【正文】 化率為 95%，能量回收率為80%， 20xx 年該公司在 West Cliff 煤礦同時(shí)運(yùn)行了四套 MEGTEC 公司的熱逆流氧化裝置，這四套裝置可以將該煤礦 20%的煤礦乏風(fēng)瓦斯轉(zhuǎn)化為有用的電能，其發(fā)電能力為 5MW，在世界范圍內(nèi)，這是首次利用煤礦乏風(fēng)瓦斯進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電 [39]。 在該技術(shù)的應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了諸多成功案例。 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]。鄧洋波等對(duì)熱熱逆流氧化床的溫度 分布和工作特性進(jìn)行了數(shù)值模擬 [34]。 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 呂元等對(duì) TFRR 試驗(yàn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并試驗(yàn)研究了處理量400800Nm3/h、甲烷濃度 %%、切換時(shí)間 10 50 s 時(shí) TFRR 裝置的運(yùn)行情況，山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 試驗(yàn)結(jié)果表明：較高的風(fēng)量、較高的甲烷濃度、較長(zhǎng)的切換時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致裝置高溫區(qū)域變長(zhǎng) [3032]。 在該技術(shù)的試驗(yàn)及理論研究方面，山東理工大學(xué)的劉永 啟等對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯的熱逆流氧化進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究，研究了甲烷濃度、乏風(fēng)流量、反應(yīng)區(qū)溫度和換向周期對(duì)乏風(fēng)瓦斯氧化率的影響，并對(duì)裝置的阻力特性進(jìn)行了分析研究 [2225]。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)。 熱逆流反應(yīng)技術(shù)（ TFRR） 熱逆流反應(yīng)器主要由兩部分蓄放熱陶瓷組成，該技術(shù)的工作原理如下：首先用加熱器將熱放熱陶瓷加熱到 1000℃左右，煤礦乏風(fēng)瓦斯以一個(gè)方向流入氧化床，氣體被前半部分陶瓷加熱，溫度不斷升高，直至達(dá)到甲烷的氧化溫度，實(shí)現(xiàn)氧化。 無(wú)論是作為輔助燃料，還是作為主燃料的濃縮富集技術(shù)和稀燃燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，都沒能實(shí)現(xiàn)礦井乏風(fēng)瓦斯有效的規(guī)?；幚?，目前最為有效的礦井乏風(fēng)瓦斯利用方法是逆流氧化技術(shù) 。美國(guó)的 IngersoRand 也研發(fā)了催化微燃?xì)廨啓C(jī)并申請(qǐng)了專利，其設(shè)計(jì)的甲烷濃度低于 %[17]。 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。但這種方法由于存在經(jīng)濟(jì)性差、成本過(guò)高等缺點(diǎn)，因此很少采用 [16]。但低溫分離法設(shè)備投資大，運(yùn)行費(fèi)用較高，即使處理大規(guī)模的乏風(fēng)瓦斯也并不經(jīng)濟(jì) [15]。 中科院理化技術(shù)研究所針對(duì)含氧煤層氣低溫液化分離技術(shù)進(jìn)行了研究，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了模擬仿真，得到了大量與實(shí)際相吻合的 數(shù)據(jù)。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]。 濃縮富集技術(shù) 乏風(fēng)瓦斯?jié)饪s技術(shù)是大范圍開發(fā)利用煤礦乏風(fēng)瓦斯的關(guān)鍵技術(shù)，主要的乏風(fēng)瓦斯?jié)饪s技術(shù)有變壓吸附技術(shù)和低溫液化分離技術(shù)。稀燃燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)則存在輸出功率低且不穩(wěn)定等問(wèn)題。目前，濃縮富集技術(shù)主要有變壓吸附技術(shù)、流化床濃縮技術(shù)和膜分離技術(shù)。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。極低濃度煤礦瓦斯作為輔助燃料使用時(shí)，可節(jié)約 8%10%的 主要燃料，減少約 20%80%的 甲烷排放量，作為輔助燃料，煤礦乏風(fēng)瓦斯主要用于內(nèi)燃機(jī)、傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒煤粉發(fā)電、混合廢煤 /礦渣 /甲烷燃燒系統(tǒng)等。在實(shí)際應(yīng)用中，作為輔助燃料，主要是利用乏風(fēng)瓦斯代替部分或全部空氣，以達(dá)到節(jié)約主要燃料、減少瓦斯排放的目的，但其利用甲烷的比例比較小 ，而作為主燃料應(yīng)用的比例較大。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 煤礦乏風(fēng)具有排放量大、甲烷濃度低，甲烷濃度波動(dòng)范圍廣的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使煤礦乏風(fēng)很難使用傳統(tǒng)燃燒器進(jìn)行燃燒處理 [9]。 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)?、工業(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%）。另外，將煤礦瓦斯處理由單一的耗能模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪芘c收益并存、以收益為主的模式，必然能提高煤礦處理瓦斯的積極性，為安全生產(chǎn)提供保障。 