于振子，周國有，薛留義，周方亮，王娟娟

(1.中國平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467212；2.中國平煤股份煤炭開采利用研究院開采所，河南 平頂山 467212；3.河南平煤神馬節(jié)能科技有限公司，河南 平頂山 467212)

針對國內(nèi)外煤礦大量低濃度煤層氣不能有效得到減排利用的現(xiàn)狀，國內(nèi)外一些企業(yè)(譬如國內(nèi)勝動集團(tuán)、淄柴、中科院、重慶煤科院，國外的邁克泰克、杜爾、艾森曼)依托蓄熱逆流氧化技術(shù)，陸續(xù)開發(fā)出各自的氧化裝置，配套安全輸送配氣系統(tǒng)，實現(xiàn)將濃度低于8%以下的抽排瓦斯與空氣或者風(fēng)排瓦斯(濃度高于0.2%)摻混稀釋至1.2%以下氧化。其中，在氧化裝置中，如何提高低濃度瓦斯的燃燒效率，成為近些年研究的熱點。如李慶釗研究了在駐定燃燒波條件下低濃度瓦斯燃燒溫度的分布規(guī)律。結(jié)果表明，隨燃?xì)饬魉俸屯咚贵w積分?jǐn)?shù)的增大，燃燒器內(nèi)軸向最大溫度逐漸增大[1]；高鵬飛等研究超低濃度瓦斯蓄熱氧化利用技術(shù)，對超低濃度瓦斯燃燒反應(yīng)熱波移動規(guī)律及氮氧化物排放進(jìn)行了研究，為低濃度瓦斯燃燒提供了新思路[2]。以上研究中，針對氧化裝置中燃燒室的燃燒問題，只局限于駐定燃燒波條件下低濃度瓦斯的燃燒特性，沒有考慮非駐定燃燒波條件下和實際工況下低濃度瓦斯的燃燒特性。因此，本研究從實際工況出發(fā)，就氧化裝置燃燒室內(nèi)低濃度瓦斯燃燒特性進(jìn)行實況模擬研究。

1 材料與方法

1.1 本實驗裝置

本研究實驗裝置為我司獨立研發(fā)，具體原理與結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括配氣系統(tǒng)、燃燒器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。其中，配氣系統(tǒng)由瓦斯氣瓶、空壓機、空氣罐、穩(wěn)壓器等構(gòu)成；燃燒器由耐高溫合金鋼制成，隔熱層為50 mm厚的高嶺棉，燃燒器內(nèi)部根據(jù)不同實驗需求填充不同高度的材料；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡、電腦等。考慮到采集數(shù)據(jù)主要為溫度和NO、CO氣體的含量，因此數(shù)據(jù)采集設(shè)備為熱電偶和煙氣分析儀。

圖1 實驗裝置示意圖

燃燒室模型如圖2所示，其上游填充物為25.9PPC氧化鈷泡沫陶瓷，直徑70 mm，長度35 mm；下游填充物為3.9PPC氧化鈷泡沫陶瓷，直徑70 mm，長度25.5 mm。

圖2 燃燒器裝置幾何模型

考慮到氣體和重力對燃燒室內(nèi)低濃度瓦斯燃燒特性分析的影響，提出以下幾點假設(shè)：

(1)燃燒室內(nèi)的填充材料不參與反應(yīng)，且材料為均勻、灰色的惰性介質(zhì)；

(2)燃燒器入口處預(yù)混氣體和煙氣不可壓縮；

(3)不考慮氣體的重力作用和輻射作用，不考慮燃燒器壁面材料和厚度。

1.2 實驗材料

本實驗瓦斯選自平頂山天安煤業(yè)六礦位抽采的高濃度瓦斯，經(jīng)與空氣混合后可實驗用的低濃度瓦斯。該瓦斯氣體中，甲烷含量的大小用當(dāng)比量φ表示，如式(1)所示[3-6]。

(1)

式 中:mF、m0分別表示燃料質(zhì)量、氧化劑質(zhì)量；exp、sto分別表示燃料氧化劑質(zhì)量比和化學(xué)計量比反應(yīng)時燃料氧化劑質(zhì)量比。

1.3 實驗方法

(1)調(diào)試并檢查實驗設(shè)備的氣密性，防止實驗過程中出現(xiàn)瓦斯泄漏的問題；

(2)控制箱通電15 min，打開空壓機使儲氣罐充滿空氣，并始終保持空壓機運行；

(3)打開煙氣分析儀并預(yù)熱儀器30 min，同時檢查數(shù)據(jù)采集卡和熱電偶是否連接；

(4)打開電腦中的溫度和煙氣組分監(jiān)測軟件，觀察數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)合理后打開瓦斯氣瓶，并使瓦斯氣流壓力保持在0.2 MPa；

