CN101766952B - 煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，属于超低浓度甲烷热逆流氧化技术领域，其特征在于可编程控制器利用在氧化床中心区域沿着气流方向均匀布置的若干个热电偶及布置在氧化床两端进出口的两个热电偶采集的数据，根据公式∑x_i|_T≥900℃计算氧化床中心区域内温度≥900℃的区域长度，根据公式

计算氧化床中心区域的线蓄热量，计算氧化床进出口气体温差，并根据计算结果判断是否换向，如果需要换向，可编程控制器向换向阀输出信号，切换气体流动方向。本发明与现有技术相比，改以往的固定周期气流换向为动态气流换向，提高了氧化装置的甲烷氧化率和自动运行稳定性，降低了氧化装置排气带走的能量。

Description

煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，属于超低浓度甲烷热逆流氧化技术领域。

背景技术

瓦斯的主要成分是甲烷。为了提高煤矿生产安全性，一般通过煤矿乏风将瓦斯直接排放到大气中，既浪费了能源，又污染了大气环境。煤矿乏风中的瓦斯浓度非常低，一般在0.1％-0.7％范围内，乏风瓦斯很难利用传统燃烧器在没有辅助燃料的情况下直接进行燃烧，目前有效的利用方法是采用热逆流氧化技术。其工作原理为：首先用电加热器或外部燃烧器将蓄热陶瓷氧化床中部加热到甲烷氧化温度，并形成(沿着气流方向)氧化床中部温度高、两侧温度逐渐降低的温度分布，然后停止加热。煤矿乏风以一个方向流入氧化床，气体被蓄热陶瓷加热，温度不断提高，直至甲烷氧化。氧化后的热气体继续向前移动，把热量传递给蓄热陶瓷而逐渐降温。随着乏风气体的不断进入，氧化床入口侧温度逐渐降低，出口侧温度逐渐升高，直至气体流动在控制系统控制下自动换向。该技术的关键是要将送入氧化床中的气体不断变换流动方向，使气体在蓄热陶瓷氧化床中吸热升温，并在氧化床中部高温区中氧化放热，以保证氧化过程的自维持。目前，乏风流动方向自动切换主要采取固定周期的控制方法，换向周期一般设置为60-120秒。这种控制方法的缺点是：氧化床两端的外部流场及氧化床内部的流场很难做到完全对称，在自动运行一段时间后，氧化床的高温氧化区域因两侧流场的微小差异而逐渐偏离氧化床中心部位，造成氧化装置运行不稳定。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述控制方法的缺陷，创新提供一种煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法。其技术方案为：

采用以下步骤：

1)参数设置，包括：氧化床中心区域长度H_c、氧化床中心区域沿着气流方向均匀布置的热电偶个数n、最小换向时间t_min、保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min、保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min、氧化床进出口最大气体温差ΔT_max、氧化床中心区域相邻热电偶的间距x_i；

2)气流换向计时；

3)判断气流换向的计时时间是否≥规定的最小换向时间t_min，如果否，执行步骤2)；如果是，执行步骤4)；

4)采集热电偶的测量数据；

5)根据热电偶测量值判断热电偶是否正常工作，如果否，报警并切换为人工控制气流换向模式，如果是，执行步骤6)；

6)根据热电偶测量值，由公式∑x_i|_T≥900℃计算氧化床中心区域内温度≥900℃的区域长度，判断∑x_i|_T≥900℃是否≥保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min，如果是，则可以保证甲烷能够完全氧化，执行步骤7)；如果否，可编程控制器向换向阀输出信号，切换气体流动方向，计时清零，执行步骤2)；

7)根据公式 $Q_{\mathrm{CX}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_j\·x_j),$ 计算氧化床中心区域的线蓄热量，判断Q_CX是否≥保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min，如果是，则可以保证氧化床能够稳定运行，执行步骤8)；如果否，换向阀在可编程控制器控制下进行气体流动换向，计时清零，执行步骤2)；

