孫金宇畢業(yè)論文終稿

1、單位代碼：10433學 號：Y1202061分類號：TK05密 級：山東理工大學碩士學位論文煤礦乏風的預熱催化氧化試驗研究Experimental Study of Coal Mine Ventilation Air Methane Preheat Catalytic Oxidation 研究生: 孫金宇 指導教師: 劉 永 啟 教授 協助指導教師： 鄭斌 講師 毛明明 講師 孟建 講師 申請學位門類級別: 工學碩士 學科專業(yè)名稱: 動力機械及工程 研 究 方 向: 低品質能源與余熱高效利用論文完成日期: 2014年4月10日 獨 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研

2、究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得山東理工大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名： 時間： 年 月 日關于論文使用授權的說明本人完全了解山東理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱；學?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播學位論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。(保密的學位論文在解密后應遵守此協議)研究生簽

3、名： 時間： 年 月 日導師簽名： 時間： 年 月 日山東理工大學碩士學位論文 摘要摘要我國每年通過煤礦排入大氣的甲烷約為200億Nm3/h，其中超低濃度乏風瓦斯占瓦斯總量的80%以上，但超低濃度乏風瓦斯具有風量大、甲烷濃度低、風量和甲烷濃度波動范圍大等特點，由于難以利用而被直接排空，這就造成了嚴重的環(huán)境污染和能源浪費。因此研究煤礦乏風瓦斯的利用技術具有重要的意義。本文針對山東理工大學自行搭建的煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化試驗裝置，首先對其進行改造設計，以實現試驗裝置的穩(wěn)定自維持運行，利用試驗臺進行了一系列起動及運行性能試驗研究，得到結果如下：（1）起動性能試驗研究，研究結果表明：隨著乏風流量的增

4、加，升溫速率逐漸降低，同時氧化床內同一截面上的溫度均勻性有所改善；隨著加熱功率的增加，升溫速率逐漸提高，但同時氧化床內同一截面上的溫度均勻性更差；試驗裝置的最佳起動流量比例系數為0.30-0.40，各流量比例系數情況下的最低起動功率為0.03KW/m3，最佳起動功率為最低起動功率的1.3-1.6倍。（2）氧化性能試驗研究，研究結果表明：隨空速的增大，氧化床溫度和甲烷轉化率均是先有緩慢增長后出現明顯下降，預熱器能量回收效率出現下降，排煙溫度有所提高；隨著甲烷濃度的增大，氧化床溫度和甲烷轉化率均有所提高，預熱器能量回收率也隨之增大，排煙溫度出現增長；隨著氧化床入口溫度的提高，氧化床溫度和甲烷轉化率

5、均出現顯著增長，預熱器能量回收效率和排煙溫度均有一定程度的提高；（3）阻力特性試驗研究，研究結果表明：隨乏風流量的增大，各部分阻力損失均有所增長，乏風段和煙氣段的增長隨風量近似呈二次曲線，氧化床段的增長隨風量近似呈線性；隨著氧化床溫度的增加，各部分阻力損失均增大，乏風段與煙氣段損失與溫度近似呈指數增長關系，氧化床內阻力損失與溫度近似呈線性增長關系；根據試驗數據對試驗裝置各部分的阻力損失分別進行了擬合，得到經驗公式。關鍵詞：煤礦乏風，預熱催化氧化，起動性能，催化氧化性能，阻力特性。VI山東理工大學碩士學位論文 AbstractAbstractMore than twenty billion cu

6、bic meters of methane is discharged each yeah in China, 80 percent of the coal mine methane is of ultra-low concentration, which has the quality of huge volume, low concentration and it fluctuate strongly in amount and concentration. So most of methane is discharged without any treatment, as a resul

7、t, environment pollution and energy waste is increasingly serious. So it is of vital importance to study new technology dealing with ultra-low concentration methane.The characteristic of a late-model preheat catalytic oxidation device was experimentally studied in this paper. Before that, some impro

8、vements and new design were done to keep the device self-running. Then lots of experiments were done to study the performance of the device, the contents are as follows:(1)The study of starting performance shows that, with the increase of flow rate, the heating rate decrease, and the temperature of

9、oxidation bed is more even; with the increase of heating power, the heating rate increase, and the evenness of temperature in oxidation bed is worse; the best coefficient of flow rate is between 0.3 and 0.4, the lowest starting power is 0.03kW/m3, and the optimum starting power is 1.3-1.6 times of t

10、he lowest starting power.(2) The study of oxidizing performance shows that, with the increase of flow rate, the temperature in oxidation bed and the conversion rate of methane increase slowly then decreases rapidly, the efficiency of energy recovering decreases rapidly, and the temperature of exhaus

11、t gas increases slightly; with the increases of concentration of methane, the temperature in oxidation bed and the conversion rate of methane increase, the efficiency of energy recovering increases, and the temperature of exhaust gas increases slightly; with the increase of temperature of oxidation

12、bed entrance, the temperature in oxidation bed and the conversion rate of methane increase, the efficiency of energy recovering increases, and the temperature of exhaust gas increases to some extent.(3) The study of resistance characteristics shows that, resistance loss in each part increases with t

13、he increase of flow rate, but the pattern are different: the resistance loss in preheater increase quadratic, the resistance loss in oxidation bed increase linearly; resistance loss in each part increases with the increase of temperature in oxidation bed, but the pattern are different: the resistanc

