本發(fā)明涉及一種用于煤礦高濃度瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應(yīng)器，屬于能源化工
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：煤層中含有大量的瓦斯氣，其主要成分是甲烷(CH4)。煤炭在開采過程中，為防止瓦斯爆炸，保證礦井安全生產(chǎn)，必須抽放大量的低濃度瓦斯氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年采煤排放的瓦斯氣數(shù)十億立方米，絕大部分直接放空燃燒，不僅浪費(fèi)了資源，同時(shí)也加重了大氣的溫室效應(yīng)，造成環(huán)境污染。甲烷在空氣中的爆炸極限是5-15％，煤礦瓦斯抽放氣當(dāng)前的主要利用方式是直接燃燒和發(fā)電，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值未能充分體現(xiàn)。我國民用天然氣供給量嚴(yán)重不足，若能將其提純、濃縮利用，將成為是天然氣資源的有效補(bǔ)充，提高資源價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。煤礦瓦斯氣中甲烷的分離提純技術(shù)主要包括變壓吸附法、膜分離法和低溫深冷分離法，無論哪種方法氣體都需要加壓操作，但高壓導(dǎo)致甲烷爆炸極限變寬，操作危險(xiǎn)大。因此，為了降低氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)，提高工藝安全性，必須脫除瓦斯抽放氣中混合的氧氣，再進(jìn)行加壓分離和純化操作。氣體脫氧的方法主要有催化氧化法、焦炭燃燒脫氧法等。專利ZL02113627.0公布了一種含氧煤層氣通過高溫焦炭層脫除氧氣的方法，具有甲烷損失小，費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。專利ZL02113628.9、CN101250449A和CN101613627A分別公開了采用Pt、Pd、Mn為活性組分的脫氧催化劑，進(jìn)行催化燃燒脫氧，在350-700℃范圍內(nèi)脫氧精度可達(dá)到1％以下。瓦斯氣催化氧化脫氧的本質(zhì)是甲烷在貧氧條件下的完全燃燒過程。標(biāo)況下，甲烷的燃燒熱為890.3kJ/mol，脫氧過程會(huì)放出大量的反應(yīng)熱。為了保證催化劑的活性和選擇性，防止催化劑燒結(jié)失活，必須移出反應(yīng)熱，控制催化劑床層處于合理的反應(yīng)溫度。專利CN101139239A、CN101613627A公開了采用絕熱固定床反應(yīng)器進(jìn)行催化燃燒脫氧。該方法采用循環(huán)富甲烷的產(chǎn)品氣體的方法來控制催化劑床層的溫度。但存在以下不足和缺點(diǎn)：(1)產(chǎn)品氣體大量循環(huán)造成生產(chǎn)過程能量損耗大，且降低設(shè)備生產(chǎn)負(fù)荷；(2)催化劑床層的傳熱能力差，容易局部過熱，造成催化劑反應(yīng)活性和選擇性下降，甚至燒結(jié)失活；(3)工藝流程復(fù)雜，床層阻力大，投資高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種床層溫度均勻、脫氧效率高、安全性好、結(jié)構(gòu)簡單的用于煤礦高濃度瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應(yīng)器。本發(fā)明針對上述缺點(diǎn)，提出了一種新型流化床反應(yīng)器，用于煤礦瓦斯抽放氣的脫氧過程。反應(yīng)器內(nèi)氣體和催化劑顆粒處理流化狀態(tài)，提高床層傳熱效率，保證床層溫度均勻。反應(yīng)器外采用夾套換熱，通過調(diào)整傳熱介質(zhì)的流速和溫度，可以保證反應(yīng)器處于合理的操作溫度，而且可回收熱能，提高系統(tǒng)熱效率。流化床反應(yīng)器的氣體分布，采用了多噴嘴的進(jìn)料方式，噴嘴氣速高于預(yù)混火焰的傳播速度，防止回火和爆燃。