多反应室煤矿乏风预热催化氧化器

摘要

本发明涉及一种多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，属于超低浓度甲烷氧化技术领域，包括乏风送风系统、预热器、偶数个反应室、进排气系统、抽气取热系统和测量与控制系统，其中每个反应室的反应室内布置着电加热器、均温均流床层、催化氧化床层。在加热启动后，煤矿乏风通过乏风送风系统进入预热器被加热升温，然后经过进气系统供给各个反应室，在反应室的催化氧化床层内氧化成二氧化碳和水，反应后的热气体经过排气系统汇流后，一部分被取走进行热利用，剩余的气体进入预热器将热量传递给新鲜乏风，降温后排入大气之中。本发明具有结构紧凑、功耗低、运行简单、可靠性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，属于超低浓度甲烷氧化技术领域。

背景技术

煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的21倍。近年来，我国每年通过煤矿乏风排放甲烷为150多亿Nm³。如果将此乏风瓦斯利用起来，约折合2300万吨标准煤，可以减排2亿吨当量二氧化碳。煤矿乏风瓦斯浓度非常低，难于利用传统燃烧器直接进行燃烧，目前有效的利用方法是采用热逆流氧化技术(Thermal Flow Reversal Reactor，简称TFRR)和催化逆流氧化技术(Catalytic Flow Reversal，简称CFRR)。这两种逆流氧化技术的基本工作原理和构造大体相同，主要区别是CFRR使用了氧化催化剂，降低了瓦斯氧化所需要的温度。瑞典的MEGTEC公司采用TFRR技术处理煤矿乏风中的甲烷，并回收其能量。MEGTEC公司于2004年在澳大利亚比和比拓公司West Cliff煤矿安装了4套TFRR，于2007年初开始运行，可以将West Cliff煤矿大约20％煤矿乏风转化为有用的能源，发电能力为5MW；于2007年在我国河南登封市一家煤矿安装了1套TFRR，专门用于销毁乏风甲烷。我国的山东理工大学、胜利油田胜利动力机械集团有限公司、淄博淄柴新能源有限公司等单位也先后自主开发了煤矿乏风瓦斯热逆流氧化装置，并在煤矿现场进行了应用试验研究，现在已开始示范运行。1995年加拿大矿物与能源技术中心(CANMET)开始研发煤矿乏风瓦斯催化逆流反应(CFRR)技术，现在已经开发出了实验室规模的催化甲烷逆流反应室，并在该装置上进行了煤矿乏风瓦斯催化氧化模拟试验。总体来说，热逆流反应室和催化逆流反应室都可以有效地治理和利用煤矿乏风中的瓦斯。但是从实际应用角度来看，目前只有热逆流反应技术成功地在煤矿现场进行了商业应用。但是采用TFRR技术处理煤矿乏风瓦斯还存在着以下问题：(1)TFRR占地相对较大，例如用MEGTEC公司的TFRR单元要处理150m³/s的气体，其装置占地面积约为(63×14.62×4.49)m；(2)TFRR的氧化床由大量的蜂窝陶瓷构成，蜂窝陶瓷在长期使用后会发生开裂、破碎和堵塞等问题，一般来说每年要更换一次蜂窝陶瓷，维护成本太高；(3)TFRR的阻力损失很大，一般在8000KPa以上，风机的能耗很高；(4)TFRR的氧化床内的气流需要不断变换方向，以保证高温区域维持在氧化床的中部，自动控制程度要求较高，操作技术要求很高。这些主要问题加大了TFRR技术推广应用的难度。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述技术存在的缺陷、创新研制一种体积小、结构紧凑的具有多反应室的煤矿乏风预热催化氧化器。其技术方案为：

一种多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，包括乏风送风系统、预热器、偶数个反应室、进排气系统、抽气取热系统、测量与控制系统，其特征在于：

乏风送风系统包括风机、第一乏风输送管路和第二乏风输送管路，第一乏风输送管路的一端与矿井乏风出口连通，另一端经风机连通第二乏风输送管路；

预热器包括预热器芯、预热器乏风入口、预热器乏风出口、预热器废气入口、预热器废气出口、预热器壳体和第四保温隔热层，其中预热器芯采用气-气间壁式换热器，预热器芯内部的乏风通道两端分别与预热器乏风入口和预热器乏风出口连通，预热器芯内部的废气通道两端分别与预热器废气入口和预热器废气出口连通，预热器乏风入口穿过第四保温隔热层，伸出到预热器壳体外部与第二乏风输送管路连通，预热器乏风出口穿过第四保温隔热层，伸出到预热器壳体外部，连通进排气系统的进气端，预热器废气出口经废气出口管与外界大气连通；

偶数个反应室并排排列，每个反应室内沿着气体流动方向依次布置着电加热启动装置、均温均流床层和催化氧化床层，其中均温均流床层由大孔隙率的蜂窝陶瓷蓄热体堆积构成，蜂窝陶瓷蓄热体上有若干圆形、方形或多边形的孔隙，催化氧化床层内充填催化剂，催化剂是以小孔隙率的堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd为主要活性成分，用高分散率均匀分布的方法制备而成，且均温均流床层和催化氧化床层两侧均设有固定网，相邻的两个反应室内的气体流动方向相反；

