煤矿乏风逆流式催化氧化蓄热装置试验研究

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甲烷是一种非常重要的温室气体,对于温室效应的影响是同等质量二氧化碳的21倍。能源行业是甲烷排放的第二大渠道,而通过煤矿通风排放至大气的甲烷占到煤矿生产甲烷排放量的70%。煤矿乏风中的甲烷浓度非常低(低于1%),又具有浓度不稳定、风量大的特点,因此回收起来十分困难,目前的处理方法多为将其直接排空。排空乏风不仅加剧了温室效应,而且是对能源的浪费。随着全球对于温室效应问题的重视和科技水平的发展,煤矿乏风中甲烷的处理技术具有非常大的发展前景。本文在这一背景下,搭建了煤矿乏风催化氧化装置的试验台,针对如何将乏风中的甲烷催化氧化并回收热量进行了一系列理论分析和试验研究。本文在比较了多种煤矿乏风的处理方式之后,选择逆流式催化氧化蓄热方法进行试验研究。根据甲烷的催化燃烧起燃温度、反应温升等性质,对装置进行了能量平衡计算,验证装置的设计可行性。选择用溶胶-凝胶法制备的整体式蜂窝载体甲烷氧化催化剂,主要成分为贵金属Pt、Pd和Rh。根据《工业炉设计手册》中预热式换热器的设计方法,对蓄热室进行热力计算和结构设计。本次试验搭建了处理煤矿乏风的中试试验台,适用于甲烷浓度为0.5-1%的煤矿乏风,最大处理量为100Nm3/h。试验系统由配气系统、加热系统、装置本体、取热系统、换向系统和测控系统组成。试验采用控制变量法,调节入口风量、甲烷浓度、换向周期、加热温度等试验参数,观察分析该试验装置对于甲烷的催化氧化效果,并进行了预热过程试验和单向催化氧化蓄热试验。同时对试验结果进行了数据分析,用FLUENT计算流体力学软件对装置的流动和温度分布进行了仿真模拟。本文对于试验中出现的突出问题,提出了有针对性的改进建议,为下一阶段试验奠定基础。此次试验证明,逆流式催化氧化蓄热技术理论上可以实现,相关技术研究具有巨大的市场前景和可观的经济效益。该试验为以后相关类型设备的工程化、大型化获取了宝贵的试验数据,为下一步建设具有自主知识产权的产品研发奠定基础。
摘要第4-5页
Abstract第5页
1 绪论第8-15页
    1.1 研究背景及意义第8-9页
    1.2 应用技术现状和国内外同类产品研发第9-13页
        1.2.1 煤矿乏风作为辅助燃料的应用第9-10页
        1.2.2 煤矿乏风作为主要燃料的应用第10-12页
        1.2.3 催化氧化蓄热装置的研究意义第12-13页
    1.3 本文工作的主要内容第13-15页
        1.3.1 计算分析第14页
        1.3.2 试验研究第14-15页
2 逆流式催化氧化蓄热装置设计说明第15-27页
    2.1 逆流式催化氧化蓄热装置工作原理第15-16页
    2.2 系统能量平衡计算第16-18页
    2.3 蓄热室热力设计与计算第18-26页
        2.3.1 设计任务说明第18-19页
        2.3.2 设计原则第19-22页
        2.3.3 计算说明第22-23页
        2.3.4 计算结果第23-26页
    2.4 催化剂简介第26-27页
3 逆流式催化氧化装置试验研究第27-52页
    3.1 试验系统说明第27-29页
    3.2 催化氧化蓄热试验结果及分析第29-39页
        3.2.1 试验情况简介第29-31页
        3.2.2 参数调整对试验结果的影响第31-36页
        3.2.3 单向催化测试结果第36-37页
        3.2.4 更换催化剂试验结果第37-38页
        3.2.5 装置故障检测第38-39页
    3.3 预热过程分析及试验研究第39-41页
    3.4 仿真模拟验证分析第41-50页
        3.4.1 数学模型假设第41页
        3.4.2 流动控制方程第41-42页
        3.4.3 湍流模型方程第42-43页
        3.4.4 蓄热室多孔介质模型第43-45页
        3.4.5 仿真结果及分析第45-50页
    3.5 本章小结第50-52页
4 出现的问题与改进说明第52-57页
    4.1 问题讨论第52页
    4.2 试验改进思路第52-55页
        4.2.1 U型结构改造第52-53页
        4.2.2 气体流动方式第53页
        4.2.3 加热方式改进第53-54页
        4.2.4 取热方式说明第54页
        4.2.5 试验测控改进第54页
        4.2.6 装置热力设计第54-55页
    4.3 下一步试验注意事项第55-56页
    4.4 本章小结第56-57页
结论第57-60页
参考文献第60-64页
致谢第64-65页
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