CN118856337B - 一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置及其工作方法，包括进气段I、燃烧段Ⅱ和回热段Ⅲ，燃烧段Ⅱ中的多孔陶瓷火焰支持层与燃烧室形成了相互嵌套结构，实现了直接燃烧和蓄热式浸没燃烧两种模式；进气段I采用多气室独立调控并与燃烧段Ⅱ相互配合，在瓦斯抽采浓度发生波动时，能根据不同甲烷浓度自动调节进气情况，从而实现在直接燃烧模式、蓄热式浸没燃烧模式、直接燃烧与蓄热式浸没燃烧相协同的混合式燃烧模式，三者之间自动切换，从而对不同浓度瓦斯混合气体分别采用不同的燃烧方式，提高了煤矿瓦斯混合气体的燃烧效率，最终实现煤矿大流量、宽浓度范围的煤矿瓦斯燃烧利用，从而达到了煤矿安全生产、瓦斯低碳利用及节能减排的目的。

Description

一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置及其工作方法，属于煤矿瓦斯低碳燃烧利用、节能减排、煤矿安全等相关的技术及工程领域。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，瓦斯是煤的伴生物，其主要可燃组分是甲烷。煤炭行业是能源领域甲烷排放的主要来源之一，另外瓦斯不仅是煤矿的致灾源，更是一种强温室气体和清洁能源，并且是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。2021年，IPCC发布的气候变化综合研究报告指出，在100年的时间范围内，甲烷的温室效应指数GWP100为二氧化碳的28倍，其对全球变暖的贡献率约占四分之一。因此，煤炭行业的甲烷减排对推动减少温室气体排放具有重要意义。

由于受煤矿瓦斯地质条件的制约，不少煤矿抽采瓦斯的浓度普遍偏低，某些矿井浓度低于8％的超低浓度瓦斯占比超过70％，甲烷浓度超低、排放量大、波动范围跨爆炸下限都显著制约了超低浓度瓦斯的利用和减排。统计表明，2022年全国煤矿瓦斯的利用率仅约44.8％。

因此，针对煤矿超低浓度瓦斯利用的难题，如何实现煤矿大流量、宽浓度范围煤矿瓦斯的燃烧利用，是煤矿安全生产、瓦斯低碳利用、节能减排亟待解决的关键和重大课题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置及其工作方法，能根据煤矿瓦斯混合气体的不同浓度情况对应采取不同的模式进行燃烧利用，实现煤矿大流量、宽浓度范围的煤矿瓦斯燃烧利用，从而保证了煤矿安全生产、瓦斯低碳利用及节能减排。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，包括进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ和控制中心；燃烧段Ⅱ处于进气段I和回热段Ⅲ之间，且三者通过法兰同轴连接；

所述进气段I包括I号进气室、Ⅱ号进气室、进气管、空气或循环烟气管，Ⅱ号进气室上设有Ⅱ号进气口和Ⅱ号出气口，Ⅱ号出气口处装有第二阻火式布风板，用于阻止火焰进入Ⅱ号进气室；I号进气室上设有I号进气口和I号出气口，I号出气口与进气管一端连接，进气管另一端穿过Ⅱ号进气室并从Ⅱ号出气口伸出，靠近进气管另一端的进气管内装有第一阻火式布风板和稳焰器，其中第一阻火式布风板用于阻止火焰进入I号进气室，稳焰器用于进气管排出气体的稳定燃烧；空气或循环烟气管一端处于I号进气室外部、另一端依次穿过I号进气室和进气管并从进气管另一端伸出；所述空气或循环烟气管另一端处装有旋流分配器，用于对排出气体的流向进行调节；

