一种综合利用煤矿通风瓦斯的装置

摘要

一种综合利用煤矿通风瓦斯的装置，为两个结构相同的反应器出口端通过一取热装置连接成U型反应器；该反应器入口端部分填充有蜂窝蓄热体；该反应器出口端部分为催化剂床层；在蓄热体出与催化剂床层之间布置有电加热器；原料气入口处设有阀组控制气体在反应器内部流向的变换；原料气进入反应器，在催化剂床层上与催化剂发生催化燃烧，通过阀组进行周期性切换反应气体的流向实现反应器内“马鞍型”床层温度分布，燃烧尾气由取热装置引出。本发明具有较高的热回收效率；当通风瓦斯气中甲烷的浓度以及通风瓦斯流量发生变化时，能够实现高效自热运行。

权利要求

1.一种综合利用煤矿通风瓦斯的装置，为两个结构相同的反应器出口端通过一取热装置连接成U型反应器；

两个结构相同的反应器入口端部分填充有蜂窝蓄热体；

两个结构相同的反应器出口端部分为催化剂床层；

在蓄热体与催化剂床层之间布置有电加热器；

两个结构相同的反应器的原料气入口处设有阀组控制气体在反应器内部流向的变换；

两个结构相同的反应器的原料气进入反应器，在催化剂床层上与催化剂发生催化燃烧，通过阀组进行周期性切换反应气体的流向实现U型反应器内“马鞍型”床层温度分布，燃烧尾气由取热装置引出。

2.如权利要求1所述的装置，其中，两个结构相同的反应器截面为方形或圆形结构，两个结构相同的反应器入口端和出口端为锥形。

3.如权利要求1所述的装置，其中，采用的催化剂为颗粒或整体催化剂。

4.如权利要求1或3所述的装置，其中，催化剂为贵金属或金属氧化物催化剂。

5.如权利要求1所述的装置，其中，蓄热体为高热容的颗粒或整体蜂窝陶瓷蓄热体。

6.如权利要求1所述的装置，其中，电加热器是由若干组翅片管组成。

7.如权利要求1所述的装置，其中，取热装置为蛇管换热器或板翅换热器。

8.如权利要求1所述的装置，其中，控制气体流向的阀组为气动阀或电磁阀。

9.如权利要求1所述的装置，其中，两个结构相同的反应器入口端和出口端设有长方体或圆柱体形栅板或筛板。

10.如权利要求1所述的装置，其中，由两个结构相同的反应器组合成的若干组U型反应器组合。

说明书

一种综合利用煤矿通风瓦斯的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤矿通风瓦斯气综合利用技术，解决了甲烷浓度较低(<1.0％)、气体流量大而且浓度和流量存在较大波动的通风瓦斯气的转化利用问题，可应用于瓦斯气的处理，实现温室气体减排和能量回收。

背景技术

[0002] 煤层气的巨大储量以及其中的甲烷高的燃烧焓，使其具有潜在的能量回收利用价值。另外，随着《京都议定书》的正式生效，CO2减排额已成为投资界的热门商品。而甲烷的温室效应是CO2的21倍，因此，煤层气综合利用会产生直接的经济效益，同时还会产生间接的环境效益。目前，煤层气综合利用已引起国内外广泛关注。

[0003] 现已开发出多种高浓瓦斯气转化利用技术，如煤层气发电、管道输送转化等。在我国煤层气发电总装机容量达9万kW。而占煤层甲烷总量70％以上的通风瓦斯气，由于甲烷3
浓度低(<1.0％)、难收集、气量大(40—500m/s)，而且气体的流速和流量不稳定，因此，通风瓦斯气的综合利用具有很大的挑战性。

