【正文】 .............. 30 空速對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率的影響 ................................................................. 31 空速對(duì)預(yù)熱器能量回收效率的影響 ................................................. 32 空速對(duì)排煙溫度的影響 ..................................................................... 33 甲烷濃度對(duì)裝置運(yùn)行情況的影響 ............................................................... 33 甲烷濃度對(duì)氧化床溫度分布的影響 ................................................. 33 甲烷濃度對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率的影響 ......................................................... 34 甲烷濃度對(duì)預(yù)熱器能量回收效率的影響 ......................................... 35 甲烷濃度對(duì)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(cuò)誤 !未定義書簽。 工作展望 ....................................................................................................... 49 致謝 ............................................................................................................................. 50 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 51 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 VI 在學(xué)期間公開發(fā)表論文及著作情況 ......................................................................... 54 山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 選題背景和意義 能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在人類生存與發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而我國(guó)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(chǔ)量的 %，主要依靠進(jìn)口，而進(jìn)口渠道單一，對(duì)中東的依賴度居高不下， 20xx 年原油對(duì)外依存度估計(jì)達(dá)到 %[1]；天然氣儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的%，且其需求增長(zhǎng)速度高于產(chǎn)量，對(duì)外依存也是節(jié)節(jié)攀升， 20xx 年天然氣對(duì)外依存度達(dá)到 %[1]；我國(guó)煤炭資源總量為 萬(wàn)億噸，其中已探明儲(chǔ)量的有 1 萬(wàn)億噸，占世界煤炭資源總存儲(chǔ)量的 11%，同時(shí)，占我國(guó)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(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)中占支配地位。由于粗放型發(fā)展模式以及以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和低效能源利用方式，目前，我國(guó)煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)量均居世界首位，這導(dǎo)致 20xx 年我國(guó) CO2排放量居世界第一，占全球總排放量的 %。總體戰(zhàn)略是“少用煤、發(fā)展氣”。 由于我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量大，因此依附在煤層 中的煤層氣儲(chǔ)量也相當(dāng)豐富，已探明的煤層氣儲(chǔ)量達(dá) 1700 億 m3。 CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 5%15%就會(huì)造成爆炸，因此在煤炭開采過(guò)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%）。 若能實(shí)現(xiàn)煤礦乏風(fēng)瓦斯的有效回收利用，使部分甲烷氧化成為 CO2 和 H2O，必然會(huì)減少當(dāng)量溫室氣體排放量，并獲得部分熱能，可用來(lái)替代部分能源供煤礦或居民使用，而且該技術(shù)所能帶動(dòng)的其他諸如陶瓷、各類機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的效益也是很可觀的[6]。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。因此研究低濃度 CH4的回收利用技術(shù)是 CH4利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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]。 輔助燃料 對(duì)作為輔助燃料的煤礦乏風(fēng)瓦斯有以下要求 [11]：主要燃料燃燒后可以達(dá)到引燃低濃度瓦斯所需要的溫度；用風(fēng)地點(diǎn)與回風(fēng)井距離較近，以便減少輸送費(fèi)用。極低濃度煤層氣用作輔助燃料時(shí)主要存在的問(wèn)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。 主要燃料 作為主要燃料，其利用主要采用濃縮富集技術(shù)、稀燃燃?xì)廨啓C(jī)燃燒技術(shù)和逆流氧化技術(shù)三種方式。但富集效果都不是很顯著?，F(xiàn)階段的研究應(yīng)用主要以逆流氧化技術(shù)為主。 變壓吸附技術(shù)主要 根據(jù)吸附劑對(duì)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(duì)瓦斯氣體中的不同成分進(jìn)行分離。 