所述燃烧段Ⅱ内设有多孔陶瓷阻火层、多孔陶瓷火焰支持层、燃烧室和点火室，多孔陶瓷阻火层和多孔陶瓷火焰支持层均为圆环形且同轴布设；其中多孔陶瓷阻火层用于阻止火焰进入Ⅱ号进气室；多孔陶瓷火焰支持层用于低浓度瓦斯气体进行蓄热式浸没燃烧；燃烧室处于多孔陶瓷阻火层和多孔陶瓷火焰支持层的轴线上，且多孔陶瓷火焰支持层一端及燃烧室一端均与点火室一端连通；燃烧室另一端与进气管另一端连通，使I号进气室进入的低浓度瓦斯气体经过进气管进入燃烧室进行直接燃烧；且空气或循环烟气管另一端伸入燃烧室内，使经过空气或循环烟气管的气体进入燃烧室；多孔陶瓷阻火层一端与Ⅱ号出气口同轴连接，用于使Ⅱ号进气室进入的低浓度瓦斯气体进入多孔陶瓷火焰支持层；所述点火室内设有点火器、火焰监测器和温度传感器，点火器用于点燃进入燃烧段Ⅱ的低浓度瓦斯气体；火焰监测器和用于监测燃烧段Ⅱ内的火焰情况；温度传感器用于监测燃烧段Ⅱ内的温度情况；

所述回热段Ⅲ内设有多孔陶瓷蓄热体，用于对燃烧产生的热量蓄热；多孔陶瓷蓄热体内设置有多个减阻流动通道，用于使燃烧后的气体从减阻流动通道排出；

在I号进气口和Ⅱ号进气口处均装有气体浓度监测装置，用于监测I号进气口和Ⅱ号进气口处的气体浓度数据；I号进气口、Ⅱ号进气口和空气或循环烟气管一端处均装有流量调节阀，用于对进入I号进气室、Ⅱ号进气室和空气或循环烟气管的气体流量进行控制；所述控制中心与点火器、火焰监测器、温度传感器、各个气体浓度监测装置和各个流量调节阀连接，用于控制点火器的开闭，并接收火焰监测器、温度传感器和各个气体浓度监测装置反馈的数据，经过分析处理后，对各个流量调节阀的开度进行调节。

进一步，所述进气管数量为一个或多个，若为一个，则进气管与Ⅱ号进气室同轴布设且处于其中心；若为多个，则其中一个进气管与Ⅱ号进气室同轴布设且处于其中心，其余进气管环绕在该进气管周围均匀布设。

进一步，所述进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ的外壳均为金属壳体，各段截面为圆形或方形，所述金属壳体内壁设有有耐火层，用于对各段进行防火；金属壳体外壁设有保温层，用于对各段进行保温。

进一步，所述第一阻火式布风板和第二阻火式布风板均为多孔板式或毛细管式。

进一步，所述多孔陶瓷阻火层、多孔陶瓷火焰支持层及多孔陶瓷蓄热体分别为不同材质(三氧化二铝、堇青石、莫来石等)、不同孔型(方孔、圆孔、多边形孔等)的蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或多孔耐火材料中的一种或多种的组合制成；所述多孔陶瓷火焰支持层的截面为等截面或梯级布置。

进一步，所述火焰监测器为红外光谱探测器、紫外光谱探测器、离子探针或多光谱探测器中的一种或几种的组合；所述气体浓度监测装置包括甲烷浓度传感器和氧气浓度传感器。

上述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置的工作方法，具体步骤为：

步骤一、确定紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置中第一阻火式布风板及第二阻火式布风板的阻火孔径、多孔陶瓷阻火层的设计孔径、多孔陶瓷火焰支持层的设计孔径和多孔陶瓷蓄热体的设计孔径，具体为：

①测试分析当前煤矿瓦斯混合气体中各种气体的浓度：

②实验测定当前煤矿瓦斯混合气体在650℃时的着火浓度下限临界氧浓度及火焰传播速度S_L；

③确定第一阻火式布风板及第二阻火式布风板的阻火孔径d₀为：

其中：d₀-阻火孔径，m；d_cr-临界阻火孔径，m；a-各个阻火式布风板的有效面积比(截面总面积与总孔隙截面积之比)；H-各个阻火式布风板的厚度，m；S_L-瓦斯混合气体在650℃时的火焰传播速度S_L，m/s；

④确定多孔陶瓷阻火层的设计孔径：

确定多孔陶瓷火焰支持层的设计孔径：

确定多孔陶瓷蓄热体的设计孔径：

其中：d_p-多孔陶瓷的选用孔径，m；k-瓦斯混合气体的导热系数；S_L-瓦斯混合气体在650℃时的火焰传播速度S_L，m/s；ρ-瓦斯混合气体的密度，kg/m³；C_p-瓦斯混合气体的比热，kJ/m³·℃；

