双室型煤矿乏风预热催化氧化装置试验及模拟研究
煤矿乏风瓦斯中蕴含着巨大的潜在能源，但由于其甲烷浓度极低的特点，通常难以利用而被直接排空。据统计，目前我国每年通过煤矿向大气中排放的瓦斯已经超过250亿 m3，造成了严重的环境污染和能源浪费，由此可见实现煤矿乏风瓦斯的有效利用具有非常重大的现实意义。 本文基于此现状，设计搭建了双室型煤矿乏风预热催化氧化试验装置，对其结构原理、系统组成及操作过程进行了详细介绍，并基于试验装置进行了一系列模拟及试验研究。 利用数值模拟的方法对氧化床入口的导流分配系统进行了设计，通过加装导流板、优化结构参数改善了氧化床入口的流动均匀性。结果表明，当导流板的圆角半径为140mm、数量为3块、相对距离在0.3~0.4之间时导流效果较好，最优方案的流动不均匀性系数降至0.2以下。 通过加热启动实验对氧化床的稳定性进行了研究，结果表明：反应室良好的对称性为氧化床的稳定运行提供了条件；陶瓷散热损失的存在使氧化床轴向温度呈现逐渐降低的状态，温度高于700℃时散热量较大；加热启动初期热漂移现象较明显，温度不均匀系数较高，系统稳定后温度不均匀系数低于0.05；升温工况比降温工况的稳定时间短，保持升温工况更容易实现氧化床的稳定。 在保持电加热开启的状态下实验研究了空速、氧化床入口温度和甲烷浓度对氧化过程的影响，结果表明：甲烷的催化氧化主要集中在第一层催化陶瓷中，空速的增大使主要反应区域增大，空速由3800 h-1增至7100 h-1时，有效反应长度增加了约31%，空速大于7100 h-1时，有效反应长度增大的速率加快，转化率略有下降；氧化床入口温度的升高使主要反应区域减小，温度由422℃升高至485℃时，有效反应长度减小了约53%，转化率上升，温度高于485℃后影响的作用逐渐减弱；甲烷浓度的增加对氧化过程的影响较小，有效反应长度略有减小，转化率略有上升。通过总结实验数据，得到了有效反应长度的经验公式。 对装置自维持运行状态下的热平衡进行了研究，计算分析了不同甲烷浓度和空速下的热平衡情况，结果表明：甲烷浓度越高时，系统的富余热量越多，散热损失所占的比重越大，浓度高于1.05%时，高于排气损失占据主导地位；空速越大时，实现自维持所需的浓度越高，系统的排气损失占得比重越大，空速大于7000 h-1时，高于散热损失开始占据主导地位。因此应针对高甲烷浓度工况着重控制散热损失，针对高空速况着重控制排气损失，对预热器和保温层进行合理设计，以增大能量的富余、提高余热资源的利用率。
导流分配;氧化床;氧化过程;热平衡;煤矿乏风瓦斯;预热催化氧化装置
山东理工大学
硕士
动力机械及工程
刘永启;孙鹏
2017
中文
TD712
73
2018-04-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）