煤矿通风瓦斯氧化处理实验装置设计.pdf

煤矿通风瓦斯氧化处理实验装置设计 * 吕元 1 姜凡 2 肖云汉 2 1． 中国科学院研究生院， 北京 100190;2． 中国科学院先进能源动力重点实验室 工程热物理研究所 ， 中国科学院能源动力研究中心， 北京 100190 摘要 我国每年通过煤矿乏风排入大气的甲烷为 130 ～ 170 亿 m3。由于煤矿乏风具有甲烷浓度低＜ 0. 1 、 富集难、 气量大等特点， 传统的处理方式是直接排空， 造成了严重的污染和温室效应。针对此现状， 设计了最大处理量为 1 000 m3/h的煤矿通风瓦斯热氧化实验装置， 该实验装置包括配气系统、 装置本体、 换向系统、 启动系统和测控系统。 关键词 通风瓦斯; 甲烷; 热氧化; 实验装置; 蓄热体 DESIGN OF TEST DEVICE FOR OXIDIZATION OF COAL MINE VENTILATION METHANE L Yuan1Jiang Fan2Xiao Yunhan2 1． Graduate College of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2． Key Laboratory of Advanced Energy and Power Institute of Engineering Thermophysics ， Research Center of Energy and Power，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China AbstractEvery year，about 13 ～ 17 billion m3methane is emitted through the ventilation air of coal mines in China． Ventilation air methane VAMhas the characteristics of low methane concentration，difficult enrichment and huge volume flow． The conventional to deal with it is discharging VAM into the atomsphere directly． It is a great damage and has a significant greenhouse effect to the environment． Based on the calculation results，the laboratory device for VAM oxidation with a capacity of 1 000 m3/h was designed． The laboratory device consists of regenerator，direction conversion system，thermal start system，control system． KeywordsVAM;methane;thermal oxidation;laboratory device;regenerative body * 中国科学院知识创新工程重要方向项目资助 KGCX2 － YW － 323 。 1概述 为保证生产安全， 在煤矿开采前需通入大量空气 以稀释矿井空气， 使其甲烷浓度降低然后再排入大 气。这种被抽排到大气中的甲烷含量低于 1 的混 合气 体 被 称 为 煤 矿 通 风 瓦 斯 或 者 煤 矿 乏 风 Ventilation Air Methane， VAM ［1- 2］。长期以来， 煤矿 通风瓦斯甲烷浓度低、 富集难、 气量大， 利用技术难度 较大， 因 此 一 般 都 直 接 排 放 大 气， 极 少 被 回 收 利 用 ［3- 4］。我国每年通过煤矿通风瓦斯排入大气的 CH 4 为 130 ～ 170 亿 m3， 占我国煤矿煤层气甲烷总量的 65 ～ 70 ， CH4作为仅次于 CO2的温室气体， 对环 境造成了巨大的危害。 中科院能源动力研究中心自主设计了处理量为 1 000 m3/h逆流式煤矿通风瓦斯热氧化装置， 该装置 采用蓄热式烟气余热回收装置 ［5］， 交替切换通风瓦 斯与烟气， 使之流经蓄热体。