步骤二、将紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置组装完成，并将其I号进气口和Ⅱ号进气口均与当前煤矿的瓦斯抽采管路连通；将空气或循环烟气管一端与空气压缩机或烟气循环泵连接，完成布设；

步骤三、当前煤矿的瓦斯抽采管路将抽采的瓦混合气体持续输送至I号进气口和Ⅱ号进气口，此时I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置对瓦斯混合气体中各种气体进行监测并反馈给控制中心，控制中心根据监测结果实时对各个流量调节阀进行控制，从而实现对不同瓦斯混合气体的燃烧利用，具体为：

A、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于8％时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭II号进气口的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从I号进气口依次经过I号进气室、进气管进入燃烧室，接着控制中心控制点火器点火实现煤矿瓦斯的直接燃烧；同时温度传感器和火焰监测器实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

B、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于5％但小于8％时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀的开启度不超过额定工况的50％，同时开启II号进气口的流量调节阀处于最大开度，此时瓦斯混合气体一部分从I号进气口依次经过I号进气室、进气管进入燃烧室，另一部分从Ⅱ号进气口依次经过Ⅱ号进气室进入多孔陶瓷火焰支持层，实现煤矿瓦斯直接燃烧与蓄热式浸没燃烧相协同的混合式燃烧，同时温度传感器和火焰监测器实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

C、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于3％但小于5％时，控制中心控制Ⅱ号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭I号进气口的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从Ⅱ号进气口依次经过Ⅱ号进气室进入多孔陶瓷火焰支持层，实现煤矿瓦斯的蓄热式浸没燃烧；同时温度传感器和火焰监测器实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

D、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均小于3％时，控制中心控制I号进气口和Ⅱ号进气口各自的流量调节阀关闭，并开启空气或循环烟气管的流量调节阀，使空气或循环烟气经过空气或循环烟气管进入燃烧室及点火室进行吹扫；

E、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于8％，同时监测的氧气浓度均小于12％时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭II号进气口的流量调节阀，并开启空气或循环烟气管的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从I号进气口依次经过I号进气室、进气管进入燃烧室，同时将空气通过空气或循环烟气管输送至燃烧室内增加燃烧室内的氧气浓度，从而实现煤矿瓦斯的完全燃烧；

F、在上述各种情况进行瓦斯燃烧利用过程中，当温度传感器监测的温度值超过1200℃时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀开启度减小、并关闭II号进气口的流量调节阀，此时降低瓦斯混合气体进入燃烧室内的流量，同时开启空气或循环烟气管的流量调节阀并控制其开启度，使空气或循环烟气进入燃烧室内稀释瓦斯混合气体中甲烷浓度，从而实现煤矿瓦斯的安全燃烧。

与现有技术相比，本发明采用进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ和控制中心相结合方式，具有如下优点：

1、本发明根据煤矿瓦斯混合气体的实际数据确定多孔陶瓷阻火层、多孔陶瓷火焰支持层、多孔陶瓷蓄热层的结构和参数，进而组成适用于当前煤矿的紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，从而实现了煤矿瓦斯的可控安全稳定燃烧。

2、本发明燃烧段Ⅱ中的多孔陶瓷火焰支持层形成了煤矿瓦斯的蓄热燃烧室，与煤矿瓦斯直接燃烧室形成了相互嵌套结构，强化了气体的湍流流动及热量回流，实现了燃烧段Ⅱ同时具有直接燃烧和蓄热式浸没燃烧两种模式，为后续不同浓度瓦斯选取不同燃烧模式提供支持。

3、本发明进气段I采用多气室独立进气调控并与燃烧段Ⅱ相互配合，可根据煤矿瓦斯浓度范围实现不同燃烧室的独立调节和多燃烧模态的独立控制，这样在井下瓦斯抽采浓度发生波动过程中，本发明能根据不同的甲烷浓度自动调节进气情况，从而实现在直接燃烧模式、蓄热式浸没燃烧模式、瓦斯直接燃烧与蓄热式浸没燃烧相协同的混合式燃烧模式，三者之间自动切换，从而对不同浓度瓦斯混合气体分别采用不同的燃烧方式，提高了煤矿瓦斯混合气体的燃烧效率。

