金屬纖維燃燒器在低濃度煤層氣利用中的應用進展

李隆鍵，陶冶，逄錦倫，，龍伍見

(1.重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400030; 2.中煤科工集團重慶研究院瓦斯防滅火研究分院，重慶 400037)

金屬纖維燃燒器在低濃度煤層氣利用中的應用進展

李隆鍵1，陶冶1，逄錦倫1，2，龍伍見2

(1.重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400030; 2.中煤科工集團重慶研究院瓦斯防滅火研究分院，重慶 400037)

對低濃度煤層氣能源化利用技術進行了綜述。介紹了提純技術和催化燃燒技術，重點探討了金屬纖維燃燒器燃燒技術在低濃度煤層氣利用中的可行性，并對其應用前景進行了展望。提出在低濃度煤層氣利用領域還需對金屬纖維燃燒器燃燒和排放機理、燃燒穩定性以及裝置的可靠性方面進行系統的研究。

低濃度煤層氣;提純;催化燃燒;金屬纖維燃燒器

我國煤氣資源豐富，已探明的2 000 m以上淺層儲量為(30～35)×1012m3，和天然氣儲量相當，居世界第3位［1］。每年由于采煤排放出的低濃度煤層氣多達1.2×1010m3，相當于107t標準煤［2］。抽采所得煤層氣中CH4的體積分數低于30%的稱為低濃度煤層氣，其中CH4體積分數在5%～16%范圍內的有爆炸危險。由于技術的局限，目前開采所得煤層氣大部分均被禁止利用而直接排空。CH4是低濃度煤層氣的主要成分，其產生的溫室效應約為同體積CO2的20倍［3］，大量排空會造成嚴重的溫室效應，破壞臭氧層。特別是對于體積分數在5%～16%的爆炸極限范圍內的低濃度煤層氣，直接排空會危害礦區的安全生產。然而，低濃度煤層氣也是高熱值的環境友好型能源，若被有效利用可緩解當今全球的能源短缺問題。據統計，我國煤層氣開采量占全球的8%，但排放量卻占全球的35%，利用率僅占總排放量的5%～7%。因此，尋求高效回收利用低濃度煤層氣的方法對節能減排意義重大。

1 低濃度煤層氣利用技術概況

1.1 提純技術

對低濃度煤層氣而言，如果能將其純度提高到CH4含量在80%以上，就能作為高能燃料和化工原料;如果CH4含量達到95%，就能并入燃氣管道輸送，廣泛應用于化工領域［4］。

1.1.1 低溫精餾技術

低溫精餾法利用CH4和N2的沸點差將兩者分離。在一個大氣壓下，N2的沸點為77.35 K，CH4的沸點是111.7 K，兩者相差34 K，低溫精餾法理論上可將兩者分離。但陶鵬萬等認為當煤層氣中CH4的體積分數在50%以下時，需要增加一個輔助環才能獲得95%以上的CH4產品。該方法投資大，工藝復雜［5］，僅對日處理量達幾百萬立方米的大型煤礦有經濟價值［6］。

1.1.2 膜分離技術

膜分離技術利用氣體中各組分在表面的吸附能力及在膜內溶解－擴散的差異實現分離。近幾年對該技術用于分離CH4和N2的基礎研究較多。該技術具有設備簡單、運行投資少的優點。但受膜滲透選擇性低的制約［7］，離工業化應用還有較大距離。

1.1.3 變壓吸附技術

吸附法氣體分離過程包括吸附和脫附再生2個過程。當吸附和脫附分別由升壓、降壓來實現時該過程稱為變壓吸附分離過程。吸附劑是該技術的核心，目前主要有活性炭、沸石分子篩和碳分子篩3種。Simone Cavenati等［8］研究了復合床變壓吸附技術分離CH4/CO2/N2體系，讓含CH460%、CO220%、N220%的混合氣體先后通過分層裝填13X沸石分子篩和碳分子篩的吸附柱，分別除去CO2和N2，最終得到含CH488.8%的氣體。整個系統CH4的回收率為66.2%。Dong Fei等［9－10］不僅采用了復合床變壓吸附，在同一吸附柱中分層填裝活性炭、碳分子篩、沸石分子篩等吸附劑，而且把精餾的工藝引入到變壓吸附系統中，建立了一種帶有側線加料和取樣的新型變壓吸附裝置(Petlyuk PSA)，最終把含CH4小于15%、含N2大于60%的原料氣提純到CH4含量大于60%。

低濃度煤層氣為易燃易爆氣體，防爆性就成為了提純設備的關鍵。而在煤礦抽采過程中CH4的濃度變化很大，這就對提純設備的自動化控制提出了更高的要求。同時，實現CH4規模化提純才能滿足經濟性要求，因而還需在實踐中深入研究經濟性和安全性的問題。

