一種用於煤礦高濃度瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應器的製作方法

2023-10-21 02:42:47

本發明涉及一種用於煤礦高濃度瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應器，屬於能源化工
技術領域：
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背景技術：
：煤層中含有大量的瓦斯氣，其主要成分是甲烷(CH4)。煤炭在開採過程中，為防止瓦斯爆炸，保證礦井安全生產，必須抽放大量的低濃度瓦斯氣。據統計，我國每年採煤排放的瓦斯氣數十億立方米，絕大部分直接放空燃燒，不僅浪費了資源，同時也加重了大氣的溫室效應，造成環境汙染。甲烷在空氣中的爆炸極限是5-15％，煤礦瓦斯抽放氣當前的主要利用方式是直接燃燒和發電，其經濟價值未能充分體現。我國民用天然氣供給量嚴重不足，若能將其提純、濃縮利用，將成為是天然氣資源的有效補充，提高資源價值和經濟效益。煤礦瓦斯氣中甲烷的分離提純技術主要包括變壓吸附法、膜分離法和低溫深冷分離法，無論哪種方法氣體都需要加壓操作，但高壓導致甲烷爆炸極限變寬，操作危險大。因此，為了降低氣體爆炸風險，提高工藝安全性，必須脫除瓦斯抽放氣中混合的氧氣，再進行加壓分離和純化操作。氣體脫氧的方法主要有催化氧化法、焦炭燃燒脫氧法等。專利ZL02113627.0公布了一種含氧煤層氣通過高溫焦炭層脫除氧氣的方法，具有甲烷損失小，費用低的優點。專利ZL02113628.9、CN101250449A和CN101613627A分別公開了採用Pt、Pd、Mn為活性組分的脫氧催化劑，進行催化燃燒脫氧，在350-700℃範圍內脫氧精度可達到1％以下。瓦斯氣催化氧化脫氧的本質是甲烷在貧氧條件下的完全燃燒過程。標況下，甲烷的燃燒熱為890.3kJ/mol，脫氧過程會放出大量的反應熱。為了保證催化劑的活性和選擇性，防止催化劑燒結失活，必須移出反應熱，控制催化劑床層處於合理的反應溫度。專利CN101139239A、CN101613627A公開了採用絕熱固定床反應器進行催化燃燒脫氧。該方法採用循環富甲烷的產品氣體的方法來控制催化劑床層的溫度。但存在以下不足和缺點：(1)產品氣體大量循環造成生產過程能量損耗大，且降低設備生產負荷；(2)催化劑床層的傳熱能力差，容易局部過熱，造成催化劑反應活性和選擇性下降，甚至燒結失活；(3)工藝流程複雜，床層阻力大，投資高。技術實現要素：本發明的目的在於開發一種床層溫度均勻、脫氧效率高、安全性好、結構簡單的用於煤礦高濃度瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應器。本發明針對上述缺點，提出了一種新型流化床反應器，用於煤礦瓦斯抽放氣的脫氧過程。反應器內氣體和催化劑顆粒處理流化狀態，提高床層傳熱效率，保證床層溫度均勻。反應器外採用夾套換熱，通過調整傳熱介質的流速和溫度，可以保證反應器處於合理的操作溫度，而且可回收熱能，提高系統熱效率。流化床反應器的氣體分布，採用了多噴嘴的進料方式，噴嘴氣速高於預混火焰的傳播速度，防止回火和爆燃。本發明具有反應床層溫度均勻、催化劑不易燒結、脫氧效率高、處理能力大、抗負荷波動和安全防爆的優點，可由於甲烷濃度20-80％的高濃度瓦斯氣的催化燃燒脫氧，也可用於天然氣、沼氣和其它含氧燃氣的脫氧預處理。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：本發明是一種用於高濃度煤礦瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應器,它包括殼體，底部錐段，中部反應段，上部擴大段，殼體分為底部錐段，中部反應段和上部擴大段，底部錐段側面有進氣噴嘴，底端有排料口；中部反應段上部側面有加料口，外壁有換熱夾套，換熱夾套下部有換熱介質進口，上部有換熱介質出口，中部反應段內安裝多層百葉窗擋板，擋板的間距20-50cm；上部擴大段頂部有氣體出口。如上所述的底部錐段的錐頂角60-90°。如上所述的底部錐段的錐面上安裝1-3排進氣噴嘴，進氣噴嘴與水平圓周切線的夾角20-60°。如上所述的中部反應段的高度和直徑比2-6。如上所述的中部反應段與上部擴大段的直徑比1-0.5。如上所述的百葉窗擋板由筋板和葉片組成，葉片與水平面的夾角30-60°。在使用本發明時，進氣噴嘴的氣體流速控制為30-90m/s。礦井排放的瓦斯體積濃度為20-80％的抽放氣通過流化床反應器底部錐段的進氣噴嘴進入流化床脫氧反應器；粒徑0.1-1mm的球形催化劑顆粒從反應段上部側面的加料口加入流化床反應器中；控制反應器內的氣速，使催化劑顆粒在床內保持湍動流化狀態；換熱介質軟化水從位於反應器換熱夾套下部的進口進入夾套，從位於反應器夾套上部的出口排出，調節內換熱介質的流速和溫度，保持床層穩定的脫氧反應溫度350-650℃；脫氧反應後的氣體從反應器上部擴大段頂部的氣體出口排出，送後續工段處理；失活的催化劑顆粒從位於反應器底部的排料口排出。