14、e loss in preheater increase quadratic, the resistance loss in oxidation bed increase linearly; empirical formula of the device was got on the basic of lots experiments.Key word: coal mine ventilation air methane, preheat catalytic oxidation, starting performance, resistance characteristic.山東理工大學碩士學

15、位論文 目錄目錄摘要IAbstractII目錄IV第一章 緒論11.1 選題背景和意義11.2 國內外研究現狀21.2.1 輔助燃料21.2.2 主要燃料31.3 本課題研究內容8第二章 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置試驗系統92.1 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置系統組成92.1.1 供氣系統92.1.2 預熱系統122.1.3 加熱起動系統132.1.4 催化氧化反應室142.1.5 排氣系統152.1.6 控制系統152.2 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置工作原理152.3 煤礦乏風預熱催化氧化裝置改造162.3.1 能量計算方法162.3.2 改造前裝置能量計算結果分析172.3.3 改進設

16、計方案182.3.4 改造后裝置運行效果202.4 試驗參數212.5 本章小結22第三章 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置起動特性試驗研究243.1 試驗條件下的甲烷起燃溫度243.2 流量比例系數對裝置起動性能的影響243.2.1 流量比例系數對升溫速率的影響253.2.2 流量比例系數對溫度不均勻系數的影響263.3 起動功率對裝置起動性能的影響273.3.1 起動功率對升溫速率的影響273.3.2 起動功率對截面溫度均勻性的影響283.4 最佳起動工況283.5 本章小結30第四章 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置氧化性能試驗研究314.1 空速對裝置運行情況的影響314.1.1 空速對氧化床

17、溫度分布的影響314.1.2 空速對甲烷轉化率的影響324.1.3 空速對預熱器能量回收效率的影響334.1.4 空速對排煙溫度的影響344.2 甲烷濃度對裝置運行情況的影響344.2.1 甲烷濃度對氧化床溫度分布的影響344.2.2 甲烷濃度對甲烷轉化率的影響354.2.3 甲烷濃度對預熱器能量回收效率的影響374.2.4 甲烷濃度對排煙溫度的影響374.3 本章小結38第五章 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置阻力特性試驗研究395.1 裝置阻力損失分布情況395.1.1 阻力損失分布隨乏風流量的變化情況395.1.2 阻力損失分布隨溫度變化情況415.2 預熱器阻力損失的數學描述425.2.1

18、 預熱器冷態(tài)阻力損失的數學描述435.2.2 預熱器熱態(tài)阻力損失的數學描述445.3 氧化床阻力損失的數學描述465.3.1 氧化床冷態(tài)阻力損失的數學描述465.3.2 氧化床熱態(tài)阻力損失的數學描述475.4 裝置整體阻力損失的數學描述475.5 本章小結48第六章 全文總結與工作展望496.1 全文總結496.2 工作展望50致謝51參考文獻52在學期間公開發(fā)表論文及著作情況55山東理工大學碩士學位論文 第一章 緒論第一章 緒論1.1 選題背景和意義能源是經濟發(fā)展的重要物質基礎，在人類生存與發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的作用。目前，隨著經濟規(guī)模的不斷擴大，我國能源消費總量不斷增長，能源消費呈持續(xù)上升

19、趨勢。而我國能源資源結構的基本特點是貧油、少氣、富煤：石油年產量基本穩(wěn)定在2億噸左右，占世界總儲量的2.4%，主要依靠進口，而進口渠道單一，對中東的依賴度居高不下，2013年原油對外依存度估計達到58.1%1；天然氣儲量占世界總儲量的1.2%，且其需求增長速度高于產量，對外依存也是節(jié)節(jié)攀升，2013年天然氣對外依存度達到31.6%1；我國煤炭資源總量為5.6萬億噸，其中已探明儲量的有1萬億噸，占世界煤炭資源總存儲量的11%，同時，占我國煤炭、石油、天然氣、水能和核能等一次能源總量的90%以上2，煤炭在我國能源生產與消費中占支配地位。我國能源資源的上述基本特點決定了煤炭的重要能源地位。由于粗放型

20、發(fā)展模式以及以煤炭為主的能源結構和低效能源利用方式，目前，我國煤炭生產與消費量均居世界首位，這導致2013年我國CO2排放量居世界第一，占全球總排放量的27.8%。因此政府做出決策對我國能源結構進行調整：未來十年，將從我國基本國情出發(fā)，強化節(jié)能減排措施，走低碳經濟之路，調整、優(yōu)化能源結構?？傮w戰(zhàn)略是“少用煤、發(fā)展氣”。發(fā)展天然氣、煤層氣、頁巖氣、天然氣水合物等清潔能源。由于我國煤炭儲量大，因此依附在煤層中的煤層氣儲量也相當豐富，已探明的煤層氣儲量達1700億m3。煤層氣主要成分是CH4。CH4體積分數達到5%-15%就會造成爆炸，因此在煤炭開采過程中利用抽排方法將其沖淡并排放到大氣中，由此產生

21、的低濃度含甲烷氣體叫做煤礦乏風瓦斯（約占煤礦甲烷總排放量的64%）。目前，據不完全統計，我國煤礦區(qū)每年因煤炭開采向大氣中排入的甲烷為200多億m3 3，如此巨大的排放量將對環(huán)境、煤礦安全生產、能源利用方面造成巨大的負面影響：在環(huán)境方面，CH4是一種溫室效應很強的氣體，以100年計的CH4溫室效應是CO2的21倍，CH4的溫室效應居第二位（17%），僅次于CO2(55%)，且其對臭氧層的破壞能力是CO2的7倍4，尤其在如今環(huán)境人口壓力日益劇增的嚴峻條件下，控制CH4的排放更是迫在眉睫；在安全生產方面，煤礦開采過程中CH4的體積分數達到5%-15%就會造成爆炸，在世界范圍內，已有數以千計的煤礦爆炸

22、事件，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失，煤礦瓦斯排放的安全性問題亟待解決；在能源利用方面，CH4是一種熱值較高的有限的不可再生清潔能源（完全燃燒產物為CO2和H2O），且我國煤層氣資源豐富，與西氣東輸的天然氣量相當3-5，因此在當下傳統能源日益枯竭的嚴峻形勢下，CH4不加以利用而直接排放造無疑成了能源的極大浪費。若能實現煤礦乏風瓦斯的有效回收利用，使部分甲烷氧化成為CO2和H2O，必然會減少當量溫室氣體排放量，并獲得部分熱能，可用來替代部分能源供煤礦或居民使用，而且該技術所能帶動的其他諸如陶瓷、各類機械制造產業(yè)的效益也是很可觀的6。另外，將煤礦瓦斯處理由單一的耗能模式轉變?yōu)楹哪芘c收益并存、以收益

23、為主的模式，必然能提高煤礦處理瓦斯的積極性，為安全生產提供保障。鑒于此，甲烷的回收利用具有環(huán)保、安全、節(jié)能等多重現實意義。在煤礦排放的瓦斯中，CH4濃度在30%以上的高濃度瓦斯氣體約占總量的5%，目前主要用做民用瓦斯燃氣、工業(yè)瓦斯鍋爐和瓦斯發(fā)電；CH4濃度在6%-30%的瓦斯氣體約占總量的11%，主要采用低濃度瓦斯發(fā)電機組發(fā)電3；CH4濃度在0.1%-1%之間超低濃度乏風瓦斯占瓦斯總量的80%以上7，雖然濃度低但所含CH4總量很高（占64%左右8），由于該濃度的甲烷受到礦井下煤層氣含量、煤炭開采量、通風量等多種因素的影響，存在低于傳統燃燒極限（5.3%）、富集難、濃度波動范圍大等特點，難以利用

24、傳統燃燒方法加以利用，目前基本處于排空狀態(tài)，故而其占煤礦CH4總排放量的比例很大（世界70%，中國90%）。因此研究低濃度CH4的回收利用技術是CH4利用的關鍵環(huán)節(jié)。1.2 國內外研究現狀煤礦乏風具有排放量大、甲烷濃度低，甲烷濃度波動范圍廣的特點，這些特點使煤礦乏風很難使用傳統燃燒器進行燃燒處理9。目前，煤礦乏風的利用技術一般分為作為輔助燃料的利用技術和作為主要燃料的利用技術兩大類10。在實際應用中，作為輔助燃料，主要是利用乏風瓦斯代替部分或全部空氣，以達到節(jié)約主要燃料、減少瓦斯排放的目的，但其利用甲烷的比例比較小，而作為主燃料應用的比例較大。1.2.1 輔助燃料對作為輔助燃料的煤礦乏風瓦斯有

25、以下要求11：主要燃料燃燒后可以達到引燃低濃度瓦斯所需要的溫度；用風地點與回風井距離較近，以便減少輸送費用。極低濃度煤礦瓦斯作為輔助燃料使用時，可節(jié)約8%-10%的主要燃料，減少約20%-80%的甲烷排放量，作為輔助燃料，煤礦乏風瓦斯主要用于內燃機、傳統燃氣輪機、燃燒煤粉發(fā)電、混合廢煤/礦渣/甲烷燃燒系統等。極低濃度煤層氣用作輔助燃料時主要存在的問題是，因煤礦乏風瓦斯在燃料中所占比例較小，導致乏風瓦斯利用率極低。目前美國、澳大利亞等國進行了相關研究和利用，國內這方面則應用較少。1.2.2 主要燃料作為主要燃料，其利用主要采用濃縮富集技術、稀燃燃氣輪機燃燒技術和逆流氧化技術三種方式。目前，濃縮富

26、集技術主要有變壓吸附技術、流化床濃縮技術和膜分離技術。但富集效果都不是很顯著。稀燃燃氣輪機燃燒技術則存在輸出功率低且不穩(wěn)定等問題?，F階段的研究應用主要以逆流氧化技術為主。1.2.2.1 濃縮富集技術乏風瓦斯?jié)饪s技術是大范圍開發(fā)利用煤礦乏風瓦斯的關鍵技術，主要的乏風瓦斯?jié)饪s技術有變壓吸附技術和低溫液化分離技術。變壓吸附技術主要根據吸附劑對瓦斯氣體不同成分的吸附能力不同，且吸附量隨壓力變化有所不同的原理對瓦斯氣體中的不同成分進行分離。變壓吸附技術具有操作靈活方便、耗能低、常溫下連續(xù)運行等優(yōu)點，是倍受關注的瓦斯分離提純的有效技術12,13。Wamuzinski等利用體積分數為0.2%-1.5%的乏風