目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦區(qū)每年因煤炭開采向大氣中排入的甲烷為 200多億 m3 [3]，如此巨大的排放量將對(duì)環(huán)境、煤礦安全生產(chǎn)、能源利用方面造成巨大的負(fù)面影響：在環(huán)境方面， CH4是一種溫室效應(yīng)很強(qiáng)的氣體，以 100 年計(jì)的 CH4溫室效應(yīng)是 CO2 的 21 倍 ， CH4的溫室效應(yīng)居第二位（ 17%），僅次于 CO2(55%)，且其對(duì)臭氧層的破壞能力是 CO2的 7 倍 [4]，尤其在如今環(huán)境人口壓力日益劇增的嚴(yán)峻條件下，控制 CH4 的排放更是迫在眉睫；在安全生產(chǎn)方面，煤礦開采過(guò)程中 CH4 的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 5%15%就會(huì)造成爆炸，在世界范圍內(nèi)，已有數(shù)以千計(jì)的煤礦爆炸事件，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，煤礦瓦斯排放的安全性問(wèn)題亟待解決；在能源利用方面，CH4是一種熱值較高的有限的不可再生清潔能源（完全燃燒產(chǎn)物為 CO2 和 H2O），且山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 我國(guó)煤層氣資源豐富，與西氣東輸?shù)奶烊粴饬肯喈?dāng) [35]，因此在當(dāng)下傳統(tǒng)能源日益枯竭的嚴(yán)峻形勢(shì)下， CH4不加以利用而直接排放造無(wú)疑成了能源的極大浪費(fèi)。煤層氣主要成分是 CH4。發(fā)展天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣、天然氣水合物等清潔能源。因此政府做出決策對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整：未來(lái)十年，將從我國(guó)基本國(guó)情出發(fā)，強(qiáng)化節(jié)能減排措施，走低碳經(jīng)濟(jì)之路，調(diào)整、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。我國(guó)能源資源的上述基本特點(diǎn)決定了煤炭的重要能源地位。目前，隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)能源消費(fèi)總量不斷增長(zhǎng)，能源消費(fèi)呈持續(xù) 上升趨勢(shì)。 全文總結(jié) ......................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 resistance loss in each part increases with the increase of temperature in oxidation bed, but 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract III the pattern are different: the resistance loss in preheater increase quadratic, the resistance loss in oxidation bed increase linearly。 with the increases of concentration of methane, the temperature in oxidation bed and the conversion rate of methane increase, the efficiency of energy recovering increases, and the temperature of exhaust gas increases slightly。 with the increase of heating power, the heating rate increase, and the evenness of temperature in oxidation bed is worse。 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。 本文針對(duì)山東理工大學(xué)自行搭建的煤礦乏風(fēng)瓦斯預(yù)熱催化氧化試驗(yàn)裝置，首先對(duì)其進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定自維持運(yùn)行 ，利用試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一系列起動(dòng)及運(yùn)行性能試驗(yàn)研究，得到結(jié)果如下： （ 1） 起動(dòng)性能 試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：隨著乏風(fēng)流量的增加，升溫速率逐漸降低，同時(shí)氧化床內(nèi)同一截面上的溫度均勻性有所改善；隨著加熱功率的增加，升溫速率逐漸提高，但同時(shí)氧化床內(nèi)同一截面上的溫度均勻性更差； 試驗(yàn)裝置的最佳起動(dòng)流量比例系數(shù)為 ， 各流量比例系數(shù)情況下的最低起動(dòng)功率為 ，最佳起動(dòng)功率為最低起動(dòng)功率的 。 (保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議 ) 研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日 導(dǎo)師簽 名 ： 時(shí)間： 年 月 日山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘要 我國(guó)每年通過(guò)煤礦排入大氣的甲烷約為 200 億 Nm3/h，其中超低濃度乏風(fēng)瓦斯占瓦斯總量的 80%以上，但超低濃度乏風(fēng)瓦斯具有風(fēng)量大、甲烷濃度低、風(fēng)量和甲烷濃度波動(dòng)范圍大等特點(diǎn)，由于難以利用而被直接排空，這就造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 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。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得山東理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。 研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解山東理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。因此研究煤礦乏風(fēng)瓦斯的利用技術(shù)具有重要的意義。 （ 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 Abstract II Abstract More than twenty billion cubic meters of me