【正文】 ..... 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(cuò)誤 !未定義書簽。 （ 2） 氧化性能 試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：隨 空速 的增大，氧化床溫度和甲烷轉(zhuǎn)化率均是先有緩慢增長(zhǎng)后 出現(xiàn)明顯下降，預(yù)熱器能量回收效率出現(xiàn)下降，排煙溫度有所提高；隨著 甲烷濃度 的增大，氧化床溫度和甲烷轉(zhuǎn)化率均有所提高，預(yù)熱器能量回收率也隨之增大，排煙溫度出現(xiàn)增長(zhǎng)；隨著 氧化床入口溫度 的提高，氧化床溫度和甲烷轉(zhuǎn)化率均出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，預(yù)熱器能量回收效率和排煙溫度均有一定程度的提高； （ 3） 阻力特性 試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：隨 乏風(fēng)流量 的增大，各部分阻力損失均有所增長(zhǎng)，乏風(fēng)段和煙氣段的增長(zhǎng)隨風(fēng)量近似呈二次曲線，氧化床段的增長(zhǎng)隨風(fēng)量近似呈線性；隨著 氧化床溫度 的增加，各部分阻力損失均增大，乏風(fēng)段與煙氣段損失與溫度近似呈指數(shù)增長(zhǎng) 關(guān)系，氧化床內(nèi)阻力損失與溫度近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)裝置各部分的阻力損失分別進(jìn)行了擬合，得到經(jīng)驗(yàn)公式。 山東理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 煤礦乏風(fēng)的預(yù)熱催化氧化試驗(yàn)研究 Experimental Study of Coal Mine Ventilation Air Methane Preheat Catalytic Oxidation 研究 生 : 孫金宇 指導(dǎo)教 師 : 劉 永 啟 教授 協(xié)助指導(dǎo)教 師： 鄭斌 講師 毛明明 講師 孟建 講師 申請(qǐng)學(xué) 位門類級(jí) 別 : 工學(xué)碩士 學(xué)科專業(yè)名 稱 : 動(dòng)力機(jī)械及工程 研 究 方 向 : 低品質(zhì)能源與余熱高效利用 論文完成日 期 : 20xx 年 4月 10 日 單位代碼： 10433 學(xué) 號(hào)： Y1202061 分類號(hào)： TK05 密 級(jí)： 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 關(guān)鍵詞 ： 煤礦乏風(fēng)，預(yù)熱催化氧化，起動(dòng)性能，催化氧化性能，阻力特性。 全文總結(jié) ......................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。發(fā)展天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣、天然氣水合物等清潔能源。 在煤礦排放的瓦斯中， CH4濃度在 30%以上的高濃度瓦斯氣體約占總量的 5%，目前主要用做民用瓦斯燃?xì)狻⒐I(yè)瓦斯鍋爐和瓦斯發(fā)電； CH4濃度在 6%30%的瓦斯氣體約占總量的 11%，主要采用低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)電 [3]； CH4濃度在 %1%之間超低濃度乏風(fēng)瓦斯占瓦斯總量的 80%以上 [7]，雖然濃度低但所含 CH4總量很高（占64%左右 [8]），由于該濃度的甲烷受到礦井下煤層氣含量、煤炭開(kāi)采量、通風(fēng)量等多種因素的影響，存在低于傳統(tǒng)燃燒極限（ %）、富集難、濃度波動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，難以利用傳統(tǒng)燃燒方法加以利用 ，目前基本處于排空狀態(tài)，故而其占煤礦 CH4 總排放量的比例很大（世界 70%，中國(guó) 90%）。目前美國(guó) 、山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 澳大利亞等國(guó)進(jìn)行了相關(guān)研究和利用，國(guó)內(nèi)這方面則應(yīng)用較少。變壓吸附技術(shù)具有操作靈活方便、耗能低、常溫下連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，是倍受關(guān)注的瓦斯分離提純的有效技術(shù)[12,13]。 基于 CH4 催化燃燒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， CSIRO 發(fā)明了一種催化燃燒燃?xì)廨啓C(jī)，該裝置可以處理甲烷濃度 1%的乏風(fēng)，并已申請(qǐng)了專利。