專利名稱：一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的設(shè)備及其方法。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，中國(guó)面臨資源匱乏與環(huán)境惡化的雙重壓力， 低品位資源的有效利用已經(jīng)成為緊迫的國(guó)家重大需求。我國(guó)以甲烷為主要成
分的煤層氣資源豐富，但利用率尚不到10%。而且由于未將煤礦礦井中的煤
層氣及時(shí)抽出，導(dǎo)致重大礦難頻頻發(fā)生，造成大量人員傷亡。即使有些礦井 通風(fēng)良好，但礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷所含有的大量化學(xué)能未能得到有效利
用。同時(shí)，由于甲烷的溫室效應(yīng)約為等量二氧化碳的21倍，直接排放到大氣 中加劇了溫室效應(yīng)。隨著國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)責(zé)任制度的落實(shí)，煤層氣或礦井 乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的利用愈加迫切。相比過(guò)去，目前的CDM機(jī)制也為煤層 氣開(kāi)發(fā)提供了實(shí)現(xiàn)可觀經(jīng)濟(jì)效益的可能。因此，開(kāi)發(fā)對(duì)低濃度煤層氣或煤礦 通風(fēng)氣的高效、清潔利用技術(shù)，對(duì)于節(jié)能減排和煤礦安全生產(chǎn)均具有重要意 義。
煤礦礦井乏風(fēng)氣中的低濃度甲烷極少被回收利用， 一方面是因?yàn)榉︼L(fēng)氣 中甲烷濃度較低，通常低于1%，而甲烷濃度低于4.5%就不能被點(diǎn)燃或維持燃 燒，除非環(huán)境溫度超過(guò)100(TC。因此傳統(tǒng)的技術(shù)無(wú)法處理礦井乏風(fēng)氣中的甲烷 來(lái)取得熱量。其次工作面的變化，導(dǎo)致乏風(fēng)氣的流量和甲垸濃度頻繁變化也為 瓦斯的利用增加了難度。因此需要設(shè)計(jì)高度集成的反應(yīng)器和操作模式，才能 保證反應(yīng)自熱進(jìn)行和熱量的有效利用。流向變換催化燃燒技術(shù)將預(yù)熱、反應(yīng) 和熱量回收三個(gè)部分集成在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，與傳統(tǒng)的固定床催化燃燒技術(shù)相比， 實(shí)現(xiàn)了催化燃燒與熱回收的高效集成，使催化燃燒流程簡(jiǎn)化，設(shè)備投資和操 作費(fèi)用大大降低，是國(guó)際上公認(rèn)的過(guò)程高效耦合與強(qiáng)化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)操作技術(shù)。 由于熱回收率非常高，能維持自熱操作的可燃物濃度也可以降至傳統(tǒng)催化燃 燒技術(shù)的大約1/10，特別適用于煤礦通風(fēng)氣一類的含低濃度可燃物的礦井乏風(fēng) 氣。而且，由于氣固兩相的體積熱容量相差很大，使這一過(guò)程的抗干擾能力 較強(qiáng)，反應(yīng)器具有比定態(tài)操作更大的操作彈性。即使原料氣濃度和流量在一 定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，系統(tǒng)也能維持正常操作。作為一種新型的固定床反應(yīng)器非定態(tài)操作技術(shù)，流向變換催化燃燒的概念雖然早在1938年就由Cottrdl提出， 但是只有在Boreskov和Matros等于70年代到80年代之間嘗試對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描 述，并把實(shí)驗(yàn)研究和商業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)之后，才使其顯示出強(qiáng)大的生命力。 此后，許多國(guó)家的研究單位和大學(xué)都開(kāi)展了這方面的研究，期間有大量文章 發(fā)表。近年來(lái)，國(guó)外已有一些工業(yè)化裝置，采用流向變換催化燃燒技術(shù)來(lái)處 理含揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的廢氣。如1989年Kemerovo在樹(shù)脂生產(chǎn)時(shí)所排放 的含甲醇、苯酚、甲醛廢氣治理；1991年Navoi在水中和容器后所排放的含丙 烯腈、氰酸、乙醛、乙酸等工業(yè)廢氣的治理等，都采用流向變換催化燃燒技 術(shù)進(jìn)行治理。
