專利名稱：低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能源利用和環(huán)境保護技術領域，是一種低濃度瓦斯氣切換 催化反應穩(wěn)定運行的方法。
背景技術：
煤炭作為一種重要的能量來源，其開采過程中會產(chǎn)生大量瓦斯氣體 (甲烷)。每年我國都發(fā)生多起煤礦瓦斯爆炸事故，它嚴重威脅煤礦的安 全生產(chǎn)，為了提高煤礦生產(chǎn)的安全性，通常采用大量通風來排放煤礦瓦斯。
世界范圍內(nèi)煤礦甲烷(coal mine methane(C醒))排放大約是人類排放甲 烷的10%。我國煤礦開采過程中每年向大氣排放的甲烷量達194億m、 約占世界采煤排放甲烷總量的1/3，其中90%是以礦井通風氣形式排入大 氣，這部分瓦斯排放相當于每年2000萬噸左右標準煤被白白浪費。
另外，礦井排風中含有大量的甲烷氣體，其對溫室效應的貢獻僅次于 二氧化碳的排放，但甲烷(瓦斯氣)的溫室效應是C02的21倍。甲烷是一 種短壽命的氣體，在大氣中滯留的時間只有8—12年，而二氧化碳則超過 200年，與甲烷有關的氣候變暖是在其散發(fā)后幾十年內(nèi)完成的，而二氧化 碳則在幾百年內(nèi)逐漸實現(xiàn)。
盡管我國礦井通風系統(tǒng)排放的甲垸(礦井通風瓦斯)是礦井中總的甲 烷含量的90%，但由于其中甲烷濃度低于1%，有效利用相當困難，目前 絕大部分礦井通風瓦斯被直接排入大氣中。如果能利用這部分資源，將產(chǎn) 生巨大的溫室氣體減排量，如果有適當?shù)姆椒▉砝眠@部分資源產(chǎn)生的能 量，從節(jié)能的角度考慮也具有重要的意義，能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社
會效應。因此礦井通風瓦斯的綜合利用不僅可以提高煤礦生產(chǎn)的安全性， 而且具有利用清潔能源，減排溫室氣體的效益。礦井通風瓦斯的綜合利用 主要有民用、發(fā)電、燃料、化工等方面。
對于高濃度甲烷濃度的煤層氣，目前己具備了成熟的提純和回收轉化 利用技術。而對于礦井通風瓦斯來說，由于低的甲垸濃度，目前還沒有實 現(xiàn)工業(yè)化。
由于一般情況下甲烷的可燃濃度范圍在5.0 15.0%，因此，傳統(tǒng)的 燃燒過程不能使瓦斯氣氧化，低濃度下的燃燒要么需要高溫，要么采用催
化等方式來實現(xiàn)。因此礦井通風瓦斯的轉化利用主要通過兩種方式直接
燃燒OIOOO'C)和催化燃燒(400-600'C)。國外目前由MEGTECH公司開 發(fā)出的主要用于揮發(fā)性有機物脫除的VOCSIDIZER系統(tǒng)上實現(xiàn)了低濃度瓦 斯氣燃燒的工業(yè)示范，它是一種熱流向變換反應器，基于高溫直接燃燒原 理工作。對于甲烷濃度低于1。/。的低濃度瓦斯氣，要求環(huán)境溫度維持在 1000'C以上，這就需要另外的熱源。它需要通過另外附加的燃料或電熱等 來維持燃燒，否則不能發(fā)生。實際的實驗運行中，這種技術是通過較多的 另外的燃料來維持燃燒的，這樣就由于大量的外部燃料的使用使得成本上 升。而催化燃燒由于所需的反應能量較少，燃燒反應溫度低，可維持在較 低的溫度下，其點火溫度比直接燃燒低了幾百度，反應相對容易發(fā)生，同 時具有低N0x排放等優(yōu)點。無論從經(jīng)濟性還是環(huán)境友好的角度考慮，催化 燃燒低濃度瓦斯氣都是一種比較好的方式。
對于研究的催化流轉式反應器(Catalytic Flow-Reversal Reactor, CFRR)、整體催化燃燒器(Catalytic monolith combustor， CMR)等， 都需要采用蓄熱塊或回流加熱等方式對氣體預熱，以達到催化劑系統(tǒng)的起 燃溫度，使反應器啟動。啟動之后，便可由甲烷燃燒自身放出的熱量維持 反應器連續(xù)運行。但由于實際礦井中的低濃度瓦斯氣中甲烷的濃度是不穩(wěn) 定的，它在一個范圍內(nèi)變化，因此如果只是隨意的將通入反應器的低濃度 瓦斯氣都進行催化燃燒，那么反應的溫度就會也產(chǎn)生波動，而催化劑是在 一定的溫度范圍內(nèi)工作的，超出了它的最佳溫度工作范圍，就可能不能起 燃或發(fā)生催化劑失活及毀壞等嚴重問題。 專利公開號為CN 1718274A的專利中給出了催化劑的制備方法，但沒 有給出詳細的低濃度瓦斯氣消除和利用的具體操作處理方法，還不能直接 用于煤礦通風中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方 法，結合性能良好的催化劑，實現(xiàn)煤礦礦井通風中低濃度瓦斯被運行穩(wěn)定 的催化燃燒反應器消除和利用。
