30 kW乏风瓦斯催化氧化发电试验装置性能研究

针对乏风瓦斯中甲烷含量低、无法直接燃烧利用,提纯后利用则经济性差的问题,进行了乏风瓦斯催化氧化发电利用的探索。研制了30 kW乏风瓦斯催化氧化发电试验装置,开展了透平转速与气量、回热器及催化氧化燃烧室阻力损失、催化氧化发电试验研究。结果表明:30 kW乏风瓦斯催化氧化发电试验装置运行稳定、控制可靠;设计工况条件下,装置发电量达到了30.8 kW;逆流回热装置、催化氧化燃烧室、低温低压透平机等装备主要性能指标均达到了设计要求。

煤矿乏风瓦斯提浓研究

针对煤矿乏风瓦斯排放量大、所含甲烷对环境影响严重,且甲烷含量极低、无法直接利用的问题,开展了乏风瓦斯提浓研究。简述了煤矿乏风瓦斯排放特点及不同提浓方法的优缺点,确定了乏风瓦斯提浓采用变温吸附技术;以黏胶基活性炭纤维作为吸附剂开展了吸附等压线实验,实验得出:常压下、温度为20℃时吸附剂的甲烷吸附量为0.570 mol/kg,并确定了吸附剂的脱附温度为120℃;在此基础上设计了2500 m^(3)/h乏风瓦斯变温吸附提浓装置,运行结果表明,乏风瓦斯中甲烷体积分数可由0.29%提升至0.68%。

钙质泥岩粉尘对混烧体系中乏风瓦斯的氧化影响研究

为降低乏风瓦斯排放对温室效应的影响,提高乏风瓦斯的利用率,探究了体积分数为0.75%的乏风瓦斯及其与褐煤、无烟煤混烧方法下的氧化规律。随后进一步探究矿井乏风中裹挟的钙质泥岩粉尘对混烧体系中乏风瓦斯的影响。研究利用管式炉系统,模拟乏风瓦斯与空气预混气体环境,将金属氧化物含量不同的钙质泥岩粉尘与不同煤种混合,置于该气体环境中。结合X射线衍射分析(XRD)测试,分析混烧产物。研究表明:钙质泥岩粉尘可以促进瓦斯的氧化,且随着金属氧化物含量的增多,氧化效率增加。钙质泥岩粉尘可以促进同等温度下两个煤种混烧体系中乏风瓦斯的氧化。钙质泥岩粉尘金属氧化物含量越多,乏风瓦斯转化达到极限的温度越低。根据粉尘对两个煤种混烧体系的瓦斯转化作用效果可知,虽然褐煤体系的瓦斯转化率一直高于无烟煤体系,但粉尘对于褐煤体系中乏风瓦斯的转化呈负面影响,对无烟煤体系呈积极影响,故粉尘对无烟煤混烧体系的影响优于对褐煤体系的影响。钙质泥岩粉尘同时起到固硫作用,故对矿井排出乏风瓦斯过程中含有的钙质泥岩粉尘可不做处理,将其与乏风瓦斯共同通入燃煤锅炉中。

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。

煤矿乏风瓦斯热逆流氧化床的阻力特性研究

热逆流氧化是实现煤矿乏风低浓度瓦斯减排和有效利用的主要技术之一。为了掌握热逆流氧化床的阻力特性,更好地为其设计提供理论参考依据,借助Fluent计算流体力学软件,对热逆流氧化床阻力特性开展了相关的数值研究,得出以下主要结论:①伴随气体温度和流速在氧化床内变化,氧化床的压强梯度也发生剧烈变化。在预热段,压强梯度的绝对值沿气体流动方向增加;而在反应段内,压强梯度基本保持不变;反应产生的气体进入蓄热段后,温度不断下降,压强梯度的绝对值也随之下降。②氧化床阻力在前半周期内随时间增加而不断降低;进入后半周期,氧化床阻力开始回升,到后半周期结束时恢复到该周期开始时的阻力值;随着气流方向的周期改变,氧化床阻力以V型波的形式呈现周期性变化。③氧化床的压强损失随着乏风量的增加几乎呈线性增加、随着乏风瓦斯中甲烷浓度的升高而增加、随着蜂窝陶瓷孔隙率的增大而降低,而换向半周期对氧化床的压强损失几乎没影响。

乏风瓦斯蓄热氧化利用的技术经济分析

介绍了乏风瓦斯氧化的原理和氧化方式研究现状,对乏风瓦斯氧化后热能利用的技术性进行了探讨,并以采用蒸汽余热发电方式为例,对乏风瓦斯氧化及热能利用的经济性进行了具体分析。