本項(xiàng)發(fā)明的特點(diǎn)在于將流向變換催化燃燒技術(shù)用于煤礦乏風(fēng)氣制熱，以 回收低濃度甲垸的燃燒熱以及通過(guò)對(duì)甲垸的燃燒處理，保護(hù)環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開(kāi)發(fā)一種采用流向變換催化燃燒技術(shù)來(lái)處理礦井乏風(fēng)氣 中的低濃度甲垸，以達(dá)到能源的充分利用和保護(hù)環(huán)境。
本發(fā)明提供的一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的設(shè)備，其特征在 于該設(shè)備包括有兩臺(tái)催化反應(yīng)器， 一臺(tái)換熱器，兩組周期性自動(dòng)啟閉換向 的氣動(dòng)三通閥，以及一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)；每組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng)三通閥由 一個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥和一個(gè)出氣氣動(dòng)三通閥組成；
其中催化反應(yīng)器從下至上構(gòu)造為底部裝載蜂窩陶瓷蓄熱填料，中間段 為催化劑，頂端為電加熱管；
該設(shè)備依次為進(jìn)氣管，進(jìn)氣管連接所述兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng) 三通閥的2個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥，2個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥分別跟兩臺(tái)催化反應(yīng)器的 底部連接；兩臺(tái)催化反應(yīng)器的底部再連接所述兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣 動(dòng)三通閥的2個(gè)出氣氣動(dòng)三通闊；2個(gè)出氣氣動(dòng)三通閥連接出氣管一端，出氣
管另一端與抽風(fēng)機(jī)相連；兩個(gè)催化反應(yīng)器頂端同時(shí)與換熱器連接。 進(jìn)一步，在進(jìn)氣管處設(shè)置一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)氣的氣動(dòng)閥或電磁閥。 應(yīng)用所述設(shè)備進(jìn)行處理礦井乏風(fēng)氣低濃度瓦斯的方法，其特征在于，包括
以下步驟一個(gè)催化反應(yīng)器的連接進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥開(kāi)啟時(shí)，與該催化反應(yīng)器連接的
出氣氣動(dòng)三通閥關(guān)閉；而另一個(gè)催化反應(yīng)器的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥關(guān)閉，與另一 個(gè)催化反應(yīng)器連接的出氣氣動(dòng)三通閥開(kāi)啟；礦井氣從開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥 進(jìn)入一個(gè)催化反應(yīng)器，首先經(jīng)催化反應(yīng)器底端的蜂窩陶瓷蓄熱填料被逐漸加 熱升溫，在接近頂部催化劑時(shí)達(dá)到催化劑的活性溫度，礦井乏風(fēng)氣中的甲垸 被催化燃燒，部分熱量通過(guò)換熱器取走，部分凈化的高溫礦井乏風(fēng)氣進(jìn)入另 一個(gè)催化反應(yīng)器繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)下端蜂窩陶瓷蓄熱填料將熱量傳遞給填料， 并積蓄在另一個(gè)催化反應(yīng)器中，被處理后的高溫礦井乏風(fēng)氣被逐漸降溫冷卻， 經(jīng)出氣氣動(dòng)三通閥進(jìn)入排氣管，再由抽風(fēng)機(jī)抽出排向外界；
當(dāng)達(dá)到設(shè)定的半周期后，開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥、出氣氣動(dòng)三通閥將會(huì) 關(guān)閉，關(guān)閉的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥、出氣氣動(dòng)三通閥將會(huì)開(kāi)啟，礦井乏風(fēng)氣流向 改變，原來(lái)出氣的另一個(gè)催化反應(yīng)器開(kāi)始通入礦井氣，從底部進(jìn)入的礦井氣 經(jīng)過(guò)上半周期蓄熱的蜂窩陶瓷蓄熱填料開(kāi)始預(yù)熱，在接近頂部催化劑時(shí)達(dá)到 催化劑的活性溫度，礦井乏風(fēng)氣中的甲垸被催化燃燒，部分熱量通過(guò)換熱器 取走，部分凈化的高溫礦井乏風(fēng)氣進(jìn)入原來(lái)進(jìn)氣的催化反應(yīng)器繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)， 經(jīng)下端蜂窩陶瓷蓄熱填料將熱量傳遞給上半周期被礦井氣預(yù)熱時(shí)取走熱量的 蜂窩陶瓷蓄熱填料，并積蓄在填料中，被處理后的高溫礦井乏風(fēng)氣被逐漸降 溫冷卻，最后經(jīng)出氣氣動(dòng)三通閥進(jìn)入排氣管，再由抽風(fēng)機(jī)抽出排向外界；