隨著氣體的不斷流入，氧化床入口一側(cè)的蓄放熱陶瓷的熱量被新鮮混合氣帶走，溫度逐漸降低，出口一側(cè)的蓄放熱陶瓷吸收廢氣的熱量，溫度則逐漸升高，溫度分布曲線逐漸向出口移動(dòng)。 等對(duì)熱逆流反應(yīng)器運(yùn)行的最低稀薄燃燒的甲烷濃度進(jìn)行了探索，得出了壓力、散熱率、反應(yīng)器高度、幾何尺寸等重要參數(shù)對(duì)最低甲烷濃度的影響曲線，并對(duì)熱逆流反應(yīng)器中反應(yīng)室的按比例增加和優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：按比例放大的反應(yīng)器的停留時(shí)間的增大補(bǔ)償了最高溫度峰值的降低 [36,37]。 20xx 年中科院工程熱物理研究所搭建了煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化試驗(yàn)臺(tái)，能夠的，該裝置可處理的甲烷濃度最 低達(dá) %， 處理能力為 1000Nm3/h。 其中貴金屬催化劑的研究和應(yīng)用比較廣泛（本試驗(yàn)所用催化劑即為貴金屬鈀），對(duì)于其催化氧化的機(jī)理，目前較為同一的看法是：在貴金屬催化劑表面甲烷解離吸附為甲基或亞甲基，它們與貴金屬吸附的氧進(jìn)一步反應(yīng)生成 CO2和 H2O，或者生成化學(xué)吸附的甲醛， 甲醛從貴金屬上脫附或者與貴金屬所吸附的氧進(jìn)一步反應(yīng)生成 CO2和H2O。 1999年， 乏風(fēng)瓦斯的數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)直徑為200mm和 500mm的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了模擬，主要模擬研究了在不同甲烷流速、甲烷濃度下裝置的運(yùn)行情況，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好 [46]。 另外，由于仍然采用逆流技術(shù)，未做優(yōu)化，故而即便實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用也會(huì)存在與熱逆流氧化相同的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題（如上熱逆流氧化技術(shù)中所述）。它由CHF100A 系列矢量通風(fēng)型變頻器控制，該變頻器輸出頻率范圍是 050Hz?？装辶髁坑?jì)由節(jié)流裝置、導(dǎo)壓管和壓差計(jì)三部分組成。 5%倍的測(cè)量值，分辨率為 %。任意兩個(gè)皮托管的輸出端連接到 CP200 系列微差壓變送器，便可以測(cè)量?jī)商幍膲翰?。反?yīng)室內(nèi)沿氣流方向依次布置有一層均溫均流蜂窩陶瓷和若干層負(fù)載貴金屬鈀的蜂窩陶瓷來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷的催化氧化。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)熱催化氧化試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)，采用上位機(jī)與下位機(jī)相結(jié)合的方式構(gòu)建了 實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。 在計(jì)算過(guò)程中，由于甲烷 體積濃度很低（低于 %），為了 簡(jiǎn)化計(jì)算，將乏風(fēng)氣體假設(shè)為空氣，其密度、定壓比熱容等參數(shù)均采用空氣經(jīng)驗(yàn)值 ； 各部分能量計(jì)算方法如下： 單位時(shí)間內(nèi)甲烷氧化放熱量 =qvQq??入放 (23) 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) 17 式 (23)中： Q放 為甲烷氧化放熱功率， kJ； vq入 為入口處乏風(fēng)體積流量， m3/s； ?為甲烷濃度（體積分 數(shù)） ； q 為甲烷熱值，取 35902kJ/m3； ? 為甲烷轉(zhuǎn)化率。 T 0T 預(yù)T廢 T 排 圖 211 串聯(lián)預(yù)熱器示意圖 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) 19 由于裝置本身實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，計(jì)算復(fù)雜，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)進(jìn)行了如下假設(shè)： （ 1）散熱損失與預(yù)熱器面積成正比； （ 2）忽略由于爐體溫度升高而增加的散熱量，即認(rèn)為多回收的能量全部用來(lái)使氣體溫度升高； 若在現(xiàn)有預(yù)熱器的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)與之換熱面積相同的換熱器，如 圖 211 所示（其中： T預(yù) 為預(yù)熱后乏風(fēng)溫度； 0T 為入口處乏風(fēng)溫度； T廢 為反應(yīng)后高溫廢氣溫度；T排 為最終排氣溫度），計(jì)算方法如下： 首先不考慮能量的回收利用，即在相同高溫廢氣入口溫度情況下，計(jì)算串聯(lián)后乏風(fēng)的預(yù)熱溫度。