8)判断氧化床两进出口气体温差是否≤允许的最大气体温差ΔT_max，如果是，执行步骤4)，否则，换向阀在可编程控制器控制下进行气体流动换向，计时清零，执行步骤2)。

所述的煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，氧化床中心区域的长度为500-1000mm，氧化床中心区域均匀分布5-10个热电偶，相邻热电偶的间距x_i为100-150mm。

所述的煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，规定的最小换向时间t_min为60-90秒。

所述的煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min为300-500mm。

所述的煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min为400-800℃·m。

所述的煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，允许的最大气体温差ΔT_max为40-60℃。

其工作原理为：可编程控制器利用在氧化床中心区域沿着气流方向均匀布置的若干个热电偶及布置在氧化床两端进出口的两个热电偶采集的数据，计算氧化床中心区域内温度≥900℃的区域长度、氧化床中心区域的线蓄热量、氧化床进出口气体温差，并根据计算结果判断是否换向，如果需要换向，可编程控制器向换向阀输出信号，切换气体流动方向。气流换向有三种情况，具体是：

(1)根据保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min来控制气流换向。甲烷被加热到900℃以上，经过一定时间后才能完全氧化。在给定的气体流速下，对应甲烷完全氧化，氧化床温度大于900℃的区域有一个最小轴向长度G_min。计算温度≥900℃的区域长度∑x_i|_T≥900℃，如果∑x_i|_T≥900℃≥H_min，则可以保证甲烷完全氧化；如果∑x_i|_T≥900℃＜H_min，可编程控制器向换向阀输出信号，切换气体流动方向。

(2)根据保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min来控制气流换向。氧化床中心区域的蓄热量可以用下述公式计算： $Q_C=\mathrm{YZ}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_j\·{\mathrm{\ρ}}_j\·C_{\mathrm{Vj}}\·x_j),$ 其中，Y-氧化床中心区域宽度，Z-氧化床中心区域高度，ρ-密度，C_V-为比热容。一般来说，氧化床中心区域采用同一种蓄热材料，ρ和C_V相同，因此，氧化床中心区域的蓄热量可以用线蓄热量来表示，用下述公式计算： $Q_{\mathrm{CX}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_j\·x_j).$ 在氧化装置工作过程中，氧化床中心区域的温度分布在不断变化，其线蓄热量也在不断变化。当温度场以氧化床中心为中心呈对称分布时，氧化床中心区域的线蓄热量达到最大值；当温度场的高温区偏离氧化床中心时，氧化床中心区域的线蓄热量逐渐降低。如果氧化床中心区域的线蓄热量降低到保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min时，可编程控制器向换向阀输出信号，切换气体流动方向。

(3)根据氧化床两进出口气体的温差来控制气流换向。如果氧化床出口气体温度过高，说明排出的气体带走的热量较多，不利于氧化床稳定运行。因此，当进出口气体温差大于规定值时，进行气体流动换向。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的气流换向控制方法保证了甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小长度，因此甲烷氧化率高。

(2)本发明的气流换向控制方法保证了氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小蓄热量，提高了氧化装置自动运行稳定性。

(3)本发明对进出口气体温差进行了控制，避免了氧化装置排出气体带走过多的热量。

附图说明

图1是本发明控制系统实施例的结构示意图。

图2是本发明的气流换向控制流程图。

图中：1、换向阀2、热电偶3、进出口4、氧化床5、可编程控制器

具体实施方式

如图1所示，在氧化床4中心区域沿着气流方向均匀布置7个热电偶2，在氧化床4两端的进出口3各布置一个热电偶2，可编程控制器5根据上述热电偶2采集的数据，计算氧化床4中心区域内温度≥900℃的区域长度、氧化床4中心区域的线蓄热量、氧化床4两进出口2的气体温差，并根据计算结果判断是否换向，如果需要换向，可编程控制器5向换向阀1输出信号，切换气体流动方向。