27、瓦斯對變壓吸附技術進行了研究，并得到結論：在供氣速度為0.49m3/s時得到的氣體濃度是供氣甲烷濃度的2倍 14。中科院理化技術研究所針對含氧煤層氣低溫液化分離技術進行了研究，并在計算機上進行了模擬仿真，得到了大量與實際相吻合的數據。哈爾濱工業(yè)大學低溫與超導技術研究所于2007年8月建立了哈工大-大慶肇州液化天然氣試驗中心，對煤層氣地位液化分離技術進行試驗研究。但低溫分離法設備投資大，運行費用較高，即使處理大規(guī)模的乏風瓦斯也并不經濟15。國內煤礦乏風瓦斯的體積濃度一般低于0.75%，試驗證明，將0.75%的乏風瓦斯經濃縮富集至20%是可以實現的。但這種方法由于存在經濟性差、成本過高等缺點，因此

28、很少采用16。1.2.2.2 稀燃燃氣輪機燃燒技術目前，世界范圍內在稀燃燃氣輪機方面的研究，主要有澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）的貧燃催化燃燒燃氣輪機、澳大利亞能源發(fā)展公司（EDL）的間壁回熱式燃氣輪機和Ingerso-Rand(IR)的催化燃燒微燃氣輪機?；贑H4催化燃燒的試驗數據和渦輪機的設計標準，CSIRO發(fā)明了一種催化燃燒燃氣輪機，該裝置可以處理甲烷濃度1%的乏風，并已申請了專利。EDL開發(fā)的間壁回熱式稀燃燃氣輪機，是利用燃燒放出的熱量將乏風預熱到起燃溫度（700-1000），然后利用乏風驅動氣輪機，該裝置在甲烷濃度高于1.6%時，可以將乏風預熱到700，使裝置穩(wěn)定連續(xù)

29、運行，其缺點是需額外增加較大量的甲烷來達到要求的濃度。美國的Ingerso-Rand也研發(fā)了催化微燃氣輪機并申請了專利，其設計的甲烷濃度低于0.8%17。上海交通大學的尹娟等對貧燃催化燃燒燃氣輪機中乏風瓦斯的催化燃燒的催化燃燒特性進行了模擬研究和試驗研究，分析了甲烷濃度、壓氣機壓比、透平入口溫度和回熱器回熱度對催化燃燒的影響，并對其系統性能與部分負荷特性進行了分析18-21。無論是作為輔助燃料，還是作為主燃料的濃縮富集技術和稀燃燃氣輪機技術，都沒能實現礦井乏風瓦斯有效的規(guī)模化處理，目前最為有效的礦井乏風瓦斯利用方法是逆流氧化技術。該技術又可分為催化逆流反應技術（Catalytic Flow R

30、eserve Reactor簡寫為CFRR）和熱逆流反應技術（Thermal Flow Reserve Reactor簡寫為TFRR）兩種。1.2.2.3熱逆流反應技術（TFRR）熱逆流反應器主要由兩部分蓄放熱陶瓷組成，該技術的工作原理如下：首先用加熱器將熱放熱陶瓷加熱到1000左右，煤礦乏風瓦斯以一個方向流入氧化床，氣體被前半部分陶瓷加熱，溫度不斷升高，直至達到甲烷的氧化溫度，實現氧化。氧化后的廢氣向氧化床的另一側移動，把熱量傳遞給溫度較低的后半部分蓄放熱陶瓷，混合氣溫度逐漸降低。隨著氣體的不斷流入，氧化床入口一側的蓄放熱陶瓷的熱量被新鮮混合氣帶走，溫度逐漸降低，出口一側的蓄放熱陶瓷吸收廢氣

31、的熱量，溫度則逐漸升高，溫度分布曲線逐漸向出口移動。在入口側溫度降至其能將氣體加熱到氧化溫度的溫度之前，改變氣體的流動方向，用之前所述的后半部分蓄放熱陶瓷來加熱氣體，前半部分蓄放熱陶瓷來吸收廢氣的熱量，使溫度曲線向另一側移動，最終實現峰值溫度區(qū)維持在氧化床中心位置附近，待裝置實現自維持即可關閉加熱器。在該技術的試驗及理論研究方面，山東理工大學的劉永啟等對煤礦乏風瓦斯的熱逆流氧化進行了模擬和試驗研究，研究了甲烷濃度、乏風流量、反應區(qū)溫度和換向周期對乏風瓦斯氧化率的影響，并對裝置的阻力特性進行了分析研究22-25。中南大學王鵬飛等人通過理論分析、數值模擬以及試驗相結合的方式，對煤礦乏風低濃度瓦斯熱

32、逆流氧化機理和特性開展了系統綜合的研究，主要研究了裝置散熱損失、乏風甲烷氧化溫度、熱起動溫度場對裝置運行情況的影響，同時研究了甲烷濃度、乏風進氣速度、壁面熱損失、換向半周期和蜂窩陶瓷孔隙率對熱逆流氧化的影響22-29。中國科學院工程熱物理研究所呂元等對TFRR試驗裝置進行了設計，并試驗研究了處理量400-800Nm3/h、甲烷濃度0.4%-0.8%、切換時間10 -50 s時TFRR裝置的運行情況，試驗結果表明：較高的風量、較高的甲烷濃度、較長的切換時間都會導致裝置高溫區(qū)域變長30-32。Krzysztof Gosiewski 等對TFRR裝置的床體最高溫度做了研究，結果表明：隨著熱量的積累，