[0004] 通风瓦斯气的利用主要通过两种方式来实现，即作为基本燃料和作为辅助燃料转化。作为辅助燃料，用于替代燃烧空气供入粉煤燃烧炉、回转窑炉中，该方式是通风瓦斯气利用的较好途径之一，但必须在煤矿通风口附近有大型锅炉，同时还受地域限制。而作为基本燃料的通风瓦斯转化方式，目前主要包括提浓和低浓度直接转化。前者存在较大的技术经济问题，而且处理量有限。因此，主要应用途径为低浓甲烷直接转化。低浓直接转化根据甲烷转化的动力学机理又可以分为直接燃烧(>1000℃)和催化燃烧(400-600℃)，这两种转化方式都是基于蓄热燃烧原理。

[0005] 瑞典Megtec公司(US005997277和US6302188)开发出了用于脱除挥发性有机物的蓄热式燃烧转化器，对蓄热材料的材质、截面结构进行了改进。但是，采用热氧化的方式不可避免地对反应器的材质有比较苛刻的要求，另外系统的启动较慢。因为对于热力学性质稳定的甲烷，当其浓度在3000～5000ppm时，非催化直接燃烧的启燃温度为1300～1400℃左右。另外，基于蓄热催化燃烧原理，US2003/0070549在蓄热燃烧反应器前增加了吸脱附装置，首先将可燃气体浓缩，然后发生催化燃烧反应，系统工艺比较复杂。另外，专利报道的蓄热催化燃烧过程应用的燃烧催化剂为颗粒催化剂，对于气体流量较大的通风瓦斯处理体系势必会增加阻力降。同时采用的在反应器外壁缠绕电加热带的启动方式(中国专利ZL20040120402)难以满足工业应用；另外，没有考虑热量的回收利用，因此，对系统内的温度难以控制。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种综合利用通风瓦斯气的装置，以实现温室气体减排和能量回收利用。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供的综合利用煤矿通风瓦斯的装置，为两个结构相同的反应器出口端通过一取热装置连接成U型反应器；

[0008] 该反应器入口端部分填充有蜂窝蓄热体；

[0009] 该反应器出口端部分为催化剂床层；

[0010] 在蓄热体出与催化剂床层之间布置有电加热器；

[0011] 原料气入口处设有阀组控制气体在反应器内部流向的变换；

[0012] 原料气进入反应器，在催化剂床层上与催化剂发生催化燃烧，通过阀组进行周期性切换反应气体的流向实现反应器内“马鞍型”床层温度分布，燃烧尾气由取热装置引出。

[0013] 所述的装置，其中，反应器截面为方形或圆形结构，反应器入口端和出口端为锥形。

[0014] 所述的装置，其中，采用的催化剂为颗粒或整体催化剂。

[0015] 所述的装置，其中，催化剂为贵金属或金属氧化物催化剂。

[0016] 所述的装置，其中，蓄热体为高热容的颗粒或整体蜂窝陶瓷蓄热体。

[0017] 所述的装置，其中，电加热器是由若干组翅片管组成。

[0018] 所述的装置，其中，取热装置为蛇管换热器或板翅电加热器。

[0019] 所述的装置，其中，控制气体流向的阀组为气动阀或电磁阀。

[0020] 所述的装置，其中，反应器入口端和出口端设有长方体或圆柱体形栅板或筛板作为气体分布板。

[0021] 所述的装置，其中，由若干组U型反应器组合。

[0022] 本发明具有的优点：

[0023] 一、采用的整体蜂窝蓄热体和催化剂具有较高的抗阻塞性能，高的强度和低的阻力降，特别适用于气体流量大、甲烷浓度低，同时流量和浓度存在波动的通风瓦斯综合治理体系；该体系具有较强的自维持能力。

[0024] 二、采用的按照一定空间位置排列的几组管翅电加热器，具有较大的热传递面积，而且气体能够均匀受热。因此，系统具有快的启动速度，而且宜于进一步放大和实际应用。

