【導(dǎo)讀】煤礦乏風的預(yù)熱催化氧化試驗研究。論文完成日期:20xx年4月10日。本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成。表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得山東理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書。確的說明并表示了謝意。本人完全了解山東理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留。山東理工大學碩士學位論文摘要。瓦斯總量的80%以上，但超低濃度乏風瓦斯具有風量大、甲烷濃度低、風量和甲烷濃。度波動范圍大等特點，由于難以利用而被直接排空，這就造成了嚴重的環(huán)境污染和能。均有所增長，乏風段和煙氣段的增長隨風量近似呈二次曲線，氧化床段的增長隨風量。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，乏風段與煙氣段損失。驗數(shù)據(jù)對試驗裝置各部分的阻力損失分別進行了擬合，得到經(jīng)驗公式。

　　

【正文】 失，乏風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，將乏風入口與乏風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)驗公式進行計算 [53]。 風機預(yù)熱器催化氧化反應(yīng)室加熱起動系統(tǒng)測量與控制系統(tǒng)乏風煙氣B AC DE 圖 25 壓力測點布置示意圖 加熱起動系統(tǒng) 圖 26 電加熱器布置圖 加熱起動系統(tǒng)主要包括電加熱器及控制柜。其中電加熱器最大起動功率為 20kW，山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(tǒng) 14 由 12 根纏繞有電加熱絲且互相平行的支撐管組成，每個支撐管的兩端都插在保溫隔熱層上，電加熱絲錯排布置，使來流受熱均勻，如圖 26 所示?？刂乒癫捎?TCW32A系列智能化精密溫度控制儀，輸入信號來自 K 型熱電偶，該控制儀的測溫范圍為01200℃ 。 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。反應(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載貴金屬鈀的蜂窩陶瓷來實現(xiàn)甲烷的催化氧化。其中均溫均流陶瓷（如圖 27(a)）尺寸： 150mm 150mm 50mm，孔密度：200 個 /平方英寸，不負載任何催化劑；催化氧化陶瓷（如圖 27(b)）尺寸： 100mm100mm 100mm，孔密度： 300 個 /平方英寸，正方形孔，孔邊長 ，孔隙率 ，催化劑以貴金屬 Pd 為主要活性組分， Pd 的覆蓋密度為 177。 10%。 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碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(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時掌控。 排氣系統(tǒng) 排氣系統(tǒng)由 eJ2KN 便攜式多功能煙氣分析儀、 GJG10H(C)型管道紅外甲烷傳感器、 K 型熱電偶和排氣管道等組成 。 eJ2KN 便攜式多功能煙氣分析儀與入口處相同，但由于排氣壓力較低，反應(yīng)時間長，因此采用一個抽氣泵來提高其靈敏度。煙氣分析儀用來測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，進一步得到甲烷轉(zhuǎn)化率，熱電偶用來測量排氣溫度。實驗管道均采用保溫棉進行保溫，盡量減少熱量損失。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)熱催化氧化試驗臺的特點，采用上位機與下位機相結(jié)合的方式構(gòu)建了 實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)。采用可編程控制器（ PLC）作為下位機控制系統(tǒng)，控制程序根據(jù)試驗臺的控制流程進行編譯，采用組態(tài)王作為上機位控制系統(tǒng)，試驗所用的各傳感器、熱電偶等測量設(shè)備測得的試驗數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)浇M態(tài)王實現(xiàn)實時監(jiān)控和畫面顯示（每隔一秒刷新顯示所測數(shù)據(jù)），并利用 ODBC（開放式數(shù)據(jù)庫互連）技術(shù)連接 Access 數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲 (實驗設(shè)定為每五秒記錄一組數(shù)據(jù) )以用于以后分析。 煤礦乏風瓦斯預(yù)熱催化氧化裝置工作原理 試驗臺工作原理如圖 29 所示，首先開啟風機通入一定流量的空氣，同時起動加熱爐內(nèi)的電加 熱器將空氣加熱，熱的空氣經(jīng)第一層陶瓷均溫均流進入催化氧化床層，并將熱量傳遞給催化氧化床層，實現(xiàn)對床層的加熱，然后進入預(yù)熱器加熱新鮮的進氣，經(jīng)換熱后的廢氣溫度降低并經(jīng)排氣管道排出。新鮮進氣經(jīng)過排氣的加熱作用，溫度升高，經(jīng)熱風連接管、擴口管后進被電加熱器加熱，溫度進一步升高，因此使催化氧化床層的溫度也得到進一步升高。待第一層催化劑陶瓷的溫度均達到甲烷起燃溫度時，開始通入甲烷，并控制一定的天然氣鋼瓶輸出壓力，天然氣經(jīng)天然氣管道流入混合管道與空氣進行混合，充分混合的混合氣經(jīng)進氣管道進入預(yù)熱器進行預(yù)熱，然后經(jīng)熱風連接 管、擴口管到達電加熱器進一步被加熱后到達反應(yīng)室，在反應(yīng)室內(nèi)與貴金屬催化劑表面相接觸，并發(fā)生催化氧化放熱反應(yīng)，排放的高溫廢氣可以將新鮮進氣預(yù)熱到更山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(tǒng) 16 高的溫度，待預(yù)熱后的乏風溫度達到某一溫度值并穩(wěn)定時即可逐步關(guān)閉電加熱器，實現(xiàn)裝置的穩(wěn)定自維持，同時可以將甲烷氧化產(chǎn)生的除用于維持裝置穩(wěn)定運行的熱量之外的熱量進行取熱利用，比如通過換熱等方式生產(chǎn)熱水。 風機預(yù)熱器催化氧化反應(yīng)室加熱起動系統(tǒng)測量與控制系統(tǒng)乏風煙氣 圖 29 試驗裝置工作原理圖 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置改造 改造前煤礦乏風預(yù)熱催化氧化試驗裝置存在著不 能自維持的問題，即關(guān)閉加熱器導(dǎo)致裝置整體溫度持續(xù)下降，不能靠裝置本身釋放的能量維持自身穩(wěn)定運行，只有加熱器功率維持在一定值才能實現(xiàn)裝置的維持。本節(jié)通過能量計算，得到裝置自維持運行的可能性，并分析裝置不能自維持的原因，提出改進方法。 能量計算方法 對裝置進行能量分析可知，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)試驗結(jié)果對各部分能量進行計算分析，即可得到裝置不能自維持的主要原因。 在計算過程中，由于甲烷 體積濃度很低（低于 %），為了 簡化計算，將乏風氣體假設(shè)為空氣，其密度、定壓比熱容等參數(shù)均采用空氣經(jīng)驗值 ； 各部分能量計算方法如下： 單位時間內(nèi)甲烷氧化放熱量 =qvQq??入放 (23) 山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(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。 單位時間內(nèi)排氣帶走的能量 0=T pvTQ q c dT?? 排 入排 (24) 式 (24)中： Q排 為單位時間內(nèi)排氣帶走的能量 ,kJ； 0T 為環(huán)境溫度 ,K； T排 為排氣溫度 ,K； ? 為空氣密度，取標準大氣壓下 ； pc 為空氣定壓比熱容，按照三次多項式擬合方法 [54]計算 9 3 6 2 3c 0. 39 10 0. 85 10 0. 36 5 10 1. 05p T T T? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, kJ/(kg?K) 加熱器補充的能量 可以通過線電壓及線電流值計算得到： t 3 tQ P UI?? (25) 式 (25)中： Q 為加熱器釋放 能量， kJ； P 為加熱器功率， kW； U 為線電壓， V；I 為線電流值， A。 表面散熱損失不能通過測量直接得到，但是可以根據(jù)能量方程計算得到。達到平衡狀態(tài)時有： 甲烷氧化所釋放的能量 +加熱器補充的能量 =裝置散熱量 +排氣帶走的能量 ，其它三項能量均可直接計算得到，故散熱損失可得。 改造前裝置能量計算結(jié)果分析 加熱器 甲烷 排氣 散熱010203040 功率/kW 圖 210(a)甲 烷濃度 %,乏風流量 500m3/h能量分 布情況 山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(tǒng) 18 加熱器 甲烷 排氣 散熱01020304050607080 功率/kW 圖 210(b) 甲 烷濃度 %,乏風流量 1000m3/h能量分 布情況 經(jīng)計算，得到乏風流量 500m3/h、 800m3/h、 900m3/h、 1000m3/h，甲烷濃度 %%時的能量分布情況，各工況下的分布情況基本一致，下面以甲烷濃度 %，乏風流量 500m3/h、 1000m3/h為例進行分析。 