CN102225321A - 带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有燃烧器启动的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、设置在壳体内的预热器和反应室、燃烧器加热启动系统、进气系统、取热系统和测量与控制系统，其中在反应室内沿着气体流动方向依次布置着均温均流床层和催化氧化床层，燃烧器加热启动系统产生的热风被送入进气系统。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进入取热系统进行取热利用，另一部分进入预热器，将热量逐渐传递给进入预热器的新鲜乏风而降温，然后通过废气出口排入大气。本发明具有结构紧凑、功耗低、运行简单、可靠性高、燃料灵活等优点。

Description

带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器

技术领域

本发明涉及一种超低浓度煤矿瓦斯催化销毁的装置，特别涉及带有燃烧器启动的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

我国煤矿每年通过乏风向大气排放瓦斯高达瓦斯占150多亿Nm³，一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。煤矿乏风瓦斯浓度很低(一般在0.1～0.75％之间波动)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公司采用TFRR技术处理煤矿乏风中的甲烷，并回收其能量。MEGTEC公司于2004年在澳大利亚比和比拓公司West Cliff煤矿安装了4套TFRR，于2007年初开始运行，可以将West Cliff煤矿大约20％煤矿乏风转化为有用的能源，发电能力为5MW；于2007年在我国河南登封市一家煤矿安装了1套TFRR，专门用于销毁乏风甲烷。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等单位也先后自主开发了煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置，并在煤矿现场进行了应用试验研究，现在已开始示范运行。1995年加拿大矿物与能源技术中心(CANMET)开始研发煤矿乏风瓦斯催化逆流反应(CFRR)技术，现在已经开发出了实验室规模的催化甲烷逆流反应器，并在该装置上进行了煤矿乏风瓦斯催化氧化模拟试验。总体来说，热逆流反应器和催化逆流反应器都可以有效地治理和利用煤矿乏风中的瓦斯。但是从实际应用角度来看，目前只有热逆流反应技术成功地在煤矿现场进行了商业应用。但是采用TFRR技术处理煤矿乏风瓦斯还存在着以下问题：(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

本发明的目的就是提供一种能克服上述技术存在的缺陷、工作性能优良的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器。其技术方案为：

一种带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，包括乏风送风系统、设置在壳体内的预热器和反应室、燃烧器加热启动系统、进气系统、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和主风机，其中第二乏风输送管路的一端与矿井乏风出口连通，另一端经主风机连通第一乏风输送管路；

壳体内壁设有第一保温隔热层，预热器采用间壁式气-气换热器，预热器乏风入口穿过第一保温隔热层，伸出到壳体外部与第一乏风输送管路连通，预热器乏风出口穿过第一保温隔热层，伸出到壳体外部与第二热风连接管连通，预热器热风入口与反应室连通，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，均温均流床层与催化氧化床层之间留有2～10mm的间隙，均温均流床层与催化氧化床层的另一侧设有固定网，固定网的四周与第一保温隔热层固定连接；

燃烧器加热启动系统包括配风机、空气管、第一调节阀、燃烧器、配风器和高温闸阀，配风机的出口经设有第一调节阀的空气管连通配风器，燃烧器的火管伸到配风器内部，配风器的输出端经高温闸阀连通进气系统；

进气系统包括第二热风连接管、热风混合器、第一热风连接管和扩口管，其中热风混合器包括混合器主管和热风管，热风管的入口接高温闸阀，出口探入混合器主管内，混合器主管的输入端与第二热风连接管连通，输出端经第一热风连接管连通扩口管，扩口管内布置着多个导流板；

取热系统包括设有第三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；设置在第二热风连接管上的第五温度传感器，用于测量第二热风连接管内乏风的温度；设置在第一热风连接管末端的第三温度传感器，用于测量第一热风连接管末端的乏风的温度；设置在热风管内的第四温度传感器；设置在均温均流床层的蜂窝陶瓷蓄热体内部的第二温度传感器，用于测量均温均流床层的温度；设置在催化氧化床层的催化剂载体内部的第一温度传感器，用于测量催化氧化床层的温度；设置在废气出口处的第六温度传感器，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、第六温度传感器、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、第二调节阀和高温闸阀的控制端通过信号线与测控单元相连。

