风排瓦斯逆流式催化燃烧过程的动态特性研究
吴伟炯，李冰，王凯，陈泽智（文章来源于科技传播杂志，转载注明出处）
摘要本文对风排瓦斯逆流式催化燃烧炉的内部轴向温度分布、排气中甲烷浓度变化过程以及催化燃烧自维持性能进行了研究。结果表明：逆流式催化燃烧炉的排气热损失很小，炉内温度分布合理，可以实现系统的自维持。研究还发现，在流向切换瞬间，存在气流短路排出情况，造成排气中的甲烷浓度出现瞬时脉冲。
关键词风排瓦斯；逆流式催化燃烧炉；动态特性
0引言
风排瓦斯是指通过煤矿通风口排出的瓦斯，甲烷含量一般低于1%。风排瓦斯中的甲烷浓度过低，利用技术难度大，目前都被直接排放到大气中，不仅造成了甲烷资源的浪费，还成为一个排放总量巨大的温室气体排放源。
为了削减风排瓦斯甲烷排放，对低浓度甲烷进行氧化成为主要的技术方法。风排瓦斯甲烷氧化可分为有逆流式热力燃烧和逆流式催化燃烧两种，后者的燃烧炉内温度较低，具有散热损失小、启动快、蓄热材料的热疲劳损伤低等优点，成为人们关注的热点。国内外学者针对风排瓦斯的低浓度甲烷催化氧化的研究主要集中三个方向上，分别是对逆流式催化燃烧炉内的温度分布特征进行研究[1，2]，对燃烧炉内的额外热量进行提取回收研究[3]，对低浓度甲烷的催化燃烧等[4-6]。本文通过组建了处理气量100m3h的中试装置，开展了在典型工况下的研究工作。
1实验
1.1实验系统
组建了基于逆流式催化燃烧炉的风排瓦斯甲烷氧化中试实验系统，该系统由配气装置、逆流式催化燃烧炉、监控系统组成，见图1。
该系统中采用罗茨风机作为空气源控制气体流量，瓶装甲烷供给配气甲烷，通过质量计控制气体中的甲烷浓度。空气和甲烷在混合器中混合。
逆流式催化燃烧炉在气流的出入口段填充蓄热体，在接近中心区域安装催化剂，加热方式为电加热。模拟配气经由逆流式催化燃烧炉的总入口流入，从总出口流出。在总出、入口和燃烧炉体接口之间连接有气动切换阀，通过阀门切换形成气流在燃烧炉内的流向周期性逆转。
在燃烧炉的总出入口管道上安装低浓度甲烷在线测量仪，在燃烧炉设置11根热电偶，对燃烧炉内的温度分布及浓度变化过程进行监测。
该实验系统满足在最大流量为100m3h、甲烷浓度在0.1%~1.0%条件下的实验研究工作。
1.2催化剂与蓄热体
催化剂采用堇青石蜂窝陶瓷载体，催化剂活性组分为Pt，Pd。蓄热体采用莫来石蜂窝陶瓷。催化剂与蓄热体填充在由耐火泥砌制的燃烧炉流道内。
2结果与讨论
选取气体流量100m3h、甲烷浓度1%为实验条件，对逆流式催化燃烧炉内的轴向温度分布、逆流切换过程中的炉中心温度与出口甲烷浓度变化情况进行了测试。
2.1逆流式催化燃烧炉内的轴向温度分布
燃烧炉内测温点见图2。
为了判断炉内气流流向切换周期对轴向温度分布的影响，分别进行了切换周期为600s和200s时的测量，结果示于图3中。
图3中燃烧炉内的温度变化主要集中在蓄热体中，燃烧炉入口和出口侧存在最大的温度梯度，接近中间区域温度梯度略有平缓，整体上沿蓄热体长度方向基本呈现线形关系。燃烧炉的中间区域，温度曲线比较平缓，说明蓄热体发挥了较好的蓄热作用，炉内温度维持在稳定状态。燃烧炉两端出入口处的温度很低，说明蓄热体在逆流流动过程中，起到了很好的吸热、放热的作用，燃烧炉的流出散热损失量很小。
从图3可见，较长的切换周期，燃烧炉轴向平均温度两端的值变化不大，但中部温度曲线变得平坦，高温区扩大，这样有利于获得良好的炉内温度分布，提高催化剂和蓄热体部分的温度，促进反应的持续，但过长的切换周期可能导致高温区扩大到蓄热层，导致不必要的热量损失。
2.2燃烧炉排气甲烷浓度的变化过程
图4显示了在切换周期600s、甲烷浓度为1.0%的情况下，燃烧炉中心温度加热至750℃时停止加热，炉内中心温度即6号测温点温度和排气甲烷浓度变化过程。
（切换周期为600s）
从图4中可见，加热器停止加热后，炉内温度逐步下降至450℃，不过甲烷催化率维持在70%左右。无明显下降。
在每次流向切换的瞬间，燃烧炉排气中的甲烷浓度会产生一个尖峰脉冲。分析结果这是阀门切换时上一个循环末期的进气还未流动到催化剂时，就在下一个循环的初期由于气流逆转而直接排出炉体，造成这部分气体中甲烷未能被催化氧化而直接排出。这造成了部分甲烷排放损失。
2.3逆流式催化燃烧过程的自维持性分析
图5显示了在切换周期600s、进气甲烷浓度为1.0%的情况下，燃烧炉中心温度加热至750℃时停止加热后，燃烧炉内各个测点温度的变化过程。
当电加热停止加热后，燃烧炉中部温度逐步下降，随后趋于稳定，甲烷放热量与热损失达到平衡，系统在无外界热源输入情况下已达到自维持运行状态。蓄热体中部温度呈现周期性波动，呈反向变化状态，说明蓄热体反复吸放热，且两端蓄热体吸放热过程相反。燃烧炉两侧的出、入口处的温度未明显变化，说明燃烧炉的流动散热损失量很低。
在切换周期为200s时，燃烧炉内各测温点的变换过程与上述情况基本一致。
3结论
1）在逆流式催化燃烧炉中，可以组织起两端低温度、中间高温度的驼峰状温度分布，为催化剂的正常工作提供条件；
2）蓄热体的蓄热作用，使流出散热量损失很低，维持逆流式催化燃烧炉的自行运行；
3）气流切换周期缩短后，使逆流式催化燃烧炉内的温度波动降低，并使温度向中心区域集中；
4）逆流式催化燃烧炉存在气流短路排出情况，造成排气中的甲烷出现瞬间脉冲排放。
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