到了設(shè)定的換向周期時(shí)間，流向又開(kāi)始改變，經(jīng)過(guò)往復(fù)的循環(huán)，蜂窩陶 瓷蓄熱填料的熱量被取走后，經(jīng)過(guò)換向又得以蓄熱，蓄熱后經(jīng)過(guò)預(yù)熱礦井氣
又釋放出熱量；
進(jìn)一步，礦井乏風(fēng)氣按設(shè)定的換向時(shí)間交替地從兩個(gè)進(jìn)氣閥進(jìn)入反應(yīng)器 兩端，換向時(shí)間由反應(yīng)器中催化劑床層的進(jìn)口溫度和固定換向周期綜合確定， 當(dāng)催化劑床層的溫度高于催化劑最高能承受的溫度以及低于催化劑的起活溫 度時(shí)，流向變化的周期就會(huì)做出調(diào)整，使催化劑床層溫度在催化劑最高能承 受的溫度與催化劑的起活溫度之間；否則按照原來(lái)固定的周期換向；
更具體的是，在礦井通風(fēng)井出口處建立一套流向變化催化燃燒裝置，該 設(shè)備包括有兩臺(tái)催化反應(yīng)器， 一臺(tái)換熱器，兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng) 三通閥，以及一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)；每組由一個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥和一個(gè)出氣氣動(dòng)三通閥組成。催化反應(yīng)器底部裝載蜂窩陶瓷蓄熱填料，中間段為催化劑，蓄熱填 料為方形堇青石陶瓷材料。催化劑是以堇青石蜂窩陶瓷為載體，三氧化二鋁 為第二載體，Pt、 Pd為主要活性成份，用高分散率均勻分布的方法制備而成。 帶翅片的電加熱管內(nèi)置于反應(yīng)器頂端且按正交方式排列，做為預(yù)熱器和礦井 乏風(fēng)氣分布器，保證了加熱效率和礦井乏風(fēng)氣分布均勻。進(jìn)氣氣動(dòng)三通闊與
進(jìn)氣管連接，然后再分別跟催化反應(yīng)器的底部連接；兩個(gè)催化反應(yīng)器上端部 分別與換熱器連接；出氣管一端與抽風(fēng)機(jī)相連， 一端與出氣氣動(dòng)三通閥相連 后接入催化反應(yīng)器的底部。在催化反應(yīng)器中催化劑床層里插有測(cè)溫器件熱電 偶，通過(guò)熱電偶將催化劑床層的溫度信號(hào)輸給電腦，從而使催化劑床層的溫 度作為調(diào)節(jié)換向周期的參考條件。礦井乏風(fēng)氣按設(shè)定的換向周期交替地從兩 個(gè)進(jìn)氣閥進(jìn)入反應(yīng)器兩端，換向時(shí)間由反應(yīng)器中催化劑床層的溫度和固定換 向周期綜合控制，當(dāng)催化劑床層的溫度高于催化劑最高能承受的溫度以及低 于催化劑的起活溫度時(shí)，流向變化的周期就會(huì)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，通過(guò)改變周 期來(lái)使溫度控制在催化劑活性最佳范圍內(nèi)；當(dāng)催化劑床層的溫度在催化劑活 性最佳范圍內(nèi)時(shí)，換向周期按照原來(lái)固定的時(shí)間換向。在礦井乏風(fēng)氣進(jìn)氣口 處增加空氣自動(dòng)補(bǔ)給閥，當(dāng)?shù)V井乏風(fēng)氣的甲垸濃度過(guò)高時(shí)，空氣補(bǔ)給閥自動(dòng) 打開(kāi)，來(lái)補(bǔ)充新鮮空氣以防止催化床層溫度過(guò)高而導(dǎo)致催化劑失活。 本發(fā)明的工藝流程見(jiàn)圖1所示。