[0025] 三、采用中部取热(换热或引出部分高温燃烧尾气)的方式，使得系统具有较大的操作弹性，也适用于高浓度、高热值的其他可燃气体的催化燃烧脱除。

[0026] 四、设计了专门的气体分布板，能够使气体在催化剂上均匀地分布，提高了催化剂的利用率；另外，该体系具有较高的热效率，实现了通风瓦斯气高效利用，同时也实现了CO2减排。

附图说明

[0027] 图1为实验操作流程；

[0028] 图2为气体强制分布方式；

[0029] 图3为流向变换工艺；

[0030] 图4为系统内测温方式；

[0031] 图5为不同工况下反应器内的温度分布；

[0032] 图6为不同工况下稳定的甲烷出口浓度和转化率；

[0033] 图7为不同工况下系统内的压力降；

[0034] 图8为系统内温度的周期性变化规律；

具体实施方式

[0035] 本发明提供的装置是应用于催化燃烧流向变化工艺，具有启动快、燃烧温度温和以及系统自维持性能强等特性。解决了传统的蓄热式催化燃烧转化器，高的燃烧温度对反应器材质要求高、系统启动慢，成本高等问题；有效地解决了由于颗粒催化剂而导致的蓄热式催化氧化器内阻力降较大的问题；系统燃烧温度可控，热效率较高；

[0036] 本发明采用的技术方案是：一、利用开发的高效低浓甲烷燃烧催化剂，当反应温度在550℃左右，甲烷就能够完全转化；而且，该催化剂具有高的热稳定性。二、采用的整体催化剂燃烧技术，在高空速下，系统的阻力降仍很小；对于气体流量大、具有一定粉尘含量的通风瓦斯系统具有较强的实用性。三、采用从燃烧系统中部取热或引走部分燃烧尾气的方法，能够实现装置温度稳定控制和热量回收，当甲烷浓度发生波动时装置仍具能够维持恒定温度下的自热运行，同时提高了装置的热效率。

[0037] 本发明采用的蓄热催化燃烧原理，该装置包括蓄热床、催化床、系统启动装置、气体分布板、热量回收利用方式以及自动控制系统。其中蓄热床填充的是高热容和高强度的整体蜂窝蓄热体；催化床应用的是整体低浓甲烷燃烧催化剂，它具有高的热稳定性和活性；在催化剂床层前端设置按照空间分布的管翅电加热器；在系统的系统的入口或催化剂床层的出口布置专用的气体分布板，来强制流体分布实现均匀的流场分布；在两段催化床层中部布置取热装置或引出部分燃烧尾气进行换热；在催化剂、蓄热体和热量回收装置上布置热电偶来检测温度，实现装置的自动控制。

[0038] 参见附图1，在本发明的入口端前段部分填充整体蜂窝蓄热体6a和6b；蓄热体出口布置管翅电加热器7a和7b；反应器的内、外壁采用耐火砖、石英棉等保温材料；气流经过电加热器进入催化剂床层8a和8b；在催化剂8a和8b之间布置取热装置10或将部分燃烧尾气引出系统。为了在催化上实现均匀的流体分布从而提高催化剂的有效利用率，根据反应器的结构可以在入口或出口布置长方体或圆柱体形栅板或筛板5a、9a、5b和9b来强制气体均匀分布。在催化剂和蓄热体以及反应器腔体内上都布置了热电偶来检测温度，通过建立的温度检测点和取热装置内换热介质流量之间的定量关系来调节反应器内的温度分布，从而实现安全稳定的自热运行。通风瓦斯气经过鼓风机1和除尘设备2供入本发明的装置内，通过阀组3a、4a、3b、4b实现气体流向的变化。同时在进出口安装压力传感器(公知技术，图中未示)对床层的压力降也进行了检测。

[0039] 所述的整体蜂窝蓄热体是具有高热容、高强度的惰性陶瓷材料。

[0040] 所述的催化剂为贵金属或金属氧化物蜂窝整体燃烧催化剂，该催化剂具有较高的催化活性，在550℃时甲烷能够完全转化。而且其具有较好的热力学稳定性，经过1000小时的催化剂稳定性测试，活性仅有轻微的下降。