本發(fā)明具有反應(yīng)床層溫度均勻、催化劑不易燒結(jié)、脫氧效率高、處理能力大、抗負(fù)荷波動(dòng)和安全防爆的優(yōu)點(diǎn)，可由于甲烷濃度20-80％的高濃度瓦斯氣的催化燃燒脫氧，也可用于天然氣、沼氣和其它含氧燃?xì)獾拿撗躅A(yù)處理。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：本發(fā)明是一種用于高濃度煤礦瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應(yīng)器,它包括殼體，底部錐段，中部反應(yīng)段，上部擴(kuò)大段，殼體分為底部錐段，中部反應(yīng)段和上部擴(kuò)大段，底部錐段側(cè)面有進(jìn)氣噴嘴，底端有排料口；中部反應(yīng)段上部側(cè)面有加料口，外壁有換熱夾套，換熱夾套下部有換熱介質(zhì)進(jìn)口，上部有換熱介質(zhì)出口，中部反應(yīng)段內(nèi)安裝多層百葉窗擋板，擋板的間距20-50cm；上部擴(kuò)大段頂部有氣體出口。如上所述的底部錐段的錐頂角60-90°。如上所述的底部錐段的錐面上安裝1-3排進(jìn)氣噴嘴，進(jìn)氣噴嘴與水平圓周切線的夾角20-60°。如上所述的中部反應(yīng)段的高度和直徑比2-6。如上所述的中部反應(yīng)段與上部擴(kuò)大段的直徑比1-0.5。如上所述的百葉窗擋板由筋板和葉片組成，葉片與水平面的夾角30-60°。在使用本發(fā)明時(shí)，進(jìn)氣噴嘴的氣體流速控制為30-90m/s。礦井排放的瓦斯體積濃度為20-80％的抽放氣通過流化床反應(yīng)器底部錐段的進(jìn)氣噴嘴進(jìn)入流化床脫氧反應(yīng)器；粒徑0.1-1mm的球形催化劑顆粒從反應(yīng)段上部側(cè)面的加料口加入流化床反應(yīng)器中；控制反應(yīng)器內(nèi)的氣速，使催化劑顆粒在床內(nèi)保持湍動(dòng)流化狀態(tài)；換熱介質(zhì)軟化水從位于反應(yīng)器換熱夾套下部的進(jìn)口進(jìn)入夾套，從位于反應(yīng)器夾套上部的出口排出，調(diào)節(jié)內(nèi)換熱介質(zhì)的流速和溫度，保持床層穩(wěn)定的脫氧反應(yīng)溫度350-650℃；脫氧反應(yīng)后的氣體從反應(yīng)器上部擴(kuò)大段頂部的氣體出口排出，送后續(xù)工段處理；失活的催化劑顆粒從位于反應(yīng)器底部的排料口排出。本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：(1)反應(yīng)內(nèi)固體催化劑顆粒處于湍動(dòng)流化狀態(tài)，氣固接觸效果好，傳熱傳質(zhì)效率高，床層溫度均勻，尤其適合含氧量較高的氣體處理過程；(2)流化床夾套可快速移出反應(yīng)熱，保證催化燃燒反應(yīng)在合理的溫度區(qū)間，提高反應(yīng)活性和選擇性，防止催化劑局部燒結(jié)；(3)流化床反應(yīng)器采用較高氣速的噴嘴進(jìn)氣方式，結(jié)構(gòu)簡單，而且可防止因氣體組成或壓降波動(dòng)導(dǎo)致的回火或爆燃，安全性好；(4)流化床反應(yīng)器可根據(jù)實(shí)際處理氣量，調(diào)節(jié)過床氣速和換熱介質(zhì)的流速，抗負(fù)荷波動(dòng)能力強(qiáng)。附圖說明圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，1是反應(yīng)器殼體，2是底部錐段，3是中部反應(yīng)段，4是上部擴(kuò)大段，5是進(jìn)氣噴嘴，6是排料口，7是加料口，8是換熱夾套，9是換熱介質(zhì)進(jìn)口，10是換熱介質(zhì)出口，11是百葉窗擋板，12是氣體出口，13是筋板，14是葉片。圖2是進(jìn)氣噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例1如圖1-3所示，一種用于高濃度煤礦瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應(yīng)器,它包括殼體1，底部錐段2，中部反應(yīng)段3，上部擴(kuò)大段4，殼體1分為底部錐段2，中部反應(yīng)段3和上部擴(kuò)大段4，底部錐段2側(cè)面有進(jìn)氣噴嘴5，底端有排料口6；中部反應(yīng)段3上部側(cè)面有加料口7，外壁有換熱夾套8，換熱夾套8下部有換熱介質(zhì)進(jìn)口9，上部有換熱介質(zhì)出口10；中部反應(yīng)段3內(nèi)安裝多層百葉窗擋板11，擋板11的層間距35cm。