CN101539027B - 一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备及其方法，是在矿井通风主扇出口处利用流向变换催化燃烧装置直接对其加以处理，并回收部分热量。该装置包括有两台催化反应器，一台换热器，两组周期性自动启闭换向的气动三通阀，一个自动补气气动三通阀以及一台抽风机。催化反应器底部装载蜂窝陶瓷蓄热填料，中间段为催化剂，带翅片的电加热管内置于催化反应器顶端且按一定方式排列，做为预热器和矿井乏风气分布器，保证了加热效率和矿井乏风气分布均匀。本发明可处理甲烷浓度为1％以下的矿井乏风气，其甲烷去除率达到95％以上，在甲烷浓度高于0.6％时，能从系统中取出部分热量，在甲烷浓度低至0.3％时，反应系统也可以自热进行，无需额外补充能量。
Description
技术领域：
本发明涉及一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备及其方法。
背景技术：
随着国民经济的迅猛发展，中国面临资源匮乏与环境恶化的双重压力，低品位资源的有效利用已经成为紧迫的国家重大需求。我国以甲烷为主要成分的煤层气资源丰富，但利用率尚不到10％。而且由于未将煤矿矿井中的煤层气及时抽出，导致重大矿难频频发生，造成大量人员伤亡。即使有些矿井通风良好，但矿井乏风气中低浓度甲烷所含有的大量化学能未能得到有效利用。同时，由于甲烷的温室效应约为等量二氧化碳的21倍，直接排放到大气中加剧了温室效应。随着国家节能减排目标责任制度的落实，煤层气或矿井乏风气中低浓度甲烷的利用愈加迫切。相比过去，目前的CDM机制也为煤层气开发提供了实现可观经济效益的可能。因此，开发对低浓度煤层气或煤矿通风气的高效、清洁利用技术，对于节能减排和煤矿安全生产均具有重要意义。
煤矿矿井乏风气中的低浓度甲烷极少被回收利用，一方面是因为乏风气中甲烷浓度较低，通常低于1％，而甲烷浓度低于4.5％就不能被点燃或维持燃烧，除非环境温度超过1000℃。因此传统的技术无法处理矿井乏风气中的甲烷来取得热量。其次工作面的变化，导致乏风气的流量和甲烷浓度频繁变化也为瓦斯的利用增加了难度。因此需要设计高度集成的反应器和操作模式，才能保证反应自热进行和热量的有效利用。流向变换催化燃烧技术将预热、反应和热量回收三个部分集成在一个设备内，与传统的固定床催化燃烧技术相比，实现了催化燃烧与热回收的高效集成，使催化燃烧流程简化，设备投资和操作费用大大降低，是国际上公认的过程高效耦合与强化反应的动态操作技术。由于热回收率非常高，能维持自热操作的可燃物浓度也可以降至传统催化燃烧技术的大约1/10，特别适用于煤矿通风气一类的含低浓度可燃物的矿井乏风气。而且，由于气固两相的体积热容量相差很大，使这一过程的抗干扰能力较强，反应器具有比定态操作更大的操作弹性。即使原料气浓度和流量在一定范围内频繁波动，系统也能维持正常操作。作为一种新型的固定床反应器非定态操作技术，流向变换催化燃烧的概念虽然早在1938年就由Cottrell提出，但是只有在Boreskov和Matros等于70年代到80年代之间尝试对其进行数学描述，并把实验研究和商业应用结合起来之后，才使其显示出强大的生命力。此后，许多国家的研究单位和大学都开展了这方面的研究，期间有大量文章发表。近年来，国外已有一些工业化装置，采用流向变换催化燃烧技术来处理含挥发性有机物(VOCs)的废气。如1989年Kemerovo在树脂生产时所排放的含甲醇、苯酚、甲醛废气治理；1991年Navoi在水中和容器后所排放的含丙烯腈、氰酸、乙醛、乙酸等工业废气的治理等，都采用流向变换催化燃烧技术进行治理。