4、本发明进气段I中独立设置、单独可调的空气或循环烟气管，在上述不同燃烧模式的基础上，监测瓦斯混合气体中氧气浓度情况，通过补充空气来实现对燃烧效率的调节，保证高效燃烧，也可通过循环烟气来实现燃烧温度的调控，避免超温，降低了氮氧化物的生成。

5、本发明的控制中心能实时接收温度传感器监测的温度值，若监测的温度值超过安全阈值，能及时降低进入燃烧段Ⅱ瓦斯混合气体流量，并通过补充空气或循环烟气来稀释燃烧段Ⅱ内的甲烷浓度，从而实现煤矿瓦斯的安全燃烧，通过多种模式切换及安全燃烧的调控，最终实现煤矿大流量、宽浓度范围的煤矿瓦斯燃烧利用，从而达到了煤矿安全生产、瓦斯低碳利用及节能减排的目的。

附图说明

图1是本发明实施例1的内部结构示意图

图2是图1的A-A剖面图和B-B剖面图

图3是本发明实施例2的内部结构示意图

图4是图3的A-A剖面图和B-B剖面图

图5是本发明实施例3的内部结构示意图

图6是图5的A-A剖面图和B-B剖面图。

图中：1-金属壳体，2-I号进气口，3-Ⅱ号进气口，4-稳焰器，5-旋流分配器，6-点火器，7-火焰监测器，8-温度传感器，9-多孔陶瓷蓄热体，10-减阻流动通道，11-点火室，12-燃烧室，13-多孔陶瓷火焰支持层，14-多孔陶瓷阻火层，15-第二阻火式布风板，16-第一阻火式布风板，17-Ⅱ号进气室，18-金属板，19-I号进气室，20-进气管，21-空气或循环烟气管。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，包括进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ和控制中心；燃烧段Ⅱ处于进气段I和回热段Ⅲ之间，且三者通过法兰同轴连接；

所述进气段I包括I号进气室19、Ⅱ号进气室17、进气管20、空气或循环烟气管21，Ⅱ号进气室17上设有Ⅱ号进气口和Ⅱ号出气口，Ⅱ号出气口处装有第二阻火式布风板15，用于阻止火焰进入Ⅱ号进气室17；I号进气室19上设有I号进气口2和I号出气口3，I号出气口2与进气管20一端连接，进气管20另一端穿过Ⅱ号进气室17并从Ⅱ号出气口伸出，靠近进气管另一端的进气管20内装有第一阻火式布风板16和稳焰器4，其中第一阻火式布风板16用于阻止火焰进入I号进气室19，稳焰器4用于进气管20排出气体的稳定燃烧；如图2所示，所述进气管20数量为一个，进气管20与Ⅱ号进气室17同轴布设且处于其中心；空气或循环烟气管21一端处于I号进气室19外部、另一端依次穿过I号进气室19和进气管20并从进气管19另一端伸出；所述空气或循环烟气管21另一端处装有旋流分配器5，用于对排出气体的流向进行调节；所述第一阻火式布风板16和第二阻火式布风板15均为多孔板式或毛细管式；

所述燃烧段Ⅱ内设有多孔陶瓷阻火层14、多孔陶瓷火焰支持层13、燃烧室12和点火室11，多孔陶瓷阻火层14和多孔陶瓷火焰支持层13均为圆环形且同轴布设；其中多孔陶瓷阻火层14用于阻止火焰进入Ⅱ号进气室17；多孔陶瓷火焰支持层13用于低浓度瓦斯气体进行蓄热式浸没燃烧；所述多孔陶瓷火焰支持层13的截面为等截面布置；燃烧室12处于多孔陶瓷阻火层14和多孔陶瓷火焰支持层13的轴线上，且多孔陶瓷火焰支持层13一端及燃烧室12一端均与点火室11一端连通；燃烧室12另一端与进气管20另一端连通，使I号进气室19进入的低浓度瓦斯气体经过进气管20进入燃烧室11进行直接燃烧；且空气或循环烟气管21另一端伸入燃烧室11内，使经过空气或循环烟气管21的气体进入燃烧室12；多孔陶瓷阻火层14一端与Ⅱ号出气口同轴连接，用于使Ⅱ号进气室17进入的低浓度瓦斯气体进入多孔陶瓷火焰支持层13；所述点火室11内设有点火器6、火焰监测器7和温度传感器8，点火器6用于点燃进入燃烧段Ⅱ的低浓度瓦斯气体；火焰监测器7和用于监测燃烧段Ⅱ内的火焰情况；温度传感器8用于监测燃烧段Ⅱ内的温度情况；

