·826· 工程科学学报，第39卷，第6期 表23000h1下活化后载氧体与煤矿通风瓦斯反应的特征温度 CH4完全转化为CO2:另一方面在相同温度下，CH,转 Table 2 Characteristic temperatures of activated oxygen carriers reacting 化率随空速的增加而降低.这主要是由于空速的增加 with ventilation air methan at 3000h 使煤矿通风瓦斯在床层的滞留时间即反应时间减少， 载氧体 Tio Tso Tso 亦即单位反应时间内的CH:处理负荷增加，反之，床 Ca060/y-Al203 346 429 475 层温度的提高在反应动力学上加速反应物及反应产物 Fe20360/y-Al203 444 512 564 的扩散速率以及化学反应速率，使得床层能够在单位 Ni060/y-Al203 408 470 508 时间内处理更多的煤矿通风瓦斯，即在更高的空速下 760 809 处理煤矿通风瓦斯.图4(b)中，500℃下CH,转化率 刚玉球 835 的空速曲线大体可分为三个阶段：空速低于3000h 可见，CuO60/yAl,O,处理煤矿通风瓦斯的特征温度 时CH,转化率保持于100%的阶段：空速3000~20000 T。和T随空速提高逐渐升高：相同空速下，床层温度 h时CH转化率随空速的增加而急剧下降的阶段； 越高CH,转化率就越高.通过提高温度至650℃左 空速高于20000h时CH,转化率随空速的增加而缓 右，Cu060/y-AL,0,可在高达80000h的空速下将 慢下降的阶段. 100 。-1000h- a 100 (b) -。-3000h-1 80 -10000h1 80 -20000h- ◆-52000h1 60 ★-80000h-1 60 40 40 20 20 ★ 200250300350400450500550600650700 0 20000 40000 60000 80000 温度℃ 空速h 图4空速对CuO60/y-A山203的CH4转化率的影响.(a)不同空速下CH,转化率随温度的变化：(b)500℃下CH转化率随空速的变化 Fig.4 Effect of gas hourly space velocity on CH conversion for Cu60/(a)variation of CH conversion with temperature at different gas hourly space velocity values:(b)variation of CHa conversion with gas hourly space velocity at 500C 2.1.4Cu0负载量和VAM中CH,浓度对CH.转化 100 率的影响 -Cu060/y-ALO. ◆-C040/y-AL,0 改变Cu0的质量分数m%（记CuOm/y-AL,03, ·C020y-Al,0 m=20,40,60),探讨C0负载量对CH转化率的影 60 响.图5为3000h1下，不同质量分数Cu01y-AL,0 的CH,转化率随温度的变化曲线.3种质量分数的载 40 氧体均能将CH完全转化为CO2,T随质量分数的提 高而降低，降低的幅度随质量分数的增加而减小.这 可能是因为当Cu0质量分数提高到一定程度之后，质 OL 量分数的进一步提高虽然可增加活性物质的数量，但 250300350400450500550600 温度℃ 却同时减弱了惰性载体对活性物质的分散作用.也就 图5负载量对CH转化率的影响 是说，由活性物质增加带来的正面效果被由惰性载体 Fig.5 Effect of oxygen carier loading on CH conversion at 3000h 减少带来的负面效果所抵消. 图6为3000h1下煤矿通风瓦斯中不同CH,含量 处理工艺的热平衡 对CH特征温度的影响.随着CH,体积分数的降低， 2.2基于过渡金属氧化物的煤矿通风瓦斯燃烧机理 Tm随之降低，CH体积分数为0.25%、0.50%和1%的 通常，载氧体要求具有较高的载氧量，因而需要有 T分别为462、475和487℃.