氧化裝置內低濃度瓦斯燃燒特性的影響研究

于振子，周國有，薛留義，周方亮，王娟娟

(1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發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.河南平煤神馬節能科技有限公司，河南 平頂山 467212)

針對國內外煤礦大量低濃度煤層氣不能有效得到減排利用的現狀，國內外一些企業(譬如國內勝動集團、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，陸續開發出各自的氧化裝置，配套安全輸送配氣系統，實現將濃度低于8%以下的抽排瓦斯與空氣或者風排瓦斯(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律。結果表明，隨燃氣流速和瓦斯體積分數的增大，燃燒器內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，對超低濃度瓦斯燃燒反應熱波移動規律及氮氧化物排放進行了研究，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，就氧化裝置燃燒室內低濃度瓦斯燃燒特性進行實況模擬研究。

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，具體原理與結構如圖1所示，主要包括配氣系統、燃燒器、數據采集系統等。其中，配氣系統由瓦斯氣瓶、空壓機、空氣罐、穩壓器等構成；燃燒器由耐高溫合金鋼制成，隔熱層為50 mm厚的高嶺棉，燃燒器內部根據不同實驗需求填充不同高度的材料；數據采集系統包括數據采集卡、電腦等。考慮到采集數據主要為溫度和NO、CO氣體的含量，因此數據采集設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低濃度瓦斯燃燒特性分析的影響，提出以下幾點假設：

(1)燃燒室內的填充材料不參與反應，且材料為均勻、灰色的惰性介質；

(2)燃燒器入口處預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六礦位抽采的高濃度瓦斯，經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比量φ表示，如式(1)所示[3-6]。

(1)

式 中:mF、m0分別表示燃料質量、氧化劑質量；exp、sto分別表示燃料氧化劑質量比和化學計量比反應時燃料氧化劑質量比。

1.3 實驗方法

(1)調試并檢查實驗設備的氣密性，防止實驗過程中出現瓦斯泄漏的問題；

(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熱儀器30 min，同時檢查數據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測軟件，觀察數據，待數據合理后打開瓦斯氣瓶，并使瓦斯氣流壓力保持在0.2 MPa；

(5)開啟空氣氣路穩壓器。當氣流的壓力達到0.2 MPa時，調節空氣氣路閥門，從而使空氣流量滿足實驗需求；

(6)調節瓦斯氣路閥門使流量滿足設定值后進行燃氣預混；當瓦斯當比量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據并保存。

2 結果與討論

2.1 不同水汽量對燃燒室內低濃度瓦斯燃燒特性的影響

2.1.1 不同含水摩爾分數對燃燒室溫度分布的影響

為分析不同含水摩爾分數對燃燒室中溫度分布的影響，對不同含水摩爾分數時燃燒室內的軸向溫度進行測量，得到圖3結果。由圖3可知，含水摩爾分數與燃燒室內軸向溫度呈正相關。當含水摩爾分數增大，燃燒室內軸向溫度隨之增大；不同含水摩爾分數時，燃燒室內達到峰值的軸向溫度位置幾乎重疊。

2.1.2 不同含水摩爾分數水汽量對燃燒室中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產生NOx的一種基本來源物質[7-8]，因此研究水汽量對燃燒器內NO的分布影響十分必要。設入口瓦斯當量比為 0.7，流速為 0.5 m/s ，然后對不同含水摩爾分數時燃燒室內NO軸向溫度分布的測量，得到圖4的結果。由圖4可知，NO摩爾分數分布與水汽量成反比相關。隨含水摩爾分數的增加，燃燒室內NO摩爾分數軸向分布逐漸減小；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摩爾分數的差距越來越明顯；隨水汽量的增加，再增加相同含水摩爾分數(6%)時，NO的生成量逐漸減少。

圖4 不同水汽量時燃燒室內NO摩爾分數軸向分布

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數關系，具體如圖5所示。由圖5可知，不同含水摩爾分數的水汽與燃燒室出口NO排放呈線性相關。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排放及擬合關系

2)CO分布影響

對不同含水摩爾分數下燃燒室燃燒后的CO分布進行測量，得到如圖6的結果。由圖6可知，不同含水摩爾分數在CO摩爾分數達到峰值前，CO的生成量幾乎相同；當CO的摩爾分數達到最大后，此時CO的生成量變化逐步加大。越接近燃燒室出口，含水摩爾分數多的瓦斯CO排放量越大[9-10]。

圖6 不同水汽量時燃燒室內CO摩爾分數軸向分布

燃燒室出口CO排放量與入口瓦斯水汽含量的關系如圖7所示。由圖7可知，燃燒室出口CO排放量與含水摩爾分數呈二次函數關系，且擬合度R2=0.99；當含水摩爾分數較小時，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系

2.1.3 不同含水摩爾分數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數的瓦斯燃燒時的軸向速度，具體如圖8所示。由圖8可知，軸向速度達到峰值前，不同含水摩爾分數在燃燒室內的速度幾乎相同；軸向速度接近峰值時，不同含水量之間的速度差值最大；軸向速度達到峰值后，隨著含水摩爾分數的增加，燃燒室內軸向速度整體下降。

圖8 不同含水摩爾分數時燃燒室內軸向速度

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軸向溫度，結果如圖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軸向氣固溫度分布，結果如圖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小；對比溫度曲線的溫差可知，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，當燃燒室內溫度升高，氣體流速將加大，進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，燃燒室內溫度逐漸降低，其原因是壁面散熱時對煙氣熱量持續降低，進而導致燃燒室內溫度下降。

圖12 壁面散熱時燃燒室內固體溫度分布情況(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，隨燃燒室長度增加，NO迅速增大到峰值，達到峰值后，NO摩爾分數保持穩定直到燃燒室出口；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，當燃燒室長度越長，氧氣逗留時間越長，使得CO與氧氣發生反應更為充分，進而使燃燒室出口處CO降低。

圖13 散熱條件下燃燒室內NO、CO沿氣流方向分布情況

3 結 論

通過上述實驗，得出以下幾點結論：

(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，燃燒室內軸向溫度逐漸增大，但燃燒室內達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CO摩爾分數達到峰值前，CO生成量整體接近；當CO摩爾分數達到峰值后，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軸向速度達到峰值前，不同含水摩爾分數在燃燒室內的速度幾乎相同；軸向速度接近峰值時，不同含水量之間的速度差值最大；軸向速度達到峰值后，隨著含水摩爾分數的增加，燃燒室內軸向速度整體下降。

(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。