预热通风瓦斯使其中的 CH4与氧发生氧化反应， 反应释放的热量， 一部分热 量被蓄热体陶瓷吸收， 维持氧化床内部温度以稳定运 行， 多余热量由内置换热器取出加以利用， 取出多余 热量可以根据现场需求采用热、 电、 冷联供的应用方 式。该实验台可以实现自维持稳定运行， 并通过实验 研究了通风量、 甲烷浓度、 切换时间等运行参数对装 置运行情况的影响。 实验系统如图 1 所示， 实验系统分为配气系统、 装置本体、 换向系统、 启动系统和测控系统。 2配气系统 如图 1 所示， 配气系统用以获得实验所需的低浓 度甲烷以模拟煤矿通风瓦斯。它主要由空气路和天 然气路及混合器构成。空气路安装有空气过滤器， 空 气流量根据涡街流量计的显示使用蝶阀进行调节; 天 09 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 1三通阀;2空气过滤器;3涡街流量计;4防回火器;5单向阀;6靶式流量计; 7电动调节阀; 8三通阀;9PLC 控制柜;10K 型热电偶 64;11燃烧器;12引风机 图 1实验系统示意 然气路流量由靶式流量计监控， 其流量调节由控制系 统通过电动调节阀调控。天然气和空气根据实验浓 度要求在混合器内进行充分的混合， 模拟低甲烷浓度 的煤矿通风瓦斯。为安全起见， 天然气进入混合器之 前装有单向阀和防回火器， 防止混合后的气体回流， 产生爆炸。 在本实验台中， 冷态下空气的流量可调范围为 400 ～ 1 100 m3/h， 天 然 气 的 流 量 可 调 范 围 为 0 ～ 6 m3/h。 可以 根 据 实 验 的 需 求 配 比 流 量 为 400 ～ 1 100 m3/h， 甲烷浓度范围为 0. 1 ～ 1 的模拟通风 瓦斯。 经过配比的模拟通风瓦斯由管道通过换向系统 的三通阀进入蓄热室。在进入蓄热室之前， 由引气管 抽出部分气体进入色谱分析仪， 精确测量分析其真实 成分与浓度。 3装置本体 装置本体的构成见图 2。其主要是由装置外壳、 保温层、 蓄热室、 防爆泄压阀构成。其中， 蓄热室是其 核心部分。 配气系统根据实验要求混合成不同甲烷浓度、 不 同流量的模拟通风瓦斯。混合后的模拟通风瓦斯浓 度由甲烷浓度传感器监测。同时为保证监测精度， 在 混合器出口处采样使用色谱分析仪分析气体成分和 浓度。按实验要求配制的模拟通风瓦斯通过由两个 三通阀组成的换向系统进入蓄热室。两个三通阀分 别与进气管道、 蓄热室、 排气管道相通。模拟通风瓦 1左防爆泄压阀; 2右防爆泄压阀; 3左三通阀; 4保温层; 5蜂窝陶瓷蓄热体; 6接燃烧器凸台; 7本体构成块; 8热电偶插座; 9右三通阀 图 2装置本体结构 斯交替从蓄热室两端进入蓄热室， 流经蓄热体， 被加 热至高温从而氧化处理， 从蓄热室另一端经排气管道 排出并加热蓄热体， 排烟出口处的甲烷浓度传感器监 测排气甲烷浓度， 同时采样使用色谱分析仪分析气体 成分和浓度。蓄热室内温度分布由预先安装的热电 偶测量， 系统各关键点压力由压力传感器测量， 蓄热 室内压力由 U 形管压力计测量。在模拟通风瓦斯进 入蓄热室进行氧化处理之前， 启动系统的燃烧器燃烧 高浓度瓦斯或甲烷、 丙烷等可燃气体， 产生高温烟气， 从蓄热室中部的空腔进入蓄热室， 从两侧交替排出， 对其进行预热。整个系统的运行， 包括换向系统的切 换、 进气甲烷浓度、 流量测量和调节、 压力、 温度测量、 甲烷浓度监测及反馈， 都在控制系统的监控下进行， 同时实验中采用气相色谱仪对进出口甲烷浓度进行 精确测量。 整个装置本体的外壳和保温层浇铸成一体， 分做 19 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 成如图 2 中的本体构成块， 各块之间用法兰连接。分 体模块使装置易于安装、 拆卸和运输。图 2 中的 1 和 2 是一对防爆泄压阀。若蓄热室内温度骤升， 压力过 大， 防爆泄压阀被顶开， 泄压保证炉体安全。凸台使 用法兰连接在本体中心处， 用以连接燃烧器。凸台和 蓄热室相通， 中心留有空腔， 使燃烧器燃烧产生的热 烟气能够在蓄热体的通道内流动， 对蓄热室进行预 热。图 2 上装置顶端分布的是热电偶插座， 在装置的 侧面， 也分布有类似的插座。外壳上的热电偶插座共 有 64 个， 用以插入热电偶测量蓄热室内温度分布。 3. 