33、反應裝置內溫度將大幅度提升，但當最高溫度高于1200后，熱力NOx的排放量增大，而且過高的內部溫度也將導致裝置穩(wěn)定性變差33。鄧洋波等對熱熱逆流氧化床的溫度分布和工作特性進行了數值模擬34。Danell等對小型TFRR系統進行了試驗，發(fā)現當甲烷濃度不低于0.19%時，裝置可以運行，但沒有具體給出持續(xù)運行的時間長度 35。K.V.Dobrego等對熱逆流反應器運行的最低稀薄燃燒的甲烷濃度進行了探索，得出了壓力、散熱率、反應器高度、幾何尺寸等重要參數對最低甲烷濃度的影響曲線，并對熱逆流反應器中反應室的按比例增加和優(yōu)化進行了數值模擬，與試驗結果進行了對比，結果表明：按比例放大的反應器的停留時間的增大

34、補償了最高溫度峰值的降低36,37。S. Balaji等人對熱逆流反應器的縮放模型進行了研究，系統研究了熱逆流反應器的復雜工作過程，對反應器主要運行參數，如反應器長度、換向時間和甲烷轉化率等進行了研究，研究結果可以為反應器在最佳工作狀態(tài)下的運行提供一些數據參考38。在該技術的應用方面，國內外已經有了諸多成功案例。1994年，瑞典的MEGTEC公司在英國一家煤礦安裝了一套熱逆流催化氧化裝置，其處理的煤礦乏風中甲烷濃度為0.3%-0.6%，流量為8000Nm3/h。2001年澳大利亞比和比拓公司的Applin煤礦安裝了第二套試驗裝置，處理的瓦斯?jié)舛雀哌_1%，甲烷氧化率為95%，能量回收率為80%，

35、2007年該公司在West Cliff煤礦同時運行了四套MEGTEC公司的熱逆流氧化裝置，這四套裝置可以將該煤礦20%的煤礦乏風瓦斯轉化為有用的電能，其發(fā)電能力為5MW，在世界范圍內，這是首次利用煤礦乏風瓦斯進行大規(guī)模發(fā)電39。在國內，2006年山東理工大學和勝利油田勝動機械有限公司合作，共同研發(fā)了處理能力為10000Nm3/h的臥式煤礦乏風瓦斯熱逆流氧化裝置，并能產生飽和蒸汽40。2007年山東理工大學與淄博淄柴新能源有限公司合作，共同研發(fā)了可處理最低濃度為0.2%的煤礦乏風瓦斯的800Nm3/h立式乏風瓦斯熱逆流氧化試驗裝置，2008年雙方進一步合作，開發(fā)了能夠進行商業(yè)應用的處理能力為40

36、00Nm3/h的立式乏風瓦斯熱逆流氧化裝置，并于2009年在冀中能源邯鄲礦業(yè)集團有限公司陶二煤礦對該裝置進行現場應用試驗，獲得了良好效果。中煤科工集團重慶研究院也進行了大量的蓄熱氧化過程數值模擬研究工作，開發(fā)的乏風瓦斯蓄熱氧化裝置應用效果良好，并申請了多項相關發(fā)明專利41。2009年中科院工程熱物理研究所搭建了煤礦乏風瓦斯熱逆流氧化試驗臺，能夠的，該裝置可處理的甲烷濃度最低達0.5%，處理能力為1000Nm3/h。但是熱逆流氧化技術（TFRR）也存在諸多的問題：從燃燒機理方面，由于是傳統火焰燃燒存在以下缺點42：（1）自由基在氣相引發(fā)導致部分電子激發(fā)態(tài)產物生成，這種產物在躍遷回基態(tài)時能量以不能

37、被利用的可見光形式釋放出去而損失掉，因此能量利用率低；（2）反應溫度高，導致NOx大量生成，研究表明，由于熱量的積累，裝置內溫度大幅度提升，這將導致大量熱力型NOx生成，并且會降低裝置運行的穩(wěn)定性。在實際應用中也發(fā)現其存在一些問題43：（1）放熱、氧化、蓄熱陶瓷成一字型排列，占地面積大；（2）使用大量的陶瓷材料進行蓄放熱，蜂窩陶瓷在長期使用后會發(fā)生開裂、破碎、賭賽等問題，要及時進行更換，因此投入及維護成本高；（3）蜂窩陶瓷用量大，也導致阻力損失大，風機耗能高，運行成本高；（4）要不斷變換方向來保證高溫區(qū)域始終維持在氧化床的中部，同時，換向周期要有準確控制，因此檢測和自動控制程度要求高。1.2.