也就是说，煤矿通风瓦 较高的活性物质负载量，由于同时具有高负载量和高 斯中CH,的含量越低，将CH,完全转化CO2所需的床 分散度易于导致活性物质的团聚烧结，因而载氧体对 层温度就越低，这十分有利于超低浓度煤矿通风瓦斯 活性物质的分散度要求不高，机械混合法是载氧体常工程科学学报，第 39 卷，第 6 期 表 2 3000 h － 1下活化后载氧体与煤矿通风瓦斯反应的特征温度 Table 2 Characteristic temperatures of activated oxygen carriers reacting with ventilation air methan at 3000 h － 1 ℃ 载氧体 T10 T50 T90 CuO60 /γ-Al2O3 346 429 475 Fe2O360 /γ-Al2O3 444 512 564 NiO60 /γ-Al2O3 408 470 508 刚玉球 760 809 835 可见，CuO60 /γ-Al2O3 处理煤矿通风瓦斯的特征温度 T10和 T90随空速提高逐渐升高; 相同空速下，床层温度 越高 CH4 转化率就越高． 通过提高温度至 650 ℃ 左 右，CuO60 /γ-Al2O3 可在 高 达 80000 h － 1 的空 速 下 将 CH4 完全转化为 CO2 ; 另一方面在相同温度下，CH4 转 化率随空速的增加而降低． 这主要是由于空速的增加 使煤矿通风瓦斯在床层的滞留时间即反应时间减少， 亦即单位反应时间内的 CH4 处理负荷增加，反之，床 层温度的提高在反应动力学上加速反应物及反应产物 的扩散速率以及化学反应速率，使得床层能够在单位 时间内处理更多的煤矿通风瓦斯，即在更高的空速下 处理煤矿通风瓦斯． 图 4( b) 中，500 ℃ 下 CH4 转化率 的空速曲线大体可分为三个阶段: 空速低于 3000 h － 1 时 CH4 转化率保持于 100% 的阶段; 空速 3000 ～ 20000 h － 1时 CH4 转化率随空速的增加而急剧下降的阶段; 空速高于 20000 h － 1时 CH4 转化率随空速的增加而缓 慢下降的阶段． 图 4 空速对 CuO60 /γ-Al2O3 的 CH4 转化率的影响 . ( a) 不同空速下 CH4 转化率随温度的变化; ( b) 500 ℃下 CH4 转化率随空速的变化 Fig． 4 Effect of gas hourly space velocity on CH4 conversion for CuO60 /γ-Al2O3 : ( a) variation of CH4 conversion with temperature at different gas hourly space velocity values; ( b) variation of CH4 conversion with gas hourly space velocity at 500 ℃ 2. 1. 4 CuO 负载量和 VAM 中 CH4 浓度对 CH4 转化 率的影响 改变 CuO 的质量分数 m% ( 记 CuOm/γ- Al2O3， m = 20，40，60) ，探讨 CuO 负载量对 CH4 转化率的影 响． 图 5 为 3000 h － 1 下，不同质量分数 CuO /γ- Al2O3 的 CH4 转化率随温度的变化曲线． 3 种质量分数的载 氧体均能将 CH4 完全转化为 CO2，T90随质量分数的提 高而降低，降低的幅度随质量分数的增加而减小． 这 可能是因为当 CuO 质量分数提高到一定程度之后，质 量分数的进一步提高虽然可增加活性物质的数量，但 却同时减弱了惰性载体对活性物质的分散作用． 也就 是说，由活性物质增加带来的正面效果被由惰性载体 减少带来的负面效果所抵消． 图 6 为 3000 h － 1下煤矿通风瓦斯中不同 CH4 含量 对 CH4 特征温度的影响． 随着 CH4 体积分数的降低， T90随之降低，CH4 体积分数为 0. 25% 、0. 50% 和 1% 的 T90分别为 462、475 和 487 ℃ ． 也就是说，煤矿通风瓦 斯中 CH4 的含量越低，将 CH4 完全转化 CO2 所需的床 层温度就越低，这十分有利于超低浓度煤矿通风瓦斯 图 5 负载量对 CH4 转化率的影响 Fig． 5 Effect of oxygen carrier loading on CH4 conversion at 3000 h － 1 处理工艺的热平衡． 2. 2 基于过渡金属氧化物的煤矿通风瓦斯燃烧机理 通常，载氧体要求具有较高的载氧量，因而需要有 较高的活性物质负载量，由于同时具有高负载量和高 分散度易于导致活性物质的团聚烧结，因而载氧体对 活性物质的分散度要求不高，机械混合法是载氧体常 · 628 ·