真空变压吸附提浓煤矿乏风瓦斯的抽真空排放过程

研究了活性炭的平衡吸附性能,计算出该种活性炭对甲烷和氮气的混合气体的分离因子为5.20,并采用以该种活性炭为吸附剂的三塔真空变压吸附装置,研究了循环流程中的抽排步骤对吸附分离效果的影响,并分析了影响抽排过程的因素。结果表明:引入抽排步骤可以在不改变吸附与解吸压力的情况下有效提高产品气中甲烷浓度。而甲烷浓度会随抽排比的增加而增加,但存在一个极限值,达到极限值之后趋于稳定。与此同时,回收率随抽排比的增加而不断下降。并且均压过程与吸附压力会影响抽排过程。与抽排气排空流程相比,采用抽排气回流流程可以有效地提高产品气甲烷回收率,但并不一定提高产品气甲烷浓度,存在一个临界抽排比,小于此值时,采用抽排气回流流程反而会降低产品气甲烷浓度。在吸附与解吸压力分别为140 kPa与14 kPa时,采用该流程可将0.2%的原料气提升至0.680%。

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℃。

煤矿乏风瓦斯富集分离技术研究进展与应用

针对我国每年有180亿m3以上的纯甲烷混入矿井风流中通过乏风排空的现状,为有效回收这些资源,深入研究相关的煤矿乏风瓦斯富集分离技术十分必要。通过介绍吸收法、深冷分离法、膜分离法、变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)等用于煤矿乏风瓦斯富集分离的技术方法等,综合分析了各项技术的优缺点,并提出变压吸附技术被认为是最具有发展前景的煤矿甲烷富集技术。同时,将煤矿乏风瓦斯富集分离的研究方法应用于环保教育,也取得了良好的教学效果。

煤矿乏风瓦斯蜂窝蓄热氧化床阻力特性研究

煤矿乏风由于风排量大、瓦斯浓度低等特点很难利用传统的方式加以利用,一般将其直接排放到大气中,这不仅造成资源浪费而且对大气环境造成严重污染。热逆流氧化装置可以有效氧化乏风瓦斯并回收其中的热量,而由蜂窝陶瓷体填充的蓄热氧化床是其氧化装置的关键部件之一。通过对蓄热氧化床流动过程进行理论研究,得出3种常用蜂窝氧化床冷热态下的阻力计算数学模型,并结合算例分析得出以下结论:1)冷态下,氧化床阻力损失与其孔隙率、通道直径或边长及乏风进气速度等因素相关,在其他条件一定时,阻力损失与乏风进气速度成正比,与氧化床通道的边长或直径的平方及孔隙率成反比;2)在相同孔密度和孔隙率的条件下,方形通道蜂窝陶瓷氧化床的阻力损失最大,圆形阻力最小;3)热态下,氧化床阻力损失还与氧化床温度分布有关,某一处压强梯度的大小与该处的温度近似成平方的关系;4)氧化床运行时,伴随气体温度和流速在氧化床内部变化,气体所受到的阻力也发生剧烈变化,位于氧化床两端的预热段和蓄热段压强损失较小,而氧化床中心的反应段压强损失较大。

煤矿乏风瓦斯流入特性对填充床内置换热器取热的影响

在实验验证数学模型有效基础上,研究了气体流入特性对煤矿乏风氧化床内置换热器取热的影响,结果表明:填充床内置换热器取热率随床层入口气体质量流速均匀性指数的下降而减小,蜂窝陶瓷的存在导致气体流动单向导通、增大床层物理流速及辐射面积,使床层入口气体质量流速均匀性指数减幅相同时填充床内置换热器取热率减小幅度要比空床换热器大;床层入口气体平均质量流速不变时,内置热器取热率随床层入口气体温度均匀性变差而减小,温度分布不均同时引起流速分布不均,温度分布不均引起的取热率下降幅度要明显大于相同平均质量流速、温度下床层入口气体流速不均引起的取热率下降幅度;对于立式氧化床,各部分气体由于温度不同导致的浮力大小不同以及气体所受浮力由于进风方式不同导致的对流动影响差异,换热器取热率也随之发生变化,随着床层入口气体平均温度逐步升高,进风方式对取热率影响越来越明显。