(5)開啟空氣氣路穩(wěn)壓器。當(dāng)氣流的壓力達(dá)到0.2 MPa時，調(diào)節(jié)空氣氣路閥門，從而使空氣流量滿足實驗需求；

(6)調(diào)節(jié)瓦斯氣路閥門使流量滿足設(shè)定值后進(jìn)行燃?xì)忸A(yù)混；當(dāng)瓦斯當(dāng)比量φ=0.8時，在燃燒器出口處啟動點火器，通過電腦軟件采集實驗數(shù)據(jù)并保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水汽量對燃燒室內(nèi)低濃度瓦斯燃燒特性的影響

2.1.1 不同含水摩爾分?jǐn)?shù)對燃燒室溫度分布的影響

為分析不同含水摩爾分?jǐn)?shù)對燃燒室中溫度分布的影響，對不同含水摩爾分?jǐn)?shù)時燃燒室內(nèi)的軸向溫度進(jìn)行測量，得到圖3結(jié)果。由圖3可知，含水摩爾分?jǐn)?shù)與燃燒室內(nèi)軸向溫度呈正相關(guān)。當(dāng)含水摩爾分?jǐn)?shù)增大，燃燒室內(nèi)軸向溫度隨之增大；不同含水摩爾分?jǐn)?shù)時，燃燒室內(nèi)達(dá)到峰值的軸向溫度位置幾乎重疊。

2.1.2 不同含水摩爾分?jǐn)?shù)水汽量對燃燒室中NO、CO分布的影響

1)NO分布影響

NO是瓦斯氧化裝置燃燒室內(nèi)產(chǎn)生NOx的一種基本來源物質(zhì)[7-8]，因此研究水汽量對燃燒器內(nèi)NO的分布影響十分必要。設(shè)入口瓦斯當(dāng)量比為 0.7，流速為 0.5 m/s ，然后對不同含水摩爾分?jǐn)?shù)時燃燒室內(nèi)NO軸向溫度分布的測量，得到圖4的結(jié)果。由圖4可知，NO摩爾分?jǐn)?shù)分布與水汽量成反比相關(guān)。隨含水摩爾分?jǐn)?shù)的增加，燃燒室內(nèi)NO摩爾分?jǐn)?shù)軸向分布逐漸減??；隨著靠近燃燒室出口，不同水汽量的軸向分布線的距離逐漸增大，即NO摩爾分?jǐn)?shù)的差距越來越明顯；隨水汽量的增加，再增加相同含水摩爾分?jǐn)?shù)(6%)時，NO的生成量逐漸減少。

圖4 不同水汽量時燃燒室內(nèi)NO摩爾分?jǐn)?shù)軸向分布

采用擬合曲線分析，得到燃燒室出口NO排放與不同含水摩爾分?jǐn)?shù)關(guān)系，具體如圖5所示。由圖5可知，不同含水摩爾分?jǐn)?shù)的水汽與燃燒室出口NO排放呈線性相關(guān)。隨著水汽量的增加，燃燒室出口NO的排放量線性減少，說明水汽量的增加會減少NO的排放。

圖5 不同水汽量時燃燒室出口NO排放及擬合關(guān)系

2)CO分布影響

對不同含水摩爾分?jǐn)?shù)下燃燒室燃燒后的CO分布進(jìn)行測量，得到如圖6的結(jié)果。由圖6可知，不同含水摩爾分?jǐn)?shù)在CO摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值前，CO的生成量幾乎相同；當(dāng)CO的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大后，此時CO的生成量變化逐步加大。越接近燃燒室出口，含水摩爾分?jǐn)?shù)多的瓦斯CO排放量越大[9-10]。

圖6 不同水汽量時燃燒室內(nèi)CO摩爾分?jǐn)?shù)軸向分布

燃燒室出口CO排放量與入口瓦斯水汽含量的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，燃燒室出口CO排放量與含水摩爾分?jǐn)?shù)呈二次函數(shù)關(guān)系，且擬合度R2=0.99；當(dāng)含水摩爾分?jǐn)?shù)較小時，CO的排放量接近。

圖7 燃燒室出口CO排放量與入口瓦斯水汽含量關(guān)系

2.1.3 不同含水摩爾分?jǐn)?shù)水汽量對燃燒速度分布的影響

為分析水汽量對燃燒器中燃燒速度的影響，測量入口含不同含水摩爾分?jǐn)?shù)的瓦斯燃燒時的軸向速度，具體如圖8所示。由圖8可知，軸向速度達(dá)到峰值前，不同含水摩爾分?jǐn)?shù)在燃燒室內(nèi)的速度幾乎相同；軸向速度接近峰值時，不同含水量之間的速度差值最大；軸向速度達(dá)到峰值后，隨著含水摩爾分?jǐn)?shù)的增加，燃燒室內(nèi)軸向速度整體下降。

圖8 不同含水摩爾分?jǐn)?shù)時燃燒室內(nèi)軸向速度

2.2 燃燒室尺度對低濃度瓦斯燃燒特性的影響

2.2.1 燃燒室直徑大小對燃燒特性的影響

1)壁面絕熱下的溫度分布

為分析燃燒室壁面絕熱環(huán)境下燃燒室直徑對低濃度瓦斯燃燒特性的影響，研究測量了不同入口口徑燃燒室內(nèi)軸向溫度，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，不同燃燒室入口直徑的軸向溫度分布較為接近。隨著燃燒室入口直徑增大，氣體溫度與固體溫度間的差距逐漸減小，而通過燃燒室的總風(fēng)量逐漸提高。