1.2 燃燒技術

低濃度煤層氣無論是用于熱交換、制熱或發電，都離不開燃燒的過程。因而尋求安全、高效的燃燒技術是低濃度煤層氣利用的關鍵。

催化燃燒方式與傳統燃燒方式相比有能量利用率高和污染物排放量低兩大優點。目前有多種催化燃燒技術適用于超低濃度煤層氣。

1.2.1 甲烷流向變換催化燃燒技術

流向變換催化反應器集固定床催化反應器和蓄熱換熱床于一體。主要由一個固定床催化反應器和一套用以實現流向變換的閥門組成，共有A、B、C、D四個閥門。當A、B打開而C、D關閉時，物料正向流動;反之，物料逆向流動。

固定床由3個區域組成:兩端為高熱容的惰性填料，溫度較低，為交替使用的蓄熱換熱區;中間為催化劑層，是有效的反應區。

反應前先將催化床層預熱到催化劑的起活溫度，然后通入低溫原料混合氣。原料混合氣進入固定床后，在催化床層發生反應而釋放出大量的熱。產生的熱量及反應產物持續通過催化劑層出口，出口處的熱交換介質不斷吸熱，從而溫度不斷升高。而入風側因氣流以常溫通過，熱交換介質不斷被冷卻。當冷卻到一定溫度時，反應器自動轉換風流方向，風流從高溫側進入，并吸收熱交換介質的熱量，繼續在催化層發生反應生成熱量，一部分被熱交換器吸收，另一部分用于熱損失，從而往復循環。

1.2.2 整體式催化燃燒技術

整體式催化燃燒技術應用了一種蜂窩狀的整體反應器。反應器的整體框架由許多平行的管道組成。管道壁面是多孔的支撐結構，上面附有很多具有催化特性的活性顆粒［11］。甲烷屬于比較穩定的烴類質，不容易被氧化或活化，這就要求催化劑具有低溫活性和高溫熱穩定性，并且具有一定的抗熱沖擊性能。目前主要有貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑、復氧化物催化劑3類［12－14］，通常采用浸漬法制備。助劑常用的為堿金屬氧化物如K2O、MgO和CeO2，可采用共沉淀法和浸漬法添加。Shi Su等［15］的研究表明:在整體式催化燃燒中，Pd/Al2O3對超低濃度煤層氣的氧化利用有著較好的催化效果。

1.2.3 流化床催化燃燒技術

Gosiewski，Chou，Klvana等［16－18］通過研究發現固定床燃燒器容易產生局部溫度過熱，甚至造成裝置的不穩定及催化劑的失活。Foka，Iamarino等［19－20］發現在流化床中燃燒氣體燃料可有效避免這個問題。流化床催化燃燒技術應運而生，它針對超低濃度的煤層氣理論上有較好的燃燒效果，同時具有燃料適應性廣、熱容量大的特點，還可應用于劣質固體燃料的燃燒［21－22］。

催化燃燒技術雖然比較成熟，但目前僅適用于超低濃度煤層氣的燃燒，無法滿足爆炸范圍內煤層氣燃燒的穩定性需求。若要將燃燒釋放的熱量用于發電，還需添加一定量的天然氣，因而催化燃燒技術還有待進一步研究。

2 金屬纖維燃燒器燃燒技術

金屬纖維燃燒器是近年出現的一種新型全預混表面燃燒式燃氣燃燒器。它具有阻火特性，熱效率高，污染物排放量低，因具有快速反應性和冷卻性、形狀的可變性、熱膨脹的可控性等諸多優點而備受關注［23－24］。

2.1 金屬纖維燃燒器組成及工作原理

金屬纖維燃燒器主要由燃燒器頭部、調速直流風機、燃氣調節閥、混氣裝置、點火裝置和控制系統組成。其頭部為直徑約20～50μm的由鐵鉻鋁金屬纖維制成的金屬纖維氈或金屬纖維織物。金屬纖維不但具有金屬材料固有的優點，還具有非金屬纖維的某些特殊性能，不僅可以通過燒結在一起形成剛性而多孔的金屬纖維氈，還能通過紡織過程制成柔軟的金屬纖維織物。金屬纖維燃燒器頭部構造如圖1所示［25］。