所述回热段Ⅲ内设有多孔陶瓷蓄热体9，用于对燃烧产生的热量蓄热；多孔陶瓷蓄热体9内设置有多个减阻流动通道10，用于使燃烧后的气体从减阻流动通道10快速排出；

在I号进气口2和Ⅱ号进气口3处均装有气体浓度监测装置，其包括甲烷浓度传感器和氧气浓度传感器，用于监测I号进气口2和Ⅱ号进气口3处的气体浓度数据；I号进气口2、Ⅱ号进气口3和空气或循环烟气管20一端处均装有流量调节阀，用于对进入I号进气室19、Ⅱ号进气室17和空气或循环烟气管21的气体流量进行控制；所述控制中心与点火器6、火焰监测器7、温度传感器8、各个气体浓度监测装置和各个流量调节阀连接，用于控制点火器6的开闭，并接收火焰监测器7、温度传感器8和各个气体浓度监测装置反馈的数据，经过分析处理后，对各个流量调节阀的开度进行调节。

作为本发明的一种改进，所述进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ的外壳均为金属壳体1，各段截面为圆形或方形，所述金属壳体1内壁设有有耐火层，用于对各段进行防火；金属壳体1外壁设有保温层，用于对各段进行保温。

作为本发明的另一种改进，所述多孔陶瓷阻火层14、多孔陶瓷火焰支持层13及多孔陶瓷蓄热体9分别为不同材质(三氧化二铝、堇青石、莫来石等)、不同孔型(方孔、圆孔、多边形孔等)的蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或多孔耐火材料中的一种或多种的组合制成；所述火焰监测器7为红外光谱探测器、紫外光谱探测器、离子探针或多光谱探测器中的一种或几种的组合。

实施例2：

如图3和4所示，该紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置与实施例1的区别仅在于：多孔陶瓷火焰支持层13的截面为梯级布置。

实施例3：

如图5和6所示，该紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置与实施例1的区别仅在于：进气管20数量为五个，其中一个进气管20与Ⅱ号进气室17同轴布设且处于其中心，其余四个进气管环绕在该进气管周围均匀布设。

上述实施例1至3的工作方法均相同，具体步骤为：

步骤一、确定紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置中第一阻火式布风板16及第二阻火式布风板15的阻火孔径、多孔陶瓷阻火层14的设计孔径、多孔陶瓷火焰支持层13的设计孔径和多孔陶瓷蓄热体9的设计孔径，具体为：

①测试分析当前煤矿瓦斯混合气体中各种气体的浓度：C_CH4、C_O2、C_CO2、C_N2；

②实验测定当前煤矿瓦斯混合气体在650℃时的着火浓度下限临界氧浓度及火焰传播速度S_L；

③确定第一阻火式布风板16及第二阻火式布风板15的阻火孔径d₀为：

其中：d₀-阻火孔径，m；d_cr-临界阻火孔径，m；a-各个阻火式布风板的有效面积比(截面总面积与总孔隙截面积之比)；H-各个阻火式布风板的厚度，m；S_L-瓦斯混合气体在650℃时的火焰传播速度S_L，m/s；

④确定多孔陶瓷阻火层14的设计孔径：

确定多孔陶瓷火焰支持层13的设计孔径：

确定多孔陶瓷蓄热体9的设计孔径：

其中：d_p-多孔陶瓷的选用孔径，m；k-瓦斯混合气体的导热系数；S_L-瓦斯混合气体在650℃时的火焰传播速度S_L，m/s；ρ-瓦斯混合气体的密度，kg/m³；C_p-瓦斯混合气体的比热，kJ/m³·℃；