本项发明的特点在于将流向变换催化燃烧技术用于煤矿乏风气制热，以回收低浓度甲烷的燃烧热以及通过对甲烷的燃烧处理，保护环境。
发明内容：
本发明的目的是开发一种采用流向变换催化燃烧技术来处理矿井乏风气中的低浓度甲烷，以达到能源的充分利用和保护环境。
本发明提供的一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备，其特征在于：该设备包括有两台催化反应器，一台换热器，两组周期性自动启闭换向的气动三通阀，以及一台抽风机；每组周期性自动启闭换向的气动三通阀由一个进气气动三通阀和一个出气气动三通阀组成；
其中催化反应器从下至上构造为：底部装载蜂窝陶瓷蓄热填料，中间段为催化剂，顶端为电加热管；
该设备依次为进气管，进气管连接所述两组周期性自动启闭换向的气动三通阀的2个进气气动三通阀，2个进气气动三通阀分别跟两台催化反应器的底部连接；两台催化反应器的底部再连接所述两组周期性自动启闭换向的气动三通阀的2个出气气动三通阀；2个出气气动三通阀连接出气管一端，出气管另一端与抽风机相连；两个催化反应器顶端同时与换热器连接。
进一步，在进气管处设置一个自动补气的气动阀或电磁阀。
应用所述设备进行处理矿井乏风气低浓度甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一个催化反应器的连接进气气动三通阀开启时，与该催化反应器连接的出气气动三通阀关闭；而另一个催化反应器的进气气动三通阀关闭，与另一个催化反应器连接的出气气动三通阀开启；矿井气从开启的进气气动三通阀进入一个催化反应器，首先经催化反应器底端的蜂窝陶瓷蓄热填料被逐渐加热升温，在接近顶部催化剂时达到催化剂的活性温度，矿井乏风气中的甲烷被催化燃烧，部分热量通过换热器取走，部分净化的高温矿井乏风气进入另一个催化反应器继续进行反应，经下端蜂窝陶瓷蓄热填料将热量传递给填料，并积蓄在另一个催化反应器中，被处理后的高温矿井乏风气被逐渐降温冷却，经出气气动三通阀进入排气管，再由抽风机抽出排向外界；
当达到设定的半周期后，开启的进气气动三通阀、出气气动三通阀将会关闭，关闭的进气气动三通阀、出气气动三通阀将会开启，矿井乏风气流向改变，原来出气的另一个催化反应器开始通入矿井气，从底部进入的矿井气经过上半周期蓄热的蜂窝陶瓷蓄热填料开始预热，在接近顶部催化剂时达到催化剂的活性温度，矿井乏风气中的甲烷被催化燃烧，部分热量通过换热器取走，部分净化的高温矿井乏风气进入原来进气的催化反应器继续进行反应，经下端蜂窝陶瓷蓄热填料将热量传递给上半周期被矿井气预热时取走热量的蜂窝陶瓷蓄热填料，并积蓄在填料中，被处理后的高温矿井乏风气被逐渐降温冷却，最后经出气气动三通阀进入排气管，再由抽风机抽出排向外界；
到了设定的换向周期时间，流向又开始改变，经过往复的循环，蜂窝陶瓷蓄热填料的热量被取走后，经过换向又得以蓄热，蓄热后经过预热矿井气又释放出热量；
进一步，矿井乏风气按设定的换向时间交替地从两个进气阀进入反应器两端，换向时间由反应器中催化剂床层的进口温度和固定换向周期综合确定，当催化剂床层的温度高于催化剂最高能承受的温度以及低于催化剂的起活温度时，流向变化的周期就会做出调整，使催化剂床层温度在催化剂最高能承受的温度与催化剂的起活温度之间；否则按照原来固定的周期换向；