圖9 燃燒室壁面絕熱時氣固溫度沿軸向分布情況

2)避免散熱下燃燒室直徑對燃燒特性的影響

考慮到實際應(yīng)用中，燃燒室壁面不可能完全絕熱。因此，為探究實際燃燒室直徑對燃燒特性的影響，分析壁面散熱情況下燃燒室內(nèi)軸向氣固溫度分布，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨燃燒室直徑增大，燃燒室峰值溫度逐漸增大，而氣體峰值溫度逐漸減?。粚Ρ葴囟惹€的溫差可知，隨燃燒室直徑線間距離增大，壁面散熱對溫度的影響逐漸減小。

圖10 考慮壁面散熱時燃燒室內(nèi)軸向氣固溫度分布情況

3)絕熱或散熱下燃燒室出口NO、CO分布

圖11為絕熱或散熱條件下，燃燒室出口NO、CO排放情況。由圖11可知，隨著燃燒室直徑的增大，NO的排放量逐漸減少，CO排放量逐漸增大，其原因是NO氣體峰值溫度隨燃燒室直徑的增大而減小，而CO的生成與氧氣逗留時間和濃度相關(guān)，當(dāng)燃燒室內(nèi)溫度升高，氣體流速將加大，進(jìn)而縮短了氧氣逗留時間。整體來看，燃燒室直徑從10 cm增大到30 cm時，NO的排放量降低了30.36%，CO排放量增加了1 100%。

圖11 燃燒器出口NO、CO排放情況

2.2.2 燃燒室長度對燃燒特性的影響

為分析燃燒室長度對低濃度瓦斯燃燒特性的影響，在考慮壁面散熱條件下，探究不同燃燒室長度對固體溫度分布的影響，實驗結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，長度相同的燃燒室，其溫度分布保持均勻一致性；隨著燃燒室長度的增加，燃燒室內(nèi)溫度逐漸降低，其原因是壁面散熱時對煙氣熱量持續(xù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室內(nèi)溫度下降。

圖12 壁面散熱時燃燒室內(nèi)固體溫度分布情況(D=10 cm)

圖13為不同燃燒室長度時，NO、CO沿氣流方向分布情況。由圖13可知，燃燒室內(nèi)，隨燃燒室長度增加，NO迅速增大到峰值，達(dá)到峰值后，NO摩爾分?jǐn)?shù)保持穩(wěn)定直到燃燒室出口；燃燒室出口處，隨燃燒室長度增大，NO排放量逐漸減少。隨著燃燒室長度的增加，出口處的CO排放量逐漸減少，其原因是CO排放量與氧氣逗留時間相關(guān)，當(dāng)燃燒室長度越長，氧氣逗留時間越長，使得CO與氧氣發(fā)生反應(yīng)更為充分，進(jìn)而使燃燒室出口處CO降低。

圖13 散熱條件下燃燒室內(nèi)NO、CO沿氣流方向分布情況

3 結(jié) 論

通過上述實驗，得出以下幾點結(jié)論：

(1)不同水汽量對低濃度瓦斯燃燒特性具有一定影響，隨瓦斯中含水汽量的增加，燃燒室內(nèi)軸向溫度逐漸增大，但燃燒室內(nèi)達(dá)到峰值的軸向溫度位置幾乎重疊。

(2)隨瓦斯中水汽量的增加，NO的沿軸向分布整體下降，燃燒室出口NO的排放量逐漸減少。瓦斯中不同含水汽量對CO的生成量變化相似，當(dāng)CO摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值前，CO生成量整體接近；當(dāng)CO摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值后，CO生成量隨含水汽量的增加而增加，不同含水汽量之間的CO生成量差距逐漸增大。隨瓦斯中含水汽量的增加，燃燒室出口CO排放量逐漸增加。

(3)瓦斯中不同含水汽量在燃燒室內(nèi)軸向速度達(dá)到峰值前，不同含水摩爾分?jǐn)?shù)在燃燒室內(nèi)的速度幾乎相同；軸向速度接近峰值時，不同含水量之間的速度差值最大；軸向速度達(dá)到峰值后，隨著含水摩爾分?jǐn)?shù)的增加，燃燒室內(nèi)軸向速度整體下降。

(4)燃燒器直徑對低濃度瓦斯燃燒特性具有一定影響，隨燃燒室直徑增大，燃燒室出口NO排放量逐漸顯小，CO排放量逐漸增大。

(5)燃燒室長度影響低濃度瓦斯燃燒特性，相同長度的燃燒室，其溫度分布相似；隨著燃燒室長度的增加，燃燒室出口處溫度逐漸減小，NO和CO的排放量也逐漸減小。