煤矿乏风的预热催化氧化试验研究毕业论文终稿(编辑修改稿)

煤矿乏风的预热催化氧化试验研究毕业论文终稿(编辑修改稿)内容摘要：

节能减排措施，走低碳经济之路，调整、优化能源结构。 总体战略是“少用煤、发展气”。 发展天然气、煤层气、页岩气、天然气水合物等清洁能源。 由于我国煤炭储量大，因此依附在煤层 中的煤层气储量也相当丰富，已探明的煤层气储量达 1700 亿 m3。 煤层气主要成分是 CH4。 CH4体积分数达到 5%15%就会造成爆炸，因此在煤炭开采过程中利用抽排方法将其冲淡并排放到大气中，由此产生的低浓度含甲烷气体叫做煤矿乏风瓦斯（约占煤矿甲烷总排放量的 64%）。 目前，据不完全统计，我国煤矿区每年因煤炭开采向大气中排入的甲烷为 200多亿 m3 [3]，如此巨大的排放量将对环境、煤矿安全生产、能源利用方面造成巨大的负面影响：在环境方面， CH4是一种温室效应很强的气体，以 100 年计的 CH4温室效应是 CO2 的 21 倍 ， CH4的温室效应居第二位（ 17%），仅次于 CO2(55%)，且其对臭氧层的破坏能力是 CO2的 7 倍 [4]，尤其在如今环境人口压力日益剧增的严峻条件下，控制 CH4 的排放更是迫在眉睫；在安全生产方面，煤矿开采过程中 CH4 的体积分数达到 5%15%就会造成爆炸，在世界范围内，已有数以千计的煤矿爆炸事件，造成了严重的人员伤亡和经济损失，煤矿瓦斯排放的安全性问题亟待解决；在能源利用方面，CH4是一种热值较高的有限的不可再生清洁能源（完全燃烧产物为 CO2 和 H2O），且山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 我国煤层气资源丰富，与西气东输的天然气量相当 [35]，因此在当下传统能源日益枯竭的严峻形势下， CH4不加以利用而直接排放造无疑成了能源的极大浪费。 若能实现煤矿乏风瓦斯的有效回收利用，使部分甲烷氧化成为 CO2 和 H2O，必然会减少当量温室气体排放量，并获得部分热能，可用来替代部分能源供煤矿或居民使用，而且该技术所能带动的其他诸如陶瓷、各类机械制造产业的效益也是很可观的[6]。 另外，将煤矿瓦斯处理由单一的耗能模式转变为耗能与收益并存、以收益为主的模式，必然能提高煤矿处理瓦斯的积极性，为安全生产提供保障。 鉴于此，甲烷的回收利用具有环保、安全、节能等多重现实意义。 在煤矿排放的瓦斯中， CH4浓度在 30%以上的高浓度瓦斯气体约占总量的 5%，目前主要用做民用瓦斯燃气、工业瓦斯锅炉和瓦斯发电； CH4浓度在 6%30%的瓦斯气体约占总量的 11%，主要采用低浓度瓦斯发电机组发电 [3]； CH4浓度在 %1%之间超低浓度乏风瓦斯占瓦斯总量的 80%以上 [7]，虽然浓度低但所含 CH4总量很高（占64%左右 [8]），由于该浓度的甲烷受到矿井下煤层气含量、煤炭开采量、通风量等多种因素的影响，存在低于传统燃烧极限（ %）、富集难、浓度波动范围大等特点，难以利用传统燃烧方法加以利用 ，目前基本处于排空状态，故而其占煤矿 CH4 总排放量的比例很大（世界 70%，中国 90%）。 因此研究低浓度 CH4的回收利用技术是 CH4利用的关键环节。 国内外研究现状 煤矿乏风具有排放量大、甲烷浓度低，甲烷浓度波动范围广的特点，这些特点使煤矿乏风很难使用传统燃烧器进行燃烧处理 [9]。 目前，煤矿乏风的利用技术一般分为作为辅助燃料的利用技术和作为主要燃料的利用技术两大类 [10]。 在实际应用中，作为辅助燃料，主要是利用乏风瓦斯代替部分或全部空气，以达到节约主要燃料、减少瓦斯排放的目的，但其利用甲烷的比例比较小 ，而作为主燃料应用的比例较大。 辅助燃料 对作为辅助燃料的煤矿乏风瓦斯有以下要求 [11]：主要燃料燃烧后可以达到引燃低浓度瓦斯所需要的温度；用风地点与回风井距离较近，以便减少输送费用。 极低浓度煤矿瓦斯作为辅助燃料使用时，可节约 8%10%的 主要燃料，减少约 20%80%的 甲烷排放量，作为辅助燃料，煤矿乏风瓦斯主要用于内燃机、传统燃气轮机、燃烧煤粉发电、混合废煤 /矿渣 /甲烷燃烧系统等。 极低浓度煤层气用作辅助燃料时主要存在的问题是，因煤矿乏风瓦斯在燃料中所占比例较小，导致乏风瓦斯利用率极低。 目前美国 、山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 澳大利亚等国进行了相关研究和利用，国内这方面则应用较少。 