一种用于煤矿高浓度瓦斯抽放气催化燃烧脱氧的流化床反应器的制作方法

本发明涉及一种用于煤矿高浓度瓦斯抽放气催化燃烧脱氧的流化床反应器，属于能源化工
技术领域：
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背景技术：
：煤层中含有大量的瓦斯气，其主要成分是甲烷(CH4)。煤炭在开采过程中，为防止瓦斯爆炸，保证矿井安全生产，必须抽放大量的低浓度瓦斯气。据统计，我国每年采煤排放的瓦斯气数十亿立方米，绝大部分直接放空燃烧，不仅浪费了资源，同时也加重了大气的温室效应，造成环境污染。甲烷在空气中的爆炸极限是5-15％，煤矿瓦斯抽放气当前的主要利用方式是直接燃烧和发电，其经济价值未能充分体现。我国民用天然气供给量严重不足，若能将其提纯、浓缩利用，将成为是天然气资源的有效补充，提高资源价值和经济效益。煤矿瓦斯气中甲烷的分离提纯技术主要包括变压吸附法、膜分离法和低温深冷分离法，无论哪种方法气体都需要加压操作，但高压导致甲烷爆炸极限变宽，操作危险大。因此，为了降低气体爆炸风险，提高工艺安全性，必须脱除瓦斯抽放气中混合的氧气，再进行加压分离和纯化操作。气体脱氧的方法主要有催化氧化法、焦炭燃烧脱氧法等。专利ZL02113627.0公布了一种含氧煤层气通过高温焦炭层脱除氧气的方法，具有甲烷损失小，费用低的优点。专利ZL02113628.9、CN101250449A和CN101613627A分别公开了采用Pt、Pd、Mn为活性组分的脱氧催化剂，进行催化燃烧脱氧，在350-700℃范围内脱氧精度可达到1％以下。瓦斯气催化氧化脱氧的本质是甲烷在贫氧条件下的完全燃烧过程。标况下，甲烷的燃烧热为890.3kJ/mol，脱氧过程会放出大量的反应热。为了保证催化剂的活性和选择性，防止催化剂烧结失活，必须移出反应热，控制催化剂床层处于合理的反应温度。专利CN101139239A、CN101613627A公开了采用绝热固定床反应器进行催化燃烧脱氧。该方法采用循环富甲烷的产品气体的方法来控制催化剂床层的温度。但存在以下不足和缺点：(1)产品气体大量循环造成生产过程能量损耗大，且降低设备生产负荷；(2)催化剂床层的传热能力差，容易局部过热，造成催化剂反应活性和选择性下降，甚至烧结失活；(3)工艺流程复杂，床层阻力大，投资高。技术实现要素：本发明的目的在于开发一种床层温度均匀、脱氧效率高、安全性好、结构简单的用于煤矿高浓度瓦斯抽放气催化燃烧脱氧的流化床反应器。本发明针对上述缺点，提出了一种新型流化床反应器，用于煤矿瓦斯抽放气的脱氧过程。反应器内气体和催化剂颗粒处理流化状态，提高床层传热效率，保证床层温度均匀。反应器外采用夹套换热，通过调整传热介质的流速和温度，可以保证反应器处于合理的操作温度，而且可回收热能，提高系统热效率。流化床反应器的气体分布，采用了多喷嘴的进料方式，喷嘴气速高于预混火焰的传播速度，防止回火和爆燃。本发明具有反应床层温度均匀、催化剂不易烧结、脱氧效率高、处理能力大、抗负荷波动和安全防爆的优点，可由于甲烷浓度20-80％的高浓度瓦斯气的催化燃烧脱氧，也可用于天然气、沼气和其它含氧燃气的脱氧预处理。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：本发明是一种用于高浓度煤矿瓦斯抽放气催化燃烧脱氧的流化床反应器,它包括壳体，底部锥段，中部反应段，上部扩大段，壳体分为底部锥段，中部反应段和上部扩大段，底部锥段侧面有进气喷嘴，底端有排料口；中部反应段上部侧面有加料口，外壁有换热夹套，换热夹套下部有换热介质进口，上部有换热介质出口，中部反应段内安装多层百叶窗挡板，挡板的间距20-50cm；上部扩大段顶部有气体出口。如上所述的底部锥段的锥顶角60-90°。如上所述的底部锥段的锥面上安装1-3排进气喷嘴，进气喷嘴与水平圆周切线的夹角20-60°。如上所述的中部反应段的高度和直径比2-6。如上所述的中部反应段与上部扩大段的直径比1-0.5。如上所述的百叶窗挡板由筋板和叶片组成，叶片与水平面的夹角30-60°。在使用本发明时，进气喷嘴的气体流速控制为30-90m/s。矿井排放的瓦斯体积浓度为20-80％的抽放气通过流化床反应器底部锥段的进气喷嘴进入流化床脱氧反应器；粒径0.1-1mm的球形催化剂颗粒从反应段上部侧面的加料口加入流化床反应器中；控制反应器内的气速，使催化剂颗粒在床内保持湍动流化状态；换热介质软化水从位于反应器换热夹套下部的进口进入夹套，从位于反应器夹套上部的出口排出，调节内换热介质的流速和温度，保持床层稳定的脱氧反应温度350-650℃；脱氧反应后的气体从反应器上部扩大段顶部的气体出口排出，送后续工段处理；失活的催化剂颗粒从位于反应器底部的排料口排出。