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.

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%。

煤矿乏风低浓度甲烷热逆流氧化试验研究

为探索甲烷浓度、乏风流量、换向半周期及壁面热损失等工况参数对煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化过程的影响,采用自行设计的低浓度瓦斯热逆流氧化装置,对不同工况下的低浓度瓦斯热逆流氧化开展了系统的试验研究。结果表明:随着甲烷浓度的提高和壁面热损失的降低,氧化床高温区域拓宽,最高温度、出口温度及甲烷转化率均升高;当乏风量较低时,乏风甲烷保持较高的转化率,氧化床内整体温度随着乏风量的增加而提升;当乏风量达到一定值后,继续增加流量,氧化床温度场不但不上升反而下降;随着换向半周期的延长,氧化床高温区向氧化床出口端移动,高温区域变窄,出口温度升高,甲烷转化率略有下降。

煤矿乏风低浓度瓦斯燃烧催化剂的制备及其性能研究

采用碳酸铵共沉淀法制备六铝酸盐为涂层、以γ-Al2O3为载体、负载Pd活性组分的煤矿乏风低浓度瓦斯燃烧催化剂。采用自行设计的固定床单管试验仪,考察了催化剂的活性、水热稳定性及抗硫中毒能力。结果表明:以La0.5Sr0.5MnAl11O19为涂层的催化剂活性最高;氧化铝涂覆六铝酸盐后,在维持相同甲烷燃烧的情况下,Pd负载量可以大幅度下降,说明氧化铝经六铝酸盐改性后可以节约贵金属的用量;以六铝酸盐作为涂层的氧化铝催化剂具有很好的热稳定性和抗烧结性能;煤矿的潮湿环境对所制备的负载Pd催化剂影响有限,并且这种影响是可逆的,对于连续的甲烷催化燃烧过程,通风瓦斯水蒸气的影响可以忽略;氧化铝经六铝酸盐修饰后再负载Pd催化剂,其抗硫中毒能力明显增强。

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。

煤矿乏风甲烷氧化新型Pd/Al_2O_3催化剂的合成

运用溶胶-凝胶法合成了同时具有介孔和三维交联通透型微米级大孔的Al2O3多孔材料,并以其为载体采用浸渍法制备得到一种新型的Pd/Al2O3整体式催化剂,考察了不同助剂Ce,Zr,La及不同的助剂负载量对甲烷催化燃烧活性的影响。实验结果表明,所合成的新型Pd/Al2O3催化剂具有良好的低温活性,在CH4体积百分数为1%,反应气体空速为6 000 h-1的实验条件下,Pd/Al2O3的起燃温度只有227℃,认为这主要是采用的Al2O3载体材料中存在的三维交联通透型微米级大孔骨架可以提供快速的传质通道,在骨架中存在的纳米级介孔能提供较大的表面积和单位容量,从而有利于提高活性组分的分散性及有效利用效率,提高催化剂的活性。助剂Zr的加入能够降低催化剂的起燃温度,而助剂Ce对催化剂活性的影响与其添加量有关。

煤矿乏风预热催化氧化装置的起动性能

搭建了煤矿乏风预热催化氧化实验装置,试验研究了当量加热功率、流量比例系数、进气甲烷体积分数对其起动性能的影响规律。结果表明：随着当量加热功率的增加,起动时间和起动能耗量均减少;随着流量比例系数的增加,起动时间和起动能耗量均明显增加;进气甲烷体积分数变化对升温曲线的影响不大,随着进气甲烷体积分数的增加,起动时间仅略微减少。当流量比例系数为0.35-0.40、当量加热功率为18-20 kW时,起动时间、起动耗能量和氧化床入口温度的平均增加速率均较小,装置起动性能良好。

煤矿乏风预热催化氧化床温度均匀性的研究

对预热催化氧化装置氧化床的温度分布均匀性进行了实验研究,在热平衡状态下研究了空速、进气温度和体积分数对氧化床温度场均匀性的影响。实验结果表明:氧化床在催化氧化时间段内的温度明显比加热启动段要均匀;氧化床内部在加热启动段内的温度不均匀系数由前至后越来越低,而在催化氧化段内的温度不均匀性系数先降低再升高;进气温度对氧化床温度分布均匀性的影响最为明显,氧化床的温度分布均匀性随进气温度的提升明显改善,而较高的空速和较低的进气体积浓度会减缓温度不均匀性系数随进气温度的变化速率。以上研究成果为预热催化氧化装置的优化设计和性能提升提供理论参考。