更具体的是，在矿井通风井出口处建立一套流向变化催化燃烧装置，该设备包括有两台催化反应器，一台换热器，两组周期性自动启闭换向的气动三通阀，以及一台抽风机；每组由一个进气气动三通阀和一个出气气动三通 阀组成。催化反应器底部装载蜂窝陶瓷蓄热填料，中间段为催化剂，蓄热填料为方形堇青石陶瓷材料。催化剂是以堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd为主要活性成份，用高分散率均匀分布的方法制备而成。带翅片的电加热管内置于反应器顶端且按正交方式排列，做为预热器和矿井乏风气分布器，保证了加热效率和矿井乏风气分布均匀。进气气动三通阀与进气管连接，然后再分别跟催化反应器的底部连接；两个催化反应器上端部分别与换热器连接；出气管一端与抽风机相连，一端与出气气动三通阀相连后接入催化反应器的底部。在催化反应器中催化剂床层里插有测温器件热电偶，通过热电偶将催化剂床层的温度信号输给电脑，从而使催化剂床层的温度作为调节换向周期的参考条件。矿井乏风气按设定的换向周期交替地从两个进气阀进入反应器两端，换向时间由反应器中催化剂床层的温度和固定换向周期综合控制，当催化剂床层的温度高于催化剂最高能承受的温度以及低于催化剂的起活温度时，流向变化的周期就会做出适当的调整，通过改变周期来使温度控制在催化剂活性最佳范围内；当催化剂床层的温度在催化剂活性最佳范围内时，换向周期按照原来固定的时间换向。在矿井乏风气进气口处增加空气自动补给阀，当矿井乏风气的甲烷浓度过高时，空气补给阀自动打开，来补充新鲜空气以防止催化床层温度过高而导致催化剂失活。
本发明的工艺流程见图1所示。
矿井乏风气按设定的换向周期交替地从进气气动三通阀V-3、V-4流经催化反应器两端，当催化反应器R-A的进气气动三通阀V-3开启时，与催化反应器R-A连接的出气气动三通阀V-6关闭，而催化反应器R-B的进气气动三通阀V-4关闭，与催化反应器R-B连接的出气气动三通阀V-5开启，矿井乏风气从开启的进气气动三通阀V-3进入催化反应器R-A，首先经催化反应器底端的蜂窝陶瓷蓄热填料被逐渐加热升温，在接近顶部催化剂时达到催化剂的活性温度，矿井乏风气中的甲烷被催化燃烧，将部分热量通过换热器E-1取走，部分净化的高温矿井乏风气进入另一个催化反应器R-B继续进行反应，经下端蜂窝陶瓷蓄热填料将热量传递给填料，并积蓄在蜂窝陶瓷蓄热填料中，矿井乏风气被逐渐降温，经与催化反应器R-B连接的出气气动三通阀V-5进入排气管。当达到设定的半周期后，开启的进气气动三通阀V-3、出气气动三通阀V-5关闭，关闭的进气气动三通阀V-4、出气气动三通阀V-6开启，矿井乏风气流向改变，矿井乏风气从催化反应器R-B底部进入反应器，再经此反应器下端蜂窝陶瓷蓄热填料进入催化剂段反应，净化的矿井乏风气经催化反应器R-A下端蜂窝陶瓷蓄热填料降温后经出气气动三通阀V-6进入出气管，由抽风机抽出排入外界。这样放热反应产生的热量大部分都蓄积在反应器床层内，部分热量通过换热器被取走，达到热量的有效利用，因此即使废气中可燃物浓度很低时仍然可以达到自热操作。当可热物浓度过高时，空气补给阀就会自动打开，通过空气的补给来降低甲烷的浓度，防止催化剂因高温而失活。
在催化剂床层中插有测温器件热电偶，通过热电偶将催化剂床层的温度信号输给电脑，从而使催化剂床层的温度作为调节换向周期的参考条件。矿井乏风气按设定的换向周期交替地从两个进气阀进入反应器两端，换向时间由反应器中催化剂床层的温度和固定换向周期综合控制，当催化剂床层的温度高于催化剂最高能承受的温度以及低于催化剂的起活温度时，流向变化的周期就会做出适当的调整，通过改变周期来使温度控制在催化剂活性最佳范围内；当催化剂床层的温度在催化剂活性最佳范围内时，换向周期按照原来固定的时间换向。
