【正文】 化裝置氧化性能試驗(yàn)研究 ............................... 30 空速對裝置運(yùn)行情況的影響 ....................................................................... 30 空速對氧化床溫度分布的影響 ......................................................... 30 空速對甲烷轉(zhuǎn)化率的影響 ................................................................. 31 空速對預(yù)熱器能量回收效率的影響 ................................................. 32 空速對排煙溫度的影響 ..................................................................... 33 甲烷濃度對裝置運(yùn)行情況的影響 ............................................................... 33 甲烷濃度對氧化床溫度分布的影響 ................................................. 33 甲烷濃度對甲烷轉(zhuǎn)化率的影響 ......................................................... 34 甲烷濃度對預(yù)熱器能量回收效率的影響 ......................................... 35 甲烷濃度對排煙溫度的影響 ............................................................. 36 本章小結(jié) ....................................................................................................... 37 第五章 煤礦乏風(fēng)瓦斯預(yù)熱催化氧化裝置阻力特性試驗(yàn)研究 ............................... 38 裝置阻力損失分布情況 ............................................................................... 38 阻力損失分布隨乏風(fēng)流量的變化情況 ............................................. 38 阻力損失分布隨溫度變化情況 ......................................................... 39 預(yù)熱器阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ....................................................................... 41 預(yù)熱器冷態(tài)阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ..................................................... 42 預(yù)熱器熱態(tài)阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ..................................................... 43 氧化床阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ....................................................................... 45 氧化床冷態(tài)阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ..................................................... 45 氧化床熱態(tài)阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ..................................................... 46 裝置整體阻力損失的數(shù)學(xué)描述 ................................................................... 46 本章小結(jié) ....................................................................................................... 47 第六章 全文總結(jié)與工作展望 ..................................................... 錯誤 !未定義書簽。而我國能源資源結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是貧油、少氣、富煤：石油年產(chǎn)量基本穩(wěn)定在2 億噸左右，占世界總儲量的 %，主要依靠進(jìn)口，而進(jìn)口渠道單一，對中東的依賴度居高不下， 20xx 年原油對外依存度估計達(dá)到 %[1]；天然氣儲量占世界總儲量的%，且其需求增長速度高于產(chǎn)量，對外依存也是節(jié)節(jié)攀升， 20xx 年天然氣對外依存度達(dá)到 %[1]；我國煤炭資源總量為 萬億噸，其中已探明儲量的有 1 萬億噸，占世界煤炭資源總存儲量的 11%，同時，占我國煤炭、石油、天然氣、水能和核能等一次能源總量的 90%以上 [2]，煤炭在我國能源生產(chǎn)與消費(fèi)中占支配地位?？