氧化装置内低浓度瓦斯燃烧特性的影响研究

于振子，周国有，薛留义，周方亮，王娟娟

(1.中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467212；2.中国平煤股份煤炭开采利用研究院开采所，河南 平顶山 467212；3.河南平煤神马节能科技有限公司，河南 平顶山 467212)

针对国内外煤矿大量低浓度煤层气不能有效得到减排利用的现状，国内外一些企业(譬如国内胜动集团、淄柴、中科院、重庆煤科院，国外的迈克泰克、杜尔、艾森曼)依托蓄热逆流氧化技术，陆续开发出各自的氧化装置，配套安全输送配气系统，实现将浓度低于8%以下的抽排瓦斯与空气或者风排瓦斯(浓度高于0.2%)掺混稀释至1.2%以下氧化。其中，在氧化装置中，如何提高低浓度瓦斯的燃烧效率，成为近些年研究的热点。如李庆钊研究了在驻定燃烧波条件下低浓度瓦斯燃烧温度的分布规律。结果表明，随燃气流速和瓦斯体积分数的增大，燃烧器内轴向最大温度逐渐增大[1]；高鹏飞等研究超低浓度瓦斯蓄热氧化利用技术，对超低浓度瓦斯燃烧反应热波移动规律及氮氧化物排放进行了研究，为低浓度瓦斯燃烧提供了新思路[2]。以上研究中，针对氧化装置中燃烧室的燃烧问题，只局限于驻定燃烧波条件下低浓度瓦斯的燃烧特性，没有考虑非驻定燃烧波条件下和实际工况下低浓度瓦斯的燃烧特性。因此，本研究从实际工况出发，就氧化装置燃烧室内低浓度瓦斯燃烧特性进行实况模拟研究。

1 材料与方法

1.1 本实验装置

本研究实验装置为我司独立研发，具体原理与结构如图1所示，主要包括配气系统、燃烧器、数据采集系统等。其中，配气系统由瓦斯气瓶、空压机、空气罐、稳压器等构成；燃烧器由耐高温合金钢制成，隔热层为50 mm厚的高岭棉，燃烧器内部根据不同实验需求填充不同高度的材料；数据采集系统包括数据采集卡、电脑等。考虑到采集数据主要为温度和NO、CO气体的含量，因此数据采集设备为热电偶和烟气分析仪。

图1 实验装置示意图

燃烧室模型如图2所示，其上游填充物为25.9PPC氧化钴泡沫陶瓷，直径70 mm，长度35 mm；下游填充物为3.9PPC氧化钴泡沫陶瓷，直径70 mm，长度25.5 mm。

图2 燃烧器装置几何模型

考虑到气体和重力对燃烧室内低浓度瓦斯燃烧特性分析的影响，提出以下几点假设：

(1)燃烧室内的填充材料不参与反应，且材料为均匀、灰色的惰性介质；

(2)燃烧器入口处预混气体和烟气不可压缩；

(3)不考虑气体的重力作用和辐射作用，不考虑燃烧器壁面材料和厚度。

1.2 实验材料

本实验瓦斯选自平顶山天安煤业六矿位抽采的高浓度瓦斯，经与空气混合后可实验用的低浓度瓦斯。该瓦斯气体中，甲烷含量的大小用当比量φ表示，如式(1)所示[3-6]。

(1)