煤矿乏风瓦斯热逆流氧化反应器的数学模型和试验

建立了低浓度甲烷热氧化逆流反应器的数学模型,运用计算流体力学方法进行数值计算,得到各种操作参数下的温度分布及甲烷浓度分布曲线,并将数值计算结果与实验结果进行了对比,并对影响氧化床运行特性的几个主要因素进行了分析。结果表明,氧化床内温度分布基本成M型,高温区以及甲烷浓度分布曲线沿气体流动方向周期性往复移动;进口甲烷混合气的浓度越大,温度分布峰值就越高并而且更靠近进口端,高温区域的宽度也增宽,而且高温区域中间凹度加深,进出口温度梯度也会增大;预混甲烷气体的流速从0.15 m/s增大到0.70 m/s时,最高温度峰值和高温区变化不大,因为流速增大一方面使单位时间进入氧化床内反应物的数量增加,放出了更多的热量,但是另一方面气体流速升高而带走的对流换热量也会大量增加。

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。

乏风瓦斯流向变换催化燃烧试验研究

为实现低浓度瓦斯气体的高转化率,满足实际工程低温排气的要求,设计制作一套新型流向变换蓄热催化燃烧反应器,并利用模拟气体进行催化燃烧实验研究。结果表明,气体流量为70 L.min-1、燃烧反应温度控制在500℃和甲烷体积分数为0.2%时,甲烷催化燃烧转化率超过80%,出口气体温度低于60℃。该系统能满足工程低温排气要求。

利用生物过滤器处理煤矿乏风瓦斯的研究进展

煤矿甲烷是温室气体的一个重要来源,其中乏风瓦斯占煤矿甲烷排量的70%,因而开发利用乏风瓦斯成为一个重要的课题。乏风瓦斯具有排量大、浓度低且性质不稳定等特征,难以用常规的热化学方法进行利用。甲烷氧化菌能利用低浓度甲烷生长,因而在环境生物技术中应用广泛。利用甲烷氧化菌对煤矿乏风瓦斯进行生物过滤净化处理,具有投资运行成本低、反应条件温和、无二次污染等优点,因而成为最有应用前景的一种技术。介绍了生物过滤器处理乏风瓦斯的研究进展,阐述了空床停留时间、填料、温度、湿度、pH和营养物浓度等因素对生物过滤器性能的影响。

真空变压吸附提浓煤矿乏风瓦斯的排放气充压过程

针对传统的变压吸附循环不能很好地适应乏风瓦斯提浓的问题,建立了以活性炭为吸附剂的三塔真空变压吸附实验装置,提出了一种适合煤矿乏风瓦斯提浓的三塔排放气充压流程,以此提高煤矿乏风瓦斯的提浓效果,并对该流程进行了实验研究。结果表明:在变压吸附回收重组分甲烷的过程中,采用排放气从吸附塔上端充压可以有效降低排放气中甲烷的体积分数。在排放气甲烷体积分数相同的情况下,采用排放气充压可以延长穿透时间,提高产品气中甲烷的体积分数。随着排放气充压比的增大,产品气中甲烷的体积分数先上升,后趋于平稳;排放气中甲烷的体积分数则先下降,后趋于平稳。

双塔真空变压吸附富集煤矿乏风瓦斯的流程参数研究

在以活性炭为吸附剂的双塔真空变压吸附实验装置上,研究了双塔真空变压吸附法富集煤矿乏风瓦斯实验中流程参数对富集效果的影响。结果表明:在半周期、充压时间、上均压时间和下均压时间等四个流程参数中,半周期和上均压时间对产品气甲烷体积分数影响最大,其次为充压时间,对结果影响最小的是下均压时间;最好的均压方式是只有上均压,均压时间为0.5s;节流子孔径越小,产品气体积分数越高,减小节流孔径是提高产品气甲烷体积分数的方法之一。

矿井乏风瓦斯治理利用现状与发展

矿井乏风瓦斯既是一种清洁能源又是一种温室气体,但由于其浓度很低导致治理难度很大。文章综述了目前乏风瓦斯的治理利用现状,并指出了今后乏风瓦斯综合利用的发展方向。

利用浮力富集乏风瓦斯的可行性研究

对于开采低渗透难抽采煤层的高瓦斯矿井,因抽采浓度低而难以利用,现场有利用浮力富集乏风中瓦斯的设想,本文研究其可行性。现场试验表明,瓦斯浓度沿着高度方向差别很小,不存在实际意义上的富集。理论分析认为,离析态的瓦斯在浮力作用下可能产生积聚,但积聚不是瓦斯富集而是稀释;气体自发的扩散和通风,使风流中的瓦斯由离析态迅速转变为非离析态,非离析态瓦斯在重力场中的分离程度可以忽略不计。

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30000h。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。