圖1 金屬纖維燃燒器頭部結構

金屬纖維燃燒器采用全預混表面燃燒。空氣由風機鼓入混氣管，在混氣管兩側形成壓力差。燃氣閥門打開后，燃氣從混氣管壓力較低一側進入并與空氣混合，然后預混氣體進入燃燒器頭部的分流靜壓室，再從金屬纖維表面的縫隙中流出，最后在纖維表面燃燒［25］。燃燒可分2種方式進行，即紅外熱輻射方式和藍焰燃燒方式［26］。紅外燃燒模式發生在金屬纖維織物的表面之內。此時，纖維織物被燒紅，加熱到白熾狀態，通過紅外輻射方式向外傳遞能量。紅外燃燒承載的燃燒強度相對較低，根據溫度的變化，表面燃燒從桔黃變為黃色，燃燒強度可從100 kW/m2變到800kW/m2。藍焰燃燒模式發生在金屬纖維織物的表面之上，火焰呈藍色浮在表面上。此時，金屬纖維織物溫度較低，燃燒在金屬纖維表面的藍色火焰通過與空氣對流的方式向外傳遞能量。藍焰燃燒能夠承載較高的燃燒強度，通常在1 000 kW/m2以上。

2.2 金屬纖維燃燒器特性

金屬纖維燃燒器作為新型燃燒器，有著多方面的優良特性:

1)污染物排放低。全預混燃燒溫度分布均勻，沒有局部高溫。過量空氣系數比較低，燃燒釋放的熱量通過對流和輻射的方式帶走，降低了火焰溫度［27］，因而具有更低的NOx排放水平。全預混以及多孔介質的表面燃燒方式保證了在低過量空氣系數下的完全燃燒，因而CO等不完全燃燒的排放物比較少［28－31］。

2)阻火特性。金屬纖維織物的孔隙直徑遠小于燃氣的熄火距離，火焰無法穿透。金屬纖維燒結氈的孔隙直徑遠小于金屬纖維織物的孔隙直徑，使火焰更難穿透［32］。長纖維在同一平面上，橫向熱傳導性好。金屬纖維在垂直方向上是長纖維的點接觸，氣流方向上以纖維絲相互的接觸傳熱為主，熱傳導率相對較小，未燃氣體側的溫度與混合氣體溫度很接近。由于可燃氣體受金屬纖維材料的影響溫度達不到著火點，因而金屬纖維材料具有阻火的功能［33－35］。同時，金屬纖維材料也具有抗腐蝕性和抗氧化能力強、壽命長、抗熱沖擊性能高、抗機械沖擊性能強、熱惰性低等特點。

3)節能。金屬纖維燃燒器的過量空氣系數較小，因而在同樣的排煙溫度下的排煙損失比較小。

4)外形適應性強。可做成各種形狀，并且設計緊湊。燃燒器同時也是過濾器，可阻擋固體燃燒產物的排放。

5)熱效率高。一般燃燒熱效率僅為30%，而金屬纖維表面燃燒器燃燒熱效率可達83%～85%。

2.3 金屬纖維燃燒器應用現狀

由于金屬纖維燃燒器技術難度大、工藝復雜，國外只有美國、英國和比利時等少數國家能夠生產。在中國，僅有西北有色金屬研究院的金屬多孔材料國家重點實驗室等少數單位能實現金屬纖維燃燒器的國產化。在民用方面，由于金屬纖維燃燒器較普通燃燒器燃燒后釋放的有害生成物更少，并且有更高的熱效率，因而可用于家用爐灶以及熱水器。在工業方面，金屬纖維燃燒器的燃氣紅外加熱技術可用于具有爆炸濃度的瓦斯氣體燃燒、印染行業的布匹干燥，以及茶葉行業的茶葉出青，其優良的燃燒特性還可用于可燃氣體的無害化處理。

2.4 金屬纖維燃燒器研究進展

國外對金屬纖維燃燒器的研究主要集中在金屬纖維導熱性能，金屬纖維發射率，燃燒器的表面溫度，燃燒器的NOx、CO和HC的排放特性，燃燒器的脫火和回火特性、電鍍催化層對燃燒器燃燒特性的影響，燃燒和傳熱模型等方面［36－40］。M.GOLOMBOK等［41］通過經驗提出80%的孔隙度和22μm的金屬纖維可達到最佳的燃燒穩定性，但還有待實驗進一步驗證。M.Bizzi等［42］通過金屬纖維催化燃燒和金屬纖維非催化燃燒實驗發現，催化燃燒可降低污染物排放量，提高效率，但會降低燃燒的穩定性，縮小金屬纖維燃燒器自身的阻火優勢。M.GOLOMBOK等［43］通過三維模型驗證金屬纖維燃燒器在800～1 000 kW/m2的負荷下有最穩定的表面燃燒。S.A.Leonardi等［44］通過模擬得到燃燒器表面的溫度隨著曲率的增加而增加，雙層墊的溫度高于單層墊。氣體溫度同樣隨著曲率的增加而增加，雙層支撐墊比單層的溫度大約高40 K，并且雙層燃燒器通常有更高的溫度和熱輻射效率，單層燃燒器的總效率比雙層燃燒器低大約5個百分點。

