[发明专利]一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备及其方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备及其方法。 

背景技术：

随着国民经济的迅猛发展，中国面临资源匮乏与环境恶化的双重压力，低品位资源的有效利用已经成为紧迫的国家重大需求。我国以甲烷为主要成分的煤层气资源丰富，但利用率尚不到10％。而且由于未将煤矿矿井中的煤层气及时抽出，导致重大矿难频频发生，造成大量人员伤亡。即使有些矿井通风良好，但矿井乏风气中低浓度甲烷所含有的大量化学能未能得到有效利用。同时，由于甲烷的温室效应约为等量二氧化碳的21倍，直接排放到大气中加剧了温室效应。随着国家节能减排目标责任制度的落实，煤层气或矿井乏风气中低浓度甲烷的利用愈加迫切。相比过去，目前的CDM机制也为煤层气开发提供了实现可观经济效益的可能。因此，开发对低浓度煤层气或煤矿通风气的高效、清洁利用技术，对于节能减排和煤矿安全生产均具有重要意义。 

煤矿矿井乏风气中的低浓度甲烷极少被回收利用，一方面是因为乏风气中甲烷浓度较低，通常低于1％，而甲烷浓度低于4.5％就不能被点燃或维持燃烧，除非环境温度超过1000℃。因此传统的技术无法处理矿井乏风气中的甲烷来取得热量。其次工作面的变化，导致乏风气的流量和甲烷浓度频繁变化也为瓦斯的利用增加了难度。因此需要设计高度集成的反应器和操作模式，才能保证反应自热进行和热量的有效利用。流向变换催化燃烧技术将预热、反应和热量回收三个部分集成在一个设备内，与传统的固定床催化燃烧技术相比，实现了催化燃烧与热回收的高效集成，使催化燃烧流程简化，设备投资和操作费用大大降低，是国际上公认的过程高效耦合与强化反应的动态操作技术。由于热回收率非常高，能维持自热操作的可燃物浓度也可以降至传统催化燃烧技术的大约1/10，特别适用于煤矿通风气一类的含低浓度可燃物的矿井乏风气。而且，由于气固两相的体积热容量相差很大，使这一过程的抗干扰能力较强，反应器具有比定态操作更大的操作弹性。即使原料气浓度和流量在一定范围内频繁波动，系统也能维持正常操作。作为一种新型的固定床反应器非定态操作技术，流向变换催化燃烧的概念虽然早在1938年就由Cottrell提出，但是只有在Boreskov和Matros等于70年代到80年代之间尝试对其进行数学描述，并把实验研究和商业应用结合起来之后，才使其显示出强大的生命力。此后，许多国家的研究单位和大学都开展了这方面的研究，期间有大量文章发表。近年来，国外已有一些工业化装置，采用流向变换催化燃烧技术来处理含挥发性有机物(VOCs)的废气。如1989年Kemerovo在树脂生产时所排放的含甲醇、苯酚、甲醛废气治理；1991年Navoi在水中和容器后所排放的含丙烯腈、氰酸、乙醛、乙酸等工业废气的治理等，都采用流向变换催化燃烧技术进行治理。

本项发明的特点在于将流向变换催化燃烧技术用于煤矿乏风气制热，以回收低浓度甲烷的燃烧热以及通过对甲烷的燃烧处理，保护环境。 

发明内容：

本发明的目的是开发一种采用流向变换催化燃烧技术来处理矿井乏风气中的低浓度甲烷，以达到能源的充分利用和保护环境。 

本发明提供的一种处理煤矿矿井乏风气中低浓度甲烷的设备，其特征在于：该设备包括有两台催化反应器，一台换热器，两组周期性自动启闭换向的气动三通阀，以及一台抽风机；每组周期性自动启闭换向的气动三通阀由一个进气气动三通阀和一个出气气动三通阀组成； 

其中催化反应器从下至上构造为：底部装载蜂窝陶瓷蓄热填料，中间段为催化剂，顶端为电加热管； 

该设备依次为进气管，进气管连接所述两组周期性自动启闭换向的气动三通阀的2个进气气动三通阀，2个进气气动三通阀分别跟两台催化反应器的底部连接；两台催化反应器的底部再连接所述两组周期性自动启闭换向的气动三通阀的2个出气气动三通阀；2个出气气动三通阀连接出气管一端，出气管另一端与抽风机相连；两个催化反应器顶端同时与换热器连接。 

进一步，在进气管处设置一个自动补气的气动阀或电磁阀。 

应用所述设备进行处理矿井乏风气低浓度甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：