CN107261832A - 具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，包括两端封闭的筒体、设置在筒体内中心的氧化床、安装在氧化床底部的旋转换向阀、鼓风机、引风机和节流阀。氧化床与筒体的顶板间留有距离，构成集气腔，旋转换向阀的乏风进气口经设有节流阀的进气管接鼓风机，旋转换向阀的排气口连接排气管，并经设有引风机和节流阀的扫气管接通旋转换向阀的扫气口。氧化床由催化床体和贴合在催化床体上、下侧的蓄热体构成，旋转换向阀包括进气布风板、排气回风板、扫气布风板、旋转轴和电机。氧化装置依靠煤矿乏风的氧化放热实现自热维持运行，不需要外部辅助热源，节省能源，且运行稳定可靠。

Description

具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置

技术领域

本发明具体涉及一种具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，属于低品位气体能源利用技术领域。

背景技术

煤矿生产过程中通常采用大量通风来稀释和排放煤矿瓦斯，产生煤矿乏风瓦斯(Ventilation Air Methane，简称VAM)。由于乏风瓦斯体积浓度非常低(一般在0.1％～0.75％)、风量和体积浓度波动范围大的特点决定了很难利用传统燃烧器直接进行燃烧，因此乏风瓦斯往往直接排入大气。煤矿乏风瓦斯的主要成分甲烷，是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，我国每年通过煤矿乏风排放的纯甲烷在200亿立方米以上，严重污染了大气环境，同时也造成了优质洁净气体能源的巨大浪费。

目前国内外将煤矿乏风瓦斯作为主燃料利用的技术主要有热逆流氧化和催化逆流氧化技术，都利用多孔介质氧化床的蓄热特性和换向流动反应技术维持氧化装置的稳定运行，对甲烷氧化放热进行利用。主要区别是催化逆流氧化使用了氧化催化剂，降低了甲烷氧化所需要的温度。但逆流氧化技术必不可少的流动换向操作导致诸多弊端，例如换向流动造成温度场的周期性波动，增加了取热利用的难度，还增大了陶瓷蓄热体的热应力；换向时部分乏风气体逃逸，降低了实际甲烷转化率；换向操作对换向机构的工作可靠性要求高，并使装置整体结构复杂，装配和维护困难。这些问题使运行成本增加，限制了逆流氧化技术的普及。

在工业有机废气的氧化处理中广泛应用的旋转蓄热氧化技术，用连续旋转的蓄热体对进气进行预热，同时回收氧化后的废气热能，能够保证蓄热体内温度场的稳定性和流动的连续性，避免了未反应进气的逃逸和频繁的换向操作，具备诸多优势替代逆流氧化技术，实现煤矿乏风瓦斯的有效氧化利用。然而目前的旋转蓄热装置(例如授权公告号CN205424948U)多采用惰性多孔介质蓄热体对进气进行预热和热回收，另有单独的燃烧室依靠点火器对预热至高温(约800℃)的进气进行点燃，燃烧过程难以实现自热维持，需要消耗外部热源。并且在蓄热体内单纯进行气固换热过程，传热强度较低，蓄热体体积庞大。现有的旋转蓄热式燃烧装置(例如授权公告号CN205535865U)大都采用旋转换向阀实现进气、排气和扫气的转换功能。然而，现有的旋转换向阀结构复杂，阀体和阀芯间划分多个流动区域，流动损失较大，且多采用平面密封分离进气、排气和扫气区域，摩擦力较大，增大了驱动电机的耗能，常采用补偿机构补偿摩擦面的磨损，增加了运行的不稳定性。

发明内容

本发明的目的是弥补现有旋转蓄热催化氧化装置的不足，提供一种结构紧凑、运行高效且耗能降低的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置。其技术方案为：