38、2.4催化逆流反應技術（CFRR）催化逆流反應技術的基本工作原理與熱逆流氧化技術基本相同，只是采用催化劑來降低反應溫度，使換向周期延長。催化燃燒的關鍵是選擇合適的催化劑。催化劑的作用是降低反應的活化能，對催化劑的主要要求有：（1）低溫活性；（2）高溫熱穩(wěn)定性；（3）良好的抗熱和抗機械振動性；（4）不易失活和中毒。對此，要求催化劑具有較高的比表面積、良好的孔隙結構和合適的載體材料。目前使用較為普遍的催化劑為貴金屬催化劑和普通金屬氧化物催化劑43。其中貴金屬催化劑的研究和應用比較廣泛（本試驗所用催化劑即為貴金屬鈀），對于其催化氧化的機理，目前較為同一的看法是：在貴金屬催化劑表面甲烷解離吸附為甲基或

39、亞甲基，它們與貴金屬吸附的氧進一步反應生成CO2和H2O，或者生成化學吸附的甲醛，甲醛從貴金屬上脫附或者與貴金屬所吸附的氧進一步反應生成CO2和H2O。一般認為甲醛作為中間產物，一旦生成就會快速分解成為CO和H2，而不可能以甲醛分子的形式脫附到氣相當中44。貴金屬催化劑具有良好的低溫催化活性和抗中毒能力，但是其高溫穩(wěn)定性較差、易燒結，且由于價格昂貴限制了其推廣應用。金屬氧化物催化劑由于具有低溫高活性的吸附氧和高溫高活性的晶格氧，燃燒活性接近貴金屬催化劑，熱穩(wěn)定性更高，且原料廉價易得，有望在將來部分取代貴金屬催化劑。對于金屬氧化物催化劑表面甲烷催化氧化的機理，目前較為一致的看法是：不同價態(tài)、不同

40、種類的金屬離子固定在晶格中，在晶格中存在可遷移的氧離子，表面吸附氧和晶格氧的活性是影響催化劑活性的主要因素，低溫時由表面吸附氧起氧化作用，高溫時由晶格氧起氧化作用45。而不同的金屬離子會導致催化劑對氧的吸附能力有所不同。目前，催化逆流反應技術（CFRR）主要處于試驗及模擬研究階段。1995年，加拿大礦物與能源技術中心（CANMET）開始研發(fā)煤礦乏風瓦斯催化逆流反應技術，開發(fā)了催化逆流試驗臺，并在該試驗臺上進行了乏風瓦斯催化氧化試驗。1999年，F.Aube等建立了利用催化逆流反應技術來處理乏風瓦斯的數學模型，分別對直徑為200mm和500mm的試驗裝置進行了模擬，主要模擬研究了在不同甲烷流速、

41、甲烷濃度下裝置的運行情況，并與試驗結果進行了對比，發(fā)現與試驗結果吻合良好46。R.Litto等就甲烷催化逆流氧化進行了參數化研究，主要研究了甲烷入口速度、幾何參數和反應裝置換向時間的影響47。2003年，S.Salomons等在一個甲烷催化逆流試驗臺上進行了低濃度甲烷的氧化燃燒試驗和模擬研究，并得到良好效果：當甲烷濃度為0.19%時，CFRR可以維持較高的甲烷轉化率，當甲烷濃度不低于0.22%時，裝置可實現自維持48。國內在該方面的研究較少，2005年，王盈等利用小型反應裝置在負載貴金屬催化劑上進行了低濃度甲烷流向變換催化燃燒的實驗，研究了空速、甲烷濃度、換向周期對溫度分布的影響49。在該技術

42、的實際應用方面，2003年，Lefebvre Freres Ltee 公司在蒙特利爾安裝了小型催化逆流反應裝置，處理1800m3/h的煤礦瓦斯。目前，該技術主要處在試驗階段，尚未有在煤礦現場進行成功大規(guī)模商業(yè)應用的案例。催化逆流氧化技術(CFRR)與熱逆流氧化技術（TFRR）相比有了一些改進之處，同時也產生了一些問題：由于采用了催化氧化，改變了燃燒機理（如上所述），因此有以下優(yōu)點：（1）實現對甲烷的直接氧化，提高燃燒的轉化率50；（2）以輻射熱的形式加熱反應物，避免了能量以可見光的形式散失至空氣中，提高了熱效率51；（3）降低了反應物的起燃溫度和反應溫度，實現低溫條件下的穩(wěn)定燃燒，抑制了熱力N

43、Ox的產生52；（4）多孔介質為氣體燃料提供了更多的駐留時間，保證了催化燃燒反應的進行。另一方面，燃燒方式的改變也造成了一些問題：（1）反應溫度的降低減低了可用熱能的品質；（2）由于目前甲烷的催化燃燒多選用貴金屬催化劑因此造成設備運行成本高。另外，由于仍然采用逆流技術，未做優(yōu)化，故而即便實現了商業(yè)應用也會存在與熱逆流氧化相同的實際應用問題（如上熱逆流氧化技術中所述）。1.2.2.5預熱催化氧化技術預熱催化氧化技術是一種新型的處理低濃度煤礦乏風瓦斯的技術，其主要工作原理43如下：新鮮進氣經預熱器被加熱，然后經過反應室放熱，排放的高溫廢氣經過預熱器加熱新鮮進氣。與逆流氧化技術相比，其關鍵是不需要進

