CN102218286A - 煤矿乏风预热催化氧化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤矿乏风预热催化氧化器，属于超低浓度甲烷氧化技术领域，包括乏风送风系统、预热器、反应室、热风连接管、扩口管、取热系统和测量与控制系统，其中乏风送风系统与预热器乏风入口连通，预热器乏风出口通过热风连接管与反应室入口联通，预热器废气入口通过过渡管与反应室出口联通，预热器废气出口与外界大气相连通，反应室内沿着气体流动方向依次布置着电加热启动装置、均温均流床层、催化氧化床层。在反应室加热启动后，乏风进入预热器被加热升温，在催化氧化床层内氧化成二氧化碳和水，氧化后的热气体一部分通过取热系统取走进行热利用，另一部分经预热器降温后排入大气。本发明具有结构紧凑、功耗低、运行简单、可靠性高等优点。

Description

煤矿乏风预热催化氧化器
技术领域
本发明提供一种煤矿乏风预热催化氧化器，属于超低浓度甲烷氧化技术领域。
背景技术
煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，是一种可以利用的气体能源。但为了提高煤矿生产的安全性，通常采用大量通风将瓦斯稀释后直接将其排放到大气之中。这种煤矿乏风瓦斯的直接排放一方面造成了有限的不可再生资源的巨大浪费，另一方面也加剧了大气污染和温室效应：以100年计的甲烷温室效应是二氧化碳的21倍，甲烷占全球气候变暖份额的17％，仅次于二氧化碳。目前，我国煤矿每年向大气排放的甲烷量高达200亿Nm3，其中，乏风瓦斯占150多亿Nm3。煤矿乏风排放量巨大，乏风瓦斯浓度很低(一般在0.1～0.75％之间波动)，这两个因素是制约其利用的主要难题，目前有效的利用方法是采用热逆流氧化技术(Thermal Flow Reversal Reactor，简称TFRR)和催化逆流氧化技术(Catalytic Flow Reversal，简称CFRR)。这两种逆流氧化技术的基本工作原理和构造大体相同，主要区别是CFRR使用了氧化催化剂，降低了瓦斯氧化所需要的温度。瑞典的MEGTEC公司、我国的山东理工大学、胜利油田胜利动力机械集团有限公司、淄博淄柴新能源有限公司采用TFRR技术处理煤矿乏风中的甲烷，回收其能量。TFRR采用气体和热交换介质固体床之间的再生热交换原理，首先用加热器将热交换介质固体床(蜂窝陶瓷)加热到1000℃左右，煤矿乏风以一个方向流入和通过氧化床，气体被蓄热陶瓷加热，温度不断提高，直至甲烷氧化。然后，氧化的热气体继续向氧化床的另一边移动，把热量传递给蓄热陶瓷而逐渐降热。随着气体的不断进入，氧化床入口一侧温度逐渐降低，出口侧温度逐渐升高。在入口侧没有足够的热量将气体加热到氧化温度以前，开始换向，气体流动发生反转。该技术的关键是要将送入氧化床中的气体不断变换运动方向，使进气在氧化床中吸热升温，以保证氧化过程的自维持。目前，采用TFRR技术处理煤矿乏风瓦斯已经在国内外成功的进行了商业应用，而CFRR技术尚未有在煤矿现场处理乏风瓦斯示范运行的报道。但是从实际应用的角度考虑，采用TFRR技术处理煤矿乏风瓦斯存在着以下问题：(1)TFRR占地相对较大，例如用MEGTEC公司的TFRR单元要处理150m3/s的气体，其装置占地面积约为(63×14.62×4.49)m；(2)TFRR的氧化床由大量的蜂窝陶瓷构成，蜂窝陶瓷在长期使用后会发生开裂、破碎和堵塞等问题，一般来说每年要更换一次蜂窝陶瓷，维护成本太高；(3)TFRR的阻力损失很大，一般在8000KPa以上，风机的能耗很高；(4)TFRR的氧化床内的气流需要不断变换方向，以保证高温区域维持在氧化床的中部，自动控制程度要求较高，操作技术要求很高。这些主要问题加大了TFRR技术推广应用的难度。
发明内容
本发明目的就是要提供一种能克服上述技术存在的缺陷、结构紧凑、功耗低、运行简单、可靠性高的煤矿乏风预热催化氧化器。其技术方案为：
一种煤矿乏风预热催化氧化器，包括乏风送风系统、预热器、反应室、热风连接管、扩口管、取热系统和测量与控制系统，其特征在于：
乏风送风系统包括第一乏风输送管路、第二乏风输送管路、第一风机、第一调节阀、空气管路和第二风机，其中第二乏风输送管路的一端与矿井乏风出口连通，另一端经第一风机连通第一乏风输送管路，第二风机的出口通过空气管路、第一调节阀与第一乏风输送管路相连通；