傮w戰(zhàn)略是“少用煤、發(fā)展氣”。 CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 5%15%就會造成爆炸，因此在煤炭開采過程中利用抽排方法將其沖淡并排放到大氣中，由此產(chǎn)生的低濃度含甲烷氣體叫做煤礦乏風(fēng)瓦斯（約占煤礦甲烷總排放量的 64%）。鑒于此，甲烷的回收利用具有環(huán)保、安全、節(jié)能等多重現(xiàn)實(shí)意義。目前，煤礦乏風(fēng)的利用技術(shù)一般分為作為輔助燃料的利用技術(shù)和作為主要燃料的利用技術(shù)兩大類 [10]。極低濃度煤層氣用作輔助燃料時主要存在的問題是，因煤礦乏風(fēng)瓦斯在燃料中所占比例較小，導(dǎo)致乏風(fēng)瓦斯利用率極低。但富集效果都不是很顯著。 變壓吸附技術(shù)主要 根據(jù)吸附劑對瓦斯氣體不同成分的吸附能力不同，且吸附量隨壓力變化有所不同的原理對瓦斯氣體中的不同成分進(jìn)行分離。哈爾濱工業(yè)大學(xué)低溫與超導(dǎo)技術(shù)研究所于 20xx 年 8 月建立了哈工大 大慶肇州液化天然氣試驗(yàn)中心，對煤層氣地位液化分離技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。 稀燃燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù) 目前，世界范圍內(nèi)在稀燃燃?xì)廨啓C(jī)方面的研究，主要有澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組 織（ CSIRO）的貧燃催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)、澳大利亞能源發(fā)展公司（ EDL）的間壁回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)和 IngersoRand(IR)的催化燃燒微燃?xì)廨啓C(jī)。上海交通大學(xué)的尹娟等對貧燃催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)中乏風(fēng)瓦斯的催化燃燒的催化燃燒特性進(jìn)行了模擬研究和試驗(yàn)研究，分析了甲烷濃度、壓氣機(jī)壓比、透平入口溫度和回?zé)崞骰責(zé)岫葘Υ呋紵挠绊懀ζ湎到y(tǒng)性能與部分負(fù)荷特性進(jìn)行了分析 [1821]。氧化后的廢氣向氧化床的另一側(cè)移動，把熱量傳遞給溫 度較低的后半部分蓄放熱陶瓷，混合氣溫度逐漸降低。中南大學(xué)王鵬飛等人通過理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對煤礦乏風(fēng)低濃度瓦斯熱逆流氧化機(jī)理和特性開展了系統(tǒng)綜合的研究，主要研究了裝置散熱損失、乏風(fēng)甲烷氧化溫度、熱起動溫度場對裝置運(yùn)行情況的影響，同時研究了甲烷濃度、乏風(fēng)進(jìn)氣速度、壁面熱損失、換向半周期和蜂窩陶瓷孔隙率對熱逆流氧化的影響 [2229]。 Danell 等對小型TFRR 系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲烷濃度不低于 %時，裝置可以運(yùn)行，但沒有具體給出持續(xù)運(yùn)行的時間長度 [35]。 1994 年，瑞典的 MEGTEC公司在英國一家煤礦安裝了一套熱逆流催化氧化裝置，其處理的煤礦乏風(fēng)中甲烷濃度為 %%，流量為 8000Nm3/h。中煤科工集團(tuán)重慶研究院也進(jìn)行了大量的蓄熱氧化過程數(shù)值模擬研究工作，開發(fā)的乏風(fēng)瓦斯蓄熱氧化裝置應(yīng)用效果良好，并申請了多項(xiàng)相關(guān)發(fā)明專利 [41]。 催化逆流反應(yīng)技術(shù)（ CFRR） 催化逆流反應(yīng)技術(shù)的基本工作原理與熱逆流氧化技術(shù)基本相同，只是采用催化劑來降低反應(yīng)溫度，使換向周期延長。 目前使用較為普遍的催化劑為貴金屬催化劑和普通金屬氧化物催化劑 [43]。 金屬氧化物催化劑由于具有低溫高活性的吸附氧和高溫高活性的晶格氧，燃燒活性接近貴金屬催化劑，熱穩(wěn)定性更高，且原料廉價易得，有望在將來部分取代貴金屬催化劑。 1995年，加拿大礦物與能源技術(shù)中心（ CANMET）開始研發(fā)煤礦乏風(fēng)瓦斯催化逆流反應(yīng)技術(shù)，開發(fā)了催化逆流試驗(yàn)臺，并在該試驗(yàn)臺上進(jìn)行了乏風(fēng)瓦斯催化氧化試驗(yàn)。國內(nèi)在該方面的研究較少， 20xx年，王盈等利用小型反應(yīng)裝置在負(fù)載貴金屬催化劑上進(jìn)行了低濃度甲烷流向變換催化燃燒的實(shí)驗(yàn)，研究了空速、甲烷濃度、換向周期對溫度分布的影響 [49]。 另一方面，燃燒方式的改變也造成了一些問題：（ 1）反應(yīng)溫度的降低減低了可用熱能的品質(zhì)；（ 2）由于目前甲烷的催化 燃燒多選用貴金屬催化劑因此造成設(shè)備運(yùn)行成本高。