进排气系统包括热风连接管、进气管、多个进气支管、多个进气扩口管、多个进气布风箱、多个废气集气箱、多个收缩管、多个废气支管、废气管和废气扩口管，其中位于最外端的两个反应室的外侧与进气布风箱连通，废气集气箱和进气布风箱依次间隔设置在相邻的两反应室之间、并分别与反应室连通，即每个反应室均与一个进气布风箱和一个废气集气箱连通，每个进气布风箱均依次经过一个进气扩口管、进气支管与进气管连通，每个废气集气箱均依次经过一个收缩管、一个废气支管与废气管连通，进气管经热风连接管接预热器乏风出口，废气管经废气扩口管接预热器废气入口；

抽气取热系统包括设有调节阀的抽气管，其中抽气管的进气端与废气管连通；

测量与控制系统包括：测控单元；设置在第二乏风输送管路上的第一压力传感器、浓度传感器和流量计，分别用于测量第二乏风输送管路中乏风的压力、浓度和流量；设置在热风连接管上的第二压力传感器和第一温度传感器，用于测量热风连接管内乏风的压力和温度；设置在测量催化氧化床层的蜂窝陶瓷蓄热体内部的第二温度传感器用于测量催化氧化床层的温度；设置在废气出口管上的第三温度传感器，用于测量废气出口的温度；设置在抽气管上的第四温度传感器，用于测量抽气热风的温度；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、浓度传感器和流量计的输出端通过信号线与测控单元相连，调节阀的控制端通过信号线与测控单元相连。

所述的多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，反应室由内壳体围成，内壳体的外部被第三保温隔热层包围，第三保温隔热层外面设有外壳体。

所述的多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，固定网用于固定均温均流床层内充填的蜂窝陶瓷蓄热体和催化氧化床层内充填的催化剂载体，固定网的四周与内壳体的内壁固定连接。

所述的多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，电加热启动装置包括多个缠绕有电加热丝且互相平行的支撑管，每个支撑管的两端都穿过内壳体、插在第三保温隔热层上。

所述的多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，内壳体与进气布风箱、废气集气箱的连接处均设有密封垫。

所述的多反应室煤矿乏风预热催化氧化器，热风连接管、进气管、进气扩口管、收缩管、废气管和抽气管的外部均设有第一保温隔热层，进气布风箱、废气集气箱的外部均设有第二保温隔热层。

其工作原理为：在装置加热启动后正常工作时，来自矿井乏风出口的乏风依次流经第一乏风输送管路、风机、第二乏风输送管路和预热器乏风入口进入预热器，在预热器被加热升温达到甲烷能够催化氧化得温度，再经过预热器乏风出口、热风连接管进入进气管，经过进气管的多个进气支管分流后再依次经过进气扩口管、进气布风箱进入各个反应室的反应室，在反应室的催化氧化床层内氧化成二氧化碳和水，反应后的热气体经过废气集气箱、收缩管在废气管内汇流，一部分经抽气管被取走进行热利用，剩余的气体经过废气扩口管、预热器废气入口进入预热器，将热量传递给新鲜乏风，降温后通过预热器废气出口、废气出口管排入大气之中。

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1、采用将多个反应室组合在一起，并采用一台预热器进行集中预热，可以大大减小整个装置的体积和占地面积；同时该种结构容易实现模块化设计与制造。

2、预热器的流动阻力较小，因而整个装置的流动阻力较小，可以有效地降低风机的功率，提高装置的运行经济性。

3、只有均温均流床层和催化氧化床层内填充蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷用量大大减少，进而减少了因更换蜂窝陶瓷而带来的维护费用。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构剖面图。

图2是图1所示实施例的A-A剖面图。

图3是图1所示实施例的B-B剖面图。

图4是图2的C-C剖面图。

图5是本发明实施例2的局部结构剖面图。

图6是图5所示实施例的D-D剖面图。

图中：1.风机  2.第一乏风输送管路  3.流量计  4.浓度传感器  5.第一压力传感器  6.废气出口管  7.第二乏风输送管路  8.预热器  9.热风连接管  10.第二压力传感器  11.第一温度传感器  12.废气扩口管  13.调节阀  14.抽气管  15.第四温度传感器  16.反应室  17.均温均流床层  18.催化氧化床层  19.固定网  20.进气扩口管  21.第二温度传感器  22.进气支管  23.第一保温隔热层  24.第二保温隔热层25.进气布风箱  26.进气管  27.密封垫  28.废气集气箱  29.外壳体  30.内壳体31.第三保温隔热层  32.电加热丝  33.支撑管  34.收缩管  35.废气支管  36.废气管  37.测控单元  38.预热器废气出口  39.预热器芯  40.第四保温隔热层  41.预热器壳体  42.预热器废气入口  43.预热器乏风出口  44.预热器乏风入口  45.第三温度传感器