预热器采用间壁式气-气换热器，预热器与预热器壳体之间有第一保温隔热层，其中预热器乏风出口依次通过热风连接管、扩口管与反应室的入口联通，预热器废气入口通过过渡管与反应室的出口联通，预热器废气出口通过废气出口管与外界大气相连通，热风连接管、扩口管均设有第四保温隔热层，过渡管内壁设有第二保温隔热层；
反应室由设有第三保温隔热层的氧化床壳体围成，反应室内沿着气体流动方向依次布置着电加热启动装置、均温均流床层和催化氧化床层，其中均温均流床层由大孔隙率的蜂窝陶瓷蓄热体堆积构成，蜂窝陶瓷蓄热体上有若干圆形、方形或多边形的孔隙，催化氧化床层内充填催化剂，催化剂是以小孔隙率的堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd为主要活性成分，用高分散率均匀分布的方法制备而成，催化氧化床层靠近反应室出口端设有固定网；
取热系统包括设有第二保温隔热层的抽气管和第二调节阀，第二调节阀设置在抽气管上，抽气管的进气端与反应室连通；
测量与控制系统包括：测控单元；设置在第一乏风输送管路上的第二压力传感器、浓度传感器和流量计，分别用于测量第一乏风输送管路中乏风的压力、浓度和流量；设置在热风连接管上的第四温度传感器和第一压力传感器，分别用于测量热风连接管内乏风的温度和压力；第一温度传感器设置在均温均流床层的蜂窝陶瓷蓄热体内部，用于测量均温均流床层的温度；第二温度传感器设置在催化氧化床层的催化剂载体内部，用于测量催化氧化床层的温度；第三温度传感器设置在过渡管内，用于测量热气体的温度；第五温度传感器设置在废气出口管内，用于测量废气出口的温度；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、浓度传感器、流量计的输出端与测控单元相连，第一调节阀和第二调节阀的控制端通过信号线与测控单元相连。
所述的煤矿乏风预热催化氧化器，均温均流床层与催化氧化床层之间留有2～10mm的间隙，固定网的四周与反应室的内壁固定连接。
所述的煤矿乏风预热催化氧化器，电加热启动装置包括多个缠绕有电加热丝且互相平行的支撑管，每个支撑管的两端都插在第三保温隔热层上。
所述的煤矿乏风预热催化氧化器，扩口管内布置着多个导流板。
其工作过程依次为：
A)首先，启动测控单元，启动第一风机，来自矿井乏风出口的乏风依次流经第二乏风输送管路、第一风机、第一乏风输送管路和预热器乏风入口，进入预热器，再经过预热器乏风出口、热风连接管、扩口管进入氧化床主体的反应室，在反应室内依次流过电加热器、均温均流床层和催化氧化床层，然后经过过渡管、预热器废气入口进入预热器，最后通过废气出口管排入大气之中；然后调整第一风机的风量，使流量计检测的风量稳定维持在装置额定运行风量的1/10～1/3；
B)启动电加热启动装置，电加热器加热乏风，乏风进入均温均流床层和催化氧化床层，使均温均流床层和催化氧化床层的温度逐渐升高，热的乏风进入预热器将热量逐渐传递给进入预热器的新鲜乏风而降温，然后通过废气出口管排入大气之中；经过预热器乏风入口新进入预热器的乏风将被加热，温度逐渐升高，经过预热器乏风出口、热风连接管、扩口管进入反应室，被电加热器加热后温度进一步升高，因而均温均流床层和催化氧化床层的温度也进一步升高；
C)当进入催化氧化床层的乏风温度达到甲烷的催化氧化温度后，乏风中的甲烷在催化剂的作用下氧化成二氧化碳和水，产生的热量一部分加热催化氧化床层，另一部分随着热气体进入预热器加热进入预热器的新鲜乏风；
D)第四温度传感器测量的热风连接管内乏风的温度达到甲烷的催化氧化温度后，关掉电加热器，乏风进入催化氧化床层，甲烷在催化剂的作用下氧化成二氧化碳和水，并放出热量；
E)分多次逐渐加大第一风机的风量，并保持乏风中的甲烷在催化氧化床层内氧化，直至达到装置额定运行风量；
G)打开第二调节阀，在催化氧化床层内氧化后进入过渡管内的热气，一部分进入抽气管和第二调节阀进行取热利用，另一部分通过预热器废气入口进入预热器，将热量逐渐传递给进入预热器的新鲜乏风而降温，然后通过废气出口管排入大气之中；此后装置进入正常工作状态。