本发明具有以下技术特点和优点：(1)反应内固体催化剂颗粒处于湍动流化状态，气固接触效果好，传热传质效率高，床层温度均匀，尤其适合含氧量较高的气体处理过程；(2)流化床夹套可快速移出反应热，保证催化燃烧反应在合理的温度区间，提高反应活性和选择性，防止催化剂局部烧结；(3)流化床反应器采用较高气速的喷嘴进气方式，结构简单，而且可防止因气体组成或压降波动导致的回火或爆燃，安全性好；(4)流化床反应器可根据实际处理气量，调节过床气速和换热介质的流速，抗负荷波动能力强。附图说明图1是本发明的结构示意图。如图所示，1是反应器壳体，2是底部锥段，3是中部反应段，4是上部扩大段，5是进气喷嘴，6是排料口，7是加料口，8是换热夹套，9是换热介质进口，10是换热介质出口，11是百叶窗挡板，12是气体出口，13是筋板，14是叶片。图2是进气喷嘴的结构示意图。图3是挡板的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做出进一步的详细说明。实施例1如图1-3所示，一种用于高浓度煤矿瓦斯抽放气催化燃烧脱氧的流化床反应器,它包括壳体1，底部锥段2，中部反应段3，上部扩大段4，壳体1分为底部锥段2，中部反应段3和上部扩大段4，底部锥段2侧面有进气喷嘴5，底端有排料口6；中部反应段3上部侧面有加料口7，外壁有换热夹套8，换热夹套8下部有换热介质进口9，上部有换热介质出口10；中部反应段3内安装多层百叶窗挡板11，挡板11的层间距35cm。上部扩大段4顶部有气体出口12。所述的底部锥段2的锥顶角60°。底部锥段2的锥面上安装2排进气喷嘴，喷嘴与水平圆周切线的夹角35°。中部反应段3的高度和直径比4。中部反应段3与上部扩大段4的直径比0.8。百叶窗挡板11由筋板13和叶片14组成，叶片14与水平面的夹角45°。在使用本发明时，进气喷嘴5的气体流速控制为60m/s。矿井排放的瓦斯体积浓度为55-60％的抽放气通过流化床底部锥段2的进气喷嘴5进入流化床脱氧反应器；粒径0.1-1mm的球形催化剂颗粒从反应段3上部侧面的加料口7加入流化床反应器中；控制反应器内的气速，使催化剂颗粒在床内保持湍动流化状态；换热介质软化水从位于反应器换热夹套8下部的进口9进入夹套，从位于反应器夹套8上部的出口10排出，调节内换热介质的流速和温度，保持床层稳定的脱氧反应温度350-650℃；脱氧反应后的气体从反应器上部扩大段4顶部的气体出口12排出，送后续工段处理；失活的催化剂颗粒从位于反应器底部的排料口6排出。表1实施例1原料气和脱氧气的气体组成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料气55-608-1031-36-----0.110.15脱氧气55-61<0.234-40<0.034.5-5.3<0.02实施例2所述的反应器底部锥段2的锥顶角90°，底部锥段2的锥面上安装1排进气喷嘴5，喷嘴与水平圆周切线的夹角20°，中部反应段3的高度和直径比6，中部反应段3与上部扩大段4的直径比0.5，中部反应段3内安装多层百叶窗挡板11，挡板之间的层间距50cm，挡板叶片14与水平面的夹角60°，进气喷嘴5的气体流速控制为90m/s，矿井排放的瓦斯体积浓度为60-70％，其余同实施例1。表2实施例2原料气和脱氧气的气体组成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料气60-706-923-31-----0.100.10脱氧气61-72<0.226-34<0.033.3-4.5<0.02实施例3所述的反应器底部锥段2的锥顶角75°，底部锥段2的锥面上安装3排进气喷嘴5，喷嘴与水平圆周切线的夹角60°，中部反应段3的高度和直径比2，中部反应段3与上部扩大段4的直径比0.9，中部反应段3内安装多层百叶窗挡板11，挡板之间的层间距25cm，挡板叶片14与水平面的夹角30°，进气喷嘴5的气体流速控制为30m/s，矿井排放的瓦斯体积浓度为30-40％，其余同实施例1。表3实施例3原料气和脱氧气的气体组成CH4，％O2，％N2，％CO，％CO2，％H2，％原料气30-4012-1547-55-----0.120.22脱氧气26-39<0.254-65<0.037.2-8.7<0.02实施例4所述的反应器底部锥段2的锥顶角60°，底部锥段2的锥面上安装3排进气喷嘴5，喷嘴与水平圆周切线的夹角45°，中部反应段3的高度和直径比5，中部反应段3与上部扩大段4的直径比0.6，中部反应段3内安装多层百叶窗挡板11，挡板之间的层间距40cm，挡板叶片14与水平面的夹角50°，进气喷嘴5的气体流速控制为75m/s，矿井排放的瓦斯体积浓度为40-50％，其余同实施例1。表4实施例4原料气和脱氧气的气体组成当前第1页1 2 3