1蓄热室选材 蓄热体的工作条件决定了它对材质有如下要求 1 耐高温; 2 具有良好的抗热震性能; 3 良好的 导热性和蓄热、 放热速率， 材料的导热性能越好， 其体 积利用率越高， 设备体积也越小; 4 具有较大的密度 和比热容; 5 耐化学侵蚀; 6 具有足够的机械强度， 在高温下堆积不变形坍塌; 7 寿命长、 价格适中、 成 本低。 由于陶瓷材料具有耐高温、 抗氧化、 耐腐蚀、 强度 高等优点， 所以目前大多选用陶瓷材料作蓄热体。根 据不同使用温度， 可选用牯土质、 刚玉质、 莫来石质、 锫英石质、 钍酸铝质和堇青石质等材料。目前国内使 用的蓄热体材料多是以铝硅系原料中的莫来石、 堇青 石、 高铝质或莫来石 堇青石质为原料。堇青石抗 热震性能良好， 但耐火度低， 不能在高温侧使用该材 质。莫来石具有良好的高温力学、 高温热学性能， 高 温结构强度高， 高温蠕变率低， 热膨胀率小， 抗化学侵 蚀性强， 抗震性优等特点， 但价格偏高 ［6- 7］。因此， 本 装置蓄热材料采用刚玉莫来石和堇青石配合使用。 由于中 心 反 应 区 温 度 较 高， 最 高 温 度 约 达 到 1 250 ℃ ， 采用可以耐高温的刚玉莫来石。蓄热体两 端反应温度不是很高， 低于1 000 ℃ ， 采用较便宜的 堇青石。两种蓄热体材料除材质不同， 其结构尺寸和 外形基本相同。其相关物性参数见表 1［8- 12］。蜂窝陶 瓷蓄热体见图 3［13］。 表 1两种蓄热陶瓷的物性参数 指标 材质 长 宽 高 / mm 孔格 形状 孔隙率 / 最高使用 温度 /℃ 壁厚 /mm 堆积密度 / kg m － 3 导热系数 / Wm － 1K－ 1 平均比热容 / kJ kg － 1K－ 1 刚玉莫来石150 100 100六角型621 2501. 0 ～ 1． 51 2541． 630. 837 4 堇青石150 100 100六角型621 0001. 0 ～ 1． 51 3402． 420. 869 8 图 3蜂窝陶瓷蓄热体 3. 2本体结构 如图 2 所示， 蓄热体采取分段的模块式结构， 每 段长 300 mm， 共 9 段， 中间一段预留有空腔为进气加 热通道。每段蓄热体外铺设轻质浇铸料和纤维毡构 成的耐火保温层， 多段蓄热体之间采用法兰连接， 即 构成整个蓄热体。这种布置可以灵活装拆， 并可以根 据需要增减换热器或者蓄热体的数目。装置外围顶 端布置有通风管道。通风管道与两个三通阀相连。 模拟通风瓦斯从通风管道进入蓄热体， 经氧化后从排 风口排出。装置顶端和侧部还分布有众多可沿插入 方向移动的热电偶， 可以测量氧化床层沿气流方向不 同横截面的温度分布。为使通风瓦斯甲烷氧化反应 发生在蓄热室中部区域， 应建立蓄热室中心区域温度 高、 两侧温度相对较低的初始温度分布， 因此燃烧器 设置在装置中心侧面的凸台上。 3. 3体积和尺寸 装置内安放蜂窝陶瓷蓄热体的蓄热室空间截面 尺寸为 600 mm 500 mm。整个蓄热室空间长度为 4 m。 采 用 的 蜂 窝 陶 瓷 蓄 热 体 规 格 为 150 mm 100 mm 100 mm， 蓄热室中心留有 100 mm 预热烟 气空气通道， 以此为中心线， 蓄热室两侧应各铺设 12 层。蓄热室两侧多余空间为将来根据需要添加蓄热 体所预留。 4换向系统 换向系统用以在进气管道和排气管道之间切换， 改变模拟煤矿通风瓦斯进气方向， 使之交替从两端进 入蓄热室进行氧化。换向系统共有三种方案， 如图 4 所示。采用一个换向四通阀 a 和四个蝶阀 b 的方 29 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 案在换向过程中会损失管道中的通风瓦斯， 同时有 3 ～ 5 的气体泄漏量 ［14- 15］。相比而言， 两个三通 阀 c 的密封性要优于上两种方案， 且管道中的通风 瓦斯损失较少。因此， 确定采用两个三通阀的结构。 图 4三种换向系统方案示意 5启动系统 根据该装置运行原理， 在开始处理煤矿通风瓦斯 中低浓度瓦斯之前， 需要先对蓄热室进行预热， 使蓄 热体达到低浓度甲烷能够自燃的温度。在达到预定 的温度场之后， 启动装置停止工作， 通入煤矿通风瓦 斯发生氧化放热， 其热量可以使装置自维持运行， 不 需外来热源继续提供热量。 启动系统即是在预热过程中提供热量来源的装 置。常用的同类装置启动方式可以分为燃气启动和 电加热启动 ［16- 17］。采用电加热启动所需时间长， 经 济性差 ［18］， 且高温对电热丝的材质要求较高， 另外其 在蜂窝陶瓷蓄热体之间的布置方式也比较复杂。