目前，國內在低濃度煤層氣利用方面已進行了初步探索。中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯分院對金屬纖維燃燒器燃燒爆炸濃度瓦斯氣體進行了部分實驗研究。具有爆燃濃度的瓦斯預混氣體在圓筒中對稱布置的5個金屬纖維燃燒器外壁面點火燃燒。每個金屬纖燃燒器的側壁均為4層，由內向外分別是骨架、金屬纖維、分流板和金屬纖維。中心部位燃燒器由頂部出氣，周圍4個燃燒器由側面出氣，取時間間隔為1 h。為了保護金屬纖維燃燒器不被燒壞，將金屬纖維材料的表面燃燒強度控制在1 500 kW/m2以下，且考慮到自然風對燃燒器外部火焰溫度的影響，測得金屬纖維燃燒器流量、外部溫度以及壓力的關系。但由于火炬筒體上的檢測點出廠時已布好，熱電偶安裝后偏離了金屬纖維燃燒器火焰中心區，因此測出的溫度并不是最高值。

實驗表明:金屬纖維燃燒器在表面燃燒強度控制在1 500 kW/m2以下時燃燒具有爆炸濃度的瓦斯氣體是安全可行的。該實驗下一步擬借助材料檢測技術，檢測燃燒一段時間后金屬纖維材料的成分和理化性質是否發生了變化，同時預測燃燒器的使用壽命以及檢測污染物的排放量。

綜上所述，低濃度煤層氣提純的方法潔凈高效，但工藝復雜、成本高。催化燃燒技術比較成熟，對超低濃度煤層氣的燃燒有較好效果，但對于爆炸范圍的低濃度煤層氣還無法安全處理。金屬纖維燃燒器具有良好的阻火性能，對煤層氣的濃度范圍沒有限制，提高了低濃度煤層氣燃燒過程的穩定性。同時可有效減少污染物的排放，在燃燒低濃度煤層氣方面展示出廣闊的應用前景。但對于低濃度煤層氣的燃燒、排放機理以及燃燒穩定性、適應性方面還缺乏基礎性、系統性的研究，制約了金屬纖維燃燒器在低濃度煤層氣燃燒技術領域的大規模推廣應用。

3 結論

1)目前國內外針對低濃度煤層氣的能源化開發了部分技術。但由于受低濃度煤層氣甲烷含量、濃度變化、輸送安全性等因素的制約，離大規模工業化利用還有一定的距離。

2)金屬纖維燃燒器具有良好的阻火性能，對煤層氣的濃度范圍幾乎沒有限制，提高了低濃度煤層氣燃燒過程的穩定性。初步的實驗結果表明:金屬纖維燃燒器燃燒具有爆炸濃度的瓦斯氣體是安全可行的。

3)在金屬纖維燃燒器燃燒低濃度煤層氣領域，還需對其燃燒及排放機理、燃燒穩定性以及裝置的可靠性方面進行系統的研究，為金屬纖維燃燒器在低濃度煤層利用領域的推廣應用奠定科學基礎。

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(責任編輯 劉舸)

Advances in Research of the Application of Metal Fiber Burner in Low Concentration Coal Bed Methane

LILong－jian1，TAO Ye1，PANG Jin－lun1，2，LONGWu－jian2
(1.Key Laboratory of Low－grade Energy Utilization Technologies and Systems，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400030，China;2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

In this paper，the energy utilization technologies of low concentration methane are reviewed.At first the purification technology and catalytic combustion technology are summarized.Then the emphasis is focused on analyzing the feasibility of using the metal fiber burner technology in low concentration coal bed methane，as well as its application prospect.It is concluded in the paper that themechanism of combustion and pollution productof low concentrationmethane inmetal fiber burner should be studied systematically，and the combustion stability and reliability of the burner should be further improved.

low concentration methane;purification;catalytic combustion;metal fiber burner

TD845

A

1674－8425(2014)09－0035－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.008

2014－05－18

國家科技重大專項(2011ZX05041－005)

李隆鍵(1966—)，男，重慶人，博士，教授，主要從事方面傳熱傳質及其強化以及多相流領域的研究。

李隆鍵，陶冶，逄錦倫，等.金屬纖維燃燒器在低濃度煤層氣利用中的應用進展［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(9):35－40.

format:LILong－jian，TAO Ye，PANG Jin－lun，etal.Advances in Research of the Application of Metal Fiber Burner in Low Concentration Coal Bed Methane［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):35－40.