為達到上述目的，本發(fā)明低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法 的技術解決方案是，將低濃度瓦斯氣通過具有反饋系統(tǒng)的流向變化催化燃 燒反應器發(fā)生催化燃燒反應，產(chǎn)生熱量。為了維持反應的穩(wěn)定運行，產(chǎn)生 的熱量通過閥門的切換同時作為熱源用來加熱反應器。由于實際礦井中的 低濃度瓦斯氣中甲烷的濃度是不穩(wěn)定的，它在一個范圍內(nèi)變化，因此如果 只是隨意的將通入反應器的低濃度瓦斯氣都進行催化燃燒，那么反應的溫 度就會也產(chǎn)生波動，而催化劑是在一定的溫度范圍內(nèi)工作的，超出了它的 最佳溫度工作范圍，就可能會不能起燃或發(fā)生催化劑失活及毀壞等嚴重問 題。因此為了維持反應的穩(wěn)定以免反應不能順利進行和溫度變化毒害催化 劑，本發(fā)明通過對反應器進口濃度和反應器溫度的實時測量得到信號，將 信號輸送到信號處理和控制系統(tǒng)，對比信號和優(yōu)化反應運行參數(shù)，然后將 控制信號發(fā)送到輔助管路入口控制系統(tǒng)或高溫換熱調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。當溫度 在正常運行范圍內(nèi)時，維持原來的運行。當溫度偏離設計值時，如果溫度 偏高，調(diào)節(jié)高溫換熱器控制單元，加大高溫換熱的強度，使得催化燃燒器 溫度降低；如果溫度偏低，可打開煤礦中高濃度煤層氣的閥門來維持燃料 濃度而使得反應能夠在一定溫度下順利進行。
所述的低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法，其在一個方向的 流程中，燃氣和空氣依次流經(jīng)一蓄熱體、 一催化燃燒反應器、高溫換熱器、 另一催化燃燒反應器、另一蓄熱體、低溫換熱器、燃氣出口。
所述的低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法，其當催化燃燒器 啟動后，在流向切換過程中，當燃料和空氣從其中的一個方向流動在催化
燃燒反應器發(fā)生反應時，加熱其后面的蓄熱體，蓄熱體用來預熱下一個切 換過程中從另外一個方向過來的燃料和空氣。
所述的低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法，其在兩個催化燃 燒反應器中間，具有高溫換熱裝置，該裝置除了具有換熱的功能，同時通 過反饋系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，還具有調(diào)節(jié)催化燃燒反應器工作溫度的作用。
所述的低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法，其所述流向切 換，是在前一個過程結束后，經(jīng)過一段時間的運行，當溫度達到設計的最 高值時，關閉原開啟的閥門，打開原關閉的閥門，切換流向，進入后一 個 過程，往復循環(huán)進行。
所述的低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法，其所述溫度的最
高值為580 600'C。
原則上，換熱器可以設計在反應器的任何部位，但設置在高溫區(qū)可以 更方便的調(diào)節(jié)反應器的溫度。本發(fā)明方法中設計高溫、低溫兩種換熱器， 高溫換熱器放置在反應的高溫區(qū)，也就是反應器的中間部分，而低溫換熱 器設置在煙氣出口來吸收廢熱。同時對高溫換熱器進行測量和調(diào)節(jié)控制， 通過換熱介質的流量來調(diào)整蓄熱器的溫度。
本發(fā)明方法簡單易行，實現(xiàn)了煤礦礦井通風中低濃度瓦斯的消除和利 用，提高了煤礦開采的安全性。


圖1為本發(fā)明低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法所用設備 的結構及流程示意圖。
具體實施例方式
下面通過實施例來說明。 實施例1
如圖1所示，為本發(fā)明低濃度瓦斯氣切換催化反應穩(wěn)定運行的方法所
用設備的結構及流程示意圖，其中，1為低濃度瓦斯氣進口， 2為高濃度 煤層氣的閥門，3為信號采集及控制系統(tǒng)，4、 5、 6、 7為切換閥門，8、 11為蓄熱器，9、 10為催化燃燒反應器，12為高溫換熱器，13、 14、 15 為溫度信號采集單元，16為濃度信號采集單元，17為高濃度煤層氣的閥 門控制單元，18為高溫換熱器控制單元，19為低溫換熱器，20為煙氣出 口， 21為熱能利用單元，按常規(guī)連接。催化燃燒反應器9、 10，使用專利
發(fā)明者張哲巔, 張永生, 溫雨鑫, 岳 王, 穆克進, 肖云漢 申請人:中國科學院工程熱物理研究所