Wamuzinski 等利用體積分?jǐn)?shù)為 %%的乏風(fēng)瓦斯對(duì)變壓吸附技術(shù)進(jìn)行了研究，并得到結(jié)論：在供氣速度為 [14]。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(duì)煤層氣地位液化分離技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。 國(guó)內(nèi)煤礦乏風(fēng)瓦斯的體積濃度一般低于 %，試驗(yàn)證明，將 %的乏風(fēng)瓦斯經(jīng)濃縮富集至 20%是可以實(shí)現(xiàn)的。 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)。 EDL 開發(fā) 的間壁回?zé)崾较∪既細(xì)廨啓C(jī)，是利用燃燒放出的熱量將乏風(fēng)預(yù)熱到起燃溫度山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 （ 7001000℃），然后利用乏風(fēng)驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)，該裝置在甲烷濃度高于 %時(shí)，可以將乏風(fēng)預(yù)熱到 700℃，使裝置穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，其缺點(diǎn)是需額外增加較大量的 甲烷來(lái)達(dá)到要求的濃度。上海交通大學(xué)的尹娟等對(duì)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?duì)催化燃燒的影響，并對(duì)其系統(tǒng)性能與部分負(fù)荷特性進(jìn)行了分析 [1821]。該技術(shù)又可分為催化逆流反應(yīng)技術(shù)（ Catalytic Flow Reserve Reactor簡(jiǎn)寫為 CFRR）和熱逆流反應(yīng)技術(shù)（ Thermal Flow Reserve Reactor 簡(jiǎn)寫為 TFRR）兩種。氧化后的廢氣向氧化床的另一側(cè)移動(dòng)，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。在入口側(cè)溫度降至其能將氣體加熱到氧化溫度的溫度之前，改變氣體的流動(dòng)方向，用之前所述的后半部分蓄放熱陶瓷來(lái)加熱氣體，前半部分蓄放熱陶瓷來(lái)吸收廢氣的熱量，使溫度曲線向另一側(cè)移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)峰值溫度區(qū)維持在氧化床中心位置附近，待裝置實(shí)現(xiàn)自維持即可關(guān)閉加熱器。中南大學(xué)王鵬飛等人通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)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(dòng)溫度場(chǎng)對(duì)裝置運(yùn)行情況的影響，同時(shí)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(duì)熱逆流氧化的影響 [2229]。 Krzysztof Gosiewski 等對(duì) TFRR 裝置的床體最高溫度做了研究，結(jié)果表明：隨著熱量的積累，反應(yīng)裝置內(nèi)溫度將大幅度提升，但當(dāng)最高溫度高于 1200℃后，熱力 NOx 的排放量增大，而且過(guò)高的內(nèi)部溫度也將導(dǎo)致裝置穩(wěn)定性變差 [33]。 Danell 等對(duì)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(shí)，裝置可以運(yùn)行，但沒(méi)有具體給出持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度 [35]。 S. Balaji 等 人對(duì)熱逆流反應(yīng)器的縮放模型進(jìn)行了研究，系統(tǒng)研究了熱逆流反應(yīng)器的復(fù)雜工作過(guò)程，對(duì)反應(yīng)器主要運(yùn)行參數(shù)，如反應(yīng)器長(zhǎng)度、換向時(shí)間和甲烷轉(zhuǎn)化率等進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可以為反應(yīng)器在最佳工作狀態(tài)下的運(yùn)行提供一些數(shù)據(jù)參考 [38]。 1994 年，瑞典的 MEGTEC公司在英國(guó)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。在國(guó)內(nèi)，20xx 年山東理工大學(xué)和勝利油田勝動(dòng)機(jī)械有限公司合作，共同研發(fā)了處理能力為10000Nm3/h的臥式煤礦乏風(fēng)瓦斯熱逆流氧化裝置，并能產(chǎn)生飽和蒸汽 [40]。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(guò)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(qǐng)了多項(xiàng)相關(guān)發(fā)明專利 [41]。 但是熱逆流氧化技術(shù)（ TFRR）也存在諸多的問(wèn)題： 從燃燒機(jī)理方面，由于是傳統(tǒng)火焰燃燒存在以下缺點(diǎn) [42]：（ 1）自由基在氣相引發(fā)山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6 導(dǎo)致部分電子激發(fā)態(tài)產(chǎn)物生成，這種產(chǎn)物在躍遷回基態(tài)時(shí)能量以不能被利用的可見光形式釋放出去而損失掉，因此能量利用率低；（ 2）反應(yīng)溫度高，導(dǎo)致 NOx大量生成，研究表明，由于熱量的積累，裝置內(nèi)溫度大幅度提升，這將導(dǎo)致大量熱力型 NOx生成，并且會(huì)降低裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。 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(lái)降低反應(yīng)溫度，使換向周期延長(zhǎng)。催化劑的 作用是降低反應(yīng)的活化能，對(duì)催化劑的主要要求有：（ 1）低溫活性；（ 2）高溫?zé)岱€(wěn)定性；（ 3）良好的抗熱和抗機(jī)械振動(dòng)性；（ 4）不易失活和中毒。 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]。一般認(rèn)為甲醛作為中間產(chǎn)物，一旦生成就會(huì)快速分解成為 CO和 H2，而不可能以甲醛分子的形式脫附到氣相當(dāng)中 [44]。 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(jià)易得，有望在將