礦井乏風(fēng)氣按設(shè)定的換向周期交替地從進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3、 V-4流經(jīng)催 化反應(yīng)器兩端，當(dāng)催化反應(yīng)器R-A的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3開(kāi)啟時(shí)，與催化反 應(yīng)器R-A連接的出氣氣動(dòng)三通閥V-6關(guān)閉，而催化反應(yīng)器R-B的進(jìn)氣氣動(dòng)三 通閥V-4關(guān)閉，與催化反應(yīng)器R-B連接的出氣氣動(dòng)三通閥V-5開(kāi)啟，礦井乏 風(fēng)氣從開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3進(jìn)入催化反應(yīng)器R-A，首先經(jīng)催化反應(yīng)器底 端的蜂窩陶瓷蓄熱填料被逐漸加熱升溫，在接近頂部催化劑時(shí)達(dá)到催化劑的 活性溫度，礦井乏風(fēng)氣中的甲烷被催化燃燒，將部分熱量通過(guò)換熱器E-l取 走，部分凈化的高溫礦井乏風(fēng)氣進(jìn)入另一個(gè)催化反應(yīng)器R-B繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)， 經(jīng)下端蜂窩陶瓷蓄熱填料將熱量傳遞給填料，并積蓄在蜂窩陶瓷蓄熱填料中， 礦井乏風(fēng)氣被逐漸降溫，經(jīng)與催化反應(yīng)器R-B連接的出氣氣動(dòng)三通閥V-5進(jìn) 入排氣管。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的半周期后，開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3 、出氣氣動(dòng) 三通閥V-5關(guān)閉，關(guān)閉的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4 、出氣氣動(dòng)三通閥V-6開(kāi)啟，礦井乏風(fēng)氣流向改變，礦井乏風(fēng)氣從催化反應(yīng)器R-B底部進(jìn)入反應(yīng)器，再經(jīng) 此反應(yīng)器下端蜂窩陶瓷蓄熱填料進(jìn)入催化劑段反應(yīng)，凈化的礦井乏風(fēng)氣經(jīng)催 化反應(yīng)器R-A下端蜂窩陶瓷蓄熱填料降溫后經(jīng)出氣氣動(dòng)三通閥V-6進(jìn)入出氣 管，由抽風(fēng)機(jī)抽出排入外界。這樣放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大部分都蓄積在反應(yīng) 器床層內(nèi)，部分熱量通過(guò)換熱器被取走，達(dá)到熱量的有效利用，因此即使廢 氣中可燃物濃度很低時(shí)仍然可以達(dá)到自熱操作。當(dāng)可熱物濃度過(guò)高時(shí)，空氣 補(bǔ)給閥就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，通過(guò)空氣的補(bǔ)給來(lái)降低瓦斯的濃度，防止催化劑因高 溫而失活。
在催化劑床層中插有測(cè)溫器件熱電偶，通過(guò)熱電偶將催化劑床層的溫度 信號(hào)輸給電腦，從而使催化劑床層的溫度作為調(diào)節(jié)換向周期的參考條件。礦 井乏風(fēng)氣按設(shè)定的換向周期交替地從兩個(gè)進(jìn)氣閥進(jìn)入反應(yīng)器兩端，換向時(shí)間 由反應(yīng)器中催化劑床層的溫度和固定換向周期綜合控制，當(dāng)催化劑床層的溫 度高于催化劑最高能承受的溫度以及低于催化劑的起活溫度時(shí)，流向變化的 周期就會(huì)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，通過(guò)改變周期來(lái)使溫度控制在催化劑活性最佳范 圍內(nèi)；當(dāng)催化劑床層的溫度在催化劑活性最佳范圍內(nèi)時(shí)，換向周期按照原來(lái) 固定的時(shí)間換向。
本發(fā)明可處理甲垸濃度為1%以下的礦井乏風(fēng)氣，其甲烷去除率達(dá)到95% 以上，在甲垸濃度高于0.6%時(shí)，能從系統(tǒng)中取出部分熱量，在甲烷濃度低至 0.3%時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)也可以自熱進(jìn)行，無(wú)需額外補(bǔ)充能量。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)
一、 蜂窩陶瓷蓄熱材料和催化劑載體的外形尺寸、孔徑、孔密度相同， 使系統(tǒng)壓力損失很小，對(duì)礦井通風(fēng)主扇不會(huì)造成擾動(dòng)，同時(shí)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用 降低。
二、 換向時(shí)間由反應(yīng)器中催化劑床層的溫度和固定換向周期綜合確定， 當(dāng)催化劑床層的溫度高于催化劑最高能承受的溫度以及低于催化劑的起活溫 度時(shí)，流向變化的周期就會(huì)自動(dòng)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其溫度在催化劑活性最 佳范圍內(nèi)；否則按照原來(lái)固定的周期換向。
