權(quán)利要求12中任一項(xiàng)所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，它還包括了一個(gè)助力器，它接納上述熱交換器排出的燃?xì)獠⒃谏鲜鲥仩t而產(chǎn)生為所述鍋爐供水的水蒸汽流。
14.如權(quán)利要求8至權(quán)利要求13中的任一項(xiàng)所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，它還包括一混合級(jí)，該混合級(jí)有一管道，空氣或燃料氣體在其內(nèi)流動(dòng)，而該管內(nèi)流動(dòng)的燃料氣體與空氣之比是低于燃料氣體爆炸下限的，在該管道之內(nèi)還有一族細(xì)管，這些細(xì)管接納高于爆炸上限的燃料氣體，且細(xì)管內(nèi)開有許多小孔而使上述高于爆炸上限的燃料氣體引出與上述低于爆炸下限的空氣或燃料氣體相混合。
15.如權(quán)利要求14所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中所述的燃料氣體是含有甲烷的燃料氣體。
16.如權(quán)利要求1 5所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中所供應(yīng)的燃料氣體是煤礦排出氣體及通風(fēng)空氣的混合物。
17.如權(quán)利要求8至權(quán)利要求16中的任一項(xiàng)所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中的上述經(jīng)壓縮了的燃料氣體的甲烷與空氣之比是小于等于2％。
18.如權(quán)利要求8至權(quán)利要求17中的任一項(xiàng)所述的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中所述的壓縮級(jí)包括了如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4中的任一項(xiàng)所述的壓縮機(jī)。
19.一種在燃?xì)廨啓C(jī)中利用燃料氣體以產(chǎn)生有用能的方法，該方法包括以下步驟壓縮燃料氣體；利用已燃燃料氣體放出的熱量來預(yù)熱尚未燃燒的經(jīng)壓縮的燃料氣體；靠反應(yīng)或自燃來燃燒上述的被預(yù)熱了的燃料氣體；膨脹上述被排出的燃?xì)庖援a(chǎn)生有用能。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其還包括在膨脹步驟之后由排出氣體的熱交換來加熱上述被壓縮了的燃料氣體的步驟。
全文摘要
一種用于燃燒燃料氣體的燃燒室(2)。從進(jìn)口管(20)進(jìn)入燃燒室(2)的燃料氣體是經(jīng)過壓縮的空氣與燃料氣體的混合物,其濃度低于爆炸下限?？扇?xì)馀c空氣的混合物經(jīng)管(6)至燃燒區(qū)(8),在那里的燃燒只靠反應(yīng)自燃來完成。已燃?xì)怏w經(jīng)過由擋板(10)排列組成的曲折通道流向出口管道(22)。排出的已燃?xì)怏w通過管(6)的外表面放出熱量來預(yù)熱管內(nèi)的進(jìn)口燃料氣體。利用廢燃料氣體的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)(100)包括如上所述的燃燒室(2,14),它給燃?xì)廨啓C(jī)(100)的膨脹級(jí)(104)提供了已燃燃料。
文檔編號(hào)F02C7/224GK1170456SQ95196856
公開日1998年1月14日 申請(qǐng)日期1995年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月27日
發(fā)明者D·R·甘明斯 申請(qǐng)人:等熵系統(tǒng)有限公司