矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统.pdf

本发明涉及一种矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，属于低浓度甲烷逆流氧化技术领域。其热风产生与调节系统由风机、流量调节阀、空气进风口、燃烧器、热风温度调节室、热电偶和超高温阀门组成，安装在氧化装置本体的外部。热风分配总管置于氧化装置本体内部中心部位，插在陶瓷蓄热体的孔内，其入口端通过超高温阀门相连。热风分配总管的两侧连接着多个热风分配支管，热风分配支管插在陶瓷蓄热体的孔内。启动时，燃烧器产生的高温气体与风机输送的空气在热风温度调节室混合，经过温度调节后经过热风分配总管、热风分配支管对蓄热陶瓷进行加热。具有可靠性高、造价低、容易维修、燃料灵活、用电负荷小等优点，并提高了氧化装置运行稳定性。

1.  一种矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，包括热风产生与调节系统、热风分配系统两大部分，其特征在于：热风产生与调节系统包括风机(1)、流量调节阀(2)、空气进风口(3)、燃烧器(4)、热风温度调节室(5)、热电偶(6)和超高温阀门(7)，安装在氧化装置本体的外部，风机(1)经过流量调节阀(2)与空气进风口(3)相连，空气进风口(3)套在燃烧器(4)的燃烧头上，并与热风温调节室(5)连通，热风分配系统包括热风分配总管(8)和多个热风分配支管(10)，其中热风分配总管(8)置于氧化装置本体内部的中心部位、插在陶瓷蓄热体(12)的孔(25)内，其入口端通过超高温阀门(7)与热风温度调节室(5)相连通，多个热风分配支管(10)分居热风分配总管(8)的两侧、插在陶瓷蓄热体(12)的孔(26)内，与热风分配总管(8)相连。

2.  根据权利要求1所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，其特征在于：热风分配总管(8)经总管支架(13)安装在孔(25)内，其外壁与陶瓷蓄热体(12)之间留有间隙。

3.  根据权利要求1所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，其特征在于：热风分配支管(10)的管壁上均匀分布着许多小孔(27)，并经支管支架(11)安装在孔(26)内，其外壁与陶瓷蓄热体(12)之间留有间隙。

4.  根据权利要求1所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，其特征在于：热风温度调节室(5)上插有热电偶(6)。

5、  根据权利要求1所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，其特征在于：氧化装置本体为设有保温层(9)的陶瓷蓄热体(12)。

矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统
技术领域
本发明涉及一种矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，属于低浓度甲烷逆流氧化技术领域。
背景技术
煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，是优质洁净的气体能源，但同时也是煤矿生产中最大的安全隐患。为了提高煤矿生产的安全性，通常采用大量通风来排放煤矿瓦斯(称为矿井乏风)。几乎所有的煤矿没有尝试回收和处理矿井乏风中的甲烷，而直接将其排放到大气之中，这不仅造成能源的巨大浪费，而且对大气环境造成了严重的污染。甲烷是一种温室气体，以100年计的甲烷温室效应是二氧化碳的21倍。目前，全球每年通过乏风排放的甲烷总量估计为152亿m³，而中国每年通过乏风排放的甲烷达91亿m³，是甲烷的最大工业排放源。矿井通风瓦斯具有以下三个特点：(1)风排量巨大，一个典型矿井主排风口的通风量为100-250m³/s；(2)瓦斯浓度一般小于1％；(3)瓦斯浓度波动范围大。这些特点决定了矿井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，有效利用矿井乏风瓦斯的方法是逆流氧化技术。逆流氧化技术按照氧化机理可分为热逆流反应器和催化逆流反应器两种。这两种反应器的基本工作原理和构造大体相同，主要区别是催化逆流反应器使用了氧化催化剂，降低了瓦斯氧化所需要的温度，但是也大幅度增加了设备成本和维护费用。MEGTEC公司采用热逆流反应器(VOCSIDIZER)处理矿井乏风中的甲烷，并回收其能量。VOCSIDIZER采用气体和热交换介质固体床之间的再生热交换原理，首先用电加热器将热交换介质固体床(蜂窝陶瓷)加热到1000℃左右，矿井乏风以一个方向流入和通过反应器，气体被蓄热陶瓷加热，温度不断提高，直至甲烷氧化。然后，氧化的热气体继续向床的另一边移动，把热量传递给蓄热陶瓷而逐渐降热。随着气体的不断进入，反应床入口一侧温度逐渐降低，出口侧温度逐渐升高。在入口侧没有足够的热量将气体加热到氧化温度以前，开始换向，气体流动发生反转。该反应器的关键是要将送入反应器中的气体不断变换运动方向，使进气在蓄热器中吸热升温，以保证氧化过程的自维持。我国开发的“煤矿乏风甲烷氧化装置”(200620081956.X)，其原理与VOCSIDIZER基本相同。上述的几种逆流氧化装置都是采用电加热启动方法，加热元件为电热体合金电热丝，埋在氧化床中部的蓄热陶瓷内。启动时通电加热，达到甲烷氧化反应温度后停止加热，靠甲烷氧化反应放出的热量进行自维持。但这种加热方式存在以下缺点：(1)在电加热器停止加热后，电加热器长期处于具有氧化氛围的高温区中，电热丝容易氧化变脆，甚至断裂，失去再次启动的功能；(2)电热丝直接埋在陶瓷蓄热体内，电加热丝表面温度比周围陶瓷蓄热体高100℃以上，会造成陶瓷蓄热体局部热应力过大，降低陶瓷蓄热体寿命；(3)电热丝维修和更换不方便；(4)单台氧化装置电加热器的功率为数百千瓦，增大了煤矿用电负荷。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述电加热启动的缺点，创新研制和提供一种矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统。其技术方案为：
包括热风产生与调节系统、热风分配系统两大部分，其特征在于：热风产生与调节系统包括风机、流量调节阀、空气进风口、燃烧器、热风温度调节室、热电偶和超高温阀门，安装在氧化装置本体的外部，风机经过流量调节阀与空气进风口相连，空气进风口套在燃烧器的燃烧头上，并与热风温调节室连通，热风分配系统包括热风分配总管和多个热风分配支管，其中热风分配总管置于氧化装置本体内部的中心部位、插在陶瓷蓄热体的孔内，其入口端通过超高温阀门与热风温度调节室相连通，多个热风分配支管分居热风分配总管的两侧、插在陶瓷蓄热体的孔内，与热风分配总管相连。
所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，热风分配总管经总管支架安装在孔内，其外壁与陶瓷蓄热体之间留有间隙；热风分配支管的管壁上均匀分布着许多小孔，并经支管支架安装在孔内，其外壁与陶瓷蓄热体之间留有间隙。