当催化氧化床层内的温度高于催化剂最高能承受的温度时，第一调节阀和第二风机自动打开，来补充空气以防止催化氧化床层内的温度过高而导致催化剂失去活性。
本发明的主要优点和有益效果是：
1、采用预热器实现乏风氧化后形成的热气体与新进入的乏风气体之间的热交换，可以大幅度地减少整个装置的体积和占地面积。
2、预热器的流动阻力较小，因而整个装置的流动阻力较小，可以有效地降低风机的功率，提高装置的运行经济性。
3、使用少量的蜂窝陶瓷，因而大大减少了因更换蜂窝陶瓷而带来的维护费用。除了两个风机和一个第一调节阀外，整个装置没有其他运动部件，提高了装置的运行可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构剖面图。
图2是图1所示实施例的A-A剖面图。
图3是图1所示实施例的B-B剖面图。
图中：1.预热器  2.预热器壳体  3.第一保温隔热层  4.预热器乏风出口  5.过渡管  6.预热器废气入口  7.第二保温隔热层  8.固定网  9.催化氧化床层  10.均温均流床层  11.电加热丝  12.支撑管  13.第三保温隔热层  14.氧化床壳体  15.扩口管16.导流板  17.热风连接管  18.反应室  19.第四保温隔热层  20.第一温度传感器21.第二温度传感器  22.第三温度传感器  23.第四温度传感器  24.第一压力传感器25.测控单元  26.预热器乏风入口  27.第一乏风输送管路  28.第二压力传感器  29.浓度传感器  30.流量计  31.第五温度传感器  32.第二乏风输送管路  33.第一风机34.第一调节阀  35.空气管路  36.第二风机  37.废气出口管  38.预热器废气出口39.抽气管  40.第二调节阀  41.第五保温隔热层
具体实施方式
在图1-3所示的实施例中：煤矿乏风预热催化氧化器包括乏风送风系统、预热器1、反应室18、热风连接管17、扩口管15、取热系统和测量与控制系统，其中：
乏风送风系统包括第一乏风输送管路27、第二乏风输送管路32、第一风机33、第一调节阀34、空气管路35和第二风机36，其中第二乏风输送管路32的一端与矿井乏风出口连通，另一端经第一风机33连通第一乏风输送管路27，第二风机36的出口通过空气管路35、第一调节阀34与第一乏风输送管路27相连通；
预热器1采用间壁式气-气换热器，预热器1与预热器壳体2之间有第一保温隔热层3，其中预热器乏风出口4依次通过热风连接管17、扩口管15与反应室18的入口联通，预热器废气入口6通过过渡管5与反应室18的出口联通，预热器废气出口38通过废气出口管37与外界大气相连通，热风连接管17、扩口管15均设有第四保温隔热层19，过渡管5内壁设有第二保温隔热层7，扩口管15内布置着四个导流板16；
反应室18由设有第三保温隔热层13的氧化床壳体14围成，反应室18内沿着气体流动方向依次布置着电加热启动装置、均温均流床层10和催化氧化床层9，其中电加热启动装置包括多个缠绕有电加热丝11且互相平行的支撑管12，每个支撑管12的两端都插在第三保温隔热层13上；均温均流床层10与催化氧化床层9之间留有2～10mm的间隙；均温均流床层10由大孔隙率的蜂窝陶瓷蓄热体堆积构成，蜂窝陶瓷蓄热体上有若干圆形、方形或多边形的孔隙，催化氧化床层9内充填催化剂，催化剂是以小孔隙率的堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd为主要活性成分，用高分散率均匀分布的方法制备而成，催化氧化床层9靠近反应室18出口端设有固定网8，固定网8的四周与反应室18的内壁固定连接；
取热系统包括设有第二保温隔热层7的抽气管39和第二调节阀40，第二调节阀40设置在抽气管39上，抽气管39的进气端与反应室18连通；
测量与控制系统包括：测控单元25；设置在第一乏风输送管路27上的第二压力传感器28、浓度传感器29和流量计30，分别用于测量第一乏风输送管路27中乏风的压力、浓度和流量；设置在热风连接管17上的第四温度传感器23和第一压力传感器24，分别用于测量热风连接管17内乏风的温度和压力；第一温度传感器20设置在均温均流床层10的蜂窝陶瓷蓄热体内部，用于测量均温均流床层10的温度；第二温度传感器21设置在催化氧化床层9的催化剂载体内部，用于测量催化氧化床层9的温度；第三温度传感器22设置在过渡管5内，用于测量热气体的温度；第五温度传感器31设置在废气出口管37内，用于测量废气出口的温度；第一温度传感器20、第二温度传感器21、第三温度传感器22、第四温度传感器23、第五温度传感器31、第一压力传感器24、第二压力传感器28、浓度传感器29、流量计30的输出端与测控单元25相连，第一调节阀34和第二调节阀40的控制端通过信号线与测控单元25相连。