8三、在礦井乏風(fēng)氣進(jìn)氣口處增加空氣自動(dòng)補(bǔ)給閥，當(dāng)反應(yīng)礦井乏風(fēng)氣的 甲烷濃度過(guò)高時(shí)，空氣補(bǔ)給閥自動(dòng)打開(kāi)，來(lái)補(bǔ)充新鮮空氣以防止催化床層溫 度過(guò)高而導(dǎo)致催化劑失活。對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和煤礦安全生產(chǎn)具有實(shí)際意義。 四、無(wú)限往復(fù)的循環(huán)，使蜂窩陶瓷蓄熱填料的熱量被取走后，經(jīng)過(guò)換向 又得以蓄熱，蓄熱后經(jīng)過(guò)預(yù)熱礦井氣又取走熱量，這樣反應(yīng)放出的所有熱量， 都被蓄積在蜂窩陶瓷蓄熱填料中，得以充分的應(yīng)用，使可燃礦井乏風(fēng)氣在濃 度很低的情況下仍能夠在自身放出的熱量下維持自身的反應(yīng)。


圖1為本發(fā)明處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的流程示意圖。圖中1-1: 質(zhì)量流量計(jì)l ; 1-2:質(zhì)量流量計(jì)2 ; V-l:氣動(dòng)三通閥；V-2:閘閥； V-3:進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥l; V-4:進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥2; V-5:出氣氣動(dòng)三通閥 1; V-6:出氣氣動(dòng)三通閥2; R-A:催化反應(yīng)器1; R-B:催化反應(yīng)器2; E-l:換熱器；E-2:抽風(fēng)機(jī)；A-1:A加熱設(shè)備；B-1:B加熱設(shè)備；A-2: A催化劑段；B-2: B催化劑段；A-3: A蜂窩陶瓷蓄熱填料B-3: B蜂窩 陶瓷蓄熱填料
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)一步說(shuō)明 實(shí)施例l
應(yīng)用本發(fā)明所述的方法建立了一套處理能力為1000mVh的礦井乏風(fēng)氣流 向變換催化燃燒制熱裝置，如圖1所示。首先將空氣補(bǔ)給的氣動(dòng)三通閥V-1 打開(kāi)，礦井氣入口處閘閥V-2關(guān)閉，換熱器E-1暫不取熱，打開(kāi)催化反應(yīng)器 上端的A加熱設(shè)備A-1、 B加熱設(shè)備B-1的電源，開(kāi)始加熱；加熱的同時(shí)打 開(kāi)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3、出氣氣動(dòng)三通閥V-5，關(guān)閉進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4、出 氣氣動(dòng)三通閥V-6，使空氣從進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3進(jìn)入催化反應(yīng)器R-A并經(jīng) 過(guò)加熱設(shè)備A-l進(jìn)行加熱，然后進(jìn)入催化反應(yīng)器R-B頂端的加熱段B-l繼續(xù) 加熱，使熱空氣流經(jīng)催化劑B-2以及蜂窩陶瓷蓄熱填料設(shè)備B-3，從而使礦井 乏風(fēng)氣開(kāi)始預(yù)熱。蜂窩陶瓷蓄熱填料為方形堇青石陶瓷材料，孔密度均為 200/in2;催化劑以堇青石蜂窩陶瓷為載體，三氧化二鋁為第二載體，Pt、 Pd為主要活性成份，用高分散率均勻分布的方法制備而成。經(jīng)過(guò)240s的換向周 期以后，開(kāi)始換向，即原來(lái)開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3、出氣氣動(dòng)三通閥V-5 關(guān)閉，原來(lái)關(guān)閉的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4、出氣氣動(dòng)三通閥V-6開(kāi)啟，使空氣從 進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4進(jìn)入催化反應(yīng)器R-B并經(jīng)過(guò)加熱設(shè)備B-l進(jìn)行加熱，然 后進(jìn)入催化反應(yīng)器R-A頂端的加熱設(shè)備A-l繼續(xù)加熱，使熱空氣流經(jīng)催化劑 段A-2以及蜂窩陶瓷蓄熱填料段A-3，通過(guò)熱空氣對(duì)催化反應(yīng)器R-A中的催 化劑及蜂窩陶瓷蓄熱填料加熱。經(jīng)過(guò)一定的換向周期以后，當(dāng)催化反應(yīng)器R-A、 催化反應(yīng)器R-B中的催化劑A-2、催化劑B-2和蜂窩陶瓷蓄熱填料A-3、蜂窩 陶瓷蓄熱填料B-3預(yù)熱至催化劑活性溫度45(TC后。礦井乏風(fēng)氣經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量 計(jì)2 1-2按設(shè)定的換向周期交替地從進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3、進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4 流經(jīng)反應(yīng)器底端，換向時(shí)間由催化反應(yīng)器中催化劑床層的溫度和固定換向周 期綜合控制，在催化劑床層中插有測(cè)溫器件熱電偶，通過(guò)熱電偶將催化劑床 層的溫度信號(hào)輸給電腦，從而使催化劑床層的溫度作為調(diào)節(jié)換向周期的參考 條件。