所述的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，高温闸阀、第二热风连接管、第一热风连接管、扩口管和混合器主管的外表面均设有第二保温隔热层。

所述的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，配风器为圆管型壳体结构，配风器自靠近燃烧器端起依次设有大管段、过渡段和细管段，配风器的大管段的端部设有安装板，燃烧器固定在安装板上，空气管与配风器的大管段连通，配风器的细管段经法兰与高温闸阀连通。

所述的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，混合器主管的中段直径大于第一热风连接管和第二热风连接管的直径，两端部渐缩并通过其法兰与第一热风连接管和第二热风连接管连通；热风管垂直穿过混合器主管中段，深入到混合器主管的中心后向混合器主管的输出端弯曲、并与混合器主管平行。

本发明的工作原理为：

首先，启动测控单元，启动主风机，来自矿井乏风出口的乏风依次流经第二乏风输送管路、主风机、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、第二热风连接管、热风混合器的混合器主管、第一热风连接管、扩口管进入氧化床主体的反应室，在反应室内依次流过均温均流床层和催化氧化床层，然后预热器热风入口进入预热器，最后通过废气出口排入大气之中；调整主风机的风量，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；

打开高温闸阀和第一调节阀，依次开启配风机和燃烧器，燃烧器燃烧产生的高温气体与配风机的空气在配风器内混合后经过高温闸阀和热风管进入混合器主管内，与来自第二热风连接管的乏风混合形成热气体。通过调整第一调节阀的开度和燃烧器的功率来调节热气体的温度；

热气体经过第一热风连接管、扩口管进入氧化床主体的反应室，加热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，热气体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，然后通过废气出口排入大气之中。经过预热器乏风入口进入预热器的新鲜乏风将被加热，温度逐渐升高，经过预热器乏风出口、第二热风连接管进入热风混合器与燃烧器加热启动系统产生的高温气体混合，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；

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；当第五温度传感器测量的乏风温度达到甲烷的催化氧化温度后，逐渐减小第一调节阀的开度和燃烧器的功率，直至关闭第一调节阀和燃烧器，然后关闭高温闸阀；分多次逐渐加大主风机的风量，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，然后装置进入正常运行状态；

打开第二调节阀，在催化氧化床层内氧化后，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热风入口进入预热器，将热量逐渐传递给进入预热器的新鲜乏风而降温，然后通过废气出口排入大气之中；此后装置进入正常工作状态。

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。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。

2、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、两个调节阀和一个高温闸阀外，整个装置没有其他运动部件，提高了装置的运行可靠性。

3、使用外部燃烧器燃烧产生的高温气体进行加热启动，一方面可以使用高浓度瓦斯、天然气、液化石油气等多种燃料，具有燃料灵活的优点，另一方面也可以减少煤矿的用电负荷。

附图说明

图1是本发明实施例的结构剖面示意图。

图2是图1所示实施例的A-A剖面图。

图3是热风混合器的剖面示意图。

图4是配风器的剖面示意图。

图中：1.预热器  2.壳体  3.第一保温隔热层  4.预热器乏风出口  5.第一温度传感器  6.预热器热风入口  7.反应室  8.固定网  9.催化氧化床层  10.均温均流床层  11.扩口管  12.导流板  13.第二温度传感器  14.第三温度传感器  15.第一热风连接管  16.第二保温隔热层  17.热风混合器  18.第四温度传感器  19.配风机20.空气管  21.第一调节阀  22.燃烧器23.配风器  24.高温闸阀  25.第二热风连接管  26.第五温度传感器  27.测控单元  28.预热器乏风/入口  29.第一乏风输送管路  30.压力传感器  31.浓度传感器  32.流量计  33.第六温度传感器  34.第二乏风输送管路  35.主风机  36.废气出口  37.抽气管  38.第二调节阀  39.第三保温隔热层  40.混合器主管  41.热风管  42.法兰  43.安装板

