煤矿乏风预热催化氧化装置的起动性能

郑 斌,刘永启,刘瑞祥,陈 帅,毛明明,孟 建

(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博 255049)

煤矿乏风预热催化氧化装置的起动性能

郑 斌,刘永启,刘瑞祥,陈 帅,毛明明,孟 建

(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东淄博 255049)

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。

预热催化氧化装置;煤矿乏风;起动时间;起动耗能量

煤矿瓦斯的主要成分为甲烷,是气体能源,也是煤矿生产中最大安全隐患,通常采用大量通风将其排放到大气当中(称为煤矿乏风),中国因采煤每年排放大量的甲烷[1-3],开展煤矿乏风利用技术研究,对有效利用现有资源和减少温室气体排放均具有非常重要的意义[4-7]。煤矿乏风中的甲烷含量很低,一般在0.10%～0.75%之间波动,利用难度大,目前有效处理煤矿乏风的方式是逆流氧化技术,包括热逆流氧化和催化逆流氧化。在热逆流氧化方面,山东理工大学[8-13]、Krzysztof[14]、大连理工大学[15]、中国矿业大学等[16-19]在氧化性能、阻力性能、混合性能和流动分布等方面开展了系统的研究,为热逆流氧化技术的应用提供了有力支持;在催化逆流氧化方面,Juan Yin[20]、Shi Su[21]、蒲舸[22]研究了甲烷体积分数、流量等因素对其氧化性能的影响规律。由于逆流氧化技术需要周期性改变流动方向以实现可靠的热反馈,导致其存在换向工作可靠性要求高、氧化床温度场周期性波动、装置体积大、风机耗能高等问题。

山东理工大学提出了一种利用氧化后乏风排气经换热器预热未反应乏风、预热乏风经催化剂完成氧化反应的煤矿乏风预热催化氧化技术[23],该技术避免了逆流氧化技术的换向,使氧化温度场更为稳定可靠,而且热量回收率高、结构紧凑、流动阻力小。氧化装置低能耗、少用时、安全稳定的顺利起动,是实现装置稳定运行的基本前提,笔者利用自行研制的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、进气甲烷浓度等因素对其起动性能的影响规律。

1 实验装置与实验方法

煤矿乏风预热催化氧化试验台如图1所示,试验台处理能力为1 000 m3/h(标况),试验台由催化氧化反应室、预热器、进气导流系统、加热起动系统、风机和数据采集系统组成。催化氧化反应室内由蜂窝陶瓷式催化剂构成催化氧化床,催化剂采用堇青石蜂窝陶瓷作为第1载体,γ-Al2O3为第2载体,以贵金属Pd为主要活性组分,开孔密度为200目;预热器采用间壁式气-气板式换热器,内部采用双向波纹板以强化传热;进气导流系统由多块导流板组成,以保证进气均匀;加热起动系统采用电加热方式;数据采集系统为自行设计的PLC控制柜,实现对进气流量、进气甲烷体积分数、温度等参数的实时采集与存储。

进气流量利用孔板流量计进行测量,流量计具有温压自补偿功能,测量范围100～1 200 m3/h(标况),误差0.5%;进气甲烷浓度测量采用德国rbr测量技术公司的J2KN型多功能烟气分析仪,CH4测量范围0～4%,误差0.001%;温度测量采用标准K型热电偶,热电偶T1～T5布置在催化剂陶瓷的进气面,布置情况如图2所示。模拟煤矿乏风由天然气和空气配制而成,天然气中CH4的纯度为99.9%。

图1 煤矿乏风预热催化氧化试验台Fig.1 VAM preheating catalytic oxidation reactor

图2 热电偶布置示意Fig.2 Experimental arrangement of thermocouples

煤矿乏风预热催化氧化试验台工作原理为:常温的新鲜乏风流经预热器、进气导流系统并由电加热器加热后进入反应室,在催化氧化床内被氧化,氧化反应放出的热量一部分进入陶瓷氧化床蓄热,一部分由排气携带在预热器内将热量传递给新鲜乏风,降温后的排气最终排入到大气中。

实验利用氧化床入口温度变化、起动时间和起动能耗量来评价其起动性能,其中氧化床入口温度为催化剂陶瓷进气面5个温度测量值的平均值,起动时间为氧化床入口温度达到475℃(前期大量实验结果表明:当氧化床入口温度达到475℃时,煤矿乏风即可实现催化氧化反应)所需的时长。主要实验条件为当量加热功率、流量比例系数和进气甲烷体积分数,其中:当量加热功率为每1 000 m3/h(标况)乏风设计处理量所需的加热功率值,流量比例系数为起动风量与正常运行乏风设计处理量的比值。主要实验条件变化范围为:当量加热功率为16～20 kW;流量比例系数为0.35～0.45;进气甲烷体积分数0～0.3%。

2 实验结果与分析

2.1 当量加热功率的影响

图3为不同当量加热功率时氧化床入口温度的升温变化曲线(流量比例系数为0.35),由图可知:在起动初期,不同当量加热功率下氧化床入口温度的增加速率均较快,升温曲线较陡,各升温曲线差异较小;随着加热时间的延长,温度增加速率均下降,升温曲线逐渐变平缓,当量加热功率越大,增加速率下降越慢,升温曲线变平缓的趋势越慢。

图3 当量加热功率变化对氧化床入口温度的影响Fig.3 Variations of temperature rise profile at various equivalent heating powers