44、行氣流換向。因此具有以下一系列優(yōu)點43：（1）不需要蓄放熱陶瓷，大大減少了陶瓷的用量，同時降低了沿程阻力，可減少風機耗能，達到了節(jié)約運行和維護成本的目的；（2）由于進排氣要進行換熱，管道需要重疊布置，因此減少了裝置占地面積，節(jié)省了大量空間；（3）高溫廢氣將熱量通過換熱器傳遞給新鮮進氣，一旦裝置達到穩(wěn)定運行，溫度場不會如逆流反應器一樣隨時間偏移，因此無需進行換向，降低了控制難度。1.3 本課題研究內容本課題針對山東理工大學自行研發(fā)的預熱催化氧化反應裝置進行改造設計，使其實現自維持，并在改造后的試驗臺上進行起動性能和運行性能的試驗研究。具體內容如下：（1）起動性能研究：研究不同起動工況下升溫速率及

45、氧化床內溫度均勻性的變化規(guī)律，得到單位乏風流量下的最佳起動功率；（2）氧化性能研究：研究甲烷濃度、空速、入口溫度等因素對氧化床內溫度分布、甲烷轉化率、預熱器能量回收效率、排煙溫度、試驗裝置散熱損失等的影響規(guī)律；（3）阻力特性研究：研究預熱催化氧化裝置的阻力損失分布隨乏風流量及氧化床溫度的變化情況，并得到裝置各部分阻力損失計算的經驗公式；55山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預熱催化氧化裝置試驗系統第二章 煤礦乏風預熱催化氧化裝置試驗系統2.1 煤礦乏風瓦斯預熱催化氧化裝置系統組成圖2-2試驗臺實物圖本試驗應用山東理工大學自行研發(fā)的煤礦乏風預熱催化氧化試驗臺（如圖2-1所示），煤礦乏風預

46、熱催化氧化裝置主要由供氣系統、預熱系統、加熱起動系統、催化氧化反應室、排氣系統和控制系統六部分組成。2.1.1 供氣系統供氣系統由風機、天然氣瓶組、穩(wěn)壓箱和進氣管道A等組成，實現了天然氣和空氣的供給及其混合?？諝庥?-19型離心通風機供給，該通風機的相關參數如表2-1所示。它由CHF100A系列矢量通風型變頻器控制，該變頻器輸出頻率范圍是0-50Hz。表2-1風機相關參數參數數值風量1410-1704 m3/h工作溫度30 電機型號2機號4風壓3507-3258 Pa主軸轉速2900 r/min功率3 kW試驗所用燃氣為天然氣，由六個組合在一起的鋼瓶組（如圖2-3所示）供給，每個鋼瓶各有一個閥

47、門控制，并通過高壓氣管連接到進氣管道，在高壓氣管和進氣管道的連接處有一控制閥門控制輸出天然氣量，并有兩個壓力表，一個測量高壓氣管內的壓力（最大量程為40MPa，若高壓管內的壓力超過該值，則安全閥自動打開放氣）、一個測量控制閥門的輸出壓力（最大量程為1MPa），通過控制閥門控制輸出壓力來控制天然氣輸出量。圖2-3 天然氣瓶組在天然氣輸出過程中，因泄壓導致體積膨脹且吸熱，管道、閥門處溫度降低，空氣中的水蒸汽遇到冷的管道、閥門，就液化、凝固、凝華形成水滴或結霜，引起管道堵塞，導致輸出的天然氣壓力不穩(wěn)定。為解決該問題，利用CNG10/10C-M型穩(wěn)壓箱（如圖2-4所示）穩(wěn)壓，該穩(wěn)壓箱采用水浴方式把泄壓

48、后的天然氣加熱到60左右，加熱后的天然氣壓力從20MPa降至0-0.4MPa，經高壓氣管連接到進氣管道。通過控制調壓器出口壓力和針型閥開度來控制天然氣流量。圖2-4 穩(wěn)壓箱一定濃度的甲烷氣體是通過空氣和天然氣的混合來制得的。天然氣管道（外徑21mm）沿與空氣流向相垂直的方向焊接到空氣管道（內徑207mm）上實現混合，由于甲烷濃度在1.2%以下，空氣流量相對很大，且混合管道長度足夠，因此能實現兩氣體的充分混合。天然氣管道上裝有孔板流量計來測量甲烷流量?？装辶髁坑嬘晒?jié)流裝置、導壓管和壓差計三部分組成。節(jié)流裝置工作溫度20，工作壓力0.2515MPa，流量測量范圍為50-1500Nm3/h，流量不確

49、定度在1.026%以內。壓差計采用FB1151DP4E22B81DOSJK型壓力/差壓變送器，其測量范圍為0-10kPa，最大工作壓力4MPa。另外選用XML5000系列帶自動溫度、壓力補償的流量積算顯示控制儀對該孔板流量計進行補償和控制，實現流量的精確測量。混合氣管道上裝有SBL智能靶式流量計來測量混合氣的流量。所用SBL智能靶式流量計靈敏度極高，可測量最低流速為0.8m/s，計量準確、總量測量精度可達0.2%，最大測量范圍可達1：30，重復性好，一般在0.05%-0.08%，壓力損失僅為標準孔板的1/2P左右。進排氣甲烷濃度采用德國rbr益康ecom-J2KN便攜式多功能煙氣分析儀與GJG