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。

煤矿乏风瓦斯氧化床取热空间特性对床层取热影响

在试验验证数学模型有效性的基础上,基于煤矿乏风氧化床的取热,采用数值研究的方法,研究了煤矿乏风瓦斯氧化床取热空间特性(蜂窝陶瓷填充率与蜂窝陶瓷开孔率)对取热的影响,计算结果表明:取热空间蜂窝陶瓷填充率增大时,一方面引起氧化床层物理流速的增大,换热器外壁周围的气体流速随之增大,强化换热器的对流换热;另一方面使与换热器进行直接对流换热的气体量减少,削弱换热器的取热;取热空间蜂窝陶瓷填充率增大对取热影响的矛盾两面性使换热器取热率呈现先增大后减小趋势,在填充率为0.49时,氧化床内置换热器取热率存在极大值;取热空间填充蜂窝陶瓷开孔率的减小使取热空间内换热器所在区域与蜂窝陶瓷填充区域阻力不匹配,气体会优先选择阻力小的换热器所在区域,强化换热器的取热,但是取热区阻力相差太大,又影响取热区下游床层气体分布的均匀性,取热空间填充蜂窝陶瓷开孔率常选取为0.64。

煤矿乏风甲烷分离富集过程的数值研究

建立了吸附床内煤矿乏风二维气体流动、吸附传质的数学模型,以轴向流吸附床为研究对象,对活性炭富集分离煤矿乏风甲烷过程进行了模拟,得到了各个循环步骤下床内详细的流动、浓度和吸附量分布;详细分析了活性炭吸附床对煤矿乏风甲烷的吸附富集特性,并对回收时间进行优化,模拟结果与实验结果符合较好.另外,还对不同原料气浓度工况进行了对比研究.

氮和磷对生物滴滤塔净化煤矿乏风瓦斯的影响

研究了氮源类型和浓度以及磷元素浓度对生物滴滤塔净化极低浓度CH4的影响。利用空气和高纯CH4混合气模拟煤矿乏风瓦斯,生物滴滤塔填料为陶瓷鲍尔环,以实验室分离筛选到的甲烷氧化菌进行接种挂膜。结果表明,进气流量为2 L·min^1,喷淋液流量为0.1 L·min^1,进气CH4浓度在0.1%~1.1%,以Na NO3为氮源时,生物滴滤塔净化CH4的效果最好,优于（NH4）2SO4和NH4NO3为氮源时的表现。喷淋液中Na NO3浓度为70 mmol·L^-1,进气CH4浓度为0.1%~1.1%时,生物滴滤塔的CH4去除负荷为10.67~39.72 g·m^-3·h^-1,去除负荷随CH4浓度增加而增加;CH4净化率为97.92%~39.70%,净化率随CH4浓度增加而下降。在最佳氮源条件下,进气CH4浓度为0.9%,P元素浓度为100 mmol·L^-1时,滴滤塔CH4去除负荷最大为49.69 g·m^-3·h^-1,CH4净化率60.90%。

煤矿乏风中的甲烷利用技术经济分析

分析了煤矿乏风中的甲烷多种利用途径的技术特点、应用实践及发展方向,研究指出流转反应器技术以及坑口电站助燃技术适合我国煤矿乏风特点,发展潜力大。归纳了"十二五"末我国在煤矿乏风CDM项目方面取得的成绩,根据煤矿乏风利用技术经济评价结果,在不考虑碳交易情况下,乏风利用项目处于亏损状态,通过引入CDM机制,可极大提高乏风利用项目经济性。

煤矿乏风瓦斯利用工程监控系统研究

为保障乏风瓦斯利用工程的安全、高效运行,开展了乏风瓦斯利用工程监控系统研究。分析了监控系统的功能性,包括数据采集及处理功能、安全评判功能、专家决策功能等,并以此设计了"一机三库"的监控系统体系结构,然后建立了监控系统的物理拓扑模型,C/S与B/S架构相结合的软件结构,最后,设计了建立在重庆松藻煤电公司打通一矿的乏风瓦斯蓄热氧化利用工业化试验工程监控系统。系统经过安装、调试,已成功应用于乏风瓦斯蓄热氧化利用工业化试验工程,充分验证了监控系统的稳定性和可靠性。