Claims (4)

1.一种煤矿乏风预热催化氧化器，包括乏风送风系统、预热器(1)、反应室(18)、热风连接管(17)、扩口管(15)、取热系统和测量与控制系统，其特征在于：
乏风送风系统包括第一乏风输送管路(27)、第二乏风输送管路(32)、第一风机(33)、第一调节阀(34)、空气管路(35)和第二风机(36)，其中第二乏风输送管路(32)的一端与矿井乏风出口连通，另一端经第一风机(33)连通第一乏风输送管路(27)，第二风机(36)的出口通过空气管路(35)、第一调节阀(34)与第一乏风输送管路(27)相连通；
预热器(1)采用间壁式气-气换热器，预热器(1)与预热器壳体(2)之间有第一保温隔热层(3)，其中预热器乏风出口(4)依次通过热风连接管(17)、扩口管(15)与反应室(18)的入口联通，预热器废气入口(6)通过过渡管(5)与反应室(18)的出口联通，预热器废气出口(38)通过废气出口管(37)与外界大气相连通，热风连接管(17)、扩口管(15)均设有第四保温隔热层(19)，过渡管(5)内壁设有第二保温隔热层(7)；
反应室(18)由设有第三保温隔热层(13)的氧化床壳体(14)围成，反应室(18)内沿着气体流动方向依次布置着电加热启动装置、均温均流床层(10)和催化氧化床层(9)，其中均温均流床层(10)由大孔隙率的蜂窝陶瓷蓄热体堆积构成，蜂窝陶瓷蓄热体上有若干圆形、方形或多边形的孔隙，催化氧化床层(9)内充填催化剂，催化剂是以小孔隙率的堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd为主要活性成分，用高分散率均匀分布的方法制备而成，催化氧化床层(9)靠近反应室(18)出口端设有固定网(8)；
取热系统包括设有第二保温隔热层(7)的抽气管(39)和第二调节阀(40)，第二调节阀(40)设置在抽气管(39)上，抽气管(39)的进气端与反应室(18)连通；
测量与控制系统包括：测控单元(25)；设置在第一乏风输送管路(27)上的第二压力传感器(28)、浓度传感器(29)和流量计(30)，分别用于测量第一乏风输送管路(27)中乏风的压力、浓度和流量；设置在热风连接管(17)上的第四温度传感器(23)和第一压力传感器(24)，分别用于测量热风连接管(17)内乏风的温度和压力；第一温度传感器(20设置在均温均流床层(10)的蜂窝陶瓷蓄热体内部，用于测量均温均流床层(10)的温度；第二温度传感器(21)设置在催化氧化床层(9)的催化剂载体内部，用于测量催化氧化床层(9)的温度；第三温度传感器(22)设置在过渡管(5)内，用于测量热气体的温度；第五温度传感器(31)设置在废气出口管(37)内，用于测量废气出口的温度；第一温度传感器(20)、第二温度传感器(21)、第三温度传感器(22)、第四温度传感器(23)、第五温度传感器(31)、第一压力传感器(24)、第二压力传感器(28)、浓度传感器(29)、流量计(30)的输出端与测控单元(25)相连，第一调节阀(34)和第二调节阀(40)的控制端通过信号线与测控单元(25)相连。
2.如权利要求1所述的煤矿乏风预热催化氧化器，其特征在于：均温均流床层(10)与催化氧化床层(9)之间留有2～10mm的间隙，固定网(8)的四周与反应室(18)的内壁固定连接。
3.如权利要求1所述的煤矿乏风预热催化氧化器，其特征在于：电加热启动装置包括多个缠绕有电加热丝(11)且互相平行的支撑管(12)，每个支撑管(12)的两端都插在第三保温隔热层(13)上。
4.如权利要求1所述的煤矿乏风预热催化氧化器，其特征在于：扩口管(15)内布置着多个导流板(16)。
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