CN204267081U - 一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，包括燃煤换热器、催化反应器和余热锅炉，燃煤换热器通过管路依次连接催化反应器和余热锅炉，其特征在于：所述催化反应器包括外壳，所述外壳内从下往上依次设置有用于使煤矿瓦斯发生反应的分级式催化反应体及用于将反应产生的二氧化碳吸收的固碳板，所述分级式催化反应体包括上下两段，下段为贵金属催化段，上段为六铝酸盐催化段或/和钙钛矿催化段。本实用新型煤矿瓦斯催化氧化供热系统燃烧稳定、安全可靠、燃烧寿命长，可用于煤矿瓦斯的连续处理。
Description
技术领域
本实用新型属于煤矿瓦斯处理装置领域，更具体地，涉及一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统。
背景技术
甲烷是一种温室气体，其温室效应二氧化碳的21倍，在全球气候变暖中的份额为15％，仅次于二氧化碳。目前，我国每年因采煤排放的甲烷在200亿立方米以上，占世界采煤排放甲烷总量的45％，超过天然气西气东输一期的总量。其中约150多亿立方米甲烷通过煤矿瓦斯排入大气。如果煤矿瓦斯全部得到处理，约可折合1000～1500万吨原油或2000～3000多万吨煤炭。
煤矿瓦斯(Ventilation Air Methane，简称VAM)利用的主要难点是气流量大，气体中甲烷的浓度很低，流量不稳定。由于煤矿瓦斯拥有的巨大潜力，澳大利亚、美国、加拿大等均已经对其开展了研究和利用，而国内研究仍处于起步阶段。治理和利用煤矿瓦斯，是目前我国面临的紧迫任务。
低浓度甲烷由于起燃温度较高，需达到1250K，而催化剂作用下，甲烷的自燃温度降低，可低至650K。因此煤矿瓦斯催化氧化越来越受到关注。这种技术的优势在于能够在较低温度下氧化煤矿瓦斯中稀薄的甲烷，并在理想的温度下进行热交换，从而对能量进行转化利用。且自燃温度的降低，可以增加系统的稳定性、耐久性，同时燃烧温度降低会使产物中氮氧化物含量降低。现有应用中一般仅仅是将甲烷氧化，未对其产物进行处理，同时其燃烧反应热也没能更好利用，只是将煤矿瓦斯进行减排，而且没实现温室气体的零排放。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种零排放煤矿瓦斯催化氧化装置，并对催化氧化后产生的余热进行利用，以达到保护环境和能源的节约。
为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，包括燃煤换热器、催化反应器和余热锅炉，燃煤换热器通过管路依次连接催化反应器和余热锅炉，所述催化反应器包括外壳，所述外壳内从下往上依次设置有用于使煤矿瓦斯发生反应的分级式催化反应体及用于将反应产生的二氧化碳吸收的固碳板，固碳板包括板体及放置在板体上的固碳剂，所述分级式催化反应体包括上下两段，下段为贵金属催化段，上段为六铝酸盐催化段或/和钙钛矿催化段。
优选地，所述分级式催化反应体的下方设置有第一蓄热体。
优选地，所述外壳的煤矿瓦斯入口处设置有导流板，所述第一蓄热体位于导流板和分级式催化反应体之间。
优选地，还包括监控装置；所述导流板与第一蓄热体之间设置有第一温度传感器，第一温度传感器与监控装置相连。
优选地，还包括监控装置；所述分级式催化反应体与第一蓄热体之间设置有第二温度传感器，第二温度传感器与监控装置相连。
优选地，所述分级式催化反应体和固碳板之间设置有第二蓄热体。
优选地，所述燃煤换热器包括用于燃烧煤粉的炉膛、用于将空气引入炉膛的鼓风机、用于煤矿瓦斯与煤粉燃烧产生高温烟气换热的逆流换热器及用于将尾气再次送入逆流换热器进行热量再利用的循环风机。
优选地，还包括监控装置；所述催化反应器内设置有流量计，流量计位于分级式催化反应体的下方，流量计与监控装置相连。
优选地，所述分级式催化反应体与余热锅炉之间设置有用于分离固体颗粒与气体的旋风分离器。
