CN101206027A

CN101206027A - 低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法

Info

Publication number: CN101206027A
Application number: CNA2006101655383A
Authority: CN
Inventors: 张永生; 肖云汉; 王岳; 温雨鑫; 张哲巅; 穆克进
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: CN101206027B

Abstract

本发明涉及能源利用和环境保护技术，是一种低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法。使低浓度瓦斯气通过流向切换催化反应器发生催化燃烧反应，消耗甲烷同时产生热量，催化反应器工作稳定温度范围在200℃到600℃。本发明通过对反应器进口浓度和反应器温度的实时测量得到信号，信号输送到信号处理和控制系统，对比信号和优化反应运行参数，然后将控制信号发送到高浓度煤层气管路入口控制系统及高温换热器控制系统。当温度在正常运行范围内时，维持原来的运行。当温度偏离设计值时，如果温度偏高，控制强化高温换热器加强换热，从而降低反应器温度；如果浓度或温度偏低，打开煤矿中高浓度煤层气的阀门来维持燃料浓度而使得反应能够顺利进行。

Description

低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法

发明领域

本发明涉及能源利用和环境保护技术领域，是一种低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法。

背景技术

煤炭作为一种重要的能量来源，其开采过程中会产生大量瓦斯气体(甲烷)。每年我国都发生多起煤矿瓦斯爆炸事故，它严重威胁煤矿的安全生产，为了提高煤矿生产的安全性，通常采用大量通风来排放煤矿瓦斯。世界范围内煤矿甲烷(coal mine methane(CMM))排放大约是人类排放甲烷的10％。我国煤矿开采过程中每年向大气排放的甲烷量达194亿m²，约占世界采煤排放甲烷总量的1/3，其中90％是以矿井通风气形式排入大气，这部分瓦斯排放相当于每年2000万吨左右标准煤被白白浪费。

另外，矿井排风中含有大量的甲烷气体，其对温室效应的贡献仅次于二氧化碳的排放，但甲烷(瓦斯气)的温室效应是CO₂的21倍。甲烷是一种短寿命的气体，在大气中滞留的时间只有8-12年，而二氧化碳则超过200年，与甲烷有关的气候变暖是在其散发后几十年内完成的，而二氧化碳则在几百年内逐渐实现。

尽管我国矿井通风系统排放的甲烷(矿井通风瓦斯)是矿井中总的甲烷含量的90％，但由于其中甲烷浓度低于1％，有效利用相当困难，目前绝大部分矿井通风瓦斯被直接排入大气中。如果能利用这部分资源，将产生巨大的温室气体减排量，如果有适当的方法来利用这部分资源产生的能量，从节能的角度考虑也具有重要的意义，能够产生良好的经济效益和社会效应。因此矿井通风瓦斯的综合利用不仅可以提高煤矿生产的安全性，而且具有利用清洁能源，减排温室气体的效益。矿井通风瓦斯的综合利用主要有民用、发电、燃料、化工等方面。

对于高浓度甲烷浓度的煤层气，目前已具备了成熟的提纯和回收转化利用技术。而对于矿井通风瓦斯来说，由于低的甲烷浓度，目前还没有实现工业化。

由于一般情况下甲烷的可燃浓度范围在5.0～15.0％，因此，传统的燃烧过程不能使瓦斯气氧化，低浓度下的燃烧要么需要高温，要么采用催化等方式来实现。因此矿井通风瓦斯的转化利用主要通过两种方式：直接燃烧(＞1000℃)和催化燃烧(400-600℃)。国外目前由MEGTECH公司开发出的主要用于挥发性有机物脱除的VOCSIDIZER系统上实现了低浓度瓦斯气燃烧的工业示范，它是一种热流向变换反应器，基于高温直接燃烧原理工作。对于甲烷浓度低于1％的低浓度瓦斯气，要求环境温度维持在1000℃以上，这就需要另外的热源。它需要通过另外附加的燃料或电热等来维持燃烧，否则不能发生。实际的实验运行中，这种技术是通过较多的另外的燃料来维持燃烧的，这样就由于大量的外部燃料的使用使得成本上升。而催化燃烧由于所需的反应能量较少，燃烧反应温度低，可维持在较低的温度下，其点火温度比直接燃烧低了几百度，反应相对容易发生，同时具有低NOx排放等优点。无论从经济性还是环境友好的角度考虑，催化燃烧低浓度瓦斯气都是一种比较好的方式。