主要燃料 作为主要燃料，其利用主要采用浓缩富集技术、稀燃燃气轮机燃烧技术和逆流氧化技术三种方式。 目前，浓缩富集技术主要有变压吸附技术、流化床浓缩技术和膜分离技术。 但富集效果都不是很显著。 稀燃燃气轮机燃烧技术则存在输出功率低且不稳定等问题。 现阶段的研究应用主要以逆流氧化技术为主。 浓缩富集技术 乏风瓦斯浓缩技术是大范围开发利用煤矿乏风瓦斯的关键技术，主要的乏风瓦斯浓缩技术有变压吸附技术和低温液化分离技术。 变压吸附技术主要 根据吸附剂对瓦斯气体不同成分的吸附能力不同，且吸附量随压力变化有所不同的原理对瓦斯气体中的不同成分进行分离。 变压吸附技术具有操作灵活方便、耗能低、常温下连续运行等优点，是倍受关注的瓦斯分离提纯的有效技术[12,13]。 Wamuzinski 等利用体积分数为 %%的乏风瓦斯对变压吸附技术进行了研究，并得到结论：在供气速度为 [14]。 中科院理化技术研究所针对含氧煤层气低温液化分离技术进行了研究，并在计算机上进行了模拟仿真，得到了大量与实际相吻合的 数据。 哈尔滨工业大学低温与超导技术研究所于 20xx 年 8 月建立了哈工大 大庆肇州液化天然气试验中心，对煤层气地位液化分离技术进行试验研究。 但低温分离法设备投资大，运行费用较高，即使处理大规模的乏风瓦斯也并不经济 [15]。 国内煤矿乏风瓦斯的体积浓度一般低于 %，试验证明，将 %的乏风瓦斯经浓缩富集至 20%是可以实现的。 但这种方法由于存在经济性差、成本过高等缺点，因此很少采用 [16]。 稀燃燃气轮机燃烧技术 目前，世界范围内在稀燃燃气轮机方面的研究，主要有澳大利亚联邦科学与工业研究组 织（ CSIRO）的贫燃催化燃烧燃气轮机、澳大利亚能源发展公司（ EDL）的间壁回热式燃气轮机和 IngersoRand(IR)的催化燃烧微燃气轮机。 基于 CH4 催化燃烧的试验数据和涡轮机的设计标准， CSIRO 发明了一种催化燃烧燃气轮机，该装置可以处理甲烷浓度 1%的乏风，并已申请了专利。 EDL 开发 的间壁回热式稀燃燃气轮机，是利用燃烧放出的热量将乏风预热到起燃温度山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 （ 7001000℃），然后利用乏风驱动气轮机，该装置在甲烷浓度高于 %时，可以将乏风预热到 700℃，使装置稳定连续运行，其缺点是需额外增加较大量的 甲烷来达到要求的浓度。 美国的 IngersoRand 也研发了催化微燃气轮机并申请了专利，其设计的甲烷浓度低于 %[17]。 上海交通大学的尹娟等对贫燃催化燃烧燃气轮机中乏风瓦斯的催化燃烧的催化燃烧特性进行了模拟研究和试验研究，分析了甲烷浓度、压气机压比、透平入口温度和回热器回热度对催化燃烧的影响，并对其系统性能与部分负荷特性进行了分析 [1821]。 无论是作为辅助燃料，还是作为主燃料的浓缩富集技术和稀燃燃气轮机技术，都没能实现矿井乏风瓦斯有效的规模化处理，目前最为有效的矿井乏风瓦斯利用方法是逆流氧化技术。 该技术又可分为催化逆流反应技术（ Catalytic Flow Reserve Reactor简写为 CFRR）和热逆流反应技术（ Thermal Flow Reserve Reactor 简写为 TFRR）两种。 热逆流反应技术（ TFRR） 热逆流反应器主要由两部分蓄放热陶瓷组成，该技术的工作原理如下：首先用加热器将热放热陶瓷加热到 1000℃左右，煤矿乏风瓦斯以一个方向流入氧化床，气体被前半部分陶瓷加热，温度不断升高，直至达到甲烷的氧化温度，实现氧化。 氧化后的废气向氧化床的另一侧移动，把热量传递给温 度较低的后半部分蓄放热陶瓷，混合气温度逐渐降低。 随着气体的不断流入，氧化床入口一侧的蓄放热陶瓷的热量被新鲜混合气带走，温度逐渐降低，出口一侧的蓄放热陶瓷吸收废气的热量，温度则逐渐升高，温度分布曲线逐渐向出口移动。 在入口侧温度降至其能将气体加热到氧化温度的温度之前，改变气体的流动方向，用之前所述的后半部分蓄放热陶瓷来加热气体，前半部分蓄放热陶瓷来吸收废气的热量，使温度曲线向另一侧移动，最终实现峰值温度区维持在氧化床中心位置附近，待装置实现自维持即可关闭加热器。 在该技术的试验及理论研究方面，山东理工大学的刘永 启等对煤矿乏风瓦斯的热逆流氧化进行了模拟和试验研究，研究了甲烷浓度、乏风流量、反应区温度和换向周期对乏风瓦斯氧化率的影响，并对装置的阻力特性进行了分析研究 [2225]。 