該過(guò)程通過(guò) matlab 編程實(shí)現(xiàn)。T預(yù) 0 ，如此循環(huán)下去，直至 11 5%nnnTTT ??? ?預(yù) 預(yù)預(yù)，即認(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài)，計(jì)算此時(shí)的排氣溫度 nT排 ，則增加預(yù)熱器后多回收的能量山東理工大學(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) 20 n= TpTQ c dT? 排排 0增。若增加預(yù)熱器面積，增加回收能量、降低排氣損失就有可能補(bǔ)足加熱器能量，實(shí)現(xiàn)裝置自維持。本節(jié)通過(guò)能量計(jì)算，得到裝置自維持運(yùn)行的可能性，并分析裝置不能自維持的原因，提出改進(jìn)方法。煙氣分析儀用來(lái)測(cè)量氧化后廢氣中甲烷的濃度，并可以與入口甲烷濃度聯(lián)合，進(jìn)一步得到甲烷轉(zhuǎn)化率，熱電偶用來(lái)測(cè)量排氣溫度?？刂乒癫捎?TCW32A系列智能化精密溫度控制儀，輸入信號(hào)來(lái)自 K 型熱電偶，該控制儀的測(cè)溫范圍為01200℃ 。 表 22 GW36 型氣 氣板式換熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 名稱 單位 熱側(cè)（煙氣） 冷側(cè)（空氣） 設(shè)備設(shè)計(jì)壓降 Pa 450 500 設(shè)計(jì)壓力 /試驗(yàn)力 kPa 8/10 8/10 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 800 600 板片厚度 mm 板間距 mm 12 12 設(shè)計(jì)換熱面積 m2 31 板片材質(zhì) SUS310/USU304 SUS310/USU304 長(zhǎng) x 寬 x 高 mm 20xxx700x110 表 23 LODO1 型氣 氣板式換熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù) 名稱 單位 熱側(cè)（煙氣） 冷側(cè)（空氣） 設(shè)備設(shè)計(jì)壓降 Pa 450 500 設(shè)計(jì)壓力 /試驗(yàn)力 kPa 8/10 8/10 設(shè)計(jì)溫度 ℃ 550 400 板片厚度 mm 板間距 mm 12 12 設(shè)計(jì)換熱面積 m2 板片材質(zhì) SUS310/USU304 SUS310/USU304 長(zhǎng) x 寬 x 高 mm 700x700x3000 在乏風(fēng)入口管道處有一蝶形 閥，可以根據(jù)試驗(yàn)需求控制混合氣的流入流出。 進(jìn)排氣甲烷濃度采用德國(guó) rbr 益康 eJ2KN 便攜式多功能煙氣分析儀與GJG10H(C)型管道紅 外甲烷傳感器配合測(cè)量。天然氣管道（外徑21mm）沿與空氣流向相垂直的方向焊接到空氣管道（內(nèi)徑 207mm）上實(shí)現(xiàn)混合，由于甲烷濃度在 %以下，空氣流量相對(duì)很大，且混合管道長(zhǎng)度足夠，因此能實(shí)現(xiàn)兩氣體的充分混合。 供氣系統(tǒng) 供氣系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、天然氣瓶組、穩(wěn)壓箱和進(jìn)氣管道 A 等組成，實(shí)現(xiàn)了天然氣和空氣的供給及其混合。 催化逆流氧化技術(shù) (CFRR)與熱逆流氧化技術(shù)（ TFRR）相比有了一些改進(jìn)之處，同 時(shí)也產(chǎn)生了一些問(wèn)題： 由于采用了催化氧化，改變了燃燒機(jī)理（如上所述），因此有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的直接氧化，提高燃燒的轉(zhuǎn)化率 [50]；（ 2）以輻射熱的形式加熱反應(yīng)物，避免了能量以可見(jiàn)光的形式散失至空氣中，提高了熱效率 [51]；（ 3）降低了反應(yīng)物的起燃溫度和反應(yīng)溫度，實(shí)現(xiàn)低溫條件下的穩(wěn)定燃燒，抑制了熱力 NOx的產(chǎn)生 [52]；（ 4）多孔介質(zhì)為氣體燃料提供