因此具有以下一系列優(yōu)點(diǎn) [43]：（ 1）不需要蓄放熱陶瓷，大大減少了陶瓷的用量，同時降低 了沿程阻力，可減少風(fēng)機(jī)耗能，達(dá)到了節(jié)約運(yùn)行和維護(hù)成本的目的；（ 2）由于進(jìn)排氣要進(jìn)行換熱，管道需要重疊布置，因此減少了裝置占地面積，節(jié)省了大量空間；（ 3）高溫廢氣將熱量通過換熱器傳遞給新鮮進(jìn)氣，一旦裝置達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，溫度場不會如逆流反應(yīng)器一樣隨時間偏移，因此無需進(jìn)行換向，降低了控制難度。 空氣由 919 型離心通風(fēng)機(jī)供給，該通風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表 21 所示。為解決該問題，利用 CNG10/10CM 型穩(wěn)壓箱（如圖 24 所示）穩(wěn)壓，該穩(wěn)壓箱采用水浴方式把泄壓后的天然氣加熱到 60℃左右，加熱后的天然氣壓力從 20MPa 降至 ，經(jīng)高壓氣管連接到進(jìn)氣管道。 天然氣管道上裝有孔板流量計來測量甲烷流量。另外選用 XML5000 系列帶自動溫度、壓力補(bǔ)償?shù)牧髁糠e算顯示控制儀對該孔板流量計進(jìn)行補(bǔ)償和控制，實(shí)現(xiàn)流量的精確測量。 eJ2KN 便攜式多功能煙氣分析儀測量甲烷濃度范圍為 %，測量精度為177。 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 煤礦乏風(fēng)預(yù)熱催化氧化裝置試驗(yàn)系統(tǒng) 12 預(yù)熱系統(tǒng) 預(yù)熱系統(tǒng)主要包括預(yù)熱器 B B2，其型號分別為 GW LODO1 型氣 氣板式換熱器，采用雙向波紋板（橫向正弦波紋、縱向人字型波紋）提高換熱系數(shù)并吸收一定的熱膨脹量。乏風(fēng)入口、乏風(fēng)出口、廢氣入口、廢氣出口分別布置有 TPS08500T 型皮托管 ，其搭配壓差變送器使用測量壓力損失和溫度，該皮托管的直徑 8mm，長度 500mm，使用溫度范圍為 01000℃。 各部分阻力損失的測量方法如下： 將乏風(fēng)出口與廢氣入口的皮托管總壓管連接到 CP200 系列微差壓變送器來測量氧化床阻力損失，乏風(fēng)入口與廢氣出口的皮托管總壓管連接到 CP200 系列微差壓變送器來測量總阻力損失，將乏風(fēng)入口與乏風(fēng)出口的皮托管總壓管分別連接到 CP200 系列微差壓變送器來測量預(yù)熱器乏風(fēng)段的阻力損失，將廢氣入口與煙氣出口的皮托管總壓管分別連接到CP200 系列微差壓變送器來測量預(yù)熱器煙氣段的阻力損失，彎管段的阻力損 失則可以根據(jù)流體流動手冊中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算 [53]。 催化氧化反應(yīng)室 催化氧化反應(yīng)室用高溫耐火磚搭建，并包有保溫材料。 圖 27（ a）均溫均流陶瓷 圖 27（ b）催化氧化陶瓷 T1 T2T4 T5T3 圖 28 同一截面上溫度測點(diǎn)布置示意圖 利用 K 型（鎳鉻 鎳硅） 熱電偶測量氧化床內(nèi)的溫度，在均溫均流陶瓷層截面中山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 煤礦乏風(fēng)預(yù)熱催化氧化裝置試驗(yàn)系統(tǒng) 15 間部位布置一個熱電偶，催化氧化床層每兩層的接觸面以及外邊界面上均布置一層熱電偶，每層上各布置五個：截面中間位置一個，其余四個距離加熱爐壁面 1/4 邊長（如圖 28 所示），用來實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)室內(nèi)沿氣流方向、垂直氣流方向截面上溫度變化情況的實(shí)時掌控。實(shí)驗(yàn)管道均采用保溫棉進(jìn)行保溫，盡量減少熱量損失。新鮮進(jìn)氣經(jīng)過排氣的加熱作用，溫度升高，經(jīng)熱風(fēng)連接管、擴(kuò)口管后進(jìn)被電加熱器加熱，溫度進(jìn)一步升高，因此使催化氧化床層的溫度也得到進(jìn)一步升高。 能量計算方法 對裝置進(jìn)行能量分析可知，系統(tǒng)內(nèi)部 甲烷氣體氧化釋放的能量除維持氧化床內(nèi)的高溫外，一部分被回收利用，一部分在裝置表面散失，最終剩余的能量以高溫排氣形式排放入大氣 ，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對各部分能量進(jìn)行計算分析，即可得到裝置不能自維持的主要原因。達(dá)到平衡狀態(tài)時有： 甲烷氧化所釋放的能量 +加熱器補(bǔ)充的能量 =裝置散熱量 +排氣帶走的能量 ，其它三項(xiàng)能量均可直接計算得到，故散熱損失可得。 改進(jìn)設(shè)計方案 基于 節(jié)中的能量分析，考慮增加預(yù)熱器換熱面積來實(shí)現(xiàn)裝置自維持運(yùn)行，本節(jié)主要通過計算得到最佳新增預(yù)熱器的換熱面積，使裝置即能穩(wěn)定自維持運(yùn)行又使排氣可用能量最大。T預(yù) 0 ，再將最近兩次預(yù)熱溫度之間的能量差 39。若多回收的能量與多散失的能量之差大于等于加熱器提供的能量，則說明裝置能夠?qū)崿F(xiàn) 自維持。 0 1 2 3 40100200300400500600700 A溫度/℃時間/hl=0mml=100mml=200mml=300mmB C D 圖 212 平衡狀態(tài)調(diào)節(jié)過程中氧化床溫度變化情況 如圖 212 所示為調(diào)節(jié)空速 4420h1（乏風(fēng)流量 500m3/h）、甲烷體積濃度 %工況時氧化床內(nèi)各截面平均溫度