煤矿乏风氧化床内置翅片换热器几何特性对换热器取热影响

采用Fluent软件,对煤矿乏风氧化床内置换热器翅片几何特性对换热器取热的影响进行了研究,研究结果表明:煤矿乏风氧化床内置翅片换热器的取热率总大于对应光管换热器的取热率,同时随着翅片面积的增大,换热器取热率增大,但增大到一定值后不再增大;同时翅片间距由小逐渐增大时,氧化床内置翅片换热器的取热率先增大后减小,存在取热率的极大值。

煤矿乏风引风装置研发

在调研、分析国内外乏风引风装置研究现状及技术的基础上．采用理论计算、数值模拟、现场试验等相结合的方法．研发适用于潞安集团高河矿煤田地质特征和煤层状况以及乏风排放和场地实际条件的大流量、低阻力、安全连续稳定的煤矿乏风引风装置。为矿井乏风瓦斯蓄热氧化发电系统提供引风装备支撑。

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%。

煤矿乏风分级催化氧化固碳的实验研究

采用溶胶凝胶法和浸渍法制备了Pd/Al2O3整体式催化剂和La Mn O3/Mg O整体式催化剂,运用XRD、SEM等方法对催化剂进行表征,对催化剂催化活性及热稳定性进行评价。结果表明,对CH4浓度为0.5%的煤矿乏风,Pd/Al2O3整体式催化剂T90为441℃,LaM n O3/Mg O整体式催化剂T90为547℃,前者具有良好的低温起燃活性;催化剂分别800℃焙烧24 h,Pd/Al2O3整体式催化剂甲烷转化率降为87.15%,La MnO 3/Mg O整体式催化剂甲烷转化率仍达到97.12%,后者具有更好的热稳定性。煤矿乏风分级燃烧,第1级设置为Pd/Al2O3整体式催化剂,第2级设置为La Mn O3/Mg O整体式催化剂,可以有效降低起燃点,促进反应发生,保证高温段的热稳定性。尾部设置固碳段,预热温度为500℃,CH4浓度为1%时,尾气中CO2浓度低于0.2%,实现温室气体的近零排放。

煤矿乏风预热催化氧化装置的阻力特性试验

利用自行搭建的煤矿乏风预热催化氧化装置试验研究了表观流速、床层长度、反应室平均温度对其阻力损失的影响。试验结果表明,随表观流速的增大,反应室阻力损失呈线性增加;随床层长度增大,反应室阻力损失呈线性增加;随温度升高,反应室阻力损失有较大增加。对试验数据进行归纳分析,得到适用于冷热态的反应室阻力损失的试验关联式。

缺陷钙钛矿LaMnO_(3)催化煤矿乏风瓦斯燃烧性能

我国煤矿开采乏风瓦斯排量大,其温室效应是CO_(2)的21倍,会引起严重的环境问题。催化燃烧作为一种高效、绿色的净化技术,在较低温度下可将低浓度甲烷完全转化。目前,甲烷催化燃烧反应的关键科学问题是氧活性位的确认及其催化机制。采用溶胶-凝胶法制备一系列不同物质的量比La/Mn的菱形钙钛矿LaMnO_(3)-x催化剂,并考察其在甲烷催化燃烧的反应性能。通过X射线衍射、N_(2)物理吸附、透射电子显微镜和H_(2)-程序升温还原技术对催化剂的物化性能进行表征。此外,采用X射线光电子能谱、O_(2)-程序升温脱附和拉曼光谱技术研究了钙钛矿LaMnO_(3)-x中氧物种的种类和相对含量。X射线衍射结果表明,所有催化剂均为菱形钙钛矿LaMnO_(3)结构,未观察到其他La和Mn物种的衍射峰。固定床评价结果表明,钙钛矿LaMnO_(3)-90具有介孔孔道,比表面积较大,且具有最多的体相和表面晶格氧物种,使其催化活性最高。此外,缺陷钙钛矿LaMnO_(3)-90具有良好的催化寿命和结构稳定性。钙钛矿LaMnO_(3)-x催化剂的甲烷催化活性与表面晶格氧体积分数呈正相关。因此,推测表面晶格氧物种是钙钛矿LaMnO_(3)-x催化甲烷燃烧反应的活性中心。