具体实施方式

在图1-4所示的实施例中：带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，包括乏风送风系统、设置在壳体2内的预热器1和反应室7、燃烧器加热启动系统、进气系统、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29第二乏风输送管路34和主风机35，其中第二乏风输送管路34的一端与矿井乏风出口连通，另一端经主风机35连通第一乏风输送管路29；

壳体2内壁设有第一保温隔热层3，预热器1采用间壁式气-气换热器，预热器乏风入口28穿过第一保温隔热层3，伸出到壳体2外部与第一乏风输送管路29连通，预热器乏风出口4穿过第一保温隔热层3，伸出到壳体2外部与第二热风连接管25连通，预热器热风入口6与反应室7连通，预热器废气出口36与外界大气相连通；

反应室7内沿着气体流动方向依次布置着均温均流床层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，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与催化氧化床层9的另一侧设有固定网8，固定网8的四周与第一保温隔热层3固定连接；

燃烧器加热启动系统包括配风机19、空气管20、第一调节阀21、燃烧器22、配风器23和高温闸阀24，其中配风器23为圆管型壳体结构，配风器23自靠近燃烧器22端起依次设有大管段、过渡段和细管段，配风器23的大管段的端部设有安装板43，燃烧器22固定在安装板43上，燃烧器22的火管伸到配风器23内部，配风机19的出口经设有第一调节阀21的空气管20与配风器23的大管段连通，配风器23的输出端即细管段经法兰42、和高温闸阀24连通进气系统。

进气系统包括第二热风连接管25、热风混合器17、第一热风连接管15和扩口管11，其中热风混合器17包括混合器主管40和热风管41，混合器主管40的中段直径大于第一热风连接管15和第二热风连接管25的直径，两端部渐缩，混合器主管40的输入端通过其法兰与第二热风连接管25连通，输出端通过其法兰、经第一热风连接管15连通扩口管11，扩口管11内布置着多个导流板12；热风管41的入口接高温闸阀24，出口垂直穿过混合器主管42中段，深入到混合器主管40的中心后向混合器主管40的输出端弯曲、并与混合器主管40平行，高温闸阀24、第二热风连接管25、第一热风连接管15、扩口管11和混合器主管40的外表面均设有第二保温隔热层16。

取热系统包括设有第三保温隔热层39的抽气管37和第二调节阀38，第二调节阀38设置在抽气管37上，抽气管37的进气端与反应室7连通；

测量与控制系统包括：测控单元27；设置在第一乏风输送管路29上的压力传感器30、浓度传感器31和流量计32，分别用于测量第一乏风输送管路29中乏风的压力、浓度和流量；设置在第二热风连接管25上的第五温度传感器26，用于测量第二热风连接管25内乏风的温度；设置在第一热风连接管15末端的第三温度传感器14，用于测量第一热风连接管15末端的乏风的温度；设置在热风管41内的第四温度传感器18；设置在均温均流床层10的蜂窝陶瓷蓄热体内部的第二温度传感器13，用于测量均温均流床层10的温度；设置在催化氧化床层9的催化剂载体内部的第一温度传感器5，用于测量催化氧化床层9的温度；设置在废气出口36处的第六温度传感器33，用于测量废气出口的温度；第一温度传感器5、第二温度传感器13、第三温度传感器14、第四温度传感器18、第五温度传感器26、第六温度传感器33、压力传感器30、浓度传感器31、流量计32的输出端与测控单元27相连，第一调节阀21、第二调节阀36和高温闸阀24的控制端通过信号线与测控单元27相连。

Claims (4)

1.一种带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，包括乏风送风系统、设置在壳体(2)内的预热器(1)和反应室(7)、燃烧器加热启动系统、进气系统、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(29)第二乏风输送管路(34)和主风机(35)，其中第二乏风输送管路(34)的一端与矿井乏风出口连通，另一端经主风机(35)连通第一乏风输送管路(29)；

