乏风瓦斯蓄热氧化试验研究

自主研制出处理量为1 000 m3/h的逆流式乏风瓦斯蓄热氧化装置,并进行了加热启动、氧化性能及自热平衡等试验研究。结果表明:乏风瓦斯蓄热氧化装置能够有效氧化处理甲烷,在稳定的温度场下,乏风中甲烷体积分数的改变对甲烷氧化率的影响不明显,在甲烷体积分数为0.148%时,氧化率仍维持在96%以上;当乏风瓦斯处理量为1 000 m3/h、甲烷体积分数大于等于0.30%时,装置自维持运行状态良好;当燃烧室中心温度降低时,装置内高温区域变小,氧化反应区域变窄,甲烷氧化率降低,不利于氧化反应的进行。     

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。     

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。     

乏风瓦斯蓄热氧化床阻力特性的数值模拟

基于自行开发的煤矿乏风热逆流氧化试验装置,采用多孔介质均质模型,建立了煤矿乏风蓄热逆流氧化的控制方程组和化学反应方程,模拟研究了氧化床运行参数、蜂窝陶瓷的结构参数和物性参数对氧化床的流动阻力和出口温度的影响规律。计算结果表明：在气流方向切换瞬间,氧化床的压强损失瞬时增大,经过1~2 s后趋于稳定;随着进入氧化床的乏风气体表观速度的增加,压强损失和出口温度都增加;乏风甲烷浓度对压强损失影响较小;提高蜂窝陶瓷的孔隙率,可以有效降低阻力损失,但是蓄热能力明显下降;提高比热容,有利于氧化装置稳定运行;随着当量直径的增加,压强损失显著降低。     

矿井乏风氧化装置内蜂窝蓄热体换热过程的数值模拟

矿井乏风氧化装置利用热逆流氧化技术,使乏风中的低浓度甲烷在高温下氧化并放出热量,具有环保和节能的双重意义。对矿井乏风氧化装置内的蜂窝蓄热体的单管通道建立了数学模型,利用FLUENT软件对单管通道内的三维非稳态流动及换热过程进行了数值模拟,得到了蜂窝蓄热体内纵向温度分布、横截面的温度和速度分布、蓄热体纵向温度的瞬时变化规律以及蓄热体的温度效率和压力损失等参数,为矿井乏风氧化装置的设计计算提供了参考。     

矿井火区典型可燃气体对甲烷化学动力学的影响分析

为研究多元混合气体对CH₄爆炸过程的影响,选取矿井火区典型可燃气体CH₄、C₂H₆、C₂H₄、CO、H₂,利用CHEMKIN软件模拟分析了不同组分C₂H₆/C₂H₄/CO/H₂瓦斯混合气体爆炸反应过程。研究结果表明：随着混合气体组分中各可燃气体体积分数的增大,CH₄的爆炸压力和温度不断增高,CH₄体积分数和O₂体积分数迅速下降,点火延迟时间明显缩短;在爆炸产生的有毒有害气体中,CO的体积分数最高;H^*、OH^*自由基的体积分数持续增大,O^*自由基呈现先增大后减小的趋势。敏感性分析发现促进自由基生成的反应步主要是R38(H+O₂$ \\rightleftharpoons $O+OH)和R119(HO₂+CH₃$ \\rightleftharpoons $OH+CH₃O),抑制其生成的主要反应步为R98(OH+CH₄$ \\rightleftharpoons $CH₃+H₂O)和R53(H+CH₄$ \\rightleftharpoons $CH₃+H₂)。     

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.     

煤矿乏风蓄热氧化发电技术及应用研究

利用热逆流氧化反应器,基于热逆流氧化原理与乏风蓄热氧化发电原理,结合瓦斯氧化燃烧与爆炸机理,研究了煤矿乏风瓦斯蓄热氧化发电技术,并对现场应用进行了分析。研究结果表明:低浓度甲烷在蓄热氧化过程中,蓄热体产生周期性的吸热与放热,实现了周期性的、稳定的循环实验,实现了热风量的并联提取和精确调节,提高了甲烷的氧化效率,满足了乏风蓄热氧化发电核心设备的要求。     

煤矿火灾诱发瓦斯爆炸危险性预测

针对高瓦斯易自燃煤层火区封闭与启封过程中常发生的瓦斯爆炸问题,采用20 L爆炸装置,在实验研究环境温度为25～200℃和CO体积分数为1%～10%的条件下进行瓦斯爆炸极限测定,发现CO体积分数升高,瓦斯爆炸上限、下限均下降,温度升高,爆炸上限升高、下限下降;温度与CO气体耦合作用下,瓦斯爆炸上限升高、下限下降,瓦斯爆炸危险性增加,爆炸上限、下限与温度和CO气体体积分数呈二次多项式变化趋势。初始温度和CO气体对爆炸极限的耦合影响比单一因素影响大,其对爆炸上限的影响更为显著。在此基础上,基于变化瓦斯爆炸三角形与曲线拟合理论,研究了火区封闭过程中次生瓦斯爆炸危险性演化过程,根据曲线相交原则反演求出CH₄体积分数与O₂体积分数,结合CH₄体积分数与O₂体积分数随时间变化关系,求出可能发生瓦斯爆炸时间t。若可能爆炸点M(X_M(CH₄),Y_M(O₂))点的O₂体积分数小于临界点E的O₂     

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。     

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。     

催化逆流反应器(CH4MIN)技术及其在中国的应用潜力

通过一系列的试验，加拿大矿物与能源技术中心开发出了一项专门处理和利用煤矿矿井乏风中甲烷(甲烷体积浓度0．1％～1．0％)的技术——催化逆流反应器(CH4MIN)技术。CH4MIN技术是在催化剂的作用下，促使乏风混合气体的温度升高到足以让甲烷发生氧化，从而产生热量。通过利用这种热量达到利用乏风中甲烷的目的。本文从CH4MIN技术工作原理、试验结果分析、经济可行性分析及在中国的应用前景作了分析和论述。     

浓度低于1%的矿井瓦斯氧化技术现状及前景

矿井乏风直接排放到大气中,不仅造成了资源的浪费,而且加剧了温室效应。为达到节能减排的目的,如何利用低浓度瓦斯是迫切需要研究的课题。文章重点介绍了国内外对于浓度低于1%的矿井瓦斯的氧化技术现状,并对胜动集团煤矿乏风甲烷氧化技术的现状及前景做了简要分析。根据现有的低浓度煤矿瓦斯氧化技术,为今后在我国实现煤矿瓦斯"零"排放的目标提供了一个技术思路。     

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。     

煤矿瓦斯氧化利用安全保障系统设计与应用

根据瓦斯氧化装置的运行特点,结合我国煤矿井下通风要求和矿井瓦斯抽采现状,分析了煤矿瓦斯氧化装置运行中存在的主要安全隐患,提出了在抽采瓦斯与矿井乏风掺混、抽采瓦斯输送等主要环节的安全保障技术要求。介绍了矿井乏风与低浓度瓦斯混配装置、混配监控系统、瓦斯抽采泵站安全保障系统设计情况,在高河煤矿瓦斯氧化发电工程运行期间的测试结果表明,设计完善的低浓度瓦斯输送安全保障系统及掺混监控系统,可以有效保证瓦斯氧化装置的安全高效运行,不会给瓦斯抽采系统及矿井的安全生产带来隐患。