步骤二、将紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置组装完成，并将其I号进气口2和Ⅱ号进气口3均与当前煤矿的瓦斯抽采管路连通；将空气或循环烟气管20一端与空气压缩机或烟气循环泵连接，完成布设；

步骤三、当前煤矿的瓦斯抽采管路将抽采的瓦混合气体持续输送至I号进气口2和Ⅱ号进气口3，此时I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的气体浓度监测装置对瓦斯混合气体中各种气体进行监测并反馈给控制中心，控制中心根据监测结果实时对各个流量调节阀进行控制，从而实现对不同瓦斯混合气体的燃烧利用，具体为：

A、当I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于8％时，控制中心控制I号进气口2的流量调节阀处于最大开度，同时关闭II号进气口3的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从I号进气口2依次经过I号进气室19、进气管20进入燃烧室12，接着控制中心控制点火器6点火实现煤矿瓦斯的直接燃烧；同时温度传感器8和火焰监测器7实时监测燃烧室12内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

B、当I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于5％但小于8％时，控制中心控制I号进气口2的流量调节阀的开启度不超过额定工况的50％，同时开启II号进气口3的流量调节阀处于最大开度，此时瓦斯混合气体一部分从I号进气口2依次经过I号进气室19、进气管20进入燃烧室12，另一部分从Ⅱ号进气口3依次经过Ⅱ号进气室17进入多孔陶瓷火焰支持层13，实现煤矿瓦斯直接燃烧与蓄热式浸没燃烧相协同的混合式燃烧，同时温度传感器8和火焰监测器7实时监测燃烧室12内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

C、当I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于3％但小于5％时，控制中心控制Ⅱ号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭I号进气口2的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从Ⅱ号进气口3依次经过Ⅱ号进气室17进入多孔陶瓷火焰支持层13，实现煤矿瓦斯的蓄热式浸没燃烧；同时温度传感器8和火焰监测器7实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

D、当I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均小于3％时，控制中心控制I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的流量调节阀关闭，并开启空气或循环烟气管20的流量调节阀，使空气或循环烟气经过空气或循环烟气管20进入燃烧室12及点火室进行吹扫；

E、当I号进气口2和Ⅱ号进气口3各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于8％，同时监测的氧气浓度均小于12％时，控制中心控制I号进气口2的流量调节阀处于最大开度，同时关闭II号进气口3的流量调节阀，并开启空气或循环烟气管20的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从I号进气口2依次经过I号进气室19、进气管20进入燃烧室12，同时将空气通过空气或循环烟气管20输送至燃烧室12内增加燃烧室12内的氧气浓度，从而实现煤矿瓦斯的完全燃烧；

F、在上述各种情况进行瓦斯燃烧利用过程中，当温度传感器8监测的温度值超过1200℃时，控制中心控制I号进气口2的流量调节阀开启度减小、并关闭II号进气口3的流量调节阀，此时降低瓦斯混合气体进入燃烧室12内的流量，同时开启空气或循环烟气管20的流量调节阀并控制其开启度，使空气或循环烟气进入燃烧室12内稀释瓦斯混合气体中甲烷浓度，从而实现煤矿瓦斯的安全燃烧。

另外上述实施例不仅适用于煤矿瓦斯气体的燃烧，也可以适用于其它类可燃气体如高炉煤气、沼气、生物质气等可燃气体的燃烧，可以根据需要调整参数实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，其特征在于，包括进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ和控制中心；燃烧段Ⅱ处于进气段I和回热段Ⅲ之间，且三者通过法兰同轴连接；

所述进气段I包括I号进气室、Ⅱ号进气室、进气管、空气或循环烟气管，Ⅱ号进气室上设有Ⅱ号进气口和Ⅱ号出气口，Ⅱ号出气口处装有第二阻火式布风板，用于阻止火焰进入Ⅱ号进气室；I号进气室上设有I号进气口和I号出气口，I号出气口与进气管一端连接，进气管另一端穿过Ⅱ号进气室并从Ⅱ号出气口伸出，靠近进气管另一端的进气管内装有第一阻火式布风板和稳焰器，其中第一阻火式布风板用于阻止火焰进入I号进气室，稳焰器用于进气管排出气体的稳定燃烧；空气或循环烟气管一端处于I号进气室外部、另一端依次穿过I号进气室和进气管并从进气管另一端伸出；所述空气或循环烟气管另一端处装有旋流分配器，用于对排出气体的流向进行调节；