优选地，还包括监控装置；所述燃煤换热器与分级式催化反应体之间设置第一浓度传感器，所述分级式催化反应体与余热锅炉之间设置有第二浓度传感器，所述第一浓度传感器和第二浓度传感器均与监控装置相连。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过采用分级式催化反应体对煤矿瓦斯进行催化氧化及使用固碳板吸收二氧化碳，能够取得下列有益效果：
1)本实用新型煤矿瓦斯催化氧化供热系统燃烧稳定、安全可靠、燃烧寿命长，可用于煤矿瓦斯的连续处理；
2)本实用新型环保，首先将煤矿瓦斯中甲烷实现完全反应，同时对反应产物中的二氧化碳进行固定，降低了温室气体排放。催化剂降低反应温度，避免氮氧化物生成；
3)本实用新型采用分级反应，一方面降低反应温度，拓宽浓度极限，另一方面高温时布置钙钛矿催化剂可以避免贵金属催化剂高温易失活的缺点，增强反应器连续工作时间；
4)本实用新型通过余热锅炉对余热进行利用，使余热锅炉入口温度维持在其工况范围内，提高经济效益，避免能源浪费。
附图说明
图1是本实用新型的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，包括监控装置24、燃煤换热器1、催化反应器4和余热锅炉11，燃煤换热器1通过管路依次连接催化反应器4和余热锅炉11，所述催化反应器4包括外壳32，所述外壳32内从下往上依次设置有用于使煤矿瓦斯发生反应的分级式催化反应体7及用于将反应产生的二氧化碳吸收的固碳板9。按照图1所示的情形，煤矿瓦斯在催化反应器4中的流动方向是从下往上流动，其先通过分级式催化反应体7，再通过固碳板9，催化反应器4的下端设有煤矿瓦斯的入口。
所述分级式催化反应体7包括上下两段，下段为贵金属催化段，贵金属催化段中采用贵金属催化剂，上段为六铝酸盐催化段或/和钙钛矿催化段，采用的是六铝酸盐催化剂或钙钛矿催化剂。催化剂可采用溶胶凝胶法和浸渍法负载于蜂窝陶瓷载体。
分级式催化反应体7使用多段结构，下段使用贵金属催化剂Pt、Pd等，有利于与上段的六铝酸盐或钙钛矿催化燃烧室中钙钛矿整体式催化剂表面的吸附氧反应，促进催化反应。上段使用六铝酸盐或/和钙钛矿等催化剂，这样既利用了贵金属催化剂起燃温度低的优点，又利用了钙钛矿热稳定性好的优点，延长了催化反应器4的使用寿命。
所述分级式催化反应体7的下方设置有第一蓄热体6，所述外壳32的煤矿瓦斯入口处设置有导流板5，所述第一蓄热体6位于导流板5和分级式催化反应体7之间。所述导流板5与第一蓄热体6之间设置有第一温度传感器25，第一温度传感器25与监控装置24相连。所述分级式催化反应体7与第一蓄热体6之间设置有第二温度传感器26，第二温度传感器26与监控装置24相连。所述分级式催化反应体7和固碳板9之间设置有第二蓄热体8。
所述燃煤换热器1为现有比较成熟的产品，其包括用于燃烧煤粉的炉膛2、用于将空气引入炉膛2的鼓风机21、用于煤矿瓦斯与煤粉燃烧产生高温烟气换热的逆流换热器3及用于将尾气再次送入逆流换热器3进行热量再利用的循环风机22，其主要作用是对通入系统的煤矿瓦斯进行加热。所述燃煤换热器1连接有尾气处理装置23，这样尾气排入大气中时，对环境的污染就比较小。
另外，所述分级式催化反应体7与余热锅炉11之间设置有用于分离固体颗粒与气体的旋风分离器10，这样固碳板9上的固碳剂颗粒就不容易被气体带进余热锅炉11内。
所述燃煤换热器1与分级式催化反应体7之间设置第一浓度传感器29，所述分级式催化反应体7与余热锅炉11之间设置有第二浓度传感器30，所述第一浓度传感器29和第二浓度传感器30均与监控装置24相连，这样可以实时监控进出催化反应器4的煤矿瓦斯的浓度，以便于调节燃煤换热器1中的煤粉量，从而使产生的烟气更好地与燃煤换热器1中的煤矿瓦斯进行换热。由于初始时进入燃煤换热器1中的煤矿瓦斯的浓度有点不稳定，因此需要监测进出催化反应器4的气体的浓度。
本系统可直接配套煤矿在其周边建设。该系统可以连续处理低浓度的煤矿瓦斯，并对燃烧排放的二氧化碳进行吸收，实现温室气体的零排放。换热装置预热热源由燃煤提供，煤矿瓦斯在催化反应器4中进行催化氧化后的反应尾气进入余热锅炉11进行利用。