當(dāng)催化劑床層的溫度高于催化劑最高能承受的溫度以及低于催化劑的起 活溫度時(shí)，流向變化的周期就會(huì)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，通過(guò)改變周期來(lái)使溫度控 制在催化劑活性最佳范圍內(nèi)；當(dāng)催化劑床層的溫度在催化劑活性最佳范圍內(nèi) 時(shí)，換向周期則按照原來(lái)固定的時(shí)間換向。當(dāng)催化反應(yīng)器R-A的進(jìn)氣氣動(dòng)三 通閥V-3開(kāi)啟時(shí)，與催化反應(yīng)器R-A連接的出氣氣動(dòng)三通閥V-6關(guān)閉，而催 化反應(yīng)器R-B的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4關(guān)閉，與催化反應(yīng)器R-B連接的出氣氣 動(dòng)三通閥V-5開(kāi)啟，礦井乏風(fēng)氣從開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3進(jìn)入催化反應(yīng) 器R-A，首先經(jīng)催化反應(yīng)器底端的蜂窩陶瓷蓄熱填料A-3被逐漸加熱升溫，在 接近催化劑A-2時(shí)達(dá)到450度，礦井乏風(fēng)氣中的甲烷被催化燃燒，部分熱量 通過(guò)換熱器E-1取走，部分凈化的高溫廢氣進(jìn)入另一個(gè)催化反應(yīng)器R-B繼續(xù) 進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)下端蜂窩陶瓷蓄熱填料B-3將熱量傳遞給填料，并積蓄在蜂窩 陶瓷蓄熱填料中，凈化后的礦井乏風(fēng)氣被逐漸降溫冷卻，經(jīng)與催化反應(yīng)器R-B 連接的出氣氣動(dòng)三通閥V-5進(jìn)入排氣管，由抽風(fēng)機(jī)抽出排入外界。當(dāng)達(dá)到設(shè) 定的半周期后，開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-3 、出氣氣動(dòng)三通閥V-5關(guān)閉，關(guān) 閉的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥V-4 、出氣氣動(dòng)三通閥V-6開(kāi)啟，礦井乏風(fēng)氣流向改變， 礦井乏風(fēng)氣進(jìn)入催化反應(yīng)器R-B底端，并經(jīng)此反應(yīng)器下端蜂窩陶瓷蓄熱填料反應(yīng)器R-A下端蜂窩陶
瓷蓄熱填料降溫后經(jīng)出氣氣動(dòng)三通閥V- 6進(jìn)入出氣管，由抽風(fēng)機(jī)抽出排入外
界。這樣放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大部分都蓄積在催化反應(yīng)器床層內(nèi)，部分熱量 通過(guò)換熱器取走，礦井氣可以自熱操作。當(dāng)甲烷濃度過(guò)高時(shí)，空氣補(bǔ)給的氣
動(dòng)三通閥V-l就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，空氣經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量計(jì)11-1后與礦井乏風(fēng)氣混合， 通過(guò)空氣的補(bǔ)給來(lái)降低甲垸的濃度，防止催化劑因高溫而失活。礦井氣礦井 乏風(fēng)氣流量1000m3/h，甲烷濃度為0.3%，換向周期為240s，反應(yīng)可以自熱進(jìn) 行，甲垸轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%以上。 實(shí)施例2:
反應(yīng)裝置如實(shí)施例1，將催化劑和兩端蓄熱填料預(yù)熱至催化劑活性溫度 450°C，礦井乏風(fēng)氣流量1000m7h，甲垸濃度為0. 3%，換向周期為540s,反 應(yīng)可以自熱進(jìn)行，甲烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到95°/。以上。