所述燃烧段Ⅱ内设有多孔陶瓷阻火层、多孔陶瓷火焰支持层、燃烧室和点火室，多孔陶瓷阻火层和多孔陶瓷火焰支持层均为圆环形且同轴布设；其中多孔陶瓷阻火层用于阻止火焰进入Ⅱ号进气室；多孔陶瓷火焰支持层用于低浓度瓦斯气体进行蓄热式浸没燃烧；燃烧室处于多孔陶瓷阻火层和多孔陶瓷火焰支持层的轴线上，且多孔陶瓷火焰支持层一端及燃烧室一端均与点火室一端连通；燃烧室另一端与进气管另一端连通，使I号进气室进入的低浓度瓦斯气体经过进气管进入燃烧室进行直接燃烧；且空气或循环烟气管另一端伸入燃烧室内，使经过空气或循环烟气管的气体进入燃烧室；多孔陶瓷阻火层一端与Ⅱ号出气口同轴连接，用于使Ⅱ号进气室进入的低浓度瓦斯气体进入多孔陶瓷火焰支持层；所述点火室内设有点火器、火焰监测器和温度传感器，点火器用于点燃进入燃烧段Ⅱ的低浓度瓦斯气体；火焰监测器用于监测燃烧段Ⅱ内的火焰情况；温度传感器用于监测燃烧段Ⅱ内的温度情况；

所述回热段Ⅲ内设有多孔陶瓷蓄热体，用于对燃烧产生的热量蓄热；多孔陶瓷蓄热体内设置有多个减阻流动通道，用于使燃烧后的气体从减阻流动通道排出；

在I号进气口和Ⅱ号进气口处均装有气体浓度监测装置，用于监测I号进气口和Ⅱ号进气口处的气体浓度数据；I号进气口、Ⅱ号进气口和空气或循环烟气管一端处均装有流量调节阀，用于对进入I号进气室、Ⅱ号进气室和空气或循环烟气管的气体流量进行控制；所述控制中心与点火器、火焰监测器、温度传感器、各个气体浓度监测装置和各个流量调节阀连接，用于控制点火器的开闭，并接收火焰监测器、温度传感器和各个气体浓度监测装置反馈的数据，经过分析处理后，对各个流量调节阀的开度进行调节。

2.根据权利要求1所述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，其特征在于，所述进气管数量为一个或多个，若为一个，则进气管与Ⅱ号进气室同轴布设且处于其中心；若为多个，则其中一个进气管与Ⅱ号进气室同轴布设且处于其中心，其余进气管环绕在该进气管周围均匀布设。

3.根据权利要求1所述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，其特征在于，所述进气段I、燃烧段Ⅱ、回热段Ⅲ的外壳均为金属壳体，各段截面为圆形或方形，所述金属壳体内壁设有耐火层，用于对各段进行防火；金属壳体外壁设有保温层，用于对各段进行保温。

4.根据权利要求1所述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，其特征在于，所述第一阻火式布风板和第二阻火式布风板均为多孔板式或毛细管式。

5.根据权利要求1所述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，其特征在于，所述多孔陶瓷阻火层、多孔陶瓷火焰支持层及多孔陶瓷蓄热体分别为不同材质、不同孔型的蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或多孔耐火材料中的一种或多种的组合制成；所述多孔陶瓷火焰支持层的截面为等截面或梯级布置。

6.根据权利要求1所述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置，其特征在于，所述火焰监测器为红外光谱探测器、紫外光谱探测器、离子探针或多光谱探测器中的一种或几种的组合；所述气体浓度监测装置包括甲烷浓度传感器和氧气浓度传感器。

7.一种根据权利要求1至6任一项所述紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、确定紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置中第一阻火式布风板及第二阻火式布风板的阻火孔径、多孔陶瓷阻火层的设计孔径、多孔陶瓷火焰支持层的设计孔径和多孔陶瓷蓄热体的设计孔径，具体为：