所述燃煤换热器1通过鼓风机21将空气引入炉膛2中，喷入的炉膛2中煤粉燃烧，形成的高温烟气进入逆流换热器3，与初始通入供热系统的煤矿瓦斯进行换热，换热后温度降低的一部分烟气经循环风机22送入混合室与高温烟气进行混合，进行烟气再循环，降低排烟热损失，提高燃煤换热器1的热效率，最终尾气进入尾气处理装置23进行处理。
煤矿瓦斯进入催化反应器4后，分别进行催化氧化反应与固碳反应，经过燃煤换热器1预热后的煤矿瓦斯经过导流板5，之后通过第一蓄热体6、分级式催化反应体7、第二蓄热体8，完全反应后二氧化碳被吸引进行固碳。
固碳板9包括板体，板体上放置固碳剂，烟气进入旋风分离器10，固碳剂又掉落到板体上，从而能实现对固碳剂的循环利用。
余热锅炉11是比较常见的一种锅炉。本实用新型中的余热锅炉11包括旁路挡板12，旁路烟囱13，烟道14，过热器15，第一蒸发器16、第二蒸发器17、省煤器18，预热器19，汽包20，完全催化反应后的气体进入余热锅炉11，其进入烟道14后，分别经过过热器15、第一蒸发器16、第二蒸发器17、省煤器18进行利用。
燃煤换热器1产生的尾气与余热锅炉11排放的尾气都要进行处理后排入大气中。
监控装置24通过第一浓度传感器29和第二浓度传感器30实时监控进出催化反应器4的气体浓度，其通过第一温度传感器25监控进入第一蓄热体6中的煤矿瓦斯的温度、通过第二温度传感器26监控进入分级式催化反应体7内的气体温度，另外，催化反应器4内还设置有第三温度传感器27和第四温度传感器28，分别用于实时监控进入第二蓄热体8的气体温度和固碳板9内的气体温度。通过第一温度传感器25～第四温度传感器28，可以实时知道催化反应器4内的气体温度，进而可以调节燃煤换热器1的煤粉量，使从燃煤换热器1内出来的煤矿瓦斯的温度达到预定温度范围。
第一蓄热体6和第二蓄热体8能有效避免由于煤矿瓦斯浓度变化大，导致气体温度波动范围过大，固碳效率、余热锅炉11热效率降低。
另外，催化反应器4内还设置有流量计31，流量计31位于分级式催化反应体7的下方，用于检测经过分级式催化反应体7的煤矿瓦斯的流速。流量计31与监控装置24相连。煤矿瓦斯的流速不能太高，否则被贵金属催化段催化的煤矿瓦斯的量太大，放热会很多，容易使贵金属催化段的温度升得太高而活性降低。
本供热系统的工作过程如下：
煤矿瓦斯首先经过燃煤换热器1与煤粉燃烧产生的高温烟气进行换热，达到700K～800K，然后煤矿瓦斯进入催化反应器4，经导流板5后进入第一蓄热体6，利用第一蓄热体6热容量高的性能，降低煤矿瓦斯的温度波动，调节进出第一蓄热体6的气体温差，使流出第一蓄热体6的气体温度保持在一较稳定的值，即使进入分级式催化反应体7的煤矿瓦斯的温度能够维持在约750K左右；煤矿瓦斯流出第一蓄热体6后进入整体式催化剂，煤矿瓦斯先与下段的贵金属催化剂接触，初步反应生成甲基、CO、H2O等初次反应气，以提高初次反应气的温度，然后初次反应气又继续上升后与上段的钙钛矿催化剂进行反应，实现完全反应，反应后生成CO2等气体，C-H键的键能413kJ/mol，甲烷浓度从0.2％到0.8％，绝热温升ΔT由45K上升至180K，完全反应后的气体温度可达到900K左右，其又经过固碳板9，其中的CO2被固碳剂吸收，本实用新型在催化反应器4上方设置固碳板9，固碳剂选择CaO，气体温度为900K时，CaO固碳效率约为80％，温室气体接近零排放。然后剩下的气体为H2O、O2和N2等，这部分900K的气体流出催化反应器4后进入余热锅炉11实现余热利用，目前大多数型号的余热锅炉11在该温度范围有较高的工作效率。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
1)、本实用新型煤矿瓦斯催化氧化供热系统燃烧稳定、安全可靠、燃烧寿命长，可用于煤矿瓦斯的连续处理。
2)、本实用新型环保，首先将煤矿瓦斯中甲烷实现完全反应，同时对反应产物中的二氧化碳进行固定，降低了温室气体排放，催化剂降低其燃烧温度，避免氮氧化物生成。