實(shí)驗(yàn)例3:
反應(yīng)裝置如實(shí)施例1，將催化劑和兩端蓄熱填料預(yù)熱至催化劑活性溫度
450°C，礦井乏風(fēng)氣流量1000m7h，甲垸濃度為0. 6%，換向周期為540s，甲 垸轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%以上，換熱器可移出部分熱量。
實(shí)驗(yàn)例4:
反應(yīng)裝置如實(shí)施例1，將催化劑和兩端蓄熱填料預(yù)熱至催化劑活性溫度
45(TC，礦井乏風(fēng)氣流量800m7h，甲烷濃度為1%，換向周期為360s，甲烷轉(zhuǎn) 化率達(dá)到95%以上，換熱器可移出部分熱量。
從上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明可處理甲烷濃度為1%以下的礦井乏風(fēng) 氣，其甲垸去除率達(dá)到95%以上，在甲垸濃度高于0.6%時(shí)，能從系統(tǒng)中取出 部分熱量，在甲烷濃度低至0.3%時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)也可以自熱進(jìn)行，無(wú)需額外補(bǔ) 充能量。
權(quán)利要求
1.一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括有兩臺(tái)催化反應(yīng)器，一臺(tái)換熱器，兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng)三通閥，以及一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)；每組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng)三通閥由一個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥和一個(gè)出氣氣動(dòng)三通閥組成。其中催化反應(yīng)器從下至上構(gòu)造為底部裝載蜂窩陶瓷蓄熱填料，中間段為催化劑，頂端為電加熱管；該設(shè)備依次為進(jìn)氣管，進(jìn)氣管連接所述兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng)三通閥的2個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥，2個(gè)進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥分別跟兩臺(tái)催化反應(yīng)器的底部連接；兩臺(tái)催化反應(yīng)器的底部再連接所述兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng)三通閥的2個(gè)出氣氣動(dòng)三通閥；2個(gè)出氣氣動(dòng)三通閥連接出氣管一端，出氣管另一端與抽風(fēng)機(jī)相連；兩個(gè)催化反應(yīng)器頂端同時(shí)與換熱器連接；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲垸的設(shè)備， 其特征在于在礦井乏風(fēng)氣進(jìn)氣管處設(shè)置一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)氣的氣動(dòng)閥或電磁閥。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的設(shè)備， 其特征在于兼有預(yù)熱器及氣體再分布器作用的電加熱管按正交方式排列于反應(yīng)器頂端。
4. 應(yīng)用權(quán)利要求1所述設(shè)備進(jìn)行處理礦井乏風(fēng)氣低濃度瓦斯的方法，其特征在于，包括以下步驟-一個(gè)催化反應(yīng)器的連接進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥開(kāi)啟時(shí)，與該催化反應(yīng)器連接的出氣氣動(dòng)三通閥關(guān)閉；而另一個(gè)催化反應(yīng)器的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥關(guān)閉，與另一 個(gè)催化反應(yīng)器連接的出氣氣動(dòng)三通閥開(kāi)啟；礦井氣從開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥 進(jìn)入一個(gè)催化反應(yīng)器，首先經(jīng)催化反應(yīng)器底端的蜂窩陶瓷蓄熱填料被逐漸加 熱升溫，在接近頂部催化劑時(shí)達(dá)到催化劑的活性溫度，礦井乏風(fēng)氣中的甲烷 