一种具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，包括两端封闭的筒体、设置在筒体内中心的氧化床、安装在氧化床底部的旋转换向阀、鼓风机、引风机和节流阀，氧化床与筒体的顶板间留有距离，构成集气腔；旋转换向阀的乏风进气口经设有节流阀的进气管接鼓风机；旋转换向阀的排气口连接排气管，并经设有引风机和节流阀的扫气管接通旋转换向阀的扫气口；其特征在于：

氧化床由催化床体和贴合在催化床体上、下侧的蓄热体构成；在集气腔内设有多个垂直布置的加热器，加热器的顶端固定在筒体的顶板上；旋转换向阀包括进气布风板、排气回风板、扫气布风板、旋转轴和电机，其中旋转轴与筒体共轴线，旋转轴经推力轴承安装在筒体的底板上，旋转轴的下端穿出筒体与电机的输出端固定连接，旋转轴的上端与蓄热体留有间隙；进气布风板、排气回风板和扫气布风板分别水平固定安装在旋转轴的顶部、中部和下部，并与筒体侧壁留有间隙；进气布风板、排气回风板和筒体构成与进气管连通的进气腔；排气回风板、扫气布风板和筒体构成与排气管连通的排气腔；扫气布风板与筒体侧壁及筒体底板构成与扫气管连通的扫气腔；进气布风板上开有扇形的进气出口、排气入口和扫气出口，排气回风板上开有扇形的排气出口和扫气通道口，扫气布风板上开有扇形的扫气入口，其中排气入口位于排气出口的正上方，且两者大小相等，扫气出口与扫气通道口均位于扫气入口的正上方，且三者大小相等；排气通道由连接于排气入口与排气出口之间的两垂直平面和外圆弧面以及旋转轴的侧壁封闭围成，扫气通道由连接于扫气入口、扫气通道口和扫气出口之间的两垂直平面和外圆弧面以及旋转轴的侧壁封闭围成，排气通道和扫气通道均与筒体侧壁留有距离，使旋转中的进气腔和排气腔对应与进气管和排气管连通。

所述的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，催化床体的基体和蓄热体均采用堇青石蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷内的孔道竖直布置，催化床体负载的催化剂采用Pt贵金属催化剂或Pd贵金属催化剂。

所述的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，进气腔与排气腔的容积相等，扫气腔的容积为进气腔或排气腔容积的1/20～1/10。

所述的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，进气出口的两直线边上竖直安装有进气密封隔板，环绕扫气出口竖直安装有扫气密封隔板，且进气出口、扫气出口和排气入口之间都留有周向距离。

其工作原理为：

在装置起动初期，氧化床顶部集气箱内的加热器起动加热。煤矿乏风经过鼓风机和节流阀从旋转换向阀的进气管进入进气腔，然后从进气腔顶部的进气布风板的进气出口流出，穿过氧化床竖直向上进入集气箱，在集气箱内被加热器加热后向下流回蓄热体内，将热量传给蓄热体后，从蓄热体下端面流出，从排气入口回到旋转换向阀内，沿排气通道流进排气腔，而后从排气管排出到大气。电机带动旋转轴、进气布风板、排气回风板和扫气布风板旋转，从旋转换向阀进入氧化床的进气和从氧化床回至旋转换向阀的排气也同步旋转，氧化床的整周被排气慢慢加热至乏风瓦斯的催化氧化温度(约400℃～500℃)，乏风瓦斯在氧化床内开始氧化放热，此时关闭加热器，装置依靠乏风瓦斯的氧化放热开始自热维持运行。引风机从排气中引出部分排气经过节流阀从扫气管进入旋转换向阀的扫气腔，沿竖直向上的扫气通道进入蓄热体中，扫除蓄热体孔道中的残余未氧化的乏风，而后进入集气箱和氧化后的排气汇合，一同向下穿过氧化床，经旋转换向阀的排气通道、排气腔从排气管排至大气。扫气气体随着扫气布风板的旋转也同步旋转，对氧化床的整周进行扫气。由此，在旋转换向阀旋转部件的分配下，在氧化床内的进气氧化、扫气清除和排气放热过程有序进行，氧化床整体分为氧化区、清扫区和蓄热区，并且三个区域沿整周旋转，有效完成对煤矿乏风的高效氧化和自热维持稳定运行。

本发明与现有技术相比，主要优点和有益效果是：

1、组合式氧化床内同步发生进气氧化反应和排气放热蓄热，比传统的单纯换热的蓄热体传热强度和传热效率更高，更加节省换热面积和蓄热体积，整体尺寸减小，结构更紧凑。

2、依靠催化氧化床对煤矿乏风的低温催化氧化能力和蜂窝陶瓷氧化床的高蓄热、强热反馈能力，氧化装置能够依靠煤矿乏风的氧化放热实现自热维持运行，不许提供外部辅助热源，节省能源。

3、换向阀的结构简单高效，靠进气布风板、排气回风板和扫气布风板的分配实现流畅的旋转进气、排气和扫气过程，流动损失很小，驱动电机的耗能很低，且运行稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1所示实施例结构的A-A剖面图。

图3是图1所示实施例中旋转换向阀的结构示意图。

图4是图1所示实施例中进气布风板的结构示意图。

图5是图1所示实施例中排气回风板的结构示意图。

图6是图1所示实施例结构中扫气布风板的结构示意图。

图中：1、加热器 2、蓄热体 3、催化床体 4、筒体 5、进气布风板 6、排气通道 7、排气回风板 8、扫气布风板 9、鼓风机 10、节流阀 11、进气管 12、电机 13、旋转轴 14、推力轴承 15、引风机 16、扫气管 17、排气管 18、扫气通道 19、扫气密封隔板 20、进气密封隔板 21、进气出口 22、排气入口 23、扫气出口 24、排气出口 25、扫气通道口 26、扫气入口

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。在图1～6所示的实施例中：

筒体4的两端封闭，氧化床设置在筒体4内的中心，由催化床体3和贴合在催化床体3上、下侧的蓄热体2构成，其中催化床体3的基体和蓄热体2均采用堇青石蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷内的孔道竖直布置，催化床体3负载的催化剂采用Pt贵金属催化剂或Pd贵金属催化剂。氧化床与筒体4的顶板间留有距离，构成集气腔，集气腔内设有多个垂直布置的加热器1，加热器1的顶端固定在筒体4的顶板上。

旋转换向阀安装在氧化床的底部，包括进气布风板5、排气回风板7、扫气布风板8、旋转轴13和电机12，其中旋转轴13与筒体4共轴线，旋转轴13经推力轴承14安装在筒体4的底板上，旋转轴13的下端穿出筒体4与电机12的输出端固定连接，旋转轴13的上端与蓄热体2留有间隙；进气布风板5、排气回风板7和扫气布风板8分别水平固定安装在旋转轴13的顶部、中部和下部，并与筒体4内壁留有间隙；进气布风板5、排气回风板7和筒体4构成与进气管11连通的进气腔；排气回风板7、扫气布风板8和筒体4构成与排气管17连通的排气腔；扫气布风板8与筒体4侧壁及筒体4底板构成与扫气管16连通的扫气腔，其中进气腔与排气腔的容积相等，扫气腔的容积为进气腔或排气腔容积的1/15。进气布风板5上开有扇形的进气出口21、排气入口22和扫气出口23，排气回风板7上开有扇形的排气出口24和扫气通道口25，扫气布风板8上开有扇形的扫气入口26，其中进气出口21的两直线边上竖直安装有进气密封隔板20，环绕扫气出口23竖直安装有扫气密封隔板19，且进气出口21、扫气出口23和排气入口22之间都留有周向距离；排气入口22位于排气出口24的正上方，且两者大小相等，扫气出口23与扫气通道口25均位于扫气入口26的正上方，且三者大小相等；排气通道6由连接于排气入口22与排气出口24之间的两垂直平面和外圆弧面以及旋转轴13的侧壁封闭围成，扫气通道18由连接于扫气入口26、扫气通道口25和扫气出口23之间的两垂直平面和外圆弧面以及旋转轴13的侧壁封闭围成，排气通道6和扫气通道18均与筒体4侧壁留有筒体4半径的1/4距离，使旋转中的进气腔和排气腔对应与进气管11和排气管17连通。

旋转换向阀的乏风进气口经设有节流阀10的进气管11接鼓风机9；旋转换向阀的排气口连接排气管17，并经设有引风机15和节流阀10的扫气管16接通旋转换向阀的扫气口。

Claims (4)

1.一种具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，包括两端封闭的筒体(4)、设置在筒体(4)内中心的氧化床、安装在氧化床底部的旋转换向阀、鼓风机(9)、引风机(15)和节流阀(10)，氧化床与筒体(4)的顶板间留有距离，构成集气腔；旋转换向阀的乏风进气口经设有节流阀(10)的进气管(11)接鼓风机(9)；旋转换向阀的排气口连接排气管(17)，并经设有引风机(15)和节流阀(10)的扫气管(16)接通旋转换向阀的扫气口；其特征在于：

氧化床由催化床体(3)和贴合在催化床体(3)上、下侧的蓄热体(2)构成；在集气腔内设有多个垂直布置的加热器(1)，加热器(1)的顶端固定在筒体(4)的顶板上；旋转换向阀包括进气布风板(5)、排气回风板(7)、扫气布风板(8)、旋转轴(13)和电机(12)，其中旋转轴(13)与筒体(4)共轴线，旋转轴(13)经推力轴承(14)安装在筒体(4)的底板上，旋转轴(13)的下端穿出筒体(4)与电机(12)的输出端固定连接，旋转轴(13)的上端与蓄热体(2)留有间隙；进气布风板(5)、排气回风板(7)和扫气布风板(8)分别水平固定安装在旋转轴(13)的顶部、中部和下部，并与筒体(4)侧壁留有间隙；进气布风板(5)、排气回风板(7)和筒体(4)构成与进气管(11)连通的进气腔；排气回风板(7)、扫气布风板(8)和筒体(4)构成与排气管(17)连通的排气腔；扫气布风板(8)与筒体(4)侧壁及筒体(4)底板构成与扫气管(16)连通的扫气腔；进气布风板(5)上开有扇形的进气出口(21)、排气入口(22)和扫气出口(23)，排气回风板(7)上开有扇形的排气出口(24)和扫气通道口(25)，扫气布风板(8)上开有扇形的扫气入口(26)，其中排气入口(22)位于排气出口(24)的正上方，且两者大小相等，扫气出口(23)与扫气通道口(25)均位于扫气入口(26)的正上方，且三者大小相等；排气通道(6)由连接于排气入口(22)与排气出口(24)之间的两垂直平面和外圆弧面以及旋转轴(13)的侧壁封闭围成，扫气通道(18)由连接于扫气入口(26)、扫气通道口(25)和扫气出口(23)之间的两垂直平面和外圆弧面以及旋转轴(13)的侧壁封闭围成，排气通道(6)和扫气通道(18)均与筒体(4)侧壁留有距离，使旋转中的进气腔和排气腔对应与进气管(11)和排气管(17)连通。

2.根据权利要求1所述的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，其特征在于：催化床体(3)的基体和蓄热体(2)均采用堇青石蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷内的孔道竖直布置，催化床体(3)负载的催化剂采用Pt贵金属催化剂或Pd贵金属催化剂。

3.根据权利要求1所述的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，其特征在于：进气腔与排气腔的容积相等，扫气腔的容积为进气腔或排气腔容积的1/20～1/10。

4.根据权利要求1所述的具有组合式氧化床的煤矿乏风旋转蓄热催化氧化装置，其特征在于：进气出口(21)的两直线边上竖直安装有进气密封隔板(20)，环绕扫气出口(23)竖直安装有扫气密封隔板(19)，且进气出口(21)、扫气出口(23)和排气入口(22)之间都留有周向距离。