壳体(2)内壁设有第一保温隔热层(3)，预热器(1)采用间壁式气-气换热器，预热器乏风入口(28)穿过第一保温隔热层(3)，伸出到壳体(2)外部与第一乏风输送管路(29)连通，预热器乏风出口(4)穿过第一保温隔热层(3)，伸出到壳体(2)外部与第二热风连接管(25)连通，预热器热风入口(6)与反应室(7)连通，预热器废气出口(36)与外界大气相连通；

反应室(7)内沿着气体流动方向依次布置着均温均流床层(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，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)与催化氧化床层(9)的另一侧设有固定网(8)，固定网(8)的四周与第一保温隔热层(3)固定连接；

燃烧器加热启动系统包括配风机(19)、空气管(20)、第一调节阀(21)、燃烧器(22)、配风器(23)和高温闸阀(24)，配风机(19)的出口经设有第一调节阀(21)的空气管(20)连通配风器(23)，燃烧器(22)的火管伸到配风器(23)内部，配风器(23)的输出端经高温闸阀(24)连通进气系统；

进气系统包括第二热风连接管(25)、热风混合器(17)、第一热风连接管(15)和扩口管(11)，其中热风混合器(17)包括混合器主管(40)和热风管(41)，热风管(41)的入口接高温闸阀(24)，出口探入混合器主管(40)内，混合器主管(40)的输入端与第二热风连接管(25)连通，输出端经第一热风连接管(15)连通扩口管(11)，扩口管(11)内布置着多个导流板(12)；

取热系统包括设有第三保温隔热层(39)的抽气管(37)和第二调节阀(38)，第二调节阀(38)设置在抽气管(37)上，抽气管(37)的进气端与反应室(7)连通；

测量与控制系统包括：测控单元(27)；设置在第一乏风输送管路(29)上的压力传感器(30)、浓度传感器(31)和流量计(32)，分别用于测量第一乏风输送管路(29)中乏风的压力、浓度和流量；设置在第二热风连接管(25)上的第五温度传感器(26)，用于测量第二热风连接管(25)内乏风的温度；设置在第一热风连接管(15)末端的第三温度传感器(14)，用于测量第一热风连接管(15)末端的乏风的温度；设置在热风管(41)内的第四温度传感器(18)；设置在均温均流床层(10)的蜂窝陶瓷蓄热体内部的第二温度传感器(13)，用于测量均温均流床层(10)的温度；设置在催化氧化床层(9)的催化剂载体内部的第一温度传感器(5)，用于测量催化氧化床层(9)的温度；设置在废气出口(36)处的第六温度传感器(33)，用于测量废气出口的温度；第一温度传感器(5)、第二温度传感器(13)、第三温度传感器(14)、第四温度传感器(18)、第五温度传感器(26)、第六温度传感器(33)、压力传感器(30)、浓度传感器(31)、流量计(32)的输出端与测控单元(27)相连，第一调节阀(21)、第二调节阀(36)和高温闸阀(24)的控制端通过信号线与测控单元(27)相连。

2.如权利要求1所述的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，其特征在于：高温闸阀(24)、第二热风连接管(25)、第一热风连接管(15)、扩口管(11)和混合器主管(40)的外表面均设有第二保温隔热层(16)。

3.如权利要求1所述的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，其特征在于：配风器(23)为圆管型壳体结构，配风器(23)自靠近燃烧器(22)端起依次设有大管段、过渡段和细管段，配风器(23)的大管段的端部设有安装板(43)，燃烧器(22)固定在安装板(43)上，空气管(20)与配风器(23)的大管段连通，配风器(23)的细管段经法兰(42)与高温闸阀(24)连通。

4.如权利要求1所述的带有燃烧器启动的煤矿乏风预热催化氧化器，其特征在于：混合器主管(40)的中段直径大于第一热风连接管(15)和第二热风连接管(25)的直径，两端部渐缩并通过其法兰与第一热风连接管(15)和第二热风连接管(25)连通；热风管(41)垂直穿过混合器主管(42)中段，深入到混合器主管(40)的中心后向混合器主管(40)的输出端弯曲、并与混合器主管(40)平行。

Images