式 中:mF、m0分别表示燃料质量、氧化剂质量；exp、sto分别表示燃料氧化剂质量比和化学计量比反应时燃料氧化剂质量比。

1.3 实验方法

(1)调试并检查实验设备的气密性，防止实验过程中出现瓦斯泄漏的问题；

(2)控制箱通电15 min，打开空压机使储气罐充满空气，并始终保持空压机运行；

(3)打开烟气分析仪并预热仪器30 min，同时检查数据采集卡和热电偶是否连接；

(4)打开电脑中的温度和烟气组分监测软件，观察数据，待数据合理后打开瓦斯气瓶，并使瓦斯气流压力保持在0.2 MPa；

(5)开启空气气路稳压器。当气流的压力达到0.2 MPa时，调节空气气路阀门，从而使空气流量满足实验需求；

(6)调节瓦斯气路阀门使流量满足设定值后进行燃气预混；当瓦斯当比量φ=0.8时，在燃烧器出口处启动点火器，通过电脑软件采集实验数据并保存。

2 结果与讨论

2.1 不同水汽量对燃烧室内低浓度瓦斯燃烧特性的影响

2.1.1 不同含水摩尔分数对燃烧室温度分布的影响

为分析不同含水摩尔分数对燃烧室中温度分布的影响，对不同含水摩尔分数时燃烧室内的轴向温度进行测量，得到图3结果。由图3可知，含水摩尔分数与燃烧室内轴向温度呈正相关。当含水摩尔分数增大，燃烧室内轴向温度随之增大；不同含水摩尔分数时，燃烧室内达到峰值的轴向温度位置几乎重叠。

2.1.2 不同含水摩尔分数水汽量对燃烧室中NO、CO分布的影响

1)NO分布影响

NO是瓦斯氧化装置燃烧室内产生NOx的一种基本来源物质[7-8]，因此研究水汽量对燃烧器内NO的分布影响十分必要。设入口瓦斯当量比为 0.7，流速为 0.5 m/s ，然后对不同含水摩尔分数时燃烧室内NO轴向温度分布的测量，得到图4的结果。由图4可知，NO摩尔分数分布与水汽量成反比相关。随含水摩尔分数的增加，燃烧室内NO摩尔分数轴向分布逐渐减小；随着靠近燃烧室出口，不同水汽量的轴向分布线的距离逐渐增大，即NO摩尔分数的差距越来越明显；随水汽量的增加，再增加相同含水摩尔分数(6%)时，NO的生成量逐渐减少。

图4 不同水汽量时燃烧室内NO摩尔分数轴向分布

采用拟合曲线分析，得到燃烧室出口NO排放与不同含水摩尔分数关系，具体如图5所示。由图5可知，不同含水摩尔分数的水汽与燃烧室出口NO排放呈线性相关。随着水汽量的增加，燃烧室出口NO的排放量线性减少，说明水汽量的增加会减少NO的排放。

图5 不同水汽量时燃烧室出口NO排放及拟合关系

2)CO分布影响

对不同含水摩尔分数下燃烧室燃烧后的CO分布进行测量，得到如图6的结果。由图6可知，不同含水摩尔分数在CO摩尔分数达到峰值前，CO的生成量几乎相同；当CO的摩尔分数达到最大后，此时CO的生成量变化逐步加大。越接近燃烧室出口，含水摩尔分数多的瓦斯CO排放量越大[9-10]。

图6 不同水汽量时燃烧室内CO摩尔分数轴向分布

燃烧室出口CO排放量与入口瓦斯水汽含量的关系如图7所示。由图7可知，燃烧室出口CO排放量与含水摩尔分数呈二次函数关系，且拟合度R2=0.99；当含水摩尔分数较小时，CO的排放量接近。

图7 燃烧室出口CO排放量与入口瓦斯水汽含量关系

2.1.3 不同含水摩尔分数水汽量对燃烧速度分布的影响

为分析水汽量对燃烧器中燃烧速度的影响，测量入口含不同含水摩尔分数的瓦斯燃烧时的轴向速度，具体如图8所示。由图8可知，轴向速度达到峰值前，不同含水摩尔分数在燃烧室内的速度几乎相同；轴向速度接近峰值时，不同含水量之间的速度差值最大；轴向速度达到峰值后，随着含水摩尔分数的增加，燃烧室内轴向速度整体下降。

图8 不同含水摩尔分数时燃烧室内轴向速度

2.2 燃烧室尺度对低浓度瓦斯燃烧特性的影响

2.2.1 燃烧室直径大小对燃烧特性的影响

1)壁面绝热下的温度分布

为分析燃烧室壁面绝热环境下燃烧室直径对低浓度瓦斯燃烧特性的影响，研究测量了不同入口口径燃烧室内轴向温度，结果如图9所示。由图9可知，不同燃烧室入口直径的轴向温度分布较为接近。随着燃烧室入口直径增大，气体温度与固体温度间的差距逐渐减小，而通过燃烧室的总风量逐渐提高。