对于研究的催化流转式反应器(Catalytic Flow-Reversal Reactor，CFRR)、整体催化燃烧器(Catalytic monolith combustor，CMR)等，都需要采用蓄热块或回流加热等方式对气体预热，以达到催化剂系统的起燃温度，使反应器启动。启动之后，便可由甲烷燃烧自身放出的热量维持反应器连续运行。但由于实际矿井中的低浓度瓦斯气中甲烷的浓度是不稳定的，它在一个范围内变化，因此如果只是随意的将通入反应器的低浓度瓦斯气都进行催化燃烧，那么反应的温度就会也产生波动，而催化剂是在一定的温度范围内工作的，超出了它的最佳温度工作范围，就可能不能起燃或发生催化剂失活及毁坏等严重问题。

专利公开号为CN 1718274A的专利中给出了催化剂的制备方法，但没有给出详细的低浓度瓦斯气消除和利用的具体操作处理方法，还不能直接用于煤矿通风中。

发明内容

本发明的目的是公开一种低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，结合性能良好的催化剂，实现煤矿矿井通风中低浓度瓦斯被运行稳定的催化燃烧反应器消除和利用。

为达到上述目的，本发明低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法的技术解决方案是，将低浓度瓦斯气通过具有反馈系统的流向变化催化燃烧反应器发生催化燃烧反应，产生热量。为了维持反应的稳定运行，产生的热量通过阀门的切换同时作为热源用来加热反应器。由于实际矿井中的低浓度瓦斯气中甲烷的浓度是不稳定的，它在一个范围内变化，因此如果只是随意的将通入反应器的低浓度瓦斯气都进行催化燃烧，那么反应的温度就会也产生波动，而催化剂是在一定的温度范围内工作的，超出了它的最佳温度工作范围，就可能会不能起燃或发生催化剂失活及毁坏等严重问题。因此为了维持反应的稳定以免反应不能顺利进行和温度变化毒害催化剂，本发明通过对反应器进口浓度和反应器温度的实时测量得到信号，将信号输送到信号处理和控制系统，对比信号和优化反应运行参数，然后将控制信号发送到辅助管路入口控制系统或高温换热调节控制系统。当温度在正常运行范围内时，维持原来的运行。当温度偏离设计值时，如果温度偏高，调节高温换热器控制单元，加大高温换热的强度，使得催化燃烧器温度降低；如果温度偏低，可打开煤矿中高浓度煤层气的阀门来维持燃料浓度而使得反应能够在一定温度下顺利进行。

所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其在一个方向的流程中，燃气和空气依次流经一蓄热体、一催化燃烧反应器、高温换热器、另一催化燃烧反应器、另一蓄热体、低温换热器、燃气出口。

所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其当催化燃烧器启动后，在流向切换过程中，当燃料和空气从其中的一个方向流动在催化燃烧反应器发生反应时，加热其后面的蓄热体，蓄热体用来预热下一个切换过程中从另外一个方向过来的燃料和空气。

所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其在两个催化燃烧反应器中间，具有高温换热装置，该装置除了具有换热的功能，同时通过反馈系统的调节，还具有调节催化燃烧反应器工作温度的作用。

所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其所述流向切换，是在前一个过程结束后，经过一段时间的运行，当温度达到设计的最高值时，关闭原开启的阀门，打开原关闭的阀门，切换流向，进入后一个过程，往复循环进行。

所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其所述温度的最高值为580～600℃。

原则上，换热器可以设计在反应器的任何部位，但设置在高温区可以更方便的调节反应器的温度。本发明方法中设计高温、低温两种换热器，高温换热器放置在反应的高温区，也就是反应器的中间部分，而低温换热器设置在烟气出口来吸收废热。同时对高温换热器进行测量和调节控制，通过换热介质的流量来调整蓄热器的温度。

本发明方法简单易行，实现了煤矿矿井通风中低浓度瓦斯的消除和利用，提高了煤矿开采的安全性。

附图说明

图1为本发明低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法所用设备的结构及流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例来说明。

实施例1

如图1所示，为本发明低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法所用设备的结构及流程示意图，其中，1为低浓度瓦斯气进口，2为高浓度煤层气的阀门，3为信号采集及控制系统，4、5、6、7为切换阀门，8、11为蓄热器，9、10为催化燃烧反应器，12为高温换热器，13、14、15为温度信号采集单元，16为浓度信号采集单元，17为高浓度煤层气的阀门控制单元，18为高温换热器控制单元，19为低温换热器，20为烟气出口，21为热能利用单元，按常规连接。催化燃烧反应器9、10，使用专利公开号为CN 1718274A的专利中给出的催化剂。