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的实施方案进一步说明。

实施例1

在图1-4所示的实施例1中：具有四个反应室16的煤矿乏风瓦斯预热催化氧化器包括有乏风送风系统、预热器8、反应室16、进排气系统、抽气取热系统、测量与控制系统。其中：

乏风送风系统包括风机1、第一乏风输送管路2和第二乏风输送管路7，第一乏风输送管路2的一端与矿井乏风出口连通，另一端经风机1连通第二乏风输送管路7；

预热器8包括预热器芯39、预热器乏风入口44、预热器乏风出口43、预热器废气入口42、预热器废气出口38、预热器壳体41和第四保温隔热层40，其中预热器芯39采用气-气间壁式换热器，预热器芯39内部的乏风通道两端分别与预热器乏风入口44和预热器乏风出口43连通，预热器芯39内部的废气通道两端分别与预热器废气入口42和预热器废气出口38连通，预热器乏风入口44穿过第四保温隔热层40，伸出到预热器壳体41外部与第二乏风输送管路7连通，预热器乏风出口43穿过第四保温隔热层40，伸出到预热器壳体41外部，连通进排气系统的进气端，预热器废气出口38经废气出口管6与外界大气连通；

四个反应室16并排排列，每个反应室16均由内壳体30围成，内壳体30的外部被第三保温隔热层31包围，第三保温隔热层31外面设有外壳体29；每个反应室16内沿着气体流动方向依次布置着电加热启动装置、均温均流床层17和催化氧化床层18，其中电加热启动装置包括多个缠绕有电加热丝32且互相平行的支撑管33，每个支撑管33的两端都穿过内壳体30、插在第三保温隔热层31上；均温均流床层17由大孔隙率的蜂窝陶瓷蓄热体堆积构成，蜂窝陶瓷蓄热体上有若干圆形、方形或多边形的孔隙，催化氧化床层18内充填催化剂，催化剂是以小孔隙率的堇青石蜂窝陶瓷为载体，三氧化二铝为第二载体，Pt、Pd为主要活性成分，用高分散率均匀分布的方法制备而成，且均温均流床层17和催化氧化床层18两侧均设有固定网19；固定网19用于固定均温均流床层17内充填的蜂窝陶瓷蓄热体和催化氧化床层18内充填的催化剂载体，固定网19的四周与内壳体30的内壁固定连接；相邻的两个反应室16内的气体流动方向相反；

进排气系统包括热风连接管9、进气管26、三个进气支管22、三个进气扩口管20、三个进气布风箱25、两个废气集气箱28、两个收缩管34、两个废气支管35、废气管36和废气扩口管12。其中位于最外端的两个反应室16的外侧与进气布风箱25连通，废气集气箱28和进气布风箱25依次间隔设置在相邻的两反应室16之间、并分别与反应室16连通，即每个反应室16均与一个进气布风箱25和一个废气集气箱28连通，且每个反应室16的内壳体30与进气布风箱25、废气集气箱28的连接处均设有密封垫27；每个进气布风箱25均依次经过一个进气扩口管20、进气支管22与进气管26连通，每个废气集气箱28均依次经过一个收缩管34、一个废气支管35与废气管36连通，进气管26经热风连接管9接预热器乏风出口43，废气管36经废气扩口管12接预热器废气入口42；热风连接管9、进气管26、进气扩口管20、收缩管34、废气管36的外部均设有第一保温隔热层23，进气布风箱25、废气集气箱28的外部均设有第二保温隔热层24；

抽气取热系统包括设有调节阀13的抽气管14，，其中抽气管14的外部设有第一保温隔热层23，抽气管14的进气端与废气管36连通；

测量与控制系统包括：测控单元37；设置在第二乏风输送管路7上的第一压力传感器5、浓度传感器4和流量计3，分别用于测量第二乏风输送管路7中乏风的压力、浓度和流量；设置在热风连接管9上的第二压力传感器10和第一温度传感器11，用于测量热风连接管9内乏风的压力和温度；设置在测量催化氧化床层18的蜂窝陶瓷蓄热体内部的第二温度传感器21，用于测量催化氧化床层18的温度；设置在废气出口管6上的第三温度传感器45，用于测量废气出口的温度；设置在抽气管14上的第四温度传感器15，用于测量抽气热风的温度；第一温度传感器11、第二温度传感器21、第三温度传感器45、第四温度传感器15、第一压力传感器5、第二压力传感器10、浓度传感器4和流量计3的输出端通过信号线与测控单元37相连，调节阀13的控制端通过信号线与测控单元37相连。

实施例2

在图5-6所示的实施例2中：煤矿乏风瓦斯预热催化氧化器具有六个反应室16，进排气系统由热风连接管9、进气管26、四个进气扩口管20、四个进气布风箱25、三个废气集气箱28、三个收缩管34、废气管36、废气扩口管12构成，进气管26设有四个进气支管22，废气管36设有三个废气支管35，其余部分与实施例1相同。