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%。

煤矿乏风蓄热氧化过程数值模拟

建立蓄热氧化炉的三维单通道简化模型,利用FLUENT软件对煤矿乏风蓄热氧化过程进行数值模拟,分析甲烷体积分数、燃烧室温度、蓄热体温度、排烟温度及蓄热室温度效率等参数的动态变化规律。结果表明,在甲烷体积分数0.8%,进口温度27℃,进口流速1 m/s,两侧蓄热室高1.5 m,燃烧室长1.8 m,换向周期60 s的条件下,随着运行时间的增加,蓄热体温度、排烟温度及蓄热室温度效率都呈现出先缓慢后剧烈最后趋于稳定的变化规律;甲烷开始反应的位置不断地向蓄热体内移动。蓄热氧化炉稳定运行时,燃烧室的温度约1063℃,排烟温度约375℃,蓄热室温度效率约65.1%。在蓄热氧化炉设计时应充分考虑甲烷在蓄热体内反应放热对蓄热室传热性能和设备安全的影响,并采取高温烟气旁通等可靠的调温措施。

钴基催化剂催化矿井乏风甲烷与锅炉燃煤共燃性能

甲烷排放产生的温室效应是同体积二氧化碳的25倍,矿井乏风中的低体积分数甲烷排放量巨大且直排大气,不仅造成能源浪费,还加剧了温室效应。将矿井乏风通入燃煤锅炉,在高效催化剂的催化作用下实现矿井乏风中低体积分数甲烷和锅炉燃煤的催化共燃,不仅可以实现乏风中低体积分数甲烷的完全燃烧,减少甲烷排放带来的温室效应,还可以进一步促进燃煤的充分燃烧,增加燃煤锅炉热值。基于此,首先采用配位聚合物方法合成了高效Co_(3)O_(4)/SiO_(2)催化剂。具体地,通过调变焙烧温度可控制备了Co_(3)O_(4)纳米颗粒尺寸不同的系列Co_(3)O_(4)/SiO_(2)催化剂,利用XRD、BET、H_(2)-TPR、O_(2)-TPD等进行表征,建立催化剂结构与催化低体积分数甲烷燃烧性能之间的构效关系,筛选出最优催化剂。在此基础上,将最优催化剂应用于催化低体积分数甲烷与褐煤共燃体系,进一步揭示低体积分数甲烷与褐煤催化共燃机理。结果表明,Co_(3)O_(4)/SiO_(2)-500由于其Co_(3)O_(4)颗粒尺寸最小、Co^(3+)物种含量丰富以及氧传递能力优良,表现出最优的催化低体积分数甲烷燃烧活性。此外,在低体积分数甲烷和褐煤催化共燃体系中,Co_(3)O_(4)/SiO_(2)-500催化剂的加入有效促进了褐煤挥发分的快速析出与燃烧,其燃烧放出的热量提供了甲烷燃烧必要的高温条件,使低体积分数甲烷完全燃烧温度由900℃降至700℃。该研究为矿井乏风中低体积分数甲烷的高效、大规模利用与节能减排奠定了一定的理论基础。

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1～2s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。

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 m3/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。

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%。

煤层气治理与利用技术研究开发进展

煤层气作为一种非常规天然气,既是宝贵的清洁能源,其主要成分甲烷同时也是一种主要的温室气体;煤层气的直接排放不仅加剧了大气温室效应和环境污染,同时也是能源资源的极大浪费。近年来,煤层气的治理和利用受到了广泛关注,有关技术研究和开发取得了很大进展。本文对近年来煤层气的治理和利用技术研发进展进行了总结和评估,侧重于介绍煤层气分离系统中关键的中、高浓度煤层气催化燃烧脱氧技术以及乏风瓦斯逆向流催化燃烧减排及余热利用技术。最后对煤层气综合利用技术进行了展望。

煤矿通风瓦斯处理技术的比较和应用前景

中国每年通过煤矿乏风排放大量的甲烷到大气中。不仅造成了资源的浪费，而且加剧了温室效应。笔者总结并比较了几种煤矿通风瓦斯处理和利用技术，并对其应用前景进行了展望。

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。

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。

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。

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。

通风故障条件下水平蜂窝陶瓷床传热规律

针对通风瓦斯热逆流氧化装置内的传热过程,全面考虑对流传热、辐射传热与导热的综合作用,建立蜂窝陶瓷床气相、固相能量方程。对通风故障时氧化床的传热规律进行了实验与数值模拟研究,验证了模型的正确性。研究了通风故障条件下各传热方式对氧化床热量传播的影响。结果表明,通风机故障时,在烟囱的自生通风能力作用下陶瓷床内的空气沿一定方向缓慢的流动,高温区向陶瓷床下游移动,严重威胁下游的管路安全;通过保温层的径向散热可抑制出口段陶瓷床的温度升高;在本研究的条件下,通过保温层的散热是陶瓷床热量损失的最主要方式,空气缓慢流动下的对流传热次之,导热和辐射传热的影响最小。

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。

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。