[0041] 所述的启动装置是一组按照空间位置排列的管翅电加热器，其具有较大的传热面积，同时合理的空间位置排列能够使气流均匀受热；

[0042] 所述的取热装置是根据工况设计的蛇管换热器，也可以是高效的板翅换热器。

[0043] 所述的流体分布方式采用如附图2所示的栅板和筛板，借助数值模拟手段，优化栅板上栅条的宽度和筛板上孔的直径和不同大小孔的分布，从而实现流体在催化剂上的均匀分布。

[0044] 所述的流向变换是通过一个四位两通或两个三通阀或四个两通阀来实现如图3所示的气流在反应器内部流向的变换，可以是气动阀也可以是电磁阀，通过继电器来实现阀组的启闭，从而改变了气流的方向。如开启阀3b和4a，同时关闭阀3a和4b，可以实现如图3所示的正向流动；反之，可以实现流体的反向流动。

[0045] 首先，将电加热器出口温度设定为450℃，供入通风瓦斯气，观察催化剂床层温度的变化，同时启动自动控制系统，进行气体流动方向的切换。当系统自热运行时，关闭电加热器，同时给取热装置中供入换热介质，根据系统内的温度变化，调节换热介质的流量，从而实现系统的安全稳定自热运行。

[0046] 实施例一

[0047] 应用上述的设计方案开发了一套处理能力为20m3/h的通风瓦斯综合治理装置，其外形尺寸为934mm×420mm×120mm。为了更加清楚地了解通风瓦斯处理装置在不同工况下的特性，在装置内布置了42个测温点，见图4。当甲烷的入口浓度为4000ppm，空气的流量为333.3L/min时，不同切换频率(0.5min～1.5min)下反应器轴向温度分布(图5)，可以看出反应器的轴向温度分布呈典型的“马鞍形”分布；U-型反应器内两侧催化剂上温度控制在550℃，甲烷的转化率能够维持在95％以上，见图6。而且装置的压力降在3kPa左右，具体见图7。同时每分钟能够产生250℃的过热蒸汽5克，具有较高的热效率。另外蓄热体、催化剂、中间取热部分以及燃烧尾气出口温度都随流向的变化呈周期性变化，见图8。

[0048] 实施例二

[0049] 反应装置及测温、测压方案同实施例一。甲烷的入口浓度为3000ppm，空气的流量为666.6L/min，U-型反应器内两侧催化剂上温度控制在650℃左右时，能够实现甲烷的转化率达98％以上；而且每分钟可以产生270℃的过热蒸汽5克。床层的阻力降在5kPa左右，具体见图7。反应器内轴向温度分布同实施例一呈“马鞍形”分布；蓄热体、催化剂、中间取热部分以及燃烧尾气出口温度同实施例一随流向的变化呈周期性变化。

[0050] 实施例三

[0051] 反应装置及测温、测压方案同实施例一。甲烷的入口浓度为3000ppm，空气的流量为333.3L/min，U-型反应器内左侧催化剂上温度在360℃左右，而右侧温度在550℃左右，能够实现甲烷的转化率达90％左右，见图6；而且每分钟可以产生200℃的过热蒸汽3克。反应器内轴向温度分布同实施案例一呈“马鞍形”分布；蓄热体、催化剂、中间取热部分以及燃烧尾气出口温度同实施例一随流向的变化呈周期性变化。

[0052] 实施例四

[0053] 反应装置及测温、测压方案同实施例一。甲烷的入口浓度为5000ppm，空气的流量为333.3L/min，U-型反应器内两侧催化剂上温度控制在590℃左右时，能够实现甲烷的转化率达96％以上，见图6；而且每分钟可以产生271℃的过热蒸汽6克。反应器内轴向温度分布同实施例一呈“马鞍形”分布；蓄热体、催化剂、中间取热部分以及燃烧尾气出口温度同实施例一随流向的变化呈周期性变化。