上部擴(kuò)大段4頂部有氣體出口12。所述的底部錐段2的錐頂角60°。底部錐段2的錐面上安裝2排進(jìn)氣噴嘴，噴嘴與水平圓周切線的夾角35°。中部反應(yīng)段3的高度和直徑比4。中部反應(yīng)段3與上部擴(kuò)大段4的直徑比0.8。百葉窗擋板11由筋板13和葉片14組成，葉片14與水平面的夾角45°。在使用本發(fā)明時(shí)，進(jìn)氣噴嘴5的氣體流速控制為60m/s。礦井排放的瓦斯體積濃度為55-60％的抽放氣通過流化床底部錐段2的進(jìn)氣噴嘴5進(jìn)入流化床脫氧反應(yīng)器；粒徑0.1-1mm的球形催化劑顆粒從反應(yīng)段3上部側(cè)面的加料口7加入流化床反應(yīng)器中；控制反應(yīng)器內(nèi)的氣速，使催化劑顆粒在床內(nèi)保持湍動(dòng)流化狀態(tài)；換熱介質(zhì)軟化水從位于反應(yīng)器換熱夾套8下部的進(jìn)口9進(jìn)入夾套，從位于反應(yīng)器夾套8上部的出口10排出，調(diào)節(jié)內(nèi)換熱介質(zhì)的流速和溫度，保持床層穩(wěn)定的脫氧反應(yīng)溫度350-650℃；脫氧反應(yīng)后的氣體從反應(yīng)器上部擴(kuò)大段4頂部的氣體出口12排出，送后續(xù)工段處理；失活的催化劑顆粒從位于反應(yīng)器底部的排料口6排出。表1實(shí)施例1原料氣和脫氧氣的氣體組成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料氣55-608-1031-36-----0.110.15脫氧氣55-61<0.234-40<0.034.5-5.3<0.02實(shí)施例2所述的反應(yīng)器底部錐段2的錐頂角90°，底部錐段2的錐面上安裝1排進(jìn)氣噴嘴5，噴嘴與水平圓周切線的夾角20°，中部反應(yīng)段3的高度和直徑比6，中部反應(yīng)段3與上部擴(kuò)大段4的直徑比0.5，中部反應(yīng)段3內(nèi)安裝多層百葉窗擋板11，擋板之間的層間距50cm，擋板葉片14與水平面的夾角60°，進(jìn)氣噴嘴5的氣體流速控制為90m/s，礦井排放的瓦斯體積濃度為60-70％，其余同實(shí)施例1。表2實(shí)施例2原料氣和脫氧氣的氣體組成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料氣60-706-923-31-----0.100.10脫氧氣61-72<0.226-34<0.033.3-4.5<0.02實(shí)施例3所述的反應(yīng)器底部錐段2的錐頂角75°，底部錐段2的錐面上安裝3排進(jìn)氣噴嘴5，噴嘴與水平圓周切線的夾角60°，中部反應(yīng)段3的高度和直徑比2，中部反應(yīng)段3與上部擴(kuò)大段4的直徑比0.9，中部反應(yīng)段3內(nèi)安裝多層百葉窗擋板11，擋板之間的層間距25cm，擋板葉片14與水平面的夾角30°，進(jìn)氣噴嘴5的氣體流速控制為30m/s，礦井排放的瓦斯體積濃度為30-40％，其余同實(shí)施例1。表3實(shí)施例3原料氣和脫氧氣的氣體組成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料氣30-4012-1547-55-----0.120.22脫氧氣26-39<0.254-65<0.037.2-8.7<0.02實(shí)施例4所述的反應(yīng)器底部錐段2的錐頂角60°，底部錐段2的錐面上安裝3排進(jìn)氣噴嘴5，噴嘴與水平圓周切線的夾角45°，中部反應(yīng)段3的高度和直徑比5，中部反應(yīng)段3與上部擴(kuò)大段4的直徑比0.6，中部反應(yīng)段3內(nèi)安裝多層百葉窗擋板11，擋板之間的層間距40cm，擋板葉片14與水平面的夾角50°，進(jìn)氣噴嘴5的氣體流速控制為75m/s，礦井排放的瓦斯體積濃度為40-50％，其余同實(shí)施例1。表4實(shí)施例4原料氣和脫氧氣的氣體組成當(dāng)前第1頁1 2 3