在实际运行过程中，分两个过程进行。含有低浓度瓦斯气的空气从低浓度瓦斯气进口1进入，首先通过阀门4进入蓄热器8，然后进入催化燃烧反应器9。在一定的预热点火后，低浓度瓦斯气和空气在催化燃烧反应器9内发生反应并放出热量，催化燃烧反应器9中温度维持在200～600℃的范围内，部分热量通过高温换热器12带走输送到热能利用单元21成为可以利用的能量；部分热量通过催化燃烧反应器10传递到蓄热器11中，在这里将蓄热器11加热把部分热量存储下来，最后烟气通过阀门7从燃气出口20排出。第一个过程结束。经过一定时间的运行，当温度达到设计的最高值后，进入第二个过程，关闭阀门4和7，打开阀门5和6，将低浓度瓦斯气切换到另一路气路，从蓄热器11进入催化燃烧反应器10，然后和换热器12换热，同时加热蓄热器8，从阀门6流到烟气出口20。再运行一段时间后，切换到阀门4和7组成的气路运行。随后一直如此循环往复运行。运行中，为了维持反应的稳定运行，要保持温度或反应物浓度的稳定，这一目的是通过信号的采集和反馈系统的控制实现的。通过温度信号采集单元13、14、15和浓度信号采集单元16对燃烧器温度、高温换热器12温度和进入催化燃烧反应器9、10内甲烷浓度进行监测，监测信号输送到信号采集及控制系统中和正常优化系统运行参数对比，当温度在正常运行范围内时，维持原来的运行。当温度偏离设计值时，如果温度偏高，调节高温换热器控制单元18，加大高温换热的强度，使得催化燃烧器温度降低；如果浓度偏低，打开煤矿中高浓度煤层气的阀门控制单元17，通过加大辅助燃料供应来维持燃料浓度，而使得反应能够在一定温度下顺利进行。

经过燃烧后，将甲烷含量大大降低或完全消除，既利用了能量，又保证对环境友好。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明还可用其他的不违背本发明的精神和主要特征的具体形式来实现。因此，本发明的上述实施方案只能是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书中指出了本发明的保护范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，用于矿井通风中低浓度瓦斯气的综合利用及消除；其特征在于：低浓度瓦斯气通过流向切换催化燃烧反应器发生催化燃烧反应，产生热量，催化燃烧反应器工作稳定温度范围在200℃到600℃；通过对催化燃烧反应器进口浓度和催化燃烧反应器温度的实时测量得到信号，将信号输送到信号处理和控制系统，对比信号和优化反应运行参数，然后将控制信号发送到高浓度煤层气管路入口控制系统：当温度在正常运行范围内时，维持原来的运行；当温度偏离设计值时，如果温度偏高，控制强化高温换热器加强换热，从而降低反应器温度；如果温度偏低，打开煤矿中高浓度煤层气的阀门来维持燃料浓度而使反应能够顺利进行。

2.根据权利要求1所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其特征在于：在一个方向的流程中，燃气和空气依次流经一蓄热体、一催化燃烧反应器、高温换热器、另一催化燃烧反应器、另一蓄热体、低温换热器、燃气出口。

3.根据权利要求1所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其特征在于：当催化燃烧器启动后，在流向切换过程中，当燃料和空气从其中的一个方向流动在催化燃烧反应器发生反应时，加热其后面的蓄热体，蓄热体用来预热下一个切换过程中从另外一个方向过来的燃料和空气。

4.根据权利要求1所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其特征在于：在两个催化燃烧反应器中间，具有高温换热装置，该装置除了具有换热的功能，同时通过反馈系统的调节，还具有调节催化燃烧反应器工作温度的作用。

5.根据权利要求1所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其特征在于：所述流向切换，是在前一个过程结束后，经过一段时间的运行，当温度达到设计的最高值时，关闭原开启的阀门，打开原关闭的阀门，切换流向，进入后一个过程，往复循环进行。

6.根据权利要求5所述的低浓度瓦斯气切换催化反应稳定运行的方法，其特征在于：所述温度的最高值为580～600℃。