一种旋风式煤矿乏风催化氧化反应器制造技术

一种旋风式煤矿乏风催化氧化反应器，属于超低浓度甲烷催化氧化技术领域。包括：进、排气系统、预热系统、反应系统、管路系统及测控系统。乏风在预热器中进行预热后，以蜗壳切向进入方式进入第一反应器中，气体沿反应器内壁由上向下作旋转运动时，与涂覆在反应器内壁上的催化剂进行反应，生成CO2和H2O，同时，乏风中的尘粒沿反应器内壁落入灰斗得到净化，反应后的高温气体又沿轴心向上旋转，最后经排气管排出并进入到第二反应器中，气体在第二反应器中发生同样的反应，并释放大量的热，往复交替，实现了装置的自维持。本发明专利技术可以处理浓度在0.1％-5％的乏风，最大处理量可达1000m3/h，气体流速可达0.35m/s，该反应器的工作温度最高可达1000℃，其去除率达到80％以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种旋风式煤矿乏风催化氧化反应装置，属于超低浓度甲烷氧化

技术介绍
煤矿乏风是主要的瓦斯工业排放源之一，目前，全世界因煤矿开采每年排入大气中的CH4总量为2500万t，其中70 %(中国为90%)来自煤矿乏风(VAM)。甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体，单位质量的甲烷对大气温室效应的影响相当于同质量二氧化碳的21倍，将CH4直接排放到大气中，不仅造成了有限的不可再生资源的严重浪费，而且加剧了温室效应，造成大气污染。由于国家大政策及节能降耗明确任务指标的下达，国家煤矿企业面临着节能降耗的巨大压力，煤矿乏风的利用变得尤为重要。煤矿乏风排量大、瓦斯浓度低以及浓度不稳定，这些特点决定了煤矿乏风瓦斯很难利用传统燃烧器在没有辅助燃料的情况下直接进行燃烧。目前，热逆流催化氧化技术(Catalytic Flow-Reversal Reactor,CFRR)是实现煤矿乏风低浓度甲烷有效回收利用的主要技术之一。CFRR能够使甲烷在催化剂表面进行低温氧化，其工作原理是，首先对装置进行预热(电加热或是通过燃烧器输送高温烟气，预热完成后控制阀开启，常温下的煤矿乏风进入装置并在流动方向上不断升温，到达中部催化剂区域时温度达到自燃条件开始氧化，反应后的高温气体继续流动，不断放热给出口侧的蓄热区，出口侧的蓄热区温度会不断升高，同时入口处蓄热区被通入的常温VAM逐渐冷却，一段时间后切换控制阀，煤矿乏风的流动方向改变，不断重复以上过程，不再需要额外输入热量即可自发维持运行。反应产生的热量除了维持自运行之外，可以被抽取出来产生蒸汽或热水，用来发电或者供热。目前，国内外对CFRR技术的应用仅限于实验室阶段，通过查阅文献，总结了目前CFRR装置仍需解决的问题:(I)如何实现装置的自维持；(2) CFRR的氧化床由大量的蜂窝陶瓷构成，蜂窝陶瓷在长期使用后会发生开裂、破碎和堵塞等问题，需定时更换，维修成本高；(3)单一的反应器使得气体的停留时间过短，从而导致气体反应不充分；(4)煤矿乏风中含有大量的灰尘，如果不对气体进行除尘净化，不仅会对催化剂造成污染，降低催化剂活性，还会影响周围的大气环境。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种旋风式煤矿乏风催化氧化装置，它解决了现有矿井乏风直接排放到大气中存在的能源浪费和环境污染等问题，并达到资源化利用的效果。其技术方案为:—种旋风式煤矿乏风催化氧化装置，包括进，排气系统、预热系统、反应系统、管路系统及测控系统。其特征在于:进气系统包括进气管和进气渐扩管，排气系统包括排气管、出气渐缩管及引风机。出气由引风机抽取出来。进气渐扩管穿过预热器保温层与预热器连接，出气渐扩管穿过预热器保温层与预热器连接。预热系统包括预热器、保温层、进气渐扩管、第一乏风出口、废气入口、第二乏风出口、废气出口组成。乏风入口、第一乏风出口、第二乏风出口及废气入口都穿过预热器保温层与预热器连接。预热器由电加热棒、列管式换热器和气体控制阀组成。预热器由电加热棒进行加热，乏风进入到预热器，经过列管式换热器进行预热。第一阶段，经加热后由第一乏风出口进入到反应器系统中，第二阶段，乏风经第二乏风出口进入到反应系统中，反应后的废气都由废气出口进入到预热器，最后，经换热降温的废气由废气出口排放到大气中。反应系统由第一反应器和第二反应器串联组成。第一反应器和第二反应器的结构相同，由进气口、气体分布板、壳体、真空夹层、催化剂、圆柱体、锥体、储灰斗和出气口组成。预热乏风经气体分布板后，以蜗壳切向进入式进入到反应器内，气体沿反应器内壁由上向下作旋转运动，并与涂覆在反应器内壁上的催化剂进行反应，生成0)2和H2O,并释放大量的热。同时，乏风中的尘粒在离心力作用下逐步移向反应器的内壁，到达内壁上的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入灰斗。反应后的气体到达锥体底部后，转而向上沿轴心旋转，经排气管从反应器顶部排出。反应器外壳和催化剂之间是真空夹层，防止热量的散失，起到保温的作用。管路系统由第一乏风进气管、第一乏风出气管、第二乏风进气管、第二乏风出气管、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀及第五电磁阀组成。每个电磁阀连接着3条管路，控制着气体的流动方向。测控系统包括进气管上的第一温度传感器、第一压力传感器、第一浓度传感器及流量计，分别用于测量进气的温度、压力、浓度及流量；安装在第一乏风进气管上的第二温度传感器，用于测量进入第一反应器的烟气温度；安装在第一反应器上的第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器，用于测量反应中的气体在反应器不同位置的温度；安装在第一乏风出气管上的第二压力传感器、第六温度传感器及第二浓度传感器，用于测量第一反应器出气的压力、温度及甲烷含量，可以计算出甲烷经过第一反应器后的转化率；安装在第二反应器进气管上的第七温度传感器，用于测量进入第二反应器的气体的温度；安装在第二反应器上的第八温度传感器、第九温度传感器、第十温度传感器，用于测量气体在第二反应器不同位置的温度；安装在第二乏风出气管上的第三浓度传感器、第三压力传感器及第十一温度传感器，用于测量第二反应器出口气的甲烷浓度和气体压力及甲烷含量；安装在出气管上的第十二温度传感器，测量排放到大气中的废气的温度。所述的第一、第二、第三压力传感器，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第一、第十二温度传感器，第一、第二、第三浓度传感器及流量计的输出端通过信号线与测控单元相连，调节阀的控制端通过信号线与测控单元相连。所述的旋风式煤矿乏风催化氧化反应器，反应室由进气管、筒体、锥体和排气管组成。反应器外壳和催化剂之间是真空夹层，防止热量的散失，对反应器起到保温的作用。反应器由耐高温不锈钢制成，内壁涂耐磨涂层，既可以耐高温，又可以减小尘粒对反应器的磨损。将催化剂直接涂敷在反应器内壁，而不使用蜂窝陶瓷等载体，减少了反应器的承重，降低反应器的制作成本及加工难度，从而避免了因堵塞和定期更换蜂窝陶瓷带来的维护费用。反应器内部无运动部件或传动机构，便于管理、维护费用低。反应器为立式，由支架支撑。所述的旋风式煤矿乏风催化氧化反应器，进气方式为蜗壳切向进入式，进气管内壁与筒体相切，外壁采用渐开线形式，渐开角为180°。蜗壳式入口形式易于增大进口面积，进口处有一环状空间，使进气距桶体外壁更近，有利于增大气体和催化剂的接触面积，还有利于粒子的分离。另外，蜗壳式进气还减少了进气流与内涡旋气流的相互干扰，使进口压力降减小，直入式进口管设计与制造方便，且性能稳定。所述的旋风式煤矿乏风催化氧化反应器，第一乏风进气管、第一乏风出气管、第二乏风进气管、第二乏风出气管与第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀及第五电磁阀相互连接。每个电磁阀连接着3条管路，控制着气体的流动方向。第一阶段，乏风经第一进气管后依次通过第一、第二、第三、第四、第五电磁阀，最终由第二乏风出气管进入到预热器；第二阶段，乏风经第二乏风进气管，并依次通过第三、第四、第一、第二、第五电磁阀，最终由第二乏风出气管进入到预热器。通过5个电磁阀同时作用，可以有效控制气体的进气方向和在反应器内的流动方向及调节切换时间，从而实现装置的自维持。所述的旋风式煤矿乏风催化氧化反应器，第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋风式煤矿乏风催化氧化装置，包括进，排气系统、预热系统、反应系统、管路系统及测控系统；其特征在于：进、排气系统包括引风机(1)、出气管(2)、进气管(6)、进气渐扩管(5)和废气出口(50)；预热系统包括预热器(3)、保温层(4)、进气渐扩管(5)、第一乏风出口(11)、废气入口(47)、第二乏风出口(49)、废气出口(50)组成；预热器(3)内部由加热系统、列管式换热器和气体控制阀组成；第一阶段，气体经加热后由第一乏风出口(11)进入到反应系统中，第二阶段，乏风经第二乏风出口(49)进入到反应系统中，阶段一和阶段二反应后的废气由废气出口(50)进入到预热器，经换热降温的废气由废气出口(50)排放到大气中；反应系统由第一反应器(20)和第二反应器(32)组成；第一反应器(20)和第二反应器(32)的结构相同，由进气口(25)、气体分布板(14)、壳体(26)、真空夹层(27)、催化剂(28)、圆柱体(29)、锥体(30)、储灰斗(31)和出气口(53)组成；预热乏风经气体分布板(14)后，以蜗壳切向进入式进入到反应器内，气体沿反应器内壁由上向下作旋转运动，即外涡旋(60)，同时，气体与涂覆在反应器内壁上的催化剂(28)进行反应，生成CO2和H2O，并释放热；同时，乏风中的尘粒在离心力作用下逐步移向反应器的内壁，达到内壁上的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落入储灰斗(31)；反应后的气体到达锥体底部后，转而向上沿轴心旋转，即内涡旋(59)，并经排气管从反应器顶部排出；反应器壳体(26)和催化剂(28)之间是真空夹层(27)；管路系统由第一乏风进气管(12)、第一乏风出气管(19)、第二乏风进气管(45)、第二乏风出气管(36)、第一电磁阀(13)、第二电磁阀(42)、第三电磁阀(41)、第四电磁阀(43)及第五电磁阀(46)组成；每个电磁阀连接着3条管路，控制着气体的流动方向；测控系统包括进气管(6)上的第一温度传感器(7)、第一压力传感器(8)、第一浓度传感器(9)及流量计(10)，分别用于测量进气的温度、压力、浓度及流量；安装在第一乏风进气管(12)上的第二温度传感器(15)，用于测量进入第一反应器的烟气温度；安装在第一反应器上的第三温度传感器(21)、第四温度传感器(22)、第五温度传感器(23)，用于测量反应中的气体在反应器不同位置的温度；安装在第一乏风出气管(19)上的第二压力传感器(16)、 第六温度传感器(17)及第二浓度传感器(18)，用于测量第一反应器出气的压力、温度及甲烷含量，可以计算出甲烷经过第一反应器后的转化率；安装在第二反应器进气管上的第七温度传感器(24)，用于测量进入第二反应器的气体的温度；安装在第二反应器上的第八温度传感器(33)、第九温度传感器(34)、第十温度传感器(35)，用于测量气体在第二反应器不同位置的温度；安装在第二乏风出气管(36)上的第三浓度传感器(37)、第三压力传感器(38)及第十一温度传感器(39)，用于测量第二反应器出口气的甲烷浓度和气体压力及甲烷含量；安装在出气管(2)上的第十二温度传感器(48)，测量排放到大气中的废气的温度；所述的第一、第二、第三压力传感器，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二温度传感器，第一、第二、第三浓度传感器及流量计的输出端通过信号线与测控单元(40)相连，调节阀的控制端通过信号线与测控单元相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：竹涛，和娴娴，陈锐，夏妮，李冉冉，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11