因 此， 该装置尝试采用燃气加热启动方式。 该装置采用由本实验室自行设计的旋流扩散燃 烧器， 可以燃烧天然气、 丙烷、 高浓度瓦斯、 合成气等 多种气体燃料产生高温烟气。 6测控系统 本实验台的测控系统主要由三方面组成 1 温度、 压力、 甲烷浓度等参数的监测和记录。 设有 69 个温度测点， 其中 5 个测点采用 Pt100 热电 阻， 用于测量甲烷、 空气、 三通阀温度、 烟气的温度; 64 个测点采用量程为 0 ～ 1 300 ℃ 的 K 型热电偶， 用于 测量蓄热体实验段的温度分布情况， 包括轴向和径向 两个方向。 9 个压力测点， 其中 7 个用于甲烷、 空气、 水、 烟 气的压力测量; 2 个测点用于测量蓄热体实验段的压 力损失。 2 个甲烷浓度传感器， 用于监测进出口通风瓦斯 中甲烷的浓度。另外， 进口模拟通风瓦斯的甲烷浓度 和出口的烟气成分由色谱分析仪进行测量， 色谱分析 仪不在测控系统内。 2 甲烷流量、 空气流量、 水流量以及三通阀的控 制。能够根据反馈的甲烷浓度来调节甲烷流量、 空气 流量; 能够根据设定的周期实现三通阀的自动切换; 流量及阀门的控制分为手动和自动两种方式。 3 监控报警功能。出于安全考虑， 测控系统有 监控报警功能， 如果检测到出口甲烷浓度较高或高温 区温度过低， 能及时报警。 7结语 该实验装置搭建后， 可通过研究其运行参数的影 响掌握其运行规律， 并逐渐对其结果进行优化。经工 业放大后， 可广泛用于煤矿通风瓦斯的处理， 实现通 风瓦斯的减排与利用， 对环境保护意义重大。 参考文献 ［1］周娴， 姜凡， 吕元， 等． 煤矿通风瓦斯处理技术的比较和应用前 景［J］． 洁净煤技术， 2009， 15 4 91- 94． ［2］周娴． 煤矿乏风低浓度甲烷氧化处理实验研究［D］． 北京 中国 科学院工程热物理研究所， 2008． ［3］宁成浩， 陈贵峰． 我国煤矿低浓度瓦斯排放及利用现状分析 ［J］． 能源环境保护， 2005， 19 4 1- 4． ［4］Jianwei Yuan． Effects of air dilution on highly preheated air combustion in a regenerative furnace［J］． Energy ＆ Fuels， 1999， 13 1 99- 104． ［5］张范斌． 浅析蓄热和换热技术［J］． 工业炉， 2003， 25 4 14- 18． ［6］宋婧， 曾令可． 陶瓷蓄热体的研究现状及应用［J］． 中国陶瓷， 2007，43 6 7- 10． ［7］司俊龙， 温治． 陶瓷蜂窝蓄热体内传热与应力应变场的研究现 状及其发展趋势［J］． 工业炉，2007，29 1 13- 16． ［8］王关晴． 往复式热循环多孔介质燃烧系统特性研究与数值模 拟［D］． 杭州浙江大学，2007. ［9］毛莹， 贾力． 高温蓄热换热的实验研究［J］． 工业加热，2005， 34 2 8- 11． ［ 10］柳楷玲． 基于 HTAC 技术的蓄热式高温空气发生器实验研究 ［D］． 长沙 中南大学， 2003． ［ 11］李洪宇． 蓄热室热工特性及优化设计研究［D］． 昆明昆明理 工大学，2005． ［ 12］李昊． 往复式多孔介质燃烧器的试验研究［D］． 杭州浙江大 学，2004． 下转第 108 页 39 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 数的 拟 合 值 的 平 均 相 对 误 差 范 围 为 13. 1～ 18. 2 ， 均较小， 其中秋季最小， 平均相对误差从小到 大依次为夏季、 冬季、 春季， 模型的拟合效果较好。独 立样本的日空气污染指数的预测值的平均相对误差 范围为 18. 6 ～ 28. 3 ， 也较小， 平均相对误差从小 到大依次为秋季、 夏季、 冬季、 春季。独立样本的日空 气污染指数的预测值与真实值的线性相关系数范围 为 0. 833 ～ 0. 852， 均较高， 相关系数从大到小依次为 秋季、 夏季、 春季、 冬季， 表明模型的预测精确度高， 预 报效果好。 通过 ANN 建立模型可以看出， 充分利用神经网 络的记忆、 联想、 自组织、 自学习、 容错等智能功能， 人 工神经网络模型对训练样本数要求不高， 有效地利用 训练数据进行最佳模拟， 得到的预测值可达到一定的 精度要求， 可以大大降低常规监测强度， 提高工作效 率。