50、10H(C)型管道紅外甲烷傳感器配合測量。ecom-J2KN便攜式多功能煙氣分析儀測量甲烷濃度范圍為0-6.00%，測量精度為±5%倍的測量值，分辨率為0.01%。GJG10H(C)型管道紅外甲烷傳感器分辨率在10.0%以下時為0.01，測量范圍為0-1%時基本誤差控制在±0.07%以內，傳感器的響應時間為20s。2.1.2 預熱系統預熱系統主要包括預熱器B1、B2，其型號分別為GW-30、LODO1型氣-氣板式換熱器，采用雙向波紋板（橫向正弦波紋、縱向人字型波紋）提高換熱系數并吸收一定的熱膨脹量。兩換熱器的設計流量均為為煙氣側1000Nm3/h、空氣側1000Nm3/h，

51、設計傳熱量分別為195kW、110kW。兩換熱器的主要設計參數分別如表2-2、2-3所示。表2-2 GW-36型氣-氣板式換熱器的主要設計參數名稱單位熱側（煙氣）冷側（空氣）設備設計壓降Pa450500設計壓力/試驗力kPa8/108/10設計溫度800600板片厚度mm0.80.7板間距mm1212設計換熱面積m231板片材質SUS310/USU304SUS310/USU304長x寬x高mm2000x700x110表2-3 LODO1型氣-氣板式換熱器的主要設計參數名稱單位熱側（煙氣）冷側（空氣）設備設計壓降Pa450500設計壓力/試驗力kPa8/108/10設計溫度550400板片厚度m

52、m0.80.7板間距mm1212設計換熱面積m246.5板片材質SUS310/USU304SUS310/USU304長x寬x高mm700x700x3000在乏風入口管道處有一蝶形閥，可以根據試驗需求控制混合氣的流入流出。乏風入口、乏風出口、廢氣入口、廢氣出口分別布置有TPS-08-500-T型皮托管，其搭配壓差變送器使用測量壓力損失和溫度，該皮托管的直徑8mm，長度500mm，使用溫度范圍為0-1000。任意兩個皮托管的輸出端連接到CP200系列微差壓變送器，便可以測量兩處的壓差。其中CP200系列微差壓變送器由法國KIMO儀器制造，可以實現風速、溫度、濕度、壓差、風量的變送。裝置的阻力損失主

53、要包括氧化床阻力損失（如圖2-5中DPEC）、預熱器乏風段阻力損失（如圖2-5中DPAB）、預熱器煙氣段阻力損失（如圖2-5中DPCD）和彎管段阻力損失（如圖2-5中DPBE）四部分。各部分阻力損失的測量方法如下：將乏風出口與廢氣入口的皮托管總壓管連接到CP200系列微差壓變送器來測量氧化床阻力損失，乏風入口與廢氣出口的皮托管總壓管連接到CP200系列微差壓變送器來測量總阻力損失，將乏風入口與乏風出口的皮托管總壓管分別連接到CP200系列微差壓變送器來測量預熱器乏風段的阻力損失，將廢氣入口與煙氣出口的皮托管總壓管分別連接到CP200系列微差壓變送器來測量預熱器煙氣段的阻力損失，彎管段的阻力損失

54、則可以根據流體流動手冊中的經驗公式進行計算53。圖2-5壓力測點布置示意圖2.1.3 加熱起動系統圖2-6 電加熱器布置圖加熱起動系統主要包括電加熱器及控制柜。其中電加熱器最大起動功率為20kW，由12根纏繞有電加熱絲且互相平行的支撐管組成，每個支撐管的兩端都插在保溫隔熱層上，電加熱絲錯排布置，使來流受熱均勻，如圖2-6所示?？刂乒癫捎肨CW-32A系列智能化精密溫度控制儀，輸入信號來自K型熱電偶，該控制儀的測溫范圍為0-1200。2.1.4 催化氧化反應室催化氧化反應室用高溫耐火磚搭建，并包有保溫材料。反應室內沿氣流方向依次布置有一層均溫均流蜂窩陶瓷和若干層負載貴金屬鈀的蜂窩陶瓷來實現甲烷的

55、催化氧化。其中均溫均流陶瓷（如圖2-7(a)）尺寸：150mm×150mm×50mm，孔密度：200個/平方英寸，不負載任何催化劑；催化氧化陶瓷（如圖2-7(b)）尺寸：100mm×100mm×100mm，孔密度：300個/平方英寸，正方形孔，孔邊長1.2mm，孔隙率0.67，催化劑以貴金屬Pd為主要活性組分，Pd的覆蓋密度為0.7g/L±10%。圖2-7（a）均溫均流陶瓷 圖2-7（b）催化氧化陶瓷圖2-8同一截面上溫度測點布置示意圖利用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測量氧化床內的溫度，在均溫均流陶瓷層截面中間部位布置一個熱電偶，催化氧化床層每兩層的接觸面以及外邊界面上均布置一層熱電偶，每層上各布置五個：截面中間位置一個，其余四個距離加熱爐壁面1/4邊長（如圖2-8所示），用來實現對反應室內沿氣流方向、垂直氣流方向截面上溫度變化情況的實時掌控。2.1.5 排氣系統排氣系統由ecom-J2KN便攜式多功能煙氣分析儀、GJG10H(C)型管道紅外甲烷傳感器、K型熱電偶和排氣管道等組成。ecom-J2KN便攜式多功能煙氣分析儀與入口處相同，但由于排氣壓力較低，反應時間長，因此采用一個抽氣泵來提高其靈敏度。煙氣分析