本发明可处理甲烷浓度为1％以下的矿井乏风气，其甲烷去除率达到95％以上，在甲烷浓度高于0.6％时，能从系统中取出部分热量，在甲烷浓度低至0.3％时，反应系统也可以自热进行，无需额外补充能量。
本发明具有的优点：
一、蜂窝陶瓷蓄热材料和催化剂载体的外形尺寸、孔径、孔密度相同，使系统压力损失很小，对矿井通风主扇不会造成扰动，同时风机的运行费用降低。
二、换向时间由反应器中催化剂床层的温度和固定换向周期综合确定，当催化剂床层的温度高于催化剂最高能承受的温度以及低于催化剂的起活温度时，流向变化的周期就会自动做出适当的调整，使其温度在催化剂活性最佳范围内；否则按照原来固定的周期换向。
三、在矿井乏风气进气口处增加空气自动补给阀，当反应矿井乏风气的甲烷浓度过高时，空气补给阀自动打开，来补充新鲜空气以防止催化床层温度过高而导致催化剂失活。对系统的稳定运行和煤矿安全生产具有实际意义。
四、无限往复的循环，使蜂窝陶瓷蓄热填料的热量被取走后，经过换向又得以蓄热，蓄热后经过预热矿井气又取走热量，这样反应放出的所有热量，都被蓄积在蜂窝陶瓷蓄热填料中，得以充分的应用，使可燃矿井乏风气在浓度很低的情况下仍能够在自身放出的热量下维持自身的反应。
附图说明
图1为本发明处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的流程示意图。图中I-1：质量流量计1；I-2：质量流量计2；V-1：气动三通阀；V-2：闸阀；V-3：进气气动三通阀1；V-4：进气气动三通阀2；V-5：出气气动三通阀1；V-6：出气气动三通阀2；R-A：催化反应器1；R-B：催化反应器2；E-1：换热器；E-2：抽风机；A-1：A加热设备；B-1：B加热设备；A-2：A催化剂段；B-2：B催化剂段；A-3：A蜂窝陶瓷蓄热填料 B-3：B蜂窝陶瓷蓄热填料
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明
实施例1
应用本发明所述的方法建立了一套处理能力为1000m3/h的矿井乏风气流向变换催化燃烧制热装置，如图1所示。首先将空气补给的气动三通阀V-1打开，矿井气入口处闸阀V-2关闭，换热器E-1暂不取热，打开催化反应器上端的A加热设备A-1、B加热设备B-1的电源，开始加热；加热的同时打开进气气动三通阀V-3、出气气动三通阀V-5，关闭进气气动三通阀V-4、出气气动三通阀V-6，使空气从进气气动三通阀V-3进入催化反应器R-A并经过加热设备A-1进行加热，然后进入催化反应器R-B顶端的加热段B-1继续加热，使热空气流经催化剂B-2以及蜂窝陶瓷蓄热填料设备B-3，从而使矿井乏风气开始预热。蜂窝陶瓷蓄热填料为方形堇青石陶瓷材料，孔密度均为200/in2；催化剂以堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd 为主要活性成份，用高分散率均匀分布的方法制备而成。经过240s的换向周期以后，开始换向，即原来开启的进气气动三通阀V-3、出气气动三通阀V-5关闭，原来关闭的进气气动三通阀V-4、出气气动三通阀V-6开启，使空气从进气气动三通阀V-4进入催化反应器R-B并经过加热设备B-1进行加热，然后进入催化反应器R-A顶端的加热设备A-1继续加热，使热空气流经催化剂段A-2以及蜂窝陶瓷蓄热填料段A-3，通过热空气对催化反应器R-A中的催化剂及蜂窝陶瓷蓄热填料加热。