中南大学王鹏飞等人通过理论分析、数值模拟以及试验相结合的方式，对煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化机理和特性开展了系统综合的研究，主要研究了装置散热损失、乏风甲烷氧化温度、热起动温度场对装置运行情况的影响，同时研究了甲烷浓度、乏风进气速度、壁面热损失、换向半周期和蜂窝陶瓷孔隙率对热逆流氧化的影响 [2229]。 中国科学院工程热物理研究所 吕元等对 TFRR 试验装置进行了设计，并试验研究了处理量400800Nm3/h、甲烷浓度 %%、切换时间 10 50 s 时 TFRR 装置的运行情况，山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 试验结果表明：较高的风量、较高的甲烷浓度、较长的切换时间都会导致装置高温区域变长 [3032]。 Krzysztof Gosiewski 等对 TFRR 装置的床体最高温度做了研究，结果表明：随着热量的积累，反应装置内温度将大幅度提升，但当最高温度高于 1200℃后，热力 NOx 的排放量增大，而且过高的内部温度也将导致装置稳定性变差 [33]。 邓洋波等对热热逆流氧化床的温度 分布和工作特性进行了数值模拟 [34]。 Danell 等对小型TFRR 系统进行了试验，发现当甲烷浓度不低于 %时，装置可以运行，但没有具体给出持续运行的时间长度 [35]。 等对热逆流反应器运行的最低稀薄燃烧的甲烷浓度进行了探索，得出了压力、散热率、反应器高度、几何尺寸等重要参数对最低甲烷浓度的影响曲线，并对热逆流反应器中反应室的按比例增加和优化进行了数值模拟，与试验结果进行了对比，结果表明：按比例放大的反应器的停留时间的增大补偿了最高温度峰值的降低 [36,37]。 S. Balaji 等 人对热逆流反应器的缩放模型进行了研究，系统研究了热逆流反应器的复杂工作过程，对反应器主要运行参数，如反应器长度、换向时间和甲烷转化率等进行了研究，研究结果可以为反应器在最佳工作状态下的运行提供一些数据参考 [38]。 在该技术的应用方面，国内外已经有了诸多成功案例。 1994 年，瑞典的 MEGTEC公司在英国一家煤矿安装了一套热逆流催化氧化装置，其处理的煤矿乏风中甲烷浓度为 %%，流量为 8000Nm3/h。 20xx 年澳大利亚比和比拓公司的 Applin 煤矿安装了第二套试验装置，处理的瓦斯浓度高达 1%，甲 烷氧化率为 95%，能量回收率为80%， 20xx 年该公司在 West Cliff 煤矿同时运行了四套 MEGTEC 公司的热逆流氧化装置，这四套装置可以将该煤矿 20%的煤矿乏风瓦斯转化为有用的电能，其发电能力为 5MW，在世界范围内，这是首次利用煤矿乏风瓦斯进行大规模发电 [39]。 在国内，20xx 年山东理工大学和胜利油田胜动机械有限公司合作，共同研发了处理能力为10000Nm3/h的卧式煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置，并能产生饱和蒸汽 [40]。 20xx 年山东理工大学与淄博淄柴新能源有限公司合作，共同研发了可处理最低浓度为 %的煤矿乏风瓦斯的 800Nm3/h立式乏风瓦斯热逆流氧化试验装置， 20xx 年双方进一步合作，开发了能够进行商业应用的处理能力为 4000Nm3/h的立式乏风瓦斯热逆流氧化装置，并于 20xx 年在冀中能源邯郸矿业集团有限公司陶二煤矿对该装置进行现场应用试验，获得了良好效果。 中煤科工集团重庆研究院也进行了大量的蓄热氧化过程数值模拟研究工作，开发的乏风瓦斯蓄热氧化装置应用效果良好，并申请了多项相关发明专利 [41]。 20xx 年中科院工程热物理研究所搭建了煤矿乏风瓦斯热逆流氧化试验台，能够的，该装置可处理的甲烷浓度最 低达 %， 处理能力为 1000Nm3/h。 但是热逆流氧化技术（ TFRR）也存在诸多的问题： 从燃烧机理方面，由于是传统火焰燃烧存在以下缺点 [42]：（ 1）自由基在气相引发山东理工大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 导致部分电子激发态产物生成，这种产物在跃迁回基态时能量以不能被利用的可见光形式释放出去而损失掉，因此能量利用率低；（ 2）反应温度高，导致 NOx大量生成，研究表明，由于热量的积累，装置内温度大幅度提升，这将导致大量热力型 NOx生成，并且会降低装置运行的稳定性。