在我国,存在着巨量的煤层气未能得到合理利用,这些煤层气被直接排放到空气中,不仅会导致极为严重的能源浪费,还会引发严重的环境污染问题。更为严重的是,这种直接排放的处理方式还可能引发瓦斯爆炸,给企业的安全生产带来了严重的危害。因此,如何有效利用煤层气对于煤炭企业安全生产、降本增效具有很重要的意义。低浓度瓦斯指的是甲烷含量低于5%的煤层气,鉴于其具有储量庞大且流速波动显著的特性,运用常规手段对其加以利用存在较大困难,从而使这部分瓦斯气体不得不被直接排放至空气中。难以用常规的方法利用,导致将这部分瓦斯气体直接排出到空气中。因此,如果能够有效利用这部分低浓度瓦斯,不仅可以有效降低瓦斯聚集带来的危害,还可以提高煤炭生产企业的收入。本文针对这部分难以直接利用的低浓度瓦斯,研发一台可以高效利用装置,同时对这台装置进行模拟氧化性能研究分析,具体内容包括: (1)基于预热直流技术,结合自主研发的余热梯级利用技术,设计一套新的利用低浓度瓦斯气体的装置。该装置无换热转向可避免甲烷浪费,同时氧化反应生成的高温烟气不仅可以给外部提供热能,也可以逐级预热未反应的低浓度瓦斯气体,实现低浓度瓦斯气体氧化热量的高效阶梯利用。装置分为混合气子系统、换热子系统、辅助电加热子系统、催化氧化子系统、发电子系统及冷凝水回收子系统、排烟子系统、运行控制及监测子系统。 (2)对所提出的新型低浓度瓦斯预热直流催化氧化装置催化氧化层内甲烷燃烧进行模拟研究,考虑辐射换热对装置氧化性能的影响,基于FLUENT模拟,建立催化氧化层内氧化床数学模型,结合氧化床内流动、传热、燃烧情况瞬时耦合的方法进行数值分析计算,以实现在不同工况下通过辐射换热来增加低浓度瓦斯利用率的效果。结果表明:热辐射对设备氧化性能的影响随着进气温度的升高而不断增强,甲烷转化率也随着进气温度得升高不断增大;热辐射对设备氧化性能的影响随着进气风量的升高而不断减弱,辐射换热和对流换热共同作用下,甲烷转化率随着进气风量的升高不断减小;热辐射对设备氧化性能的影响随着甲烷浓度的升高而不断减弱,对流换热效果不断增大,甲烷转化率随着甲烷浓度的增大不断增大。 (3)对一二级换热子系统及催化氧化层进行数值模拟分析,建立简化物理模型进行边界条件设置,分析本装置达到自维持的条件以及探究不同工况下装置的自维持运行状态。结果表明:进气温度越高,出口温度也就越高,反应也就越剧烈。随着进气风速的增大,装置达到自维持时的最低温度就越小,反应出口温度也越小。同时前期温度较低,且风速较大,反应较为平缓,当温度升高后,反应激烈,也就更迅速。 (4)从能量角度验证装置的可行性及实用性。对一二级换热系统内的换热器、空冷器及电加热器进行了热力计算及选型,计算甲烷燃烧放出的热量和装置的热量损失,以及各设备运行所需的能量。结果表明:计算得到的传热面积均符合设计要求,可以达到加热及散热目的,气冷却器的面积富余量可达120%,该冷器可以完成热流降温任务,确定了装置达到自维持状态的可行性。