3)、本实用新型采用分级反应，一方面降低反应温度，拓宽浓度极限，另一方面高温时布置钙钛矿催化剂可以避免贵金属催化剂高温易失活的缺点，增强反应器连续工作时间。
4)、本实用新型通过合理布置燃烧器中蜂窝蓄热体，使反应器具有一定自调节功能，当煤矿瓦斯浓度变化较大时，蓄热体通过放热和吸热调节预热温度和尾气温度。
5)、本实用新型对余热进行利用，根据煤矿瓦斯浓度通过调节预热温度，使余热锅炉11入口温度维持在其工况范围内，提高经济效益，避免能源浪费。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：包括燃煤换热器(1)、催化反应器(4)和余热锅炉(11)，燃煤换热器(1)通过管路依次连接催化反应器(4)和余热锅炉(11)，其特征在于：所述催化反应器(4)包括外壳(32)，所述外壳(32)内从下往上依次设置有用于使煤矿瓦斯发生反应的分级式催化反应体(7)及用于将反应产生的二氧化碳吸收的固碳板(9)，固碳板(9)包括板体及放置在板体上的固碳剂，所述分级式催化反应体(7)包括上下两段，下段为贵金属催化段，上段为六铝酸盐催化段或/和钙钛矿催化段。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：所述分级式催化反应体(7)的下方设置有第一蓄热体(6)。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：所述外壳(32)的煤矿瓦斯入口处设置有导流板(5)，所述第一蓄热体(6)位于导流板(5)和分级式催化反应体(7)之间。
4.根据权利要求3所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：还包括监控装置(24)；所述导流板(5)与第一蓄热体(6)之间设置有第一温度传感器(25)，第一温度传感器(25)与监控装置(24)相连。
5.根据权利要求2所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：还包括监控装置(24)；所述分级式催化反应体(7)与第一蓄热体(6)之间设置有第二温度传感器(26)，第二温度传感器(26)与监控装置(24)相连。
6.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：所述分级式催化反应体(7)和固碳板(9)之间设置有第二蓄热体(8)。
7.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：所述燃煤换热器(1)包括用于燃烧煤粉的炉膛(2)、用于将空气引入炉膛(2)的鼓风机(21)、用于煤矿瓦斯与煤粉燃烧产生高温烟气换热的逆流换热器(3)及用于将尾气再次送入逆流换热器(3)进行热量再利用的循环风机(22)。
8.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：还包括监控装置(24)；所述催化反应器(4)内设置有流量计(31)，流量计(31)位于分级式催化反应体(7)的下方，流量计(31)与监控装置(24)相连。
9.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：所述分级式催化反应体(7)与余热锅炉(11)之间设置有用于分离固体颗粒与气体的旋风分离器(10)。
10.根据权利要求1所述的一种煤矿瓦斯低排放催化氧化供热系统，其特征在于：还包括监控装置(24)；所述燃煤换热器(1)与分级式催化反应体(7)之间设置第一浓度传感器(29)，所述分级式催化反应体(7)与余热锅炉(11)之间设置有第二浓度传感器(30)，所述第一浓度传感器(29)和第二浓度传感器(30)均与监控装置(24)相连。
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