图9 燃烧室壁面绝热时气固温度沿轴向分布情况

2)避免散热下燃烧室直径对燃烧特性的影响

考虑到实际应用中，燃烧室壁面不可能完全绝热。因此，为探究实际燃烧室直径对燃烧特性的影响，分析壁面散热情况下燃烧室内轴向气固温度分布，结果如图10所示。由图10可知，随燃烧室直径增大，燃烧室峰值温度逐渐增大，而气体峰值温度逐渐减小；对比温度曲线的温差可知，随燃烧室直径线间距离增大，壁面散热对温度的影响逐渐减小。

图10 考虑壁面散热时燃烧室内轴向气固温度分布情况

3)绝热或散热下燃烧室出口NO、CO分布

图11为绝热或散热条件下，燃烧室出口NO、CO排放情况。由图11可知，随着燃烧室直径的增大，NO的排放量逐渐减少，CO排放量逐渐增大，其原因是NO气体峰值温度随燃烧室直径的增大而减小，而CO的生成与氧气逗留时间和浓度相关，当燃烧室内温度升高，气体流速将加大，进而缩短了氧气逗留时间。整体来看，燃烧室直径从10 cm增大到30 cm时，NO的排放量降低了30.36%，CO排放量增加了1 100%。

图11 燃烧器出口NO、CO排放情况

2.2.2 燃烧室长度对燃烧特性的影响

为分析燃烧室长度对低浓度瓦斯燃烧特性的影响，在考虑壁面散热条件下，探究不同燃烧室长度对固体温度分布的影响，实验结果如图12所示。由图12可知，长度相同的燃烧室，其温度分布保持均匀一致性；随着燃烧室长度的增加，燃烧室内温度逐渐降低，其原因是壁面散热时对烟气热量持续降低，进而导致燃烧室内温度下降。

图12 壁面散热时燃烧室内固体温度分布情况(D=10 cm)

图13为不同燃烧室长度时，NO、CO沿气流方向分布情况。由图13可知，燃烧室内，随燃烧室长度增加，NO迅速增大到峰值，达到峰值后，NO摩尔分数保持稳定直到燃烧室出口；燃烧室出口处，随燃烧室长度增大，NO排放量逐渐减少。随着燃烧室长度的增加，出口处的CO排放量逐渐减少，其原因是CO排放量与氧气逗留时间相关，当燃烧室长度越长，氧气逗留时间越长，使得CO与氧气发生反应更为充分，进而使燃烧室出口处CO降低。

图13 散热条件下燃烧室内NO、CO沿气流方向分布情况

3 结 论

通过上述实验，得出以下几点结论：

(1)不同水汽量对低浓度瓦斯燃烧特性具有一定影响，随瓦斯中含水汽量的增加，燃烧室内轴向温度逐渐增大，但燃烧室内达到峰值的轴向温度位置几乎重叠。

(2)随瓦斯中水汽量的增加，NO的沿轴向分布整体下降，燃烧室出口NO的排放量逐渐减少。瓦斯中不同含水汽量对CO的生成量变化相似，当CO摩尔分数达到峰值前，CO生成量整体接近；当CO摩尔分数达到峰值后，CO生成量随含水汽量的增加而增加，不同含水汽量之间的CO生成量差距逐渐增大。随瓦斯中含水汽量的增加，燃烧室出口CO排放量逐渐增加。

(3)瓦斯中不同含水汽量在燃烧室内轴向速度达到峰值前，不同含水摩尔分数在燃烧室内的速度几乎相同；轴向速度接近峰值时，不同含水量之间的速度差值最大；轴向速度达到峰值后，随着含水摩尔分数的增加，燃烧室内轴向速度整体下降。

(4)燃烧器直径对低浓度瓦斯燃烧特性具有一定影响，随燃烧室直径增大，燃烧室出口NO排放量逐渐显小，CO排放量逐渐增大。

(5)燃烧室长度影响低浓度瓦斯燃烧特性，相同长度的燃烧室，其温度分布相似；随着燃烧室长度的增加，燃烧室出口处温度逐渐减小，NO和CO的排放量也逐渐减小。