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我国具有丰富的煤层气资源，合理开发利用煤层气资源，对于调整我国能源结构、缓解我国能源需求的压力、减少温室气体的排放具有重要意义。矿井瓦斯抽放气由于其中含有空气，后续的分离、回收和使用过程易触及爆炸极限而发生危险，开发高效、安全、经济的煤层气脱氧技术是实现其回收利用的关键。本论文旨在研究流化床反应器中含氧煤层气催化燃烧脱氧的操作特点，探讨其中的化学反应和流体力学规律，建立含氧煤层气在流化床中催化脱氧的反应模型，为该工艺设计操作优化和工程放大奠定技术理论基础。 论文主要结论如下: 1、流化床反应器催化燃烧脱氧实验研究 在实验室规模的小型流化床反应器上进行含氧煤层气催化燃烧脱氧的实验研究，考察了温度、空速以及催化剂粒径对脱氧效果的影响。并且通过调节CH4/Air比例模拟不同含氧量的煤层气，考察流化床反应器及催化剂对含氧煤层气中O2浓度变化的适应性。研究结果表明，床层温度升高可以增强催化剂的活性，提高氧气的转化率。但是，温度过高(＞500℃)则会促进副反应的发生，使CO的浓度升高，对含氧煤层气的脱氧不利。由于内扩散阻力的影响，催化剂粒径过大使CO2选择性低。较低的空速可以增加反应时间，提高氧气转化率，且与温度存在明显的关联性。控制合适的操作参数，可将含氧煤层气中的氧气浓度脱至0.2％以下，且CO2选择性高于98％。而且流化床化床反应器和采用的Cu催化剂适用于不同CH4/Air比的煤层气的脱氧。 2、甲烷催化燃烧反应的本征动力学的研究 排除内外扩散的影响，在微分反应器上进行了甲烷催化燃烧的本征动力学的实验研究。研究表明，在考察的温度范围内，氧气分压的改变对反应速率基本没有影响，氧气分压的反应级数为0;而甲烷分压的改变对反应速率影响显著，甲烷分压的反应级数为0.5。对甲烷催化燃烧反应的机理和速控步进行了推测，认为甲烷的催化燃烧反应符合Mars-VanKrevenlen提出的Redox机理，速控步为甲烷被吸附后的中间产物“·CH2”与晶格氧“O(O)”结合得到“·CH2-O(O)”。通过计算得到了甲烷催化燃烧反应的本征动力学模型:-rCH4=1.61×107×e-108000/RTPCH40.5。 3、流化床催化脱氧反应过程的模拟研究 在考虑流化床反应器内的气固流动特点、化学反应及质量平衡的基础上建立了含氧煤层气脱氧过程的数学模型。利用该模型计算了不同工况下含氧煤层气中氧气的转化率，并与实验数据进行了对比分析。发现实验值与模型计算值吻合度较好，数学模型可以较好的预测各工况下氧气的转化率。研究发现温度在450℃以下时，脱氧反应的控制因素是反应动力学速率;而温度在450℃以上时，含氧煤层气在流化床中的脱氧反应既受动力学控制，同时还受到气泡相和乳相之间的传质作用以及催化剂颗粒内部的传质内扩散阻力的影响。流化床内复杂的气固流动和气泡的聚并等因素是造成计算误差的主要原因。 本文系统的进行了含氧煤层气流化床催化燃烧脱氧工艺的基础研究，得出了影响氧气转化率的主要因素和作用规律，探讨了甲烷催化燃烧反应的本征动力学及机理，建立了含氧煤层气在流化床反应器中催化脱氧的数学模型，验证了含氧煤层气在流化床反应器中催化脱氧的可行性。研究结果可为含氧煤层气流化床催化燃烧脱氧反应工艺的工业化应用提供理论基础。