①测试分析当前煤矿瓦斯混合气体中各种气体的浓度：C_CH4、C_O2、C_CO2、C_N2；

②实验测定当前煤矿瓦斯混合气体在650℃时的着火浓度下限LFL_CH4、临界氧浓度C_O2,cr及火焰传播速度S_L；

③确定第一阻火式布风板及第二阻火式布风板的阻火孔径d₀为：

其中：d₀-阻火孔径，m；d_cr-临界阻火孔径，m；a-各个阻火式布风板的有效面积比；H-各个阻火式布风板的厚度，m；S_L-瓦斯混合气体在650℃时的火焰传播速度S_L，m/s；

④确定多孔陶瓷阻火层的设计孔径：

确定多孔陶瓷火焰支持层的设计孔径：

确定多孔陶瓷蓄热体的设计孔径：

其中：d_p-多孔陶瓷的选用孔径，m；k-瓦斯混合气体的导热系数；S_L-瓦斯混合气体在650℃时的火焰传播速度S_L，m/s；ρ-瓦斯混合气体的密度，kg/m³；C_p-瓦斯混合气体的比热，kJ/m³·℃；

步骤二、将紧凑式煤矿瓦斯多模态燃烧装置组装完成，并将其I号进气口和Ⅱ号进气口均与当前煤矿的瓦斯抽采管路连通；将空气或循环烟气管一端与空气压缩机或烟气循环泵连接，完成布设；

步骤三、当前煤矿的瓦斯抽采管路将抽采的瓦斯混合气体持续输送至I号进气口和Ⅱ号进气口，此时I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置对瓦斯混合气体中各种气体进行监测并反馈给控制中心，控制中心根据监测结果实时对各个流量调节阀进行控制，从而实现对不同瓦斯混合气体的燃烧利用，具体为：

A、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于8％时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭II号进气口的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从I号进气口依次经过I号进气室、进气管进入燃烧室，接着控制中心控制点火器点火实现煤矿瓦斯的直接燃烧；同时温度传感器和火焰监测器实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

B、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于5％但小于8％时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀的开启度不超过额定工况的50％，同时开启II号进气口的流量调节阀处于最大开度，此时瓦斯混合气体一部分从I号进气口依次经过I号进气室、进气管进入燃烧室，另一部分从Ⅱ号进气口依次经过Ⅱ号进气室进入多孔陶瓷火焰支持层，实现煤矿瓦斯直接燃烧与蓄热式浸没燃烧相协同的混合式燃烧，同时温度传感器和火焰监测器实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

C、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于3％但小于5％时，控制中心控制Ⅱ号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭I号进气口的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从Ⅱ号进气口依次经过Ⅱ号进气室进入多孔陶瓷火焰支持层，实现煤矿瓦斯的蓄热式浸没燃烧；同时温度传感器和火焰监测器实时监测燃烧室内的温度数据及火焰数据并反馈给控制中心；

D、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均小于3％时，控制中心控制I号进气口和Ⅱ号进气口各自的流量调节阀关闭，并开启空气或循环烟气管的流量调节阀，使空气或循环烟气经过空气或循环烟气管进入燃烧室及点火室进行吹扫；

E、当I号进气口和Ⅱ号进气口各自的气体浓度监测装置监测的甲烷浓度均大于等于8％，同时监测的氧气浓度均小于12％时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀处于最大开度，同时关闭II号进气口的流量调节阀，并开启空气或循环烟气管的流量调节阀，此时瓦斯混合气体从I号进气口依次经过I号进气室、进气管进入燃烧室，同时将空气通过空气或循环烟气管输送至燃烧室内增加燃烧室内的氧气浓度，从而实现煤矿瓦斯的完全燃烧；

F、在上述各种情况进行瓦斯燃烧利用过程中，当温度传感器监测的温度值超过1200℃时，控制中心控制I号进气口的流量调节阀开启度减小、并关闭II号进气口的流量调节阀，此时降低瓦斯混合气体进入燃烧室内的流量，同时开启空气或循环烟气管的流量调节阀并控制其开启度，使空气或循环烟气进入燃烧室内稀释瓦斯混合气体中甲烷浓度，从而实现煤矿瓦斯的安全燃烧。