经过一定的换向周期以后，当催化反应器R-A、催化反应器R-B中的催化剂A-2、催化剂B-2和蜂窝陶瓷蓄热填料A-3、蜂窝陶瓷蓄热填料B-3预热至催化剂活性温度450℃后。矿井乏风气经过质量流量计2I-2按设定的换向周期交替地从进气气动三通阀V-3、进气气动三通阀V-4流经反应器底端，换向时间由催化反应器中催化剂床层的温度和固定换向周期综合控制，在催化剂床层中插有测温器件热电偶，通过热电偶将催化剂床层的温度信号输给电脑，从而使催化剂床层的温度作为调节换向周期的参考条件。
当催化剂床层的温度高于催化剂最高能承受的温度以及低于催化剂的起活温度时，流向变化的周期就会做出适当的调整，通过改变周期来使温度控制在催化剂活性最佳范围内；当催化剂床层的温度在催化剂活性最佳范围内时，换向周期则按照原来固定的时间换向。当催化反应器R-A的进气气动三通阀V-3开启时，与催化反应器R-A连接的出气气动三通阀V-6关闭，而催化反应器R-B的进气气动三通阀V-4关闭，与催化反应器R-B连接的出气气动三通阀V-5开启，矿井乏风气从开启的进气气动三通阀V-3进入催化反应器R-A，首先经催化反应器底端的蜂窝陶瓷蓄热填料A-3被逐渐加热升温，在接近催化剂A-2时达到450度，矿井乏风气中的甲烷被催化燃烧，部分热量通过换热器E-1取走，部分净化的高温废气进入另一个催化反应器R-B继续进行反应，经下端蜂窝陶瓷蓄热填料B-3将热量传递给填料，并积蓄在蜂窝陶瓷蓄热填料中，净化后的矿井乏风气被逐渐降温冷却，经与催化反应器R-B连接的出气气动三通阀V-5进入排气管，由抽风机抽出排入外界。当达到设定的半周期后，开启的进气气动三通阀V-3、出气气动三通阀V-5关闭，关闭的进气气动三通阀V-4、出气气动三通阀V-6开启，矿井乏风气流向改变，矿井乏风气进入催化反应器R-B底端，并经此反应器下端蜂窝陶瓷蓄热填料 预热后进入催化剂段反应，净化的矿井乏风气经催化反应器R-A下端蜂窝陶瓷蓄热填料降温后经出气气动三通阀V-6进入出气管，由抽风机抽出排入外界。这样放热反应产生的热量大部分都蓄积在催化反应器床层内，部分热量通过换热器取走，矿井气可以自热操作。当甲烷浓度过高时，空气补给的气动三通阀V-1就会自动打开，空气经过质量流量计1I-1后与矿井乏风气混合，通过空气的补给来降低甲烷的浓度，防止催化剂因高温而失活。矿井气矿井乏风气流量1000m3/h，甲烷浓度为0.3％，换向周期为240s，反应可以自热进行，甲烷转化率达到95％以上。
实施例2：
反应装置如实施例1，将催化剂和两端蓄热填料预热至催化剂活性温度450℃，矿井乏风气流量1000m3/h，甲烷浓度为0.3％，换向周期为540s，反应可以自热进行，甲烷转化率达到95％以上。
实验例3：
反应装置如实施例1，将催化剂和两端蓄热填料预热至催化剂活性温度450℃，矿井乏风气流量1000m3/h，甲烷浓度为0.6％，换向周期为540s，甲烷转化率达到95％以上，换热器可移出部分热量。
实验例4：
反应装置如实施例1，将催化剂和两端蓄热填料预热至催化剂活性温度450℃，矿井乏风气流量800m3/h，甲烷浓度为1％，换向周期为360s，甲烷转化率达到95％以上，换热器可移出部分热量。
从上述实施例可以看出，本发明可处理甲烷浓度为1％以下的矿井乏风气，其甲烷去除率达到95％以上，在甲烷浓度高于0.6％时，能从系统中取出部分热量，在甲烷浓度低至0.3％时，反应系统也可以自热进行，无需额外补充能量。