如圖 210(a)、 210(b)所示分別為甲烷濃度 %，乏風流量 500m3/h、 1000m3/h時的能量分布情況，從圖中可以看出排氣能量損失是能量損失的主要原因，其值接近甚至超過甲烷氧化放熱量，這說明預(yù)熱器回收的能量有限，大部分甲烷放出的能量被排氣帶走，導(dǎo)致能量不足，需要加熱器來補充。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足加熱器能量，實現(xiàn)裝置自維持。 改進設(shè)計方案 基于 節(jié)中的能量分析，考慮增加預(yù)熱器換熱面積來實現(xiàn)裝置自維持運行，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)定自維持運行又使排氣可用能量最大。 T 0T 預(yù)T廢 T 排 圖 211 串聯(lián)預(yù)熱器示意圖 山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(tǒng) 19 由于裝置本身實現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，計算復(fù)雜，因此為簡化計算，在設(shè)計計算時進行了如下假設(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，即認為多回收的能量全部用來使氣體溫度升高； 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)熱后乏風溫度； 0T 為入口處乏風溫度； 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，計算串聯(lián)后乏風的預(yù)熱溫度。計算根據(jù)換熱器串聯(lián)時的傳熱 衡算 式 (26)和傳熱速率方程 (27) 0=m pm pqc TTq c T T??乏 預(yù)廢 廢 排 (26) (26)式中： mq 為氣體質(zhì)量流量， kg/s； pc 為定壓比熱容， kJ/(kg?K)； mcmpTTKSqT? 廢 排 (27) (27)式中： K 為傳熱系數(shù)， W/m2?K； S 為換熱面積， m2； mT 為冷熱流體的平均溫度差，其計算公式為 0m0=lnTTTTT?預(yù)廢 排預(yù)廢排（ ） （ T T ）T T (28) 這種串聯(lián)方式相當于換 熱面積擴大 2 倍 ，而 K、 qm均保持不變，因此能計算得到不考慮能量回收利用時，增加一個相同面積預(yù)熱器之后的乏風預(yù)熱溫度 T預(yù) 。 以上述計算得到的狀態(tài)為初始狀態(tài)進行循環(huán)計算：設(shè)未串聯(lián)預(yù)熱器時的乏風預(yù)熱溫度為 T預(yù) 0 ，則 T pT cdT?預(yù)預(yù) 0即為增加預(yù)熱器后多回收的能量，這部分能量會使氧化床整體溫度升高，進而使高溫廢氣溫度升高，根據(jù)預(yù)熱器能量回收效率經(jīng)驗值（ 70%左右），即可得到新一輪循環(huán)的預(yù)熱溫度 39。T預(yù) 0 ，再將最近兩次預(yù)熱溫度之間的能量差 39。T pT cdT?預(yù)預(yù)繼續(xù)疊加到高溫廢氣中，算得預(yù)熱溫度 39。39。T預(yù) 0 ，如此循環(huán)下去，直至 11 5%nnnTTT ??? ?預(yù) 預(yù)預(yù)，即認為達到平衡狀態(tài)，計算此時的排氣溫度 nT排 ，則增加預(yù)熱器后多回收的能量山東理工大學碩士學位論文 第二章 煤礦乏風預(yù)熱催化氧化裝置試驗系統(tǒng) 20 n= TpTQ c dT? 排排 0增。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。該過程通過 matlab 編程實現(xiàn)。 按照以上方法，分別對串 聯(lián) 1 倍、 倍、 2 倍面 積預(yù)熱器進行計算，最終得到結(jié)論：串聯(lián)一個換熱面積 為現(xiàn)有預(yù)熱器換熱面積 倍的 預(yù)熱器時，既可以實現(xiàn)試驗裝置的自維持穩(wěn)定運行，又可以保證排氣具有一定的能量可以繼續(xù)應(yīng)用。 改造后裝置運行效果 對煤礦乏風瓦斯預(yù)熱催化氧化裝置進行改造后，首先對試驗裝置的自維持性能進行試驗研究，以驗證改造效果，并得到實現(xiàn)自維持運行的操作方法，繼而為研究各輸入?yún)?shù)對試驗裝置運行情況的影響做鋪墊。 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（乏風流量 500m3/h）、甲烷體積濃度 %工況時氧化床內(nèi)各截面平