如图2所示，煤矿乏风瓦斯热氧化装置的气流换向控制方法，包含以下步骤：

1)参数设置，包括：氧化床4中心区域长度H_c＝700mm、氧化床4中心区域沿着气流方向均匀布置的热电偶2个数n＝7、氧化床4中心区域相邻热电偶2的间距x_i＝100mm、最小换向时间t_min＝60s、保证甲烷氧化所需要的氧化床4高温区最小轴向长度H_min＝300mm、保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min＝510m·℃、氧化床两进出口3最大气体温差ΔT_max＝60℃；

2)气流换向计时；

3)判断气流换向的计时时间是否≥60s，如果否，重复执行步骤2)；如果是，执行步骤4)；

4)采集热电偶2的测量数据；

5)根据热电偶2测量值判断热电偶2是否正常工作，如果否，报警并切换为人工控制气流换向模式，如果是，执行步骤6)；

6)根据热电偶2测量值，由公式∑x_i|_T≥900℃计算氧化床4中心区域内温度≥900℃的区域长度，判断∑x_i|_T≥900℃是否≥300mm，如果是，则可以保证甲烷能够完全氧化，执行步骤7)；如果否，可编程控制器5向换向阀1输出信号，切换气体流动方向，计时清零，执行步骤2)；

7)根据公式 $Q_{\mathrm{CX}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_j\·x_j),$ 计算氧化床4中心区域的线蓄热量，判断Q_CX是否≥510m·℃，如果是，则可以保证氧化床能够稳定运行，执行步骤8)；如果否，换向阀1在可编程控制器5控制下进行气体流动换向，计时清零，执行步骤2)；

8)判断两进出口3气体温差是否≤60℃，如果是，执行步骤4)，否则，换向阀1在可编程控制器5控制下进行气体流动换向，计时清零，执行步骤2)。

Claims (6)

1.一种煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的气流换向控制方法，其特征在于采用以下步骤：

1)参数设置，包括：氧化床中心区域长度H_c、氧化床中心区域沿着气流方向均匀布置的热电偶个数n、最小换向时间t_min、保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min、保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min、氧化床进出口最大气体温差ΔT_max、氧化床中心区域相邻热电偶的间距x_i；

2)气流换向计时；

3)判断气流换向的计时时间是否≥规定的最小换向时间t_min，如果否，执行步骤2)；如果是，执行步骤4)；

4)采集热电偶的测量数据；

5)根据热电偶测量值判断热电偶是否正常工作，如果否，报警并切换为人工控制气流换向模式，如果是，执行步骤6)；

6)根据热电偶测量值，由公式Σx_i|_T≥900℃计算氧化床中心区域内温度≥900℃的区域长度，判断Σx_i|_T≥900℃是否≥保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min，如果是，执行步骤7)；否则可编程控制器向换向阀输出信号，切换气体流动方向，计时清零，执行步骤2)；

7)根据公式

计算氧化床中心区域的线蓄热量，判断Q_CX是否≥保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min，如果是，执行步骤8)，否则换向阀在可编程控制器控制下进行气体流动换向，计时清零，执行步骤2)；

8)判断氧化床两进出口气体温差是否≤允许的最大气体温差ΔT_max，如果是，执行步骤4)，否则，换向阀在可编程控制器控制下进行气体流动换向，计时清零，执行步骤2)。

2.如权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的气流换向控制方法，其特征在于：氧化床中心区域的长度为500-1000mm，氧化床中心区域均匀分布5-10个热电偶，相邻热电偶的间距x_i为100-150mm。

3.如权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的气流换向控制方法，其特征在于：规定的最小换向时间t_min为60-90秒。

4.如权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的气流换向控制方法，其特征在于：保证甲烷氧化所需要的氧化床高温区最小轴向长度H_min为300-500mm。

5.如权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的气流换向控制方法，其特征在于：保证氧化床稳定运行所需要的氧化床中心区域最小线蓄热量Q_min为400-800m·℃。

6.如权利要求1所述的煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置的气流换向控制方法，其特征在于：允许的最大气体温差ΔT_max为40-60℃。

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