Claims (5)
1.一种处理煤矿矿井乏风气中的低浓度甲烷的设备，乏风气中甲烷浓度低于1％，其特征在于：该设备包括有两台催化反应器，一台换热器，两组周期性自动启闭换向的气动三通阀，以及一台抽风机；每组周期性自动启闭换向的气动三通阀由一个进气气动三通阀和一个出气气动三通阀组成；
其中催化反应器从下至上构造为：底部装载蜂窝陶瓷蓄热填料，中间段为催化剂，顶端为电加热管；
该设备依次为进气管，进气管连接所述两组周期性自动启闭换向的气动三通阀的2个进气气动三通阀，2个进气气动三通阀分别跟两台催化反应器的底部连接；两台催化反应器的底部再连接所述两组周期性自动启闭换向的气动三通阀的2个出气气动三通阀；2个出气气动三通阀连接出气管一端，出气管另一端与抽风机相连；两个催化反应器顶端同时与换热器连接。
2.根据权利要求1所述一种处理煤矿矿井乏风气中的低浓度甲烷的设备，其特征在于：在矿井乏风气进气管处设置一个自动补气的气动阀或电磁阀。
3.根据权利要求1所述一种处理煤矿矿井乏风气中的低浓度甲烷的设备，其特征在于：兼有预热器及气体再分布器作用的电加热管按正交方式排列于反应器顶端。
4.应用权利要求1所述设备进行处理矿井乏风气低浓度甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一个催化反应器的连接进气气动三通阀开启时，与该催化反应器连接的出气气动三通阀关闭；而另一个催化反应器的进气气动三通阀关闭，与另一个催化反应器连接的出气气动三通阀开启；矿井气从开启的进气气动三通阀进入一个催化反应器，首先经催化反应器底端的蜂窝陶瓷蓄热填料被逐渐加热升温，在接近顶部催化剂时达到催化剂的活性温度，矿井乏风气中的甲烷被催化燃烧，部分热量通过换热器取走，部分净化的高温矿井乏风气进入另一个催化反应器继续进行反应，经下端蜂窝陶瓷蓄热填料将热量传递给填料，并积蓄在另一个催化反应器中，被处理后的高温矿井乏风气被逐渐降温冷却，经出气气动三通阀进入排气管，再由抽风机抽出排向外界；
当达到设定的半周期后，开启的进气气动三通阀、出气气动三通阀将会关闭，关闭的进气气动三通阀、出气气动三通阀将会开启，矿井乏风气流向改变，原来出气的另一个催化反应器开始通入矿井气，从底部进入的矿井气经过上半周期蓄热的蜂窝陶瓷蓄热填料开始预热，在接近顶部催化剂时达到催化剂的活性温度，矿井乏风气中的甲烷被催化燃烧，部分热量通过换热器取走，部分净化的高温矿井乏风气进入原来进气的催化反应器继续进行反应，经下端蜂窝陶瓷蓄热填料将热量传递给上半周期被矿井气预热时取走热量的蜂窝陶瓷蓄热填料，并积蓄在填料中，被处理后的高温矿井乏风气被逐渐降温冷却，最后经出气气动三通阀进入排气管，再由抽风机抽出排向外界；
到了设定的换向周期时间，流向又开始改变，经过往复的循环，蜂窝陶瓷蓄热填料的热量被取走后，经过换向又得以蓄热，蓄热后经过预热矿井气又释放出热量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：矿井乏风气按设定的换向时间交替地从两个进气阀进入反应器两端，换向时间由反应器中催化剂床层的进口温度和固定换向周期综合确定，当催化剂床层的温度高于催化剂最高能承受的温度以及低于催化剂的起活温度时，流向变化的周期就会做出调整，使催化剂床层温度在催化剂最高能承受的温度与催化剂的起活温度之间；否则按照原来固定的周期换向。
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