被催化燃燒，部分熱量通過(guò)換熱器取走，部分凈化的高溫礦井乏風(fēng)氣進(jìn)入另 一個(gè)催化反應(yīng)器繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)下端蜂窩陶瓷蓄熱填料將熱量傳遞給填料， 并積蓄在另一個(gè)催化反應(yīng)器中，被處理后的高溫礦井乏風(fēng)氣被逐漸降溫冷卻， 經(jīng)出氣氣動(dòng)三通閥進(jìn)入排氣管，再由抽風(fēng)機(jī)抽出排向外界；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的半周期后，開(kāi)啟的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥、出氣氣動(dòng)三通閥將會(huì) 關(guān)閉，關(guān)閉的進(jìn)氣氣動(dòng)三通閥、出氣氣動(dòng)三通閥將會(huì)開(kāi)啟，礦井乏風(fēng)氣流向 改變，原來(lái)出氣的另一個(gè)催化反應(yīng)器開(kāi)始通入礦井氣，從底部進(jìn)入的礦井氣 經(jīng)過(guò)上半周期蓄熱的蜂窩陶瓷蓄熱填料開(kāi)始預(yù)熱，在接近頂部催化劑時(shí)達(dá)到 催化劑的活性溫度，礦井乏風(fēng)氣中的甲烷被催化燃燒，部分熱量通過(guò)換熱器取走，部分凈化的高溫礦井乏風(fēng)氣進(jìn)入原來(lái)進(jìn)氣的催化反應(yīng)器繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)， 經(jīng)下端蜂窩陶瓷蓄熱填料將熱量傳遞給上半周期被礦井氣預(yù)熱時(shí)取走熱量的 蜂窩陶瓷蓄熱填料，并積蓄在填料中，被處理后的高溫礦井乏風(fēng)氣被逐漸降溫冷卻，最后經(jīng)出氣氣動(dòng)三通闊進(jìn)入排氣管，再由抽風(fēng)機(jī)抽出排向外界；到了設(shè)定的換向周期時(shí)間，流向又開(kāi)始改變，經(jīng)過(guò)往復(fù)的循環(huán)，蜂窩陶 瓷蓄熱填料的熱量被取走后，經(jīng)過(guò)換向又得以蓄熱，蓄熱后經(jīng)過(guò)預(yù)熱礦井氣又釋放出熱量。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于礦井乏風(fēng)氣按設(shè)定的換向時(shí)間交替地從兩個(gè)進(jìn)氣閥進(jìn)入反應(yīng)器兩端，換向時(shí)間由反應(yīng)器中催化劑床層 的進(jìn)口溫度和固定換向周期綜合確定，當(dāng)催化劑床層的溫度高于催化劑最高 能承受的溫度以及低于催化劑的起活溫度時(shí)，流向變化的周期就會(huì)做出調(diào)整，使催化劑床層溫度在催化劑最高能承受的溫度與催化劑的起活溫度之間；否 則按照原來(lái)固定的周期換向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種處理煤礦礦井乏風(fēng)氣中低濃度甲烷的設(shè)備及其方法，是在礦井通風(fēng)主扇出口處利用流向變換催化燃燒裝置直接對(duì)其加以處理，并回收部分熱量。該裝置包括有兩臺(tái)催化反應(yīng)器，一臺(tái)換熱器，兩組周期性自動(dòng)啟閉換向的氣動(dòng)三通閥，一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)氣氣動(dòng)三通閥以及一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)。催化反應(yīng)器底部裝載蜂窩陶瓷蓄熱填料，中間段為催化劑，帶翅片的電加熱管內(nèi)置于催化反應(yīng)器頂端且按一定方式排列，做為預(yù)熱器和礦井乏風(fēng)氣分布器，保證了加熱效率和礦井乏風(fēng)氣分布均勻。本發(fā)明可處理甲烷濃度為1％以下的礦井乏風(fēng)氣，其甲烷去除率達(dá)到95％以上，在甲烷濃度高于0.6％時(shí)，能從系統(tǒng)中取出部分熱量，在甲烷濃度低至0.3％時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)也可以自熱進(jìn)行，無(wú)需額外補(bǔ)充能量。
文檔編號(hào)F23G7/06GK101539027SQ20091008288
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者任潤(rùn)厚, 傅國(guó)廷, 劉新斌, 張文平, 朱吉?dú)J, 李建偉, 李成岳, 王東飛, 王天明, 王志杰, 王樹(shù)忠, 秦清平, 翔 郭, 郭金剛 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué);山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司