风排瓦斯逆流式催化燃烧过程的动态特性研究

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100m3/h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100m3/h、甲烷浓度在0.1%~1.0%条件下的实