所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，热风温度调节室上插有热电偶。
所述的矿井乏风瓦斯氧化装置的加热启动系统，氧化装置本体为设有保温层的陶瓷蓄热体。
其工作原理为：启动时，首先打开矿井乏风瓦斯热逆流氧化装置的配风装置，使使氧化装置本体内部中心部位的风压维持在±100kPa内。打开流量调节阀和超高温阀门，启动风机，空气经过空气进风口进入热风温调节室。开启燃烧器，燃烧器产生的高温气体与风机输送的空气在热风温调节室内混合。混合后的热气体经过超高温阀门进入热风分配总管，然后再进入各个热风分配支管，通过热风分配支管管壁上的孔进入陶瓷蓄热体，对陶瓷蓄热体进行加热，以使混合气体的温度与设定的目标温度一致。当位于氧化装置陶瓷蓄热体中心部位的热电偶采集的温度达到预定值(如1000℃)时，依次关闭燃烧器、超高温阀门、风机和流量调节阀，至此，启动过程完成，氧化装置在控制系统的控制下自动运行。
在氧化装置运行过程中，当陶瓷蓄热体中心部位的温度过低时，打开流量调节阀和超高温阀门，启动风机和燃烧器，向热风分配系统输送热风，对中心部位的蓄热陶瓷进行辅助加热，以维持氧化反应。当陶瓷蓄热体中心部位的温度达到正常工作值时，停止加热，依次关闭燃烧器、超高温阀门、风机和流量调节阀。
在氧化装置运行过程中，当陶瓷蓄热体中心部位的温度过高时，打开流量调节阀和超高温阀门，启动风机，向热风分配系统输送冷空气，对中心部位的蓄热陶瓷进行冷却，以保证正常的工作温度。
本发明的主要优点和有益效果是：
(1)采用燃烧器外部加热，对加热系统的要求低，降低了成本，维护方便。热风分配总管和热风分配支管可以采用耐高温的陶瓷制成，可以长期置于高温区内，可靠性高。燃烧器产生的高温气体用空气在热风温度调节室内温度调节，调节后的温度恒定，容易控制，避免了因加热系统产生的高温对氧化床造成的破坏，延长了氧化床的寿命。
(2)在煤矿开采过程中，矿井乏风中的瓦斯浓度会发生波动。在氧化装置运行过程中，氧化床中心部位的温度在一定程度上也会随着乏风瓦斯浓度波动而波动。如果氧化床中心部位温度过低，加热系统可以在控制系统的控制下自动对氧化床进行辅助加热；如果氧化床中心部位温度过高，控制系统自动启动加热系统的风机，向氧化床内输送冷风，抑制高温。这样就可以使氧化床中心的温度保持在一定范围内，提高氧化装置运行的稳定性。
(3)本系统可以矿井现场实际情况选用各种燃料的燃烧器，燃料包括浓瓦斯、天然气、液化石油气、汽油和柴油等，燃料选用灵活。
(4)该加热启动系统消耗电能较少，降低了用电负荷。
(5)本加热启动系统不仅具有可靠性高、造价低、容易维修、燃料灵活、用电负荷小等优点，提高了设备运行的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是图1所示实施例的局部A-A剖示图。
图3是图1所示实施例中的B-B剖示图。
图4是图1所示实施例中热风分配支管横截面局部剖示图。
图中：1、风机  2、流量调节阀　3、配风口　4、燃烧器　5、热风温度调节室　6、热电偶　7、超高温阀门　8、热风分配总管　9、保温层　10、热风分配支管　11、支管支架　12 陶瓷蓄热体　13、总管支架　14、上进出气导向分配器　15、四通换向阀16、阀门　17、乏风进口管　18、鼓风机　19、引风机　20、排气管　21、阀门　22、下进出气导向分配器　23、支撑网　24、热电偶　25、孔　26、孔　27、小孔
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
在图1-4所示的实施例中：上进出气导向分配器14、四通换向阀15、阀门16、乏风进口管17、鼓风机18、引风机19、排气管20、阀门21下进出气导向分配器22构成了矿井乏风瓦斯热逆流氧化装置的配风装置，氧化装置本体为设有保温层9的陶瓷蓄热体12。风机1经过流量调节阀2与空气进风口3相连，空气进风口3套在燃烧器4的燃烧头上，并与热风温调节室5连通；热风分配总管8置于氧化装置本体内部的中心部位、并经总管支架13安装在陶瓷蓄热体12的孔25内，其外壁与陶瓷蓄热体12之间留有间隙，热风分配总管8的入口端通过超高温阀门7与热风温度调节室5相连通；多个管壁上均布有小孔27的热风分配支管10分居热风分配总管8的两侧、并经支管支架11安装在陶瓷蓄热体12的孔26内，热风分配支管10与热风分配总管8相连，其外壁与陶瓷蓄热体12之间留有间隙。热风温度调节室5上插有热电偶6。