这在大气污染规划和控制以及环境管理、 政策制 定等方面能起到很好的指导作用。 理论研究和实验分析均表明人工神经网络技术 用于大气污染预测研究是可行的， 而且对大气污染时 间序列的复杂关系有较强的模拟能力， 因而在非线性 时间序列的预报中显示出其独特的优越性， 并将会在 大气污染预报中得到更多的应用。 4结论 1 利用时间序列作为 BP 神经网络的输入， 建立 并优化了 BP 神经网络， 获得了最佳网络参数 最佳 隐含层神经元数为 8， 最佳输入层神经元数为 6， 最优 的传递函数组合为 tansig － 线性函数， 最优的算法为 BP 算法。 2 从模型实验结果看， 模型的拟合效果均较好， 预报值与实际值之间的相对误差小， 预报值与实际值 的相关系数高， 说明通过设置初始权重、 学习率、 动态 系数等参数使基于 BP 神经网络的大气污染预测模 型的精度得到提高， 神经网络在预测大气污染方面有 良好的实用性， 并且模式简单， 必将在未来的空气污 染预报领域中得到广泛的应用。 3为了提高网络的稳定性和泛化效果，还可以 对模型的算法和网络参数做进一步优化。鉴于 BP 神经网络模型对空气污染指数具有良好的预报效果， 可推广应用于大气污染物的浓度预报， 但该方法是否 适用， 能否应用于大气污染物浓度的逐时预报， 还有 待进一步研究。 参考文献 ［ 1］刘罡． 大气污染物浓度的非线性预报与混沌控制研究［D］． 北 京 中国科学院大气物理研究所， 1999 12- 25． ［ 2］刘长青， 张峰， 程丽华， 等． 一体化 A － mO － n 工艺 BP 神经网络 数学模型研究［J］． 环境工程， 2009， 27 5 56- 59． ［ 3］邹志红， 王学良． 基于随机样本的 BP 模型在水质评价中的应用 ［J］． 环境工程， 2007， 25 1 69- 71． ［ 4］张晓丹， 黄朝君， 徐菡， 等． 基于 RBF 神经网络的湖库水质富营 养化程度评价模型［J］． 环境工程， 2007， 25 2 80- 82． ［ 5］曾维华， 陈荣昌， 施涵， 等． 基于人工神经网络的行业无害化生产 能力评价模型研究［J］． 环境工程， 2003， 21 6 70- 72． ［ 6］罗先香， 杨建强． 径向基函数网络在水环境质量评价分区中的应 用［J］． 环境工程， 2000， 18 6 50- 52． ［ 7］李祚泳． B － P 网络用于水质综合评价方法的研究［J］． 环境工 程， 1995， 13 2 51- 53． ［ 8］王李管， 贾明涛． 水质评价及预测的神经网络方法［J］． 环境工 程， 1998， 16 2 62- 65． ［ 9］崔玉波， 霍明昕． 改进的 B － P 网络在大气环境质量综合评价中 的应用［J］． 环境工程， 1998， 16 2 66- 68． 作者通信处郭庆春710068陕西省西安市含光北路 32 号陕西 广播电视大学教务处 E- mailgqc ieecas． cn 2010 － 11 － 08 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 93 页 ［ 13］冯润棠， 刘百宽． 高性能蓄热体的研制及应用［J］． 工业炉， 2004，26 6 51- 54． ［ 14］钟水库． 蜂窝型陶瓷蓄热体换热器的热动态特性实验研究 ［J］． 工业加热，2006，35 4 35- 37． ［ 15］王皆腾， 祁海鹰． 蜂巢蓄热体换热性能的实验研究［J］． 工程 热物理学报，2003，24 5 897- 899． ［ 16］曹小玲， 苏明． 高温空气发生器实验台的研制［J］． 太阳能学 报，2004，26 3 391- 395． ［ 17］曹小玲， 蒋绍坚． 高温空气发生器热态实验研究［J］． 中国电 机工程学报，2005，25 2 109- 113． ［ 18］郑彦民． 高温空气发生器试验研究与高温空气气化器设计 ［D］． 长沙中南大学， 2004． 作者通信处吕元100190北京市海淀区北四环西路 11 号工程热 物理研究所 E- mailluyuan305 mails． gucas． ac． cn 2010 － 10 － 18 收稿 801 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期