图4为当量加热功率变化对起动时间、起动能耗量的影响曲线,由图可知:随着当量加热功率增加,起动时间和起动能耗量均减少。当流量比例系数为0.35、当量加热功率为20 kW时,起动时间为74min,起动能耗量为24.7 kW·h,较当量加热功率为16 kW时的起动时间减少了36.2%,起动能耗量减少了20.1%。由此可见,当量加热功率的适度增加可以有效地减少起动时间和起动能耗量。基于起动迅速且耗能少的原则,当量加热功率为18～20 kW时,装置的起动性能较好,同时在该范围内,氧化床入口温度的平均增加速率仅为4.75～6.41℃/min,说明对催化剂陶瓷的热冲击也较小,因此最佳当量加热功率为18～20 kW。

2.2 流量比例系数的影响

图5为不同流量比例系数时氧化床入口温度的升温变化曲线(当量加热功率为20 kW),由图可知:在起动初期,不同流量比例系数下氧化床入口温度的增加速率均较快,升温曲线较陡,各升温曲线差异较小;随着加热时间的延长,温度增加速率均下降,升温曲线逐渐变平缓,流量比例系数越大,增加速率下降越快,升温曲线变平缓的趋势越显著。

图4 当量加热功率变化对起动时间和起动能耗量的影响Fig.4 Variations of starting time consumption and starting power consumption at various equivalentheating powers

图5 流量比例系数变化对氧化床入口温度的影响Fig.5 Variations of temperature rise profile at various flow proportionality coefficients

图6为流量比例系数变化对起动时间、起动能耗量的影响曲线,由图可知:随着流量比例系数增加,起动时间和起动能耗量均明显增加。当量加热功率为20 kW时,当流量比例系数由0.35增加至0.45,起动时间和起动能耗量增加了45.9%;而当量加热功率为18 kW时,起动时间和起动能耗量则增加了66.3%。当流量比例系数为0.35～0.40时,起动时间、起动能耗量和氧化床入口温度的平均增加速率均较小,此范围为最佳流量比例系数。

2.3 进气甲烷体积分数的影响

图6 流量比例系数变化对起动时间和起动能耗量的影响Fig.6 Variations of starting time consumption and starting power consumption at various flow proportionality coefficients

图7 进气甲烷浓度变化对氧化床入口温度和起动时间的影响Fig.7 Variations of temperature rise profile and starting time consumption at variousmethane concentrations

图7为进气甲烷浓度变化对氧化床入口温度和起动时间的影响曲线(当量加热功率为20 kW,流量比例系数0.35),由图可知:在整个起动过程中,进气甲烷体积分数变化对升温曲线的影响不大,仅在起动末期产生微小的分离现象,当进气甲烷体积分数由0增加到0.3%时,起动时间仅减少4.4%。这是因为由于甲烷体积分数非常低,同时仅有微少量的甲烷因为碰撞等原因在经过电加热丝时发生氧化放热,因此进气甲烷体积分数对起动性能的影响较小。

3 结 论

(1)在起动初期,不同当量加热功率下各升温曲线差异较小,随着加热时间的增加,升温曲线逐渐变平缓,当量加热功率越大,升温曲线变平缓的趋势越慢。随着当量加热功率的增加,起动时间和起动能耗量均减少。

(2)起动前期,流量比例系数变化对升温曲线的影响较小,起动中后期,流量比例系数越大,升温曲线变平缓的趋势越显著,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。

(3)在整个起动过程中,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,起动时间仅略微降低。

(4)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、起动能耗量和氧化床入口温度的平均增加速率均较小,起动性能较好。

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Starting characteristics of ventilation air methane preheating catalytic oxidation reactor

ZHENG Bin,LIU Yong-qi,LIU Rui-xiang,CHEN Shuai,MAOMing-ming,MENG Jian

(School of Traffic and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)

The ventilation air methane(VAM)preheating catalytic monolithic reactor was built.The effects of the equivalent heating power,the flow proportionality coefficientand themethane concentration on the starting characteristics of preheating catalytic monolithic reactor were studied experimentally.The results show that with the increase of the equivalent heating power,the starting time consumption and starting power consumption decrease.With the increase of the flow proportionality coefficient,the starting time consumption and starting power consumption increase.The variations of temperature rise profile at variousmethane concentrations is little.With the increase of themethane concentration,the starting time consumption decreases hardly.When the flow proportionality coefficient from 0.35 to 0.40 and the equivalent heating power from 18 kW to 20 kW,the starting time consumptions,the starting power consumptions and the average rise ratios of oxidation bed inlet temperature are small,the excellent starting characteristics is exhibited.

preheating catalytic monolithic reactor;ventilation air methane;starting time consumption;starting power consumption

TD712

A

0253-9993(2014)06-1084-05

郑 斌,刘永启,刘瑞祥,等.煤矿乏风预热催化氧化装置的起动性能[J].煤炭学报,2014,39(6):1084-1088.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1190

Zheng Bin,Liu Yongqi,Liu Ruixiang,et al.Starting characteristics of ventilation air methane preheating catalytic oxidation reactor[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1084-1088.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1190

2013-08-22 责任编辑:张晓宁

国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2009AA063202);山东省科技发展计划资助项目(2012GGX10417);山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EL017)

郑 斌(1982—),男,山东淄博人,讲师,硕士。Tel:0533-2782616,E-mail:sdutzb@163.com。通讯作者:刘永启(1965—),男,山东枣庄人,教授,博士。Tel:0533-2782616,E-mail:liuyq65@163.com