本發明具有以下技術特點和優點：(1)反應內固體催化劑顆粒處於湍動流化狀態，氣固接觸效果好，傳熱傳質效率高，床層溫度均勻，尤其適合含氧量較高的氣體處理過程；(2)流化床夾套可快速移出反應熱，保證催化燃燒反應在合理的溫度區間，提高反應活性和選擇性，防止催化劑局部燒結；(3)流化床反應器採用較高氣速的噴嘴進氣方式，結構簡單，而且可防止因氣體組成或壓降波動導致的回火或爆燃，安全性好；(4)流化床反應器可根據實際處理氣量，調節過床氣速和換熱介質的流速，抗負荷波動能力強。附圖說明圖1是本發明的結構示意圖。如圖所示，1是反應器殼體，2是底部錐段，3是中部反應段，4是上部擴大段，5是進氣噴嘴，6是排料口，7是加料口，8是換熱夾套，9是換熱介質進口，10是換熱介質出口，11是百葉窗擋板，12是氣體出口，13是筋板，14是葉片。圖2是進氣噴嘴的結構示意圖。圖3是擋板的結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明做出進一步的詳細說明。實施例1如圖1-3所示，一種用於高濃度煤礦瓦斯抽放氣催化燃燒脫氧的流化床反應器,它包括殼體1，底部錐段2，中部反應段3，上部擴大段4，殼體1分為底部錐段2，中部反應段3和上部擴大段4，底部錐段2側面有進氣噴嘴5，底端有排料口6；中部反應段3上部側面有加料口7，外壁有換熱夾套8，換熱夾套8下部有換熱介質進口9，上部有換熱介質出口10；中部反應段3內安裝多層百葉窗擋板11，擋板11的層間距35cm。上部擴大段4頂部有氣體出口12。所述的底部錐段2的錐頂角60°。底部錐段2的錐面上安裝2排進氣噴嘴，噴嘴與水平圓周切線的夾角35°。中部反應段3的高度和直徑比4。中部反應段3與上部擴大段4的直徑比0.8。百葉窗擋板11由筋板13和葉片14組成，葉片14與水平面的夾角45°。在使用本發明時，進氣噴嘴5的氣體流速控制為60m/s。礦井排放的瓦斯體積濃度為55-60％的抽放氣通過流化床底部錐段2的進氣噴嘴5進入流化床脫氧反應器；粒徑0.1-1mm的球形催化劑顆粒從反應段3上部側面的加料口7加入流化床反應器中；控制反應器內的氣速，使催化劑顆粒在床內保持湍動流化狀態；換熱介質軟化水從位於反應器換熱夾套8下部的進口9進入夾套，從位於反應器夾套8上部的出口10排出，調節內換熱介質的流速和溫度，保持床層穩定的脫氧反應溫度350-650℃；脫氧反應後的氣體從反應器上部擴大段4頂部的氣體出口12排出，送後續工段處理；失活的催化劑顆粒從位於反應器底部的排料口6排出。表1實施例1原料氣和脫氧氣的氣體組成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料氣55-608-1031-36-----0.110.15脫氧氣55-61<0.234-40<0.034.5-5.3<0.02實施例2所述的反應器底部錐段2的錐頂角90°，底部錐段2的錐面上安裝1排進氣噴嘴5，噴嘴與水平圓周切線的夾角20°，中部反應段3的高度和直徑比6，中部反應段3與上部擴大段4的直徑比0.5，中部反應段3內安裝多層百葉窗擋板11，擋板之間的層間距50cm，擋板葉片14與水平面的夾角60°，進氣噴嘴5的氣體流速控制為90m/s，礦井排放的瓦斯體積濃度為60-70％，其餘同實施例1。表2實施例2原料氣和脫氧氣的氣體組成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料氣60-706-923-31-----0.100.10脫氧氣61-72<0.226-34<0.033.3-4.5<0.02實施例3所述的反應器底部錐段2的錐頂角75°，底部錐段2的錐面上安裝3排進氣噴嘴5，噴嘴與水平圓周切線的夾角60°，中部反應段3的高度和直徑比2，中部反應段3與上部擴大段4的直徑比0.9，中部反應段3內安裝多層百葉窗擋板11，擋板之間的層間距25cm，擋板葉片14與水平面的夾角30°，進氣噴嘴5的氣體流速控制為30m/s，礦井排放的瓦斯體積濃度為30-40％，其餘同實施例1。表3實施例3原料氣和脫氧氣的氣體組成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料氣30-4012-1547-55-----0.120.22脫氧氣26-39<0.254-65<0.037.2-8.7<0.02實施例4所述的反應器底部錐段2的錐頂角60°，底部錐段2的錐面上安裝3排進氣噴嘴5，噴嘴與水平圓周切線的夾角45°，中部反應段3的高度和直徑比5，中部反應段3與上部擴大段4的直徑比0.6，中部反應段3內安裝多層百葉窗擋板11，擋板之間的層間距40cm，擋板葉片14與水平面的夾角50°，進氣噴嘴5的氣體流速控制為75m/s，礦井排放的瓦斯體積濃度為40-50％，其餘同實施例1。表4實施例4原料氣和脫氧氣的氣體組成當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp