煤矿乏风的蓄热逆流氧化

用自行研制的蓄热逆流氧化装置对煤矿乏风的氧化反应进行试验,考察了CH₄体积分数、乏风流量、换向周期和反应区温度对煤矿乏风氧化的影响.结果表明：当CH₄体积分数大于0.2％时,蓄热逆流氧化装置能够维持自热氧化反应,氧化率在99％以上,且能够回收一定的热量;随CH₄体积分数和乏风流量的增加,氧化装置中心区温度升高,高温区域扩大,有利于氧化反应的进行;最佳换向周期范围为90～150 s;煤矿乏风氧化的最低反应温度为880 ℃左右.     

煤矿乏风瓦斯热逆流氧化的一维数值模拟

为了研究煤矿乏风低含量瓦斯热逆流氧化,建立了煤矿乏风瓦斯热逆流氧化的一维数学模型,应用FLUENT软件研究了氧化床内热结构特性以及工况参数对氧化床热结构、甲烷氧化率及出口温度的影响。计算结果表明:1)氧化床内温度场基本成梯形分布,高温区沿氧化床高度方向周期性往复移动。2)随着乏风中甲烷体积分数的提高,氧化床高温区域拓宽,最高温度和出口温度也有相应的提高,甲烷的氧化率略有升高。3)随着氧化床处理乏风量的增加,氧化床内温度峰值、反应率及出口温度都有明显升高,反应区向两端移动,高温区域加宽,但甲烷氧化率随之下降。4)随着换向半周期的延长,氧化床反应区和高温区向氧化床中部移动,高温区域变窄,出口温度升高,甲烷氧化率略有下降。5)随璧面热损失的不断增加,氧化床峰值温度、高温区温度及甲烷的氧化率均降低,反应速率也下降剧烈,高温区域宽度也明显变窄。     

基于蓄热式换热模型的乏风瓦斯逆流热氧化装置设计方法

为现实乏风瓦斯逆流热氧化装置的快速参数设计,提出逆流热氧化装置的稳定运行判别条件。基于蓄热式换热模型的解,结合装置整体的能量平衡,首先对氧化装置的最低稳定运行甲烷体积分数进行了计算。结算结果表明:在低流速时,装置的最低稳定运行甲烷体积分数主要由装置的散热决定,此时流速提高,装置的最低稳定运行甲烷体积分数会降低;流速较高时,装置的最低稳定运行甲烷体积分数主要由装置的蓄热性能决定,此时流速提高,装置的最低稳定运行甲烷体积分数会升高。使用实验获得的最低稳定运行甲烷体积分数数据对模型计算结果进行验证,实验结果和模型的计算结果基本一致。进一步根据模型计算了乏风瓦斯逆流氧化装置稳定运行的通风量范围以及蓄热体需求量。     

进气预热温度对煤矿乏风热逆流氧化的影响

为探索进气预热温度对煤矿乏风热逆流氧化的影响,对不同进气温度条件下煤矿乏风热逆流氧化的温度场、甲烷转化率、最低甲烷体积分数及最大换向半周期开展了数值模拟和试验研究,结果表明：随着进气预热温度的升高,氧化床高温区域拓宽,而峰值温度变化不明显;随着进气预热温度的不断提高,氧化装置甲烷转化率几乎成线性升高;提高进气预热温度,可以降低装置维持自运行所需的最低甲烷体积分数和延长最大换向半周期,有利于氧化装置的稳定运行。     

双室型乏风预热催化氧化装置的氧化特性

搭建了双室型乏风预热催化氧化实验装置,实验研究了空速、氧化床入口温度、入口甲烷体积分数对其氧化特性的影响规律。结果表明：试验装置能够实现自维持稳定运行,转化率均大于92%,且具有良好的对称性;随空速的增大,甲烷转化率变化较小,空速大于7 100 h-1后,转化率下降;有效反应长度随空速的增大而增大,且增大的速率逐渐加快;随入口温度的升高,甲烷转化率上升,在485 ℃时达到最大值,有效反应长度显著减小,但减小的速率逐渐变缓;随体积分数的增加,甲烷转化率波动不大(95%左右),氧化床整体温度上升,有效反应长度略有下降。     

煤矿通风瓦斯蓄热预热过程研究

煤矿通风瓦斯蓄热氧化装置中存在低于爆炸极限下限体积分数25％的甲烷/空气预混气体在高温预热条件下的甲烷氧化放热现象.为了揭示不同体积分数甲烷的氧化放热效应对预混气体预热过程的影响,借助FLUENT软件对预混气体预热过程进行了数值模拟,研究了非稳态流场中化学反应对预热温度的影响.结果表明:甲烷体积分数高于0.2％,预热温度高于900℃时,甲烷的氧化放热效应使预混气体预热温度明显高于空气的预热温度和蓄热材料表面温度,甲烷体积分数提高后预混气体的预热长度减小、蓄热氧化装置中蓄热材料的使用量明显减少,数值模拟结果与实验结果基本吻合.     

煤矿五床式乏风瓦斯蓄热氧化装置设计与应用

为解决现有蓄热氧化装置存在的甲烷氧化率较低技术难题,设计了五床式乏风瓦斯蓄热氧化装置,阐述了装置的工作原理。该装置在传统的蓄热、放热循环中增加了1个吹扫净化过程,大幅减少了装置中的乏风残留量,将甲烷氧化率提高至98%以上。介绍了氧化室、燃烧室、气流分配室及预热系统等部件的设计过程,以及装置的总装结构设计方案。该项技术将在重庆松藻打通一矿进行工业性示范,目前项目正处于建设阶段。该套工业性示范系统投入运行后,每年可生产过热蒸汽6.48万t,减排CO2当量10.7万t,具有良好的节能减排效益。     

乏风瓦斯催化燃烧实验研究

制备了含有稀土元素涂层的铂、钯贵金属堇青石载体催化剂,用低浓度甲烷对该催化剂进行催化燃烧实验,研究了不同反应温度、不同甲烷体积分数、不同反应空速下甲烷的转化率。实验结果表明:在反应空速为30 000 h-1条件下,温度为450℃时,甲烷转化率为68%左右,达到催化剂的起燃温度;在700℃时,甲烷转化率达到100%。甲烷体积分数为0.2%~1.5%时,甲烷转化率都超过了99%,该催化剂适用于乏风瓦斯催化燃烧。     

煤矿乏风瓦斯富集中试试验研究

针对煤矿乏风瓦斯浓度低,无法有效利用,并大量排放这一现状,对乏风瓦斯的富集开展了研究,建立了首套乏风瓦斯富集中试试验装置。试验装置瓦斯处理量为500 m3/h,采用三塔两级分离工艺,并引入了抽排和排放气充压的流程。研究结果表明,利用自主改性的椰壳活性炭可将甲烷浓度为0.2%的乏风瓦斯气体富集到1.2%以上;抽排流程用于乏风瓦斯富集中试系统可有效提高产品气浓度,如抽排比由0增大到0.224时,产品气中的甲烷浓度增大到了原来的1.89倍;吸附剂热效应对乏风瓦斯富集的影响较小,试验过程中吸附塔内温度波动不超过3℃。     

煤矿通风瓦斯甲烷热氧化装置实验研究

通过热力计算设计搭建了最大处理量为1 000 m 3/h的煤矿通风瓦斯热氧化装置,实现了装置的快速启动及长期自维持稳定运行。研究了处理量400～800 m3/h、甲烷浓度0.4%～0.8%、切换时间10～50 s时装置的运行情况,得到了装置的运行特点以及各运行参数对其的影响规律。实验结果表明,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变长。     

通风瓦斯蓄热式热氧化过程数值模拟

为模拟通风瓦斯蓄热氧化过程的工作特性,并在此基础上优化关键性参数,建立了包含周期性边界条件和甲烷单步氧化反应机理的单通道均相反应模型,模拟实验室尺度下的以蜂窝蓄热体作为换热介质的蓄热式热氧化过程。用计算流体力学方法计算获得通风瓦斯蓄热式热氧化过程中气体流量、甲烷浓度对装置工作特性的影响。计算结果表明,单侧0.3 m长度的蓄热体,30 s的切换周期,可以满足一定范围内的通风瓦斯氧化需求。模拟给出了稳定和非稳定状态下沿流向的温度分布,可以发现温度分布从启动状态的抛物型温度场,经过上百个切换周期过渡到稳定的梯形温度场,实现自维持运行。     

大佛寺煤矿瓦斯氧化工程应用安全措施

为了在煤炭行业推广瓦斯氧化装置,保证氧化装置应用的安全性,根据目前煤矿井下通风要求和矿井主要通风机扩散塔结构形式,提出乏风输送时其输送管道与主要通风机扩散塔的接口方式和输送要求、抽排瓦斯输送及与乏风掺混技术,并提出外部条件缺失时的安全保护措施。通过大佛寺煤矿瓦斯氧化发电工程设计、建设和运行检验,证明氧化装置在煤矿应用是安全可靠的,不会对煤矿带来不安全因素。     

温度对极低浓度瓦斯氧化影响的研究

 摘要：本文实验通过配置浓度为0.75%、0.5%和0.25%的极低浓度甲烷来模拟矿井乏风,使三个浓度的甲烷通过高温炉膛,收集炉膛排除的气体,并对收集气体进行测试,以得到矿井乏风高温氧化的条件和规律。实验通过调整炉膛温度以得到不同温度下极低浓度甲烷的氧化情况。结果表明,甲烷浓度越高则氧化所需的温度越低;甲烷浓度越低,氧化所需的温度越高;根据实验研究得出极低浓度甲烷在锅炉炉膛中应该在750℃左右时即开始被氧化,甲烷浓度逐渐降低,且在800℃左右时能被被完全氧化。     

含瓦斯风流条件下煤自燃产物CO生成规律的实验研究

针对高瓦斯采空区漏风流内含有瓦斯的实际情况，自制了含瓦斯风流条件下煤的低温氧化实验系统，按拟定的配气方案开展了低温氧化实验，分析了CO的生成规律。结果表明：随氧气体积分数的降低或甲烷体积分数的升高，CO生成的初始温度滞后，相同温度时CO的生成量减小。因此，用新鲜空气来预测高瓦斯采空区的煤自燃状态，易造成错判、误判。根据气固多相反应动力学原理，分析了化学反应速率变化的原因，从而合理解释了实验结果。