煤矿乏风瓦斯中蕴含着巨大的潜在能源,但由于其甲烷浓度极低的特点,通常难以利用而被直接排空。据统计,目前我国每年通过煤矿向大气中排放的瓦斯已经超过250亿m3,造成了严重的环境污染和能源浪费,由此可见实现煤矿乏风瓦斯的有效利用具有非常重大的现实意义。本文基于此现状,设计搭建了双室型煤矿乏风预热催化氧化试验装置,对其结构原理、系统组成及操作过程进行了详细介绍,并基于试验装置进行了一系列模拟及试验研究。利用数值模拟的方法对氧化床入口的导流分配系统进行了设计,通过加装导流板、优化结构参数改善了氧化床入口的流动均匀性。结果表明,当导流板的圆角半径为140mm、数量为3块、相对距离在0.3~0.4之间时导流效果较好,最优方案的流动不均匀性系数降至0.2以下。通过加热启动实验对氧化床的稳定性进行了研究,结果表明:反应室良好的对称性为氧化床的稳定运行提供了条件;陶瓷散热损失的存在使氧化床轴向温度呈现逐渐降低的状态,温度高于700℃时散热量较大;加热启动初期热漂移现象较明显,温度不均匀系数较高,系统稳定后温度不均匀系数低于0.05;升温工况比降温工况的稳定时间短,保持升温工况更容易实现氧化床的稳定。在保持电加热开启的状态下实验研究了空速、氧化床入口温度和甲烷浓度对氧化过程的影响,结果表明:甲烷的催化氧化主要集中在第一层催化陶瓷中,空速的增大使主要反应区域增大,空速由3800 h-1增至7100 h-1时,有效反应长度增加了约31%,空速大于7100 h-1时,有效反应长度增大的速率加快,转化率略有下降;氧化床入口温度的升高使主要反应区域减小,温度由422℃升高至485℃时,有效反应长度减小了约53%,转化率上升,温度高于485℃后影响的作用逐渐减弱;甲烷浓度的增加对氧化过程的影响较小,有效反应长度略有减小,转化率略有上升。通过总结实验数据,得到了有效反应长度的经验公式。对装置自维持运行状态下的热平衡进行了研究,计算分析了不同甲烷浓度和空速下的热平衡情况,结果表明:甲烷浓度越高时,系统的富余热量越多,散热损失所占的比重越大,浓度高于1.05%时,高于排气损失占据主导地位;空速越大时,实现自维持所需的浓度越高,系统的排气损失占得比重越大,空速大于7000 h-1时,高于散热损失开始占据主导地位。因此应针对高甲烷浓度工况着重控制散热损失,针对高空速况着重控制排气损失,对预热器和保温层进行合理设计,以增大能量的富余、提高余热资源的利用率。