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低浓度煤矿瓦斯气多孔介质超焓燃烧试验研究

2024-01-03 103 上传者：管理员

摘要：针对低浓度瓦斯气无法直接燃烧的问题，利用多孔介质超焓燃烧原理设计了低浓度瓦斯氧化系统，探究了不同浓度瓦斯的燃烧特性及污染物排放水平，结果表明：多孔介质超焓燃烧技术拓宽了常温常压下瓦斯的燃烧极限，可实现浓度高于3.5%的瓦斯气安全、稳定燃烧。多孔介质可强化气体的混合及弥散效应，强化燃烧并使燃烧区域温度迅速趋于均匀，避免局部高温，减少CO与NOx生成量。本技术响应了国家“双碳”战略，拥有巨大的经济效益和社会效益。

关键词：
“双碳”战略
低浓度瓦斯
多孔介质燃烧
弥散效应
超焓燃烧
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我国煤矿每年井下瓦斯抽采量在120亿方左右，然而利用率仅约35.3%[1]。短板主要集中体现在浓度低于30%的瓦斯气，特别是浓度小于6%的低浓度瓦斯利用率仅为2%,大部分直接排空，不仅严重危害环境，且造成能源极大浪费。

由于甲烷在常温常压下的爆炸极限为4.9%～16%,理论上浓度低于4.9%的瓦斯无法直接稳定燃烧[2]。目前低浓度瓦斯气主要通过RTO(蓄热式热力焚化炉)处理，但是对于浓度高于1.2%的瓦斯气需要先进行稀释，否则易发生超温、爆燃等问题[3]。且RTO存在占地面积大、投资成本高、系统复杂等缺点，目前国内外正大力发展新一代低浓度煤矿瓦斯气处理技术。

多孔介质燃烧是一种新型燃烧方式，燃烧装置内部由各类多孔材料组成，根据材质及形式的不同，孔隙率可达40%～90%。多孔介质燃烧存在对流、导热和辐射三种换热方式，可向上游燃料传递热量，拓宽瓦斯燃烧极限，也称为超焓燃烧[4,5,6,7,8,9]。国内外许多专家学者对其燃烧理论进行了研究，王松浩等[10]对泡沫陶瓷内低浓度瓦斯预混燃烧进行了数值模拟，发现随预热温度和压力的升高和增大，气体温度分布更均匀。朱茜茜等[11]分析了预混气体在泡沫陶瓷内的燃烧温度和火焰面移动特性；Contarin F等[12]建立了以多孔介质颗粒为内芯的燃烧试验台，并在该试验台上研究了进气速度对处理效率的影响。以上工作大多处于理论研究方面，由于多孔介质燃烧在实际运行时易存在局部超温、火焰面不稳定的问题，目前鲜有实际应用的报道。

本文采用了多孔介质燃烧技术处理低浓度瓦斯。在自行搭建的试验装置上进行了热态中试试验，并从经济及社会角度分析了该技术的可行性，研究结果可为相关设备的设计及选型提供重要参考。

1、试验系统及方法

1.1 中试试验系统

中试试验系统设计瓦斯处理量为30 Nm3/h(折合甲烷浓度100%),系统主要由供气系统、点火燃烧器、燃烧装置、喷水减温系统和数据采集系统组成，具体如图1所示。

图1 热态试验系统示意图

试验装置如图2所示，试验用低浓度瓦斯气由液化天然气和空气混合而成，液化天然气经气化器气化后与空气分别进入混合器混合，天然气管道和空气管道上分别布置有流量计和调节阀，便于控制瓦斯气浓度。混合完成后的瓦斯气分成两路，分别自氧化装置下方和中间位置进入，混合器出口处布置有甲烷浓度传感器，氧化完成后产生的高温烟气进入喷淋塔降温冷却，由引风机抽出经烟囱对空排放。

图2 热态试验装置

氧化装置内部结构图如图3所示，内部自下而上分别由流动调节区、预热氧化区和充分氧化区构成，形成一个高效受控的氧化反应装置。

图3 氧化装置内部结构图

1.2 试验方法

试验共配置了6种浓度的瓦斯气，浓度分别为3%、3.5%、4%、4.5%、5%和5.5%,采用DR70C-CH4红外型甲烷传感器对瓦斯浓度进行在线测定。试验开始前采用液化石油气对氧化装置进行预热，当预热氧化区温度达到800 ℃后停止预热，过程共持续45 min, 液化气消耗量为11 kg。

预热完成后开始通入配置好的瓦斯气，瓦斯气分为上下两部分分别进入装置，下部分瓦斯气经多个喷口进入流动调节区，上部分瓦斯气进入充分氧化区，每个浓度试验持续时间40 min。试验顺序为先进行5.5%高浓度试验，再逐步降低浓度至3%。利用布置在多孔介质层中的热电偶测量各工况实验过程中的温度，布置位置见图4。温度采集仪采用安捷伦34970A;每个工况运行稳定后利用testo350型烟气分析仪检测烟气的组分及含量。

图4 多孔介质层热电偶标高

2、试验结果及分析

2.1 热态试验结果

图5为各试验浓度下维持40 min后氧化装置出口温度及对应浓度下理论绝热燃烧温度。由图可得当瓦斯浓度为3%时，无法维持正常燃烧，温度在试验结束后由预热后的800 ℃冷却至200 ℃。其余浓度下瓦斯均能稳定燃烧，且氧化装置出口温度随瓦斯浓度的上升而上升，趋势与理论计算所得的绝热燃烧温度基本一致，但均比理论绝热燃烧温度低80 ℃左右，这是由散热损失导致的。

图5 各试验浓度下氧化装置出口温度

图6为瓦斯浓度4%时预热氧化区温度随时间变化规律。由图可得，0～45 min内为预热升温阶段。在该区间内，温度不断上升至目标温度，45 min时关闭预热燃烧器，通入4%的瓦斯后温度仍然持续上升至1000 ℃以上，大于理论绝热燃烧温度，这是由于多孔介质向上游不断传递热量，形成 “超焓燃烧”。

图7为现场运行结果，由观火孔观测发现火焰在高度方向上充盈度较好，燃烧过程洁净无黑烟。尾气检测结果显示NOx排放量仅为1.4 mg/m3,CO浓度仅为1 mg/m3,充分表现出多孔介质超焓燃烧技术高效、清洁的特点。

2.2 经济和社会效益

设计标准设备单台处理能力(折合CH4含量100%)最高可达600 m3/h, 可产生约6 t/h的蒸汽量，按蒸气价格200元/吨来计算，每小时可产生1200元的经济效益。按年运行时间8000 h计算，每年可创造960万元收益。

图6 瓦斯浓度4%时预热氧化区温度

图7 现场运行结果

此外，通过此技术可进行供热，解决煤矿井筒加热、煤泥烘干、员工洗澡等问题，经济效益明显。同时，随着CCER重启，碳排放交易也可产生部分收益。

在“碳达峰、碳中和”的战略背景下，以超焓燃烧技术处理煤矿乏风中的甲烷，对于碳减排具有重要意义。缓解了我国能源供应紧张的局势，改善能源消费结构，提高能源的利用率；另一方面，提供了额外的就业岗位，减少失业人数；同时还减少污染物质的排放，有助于保护大气环境，促进我国社会经济的绿色发展、可持续发展，具有良好的社会效益。

3、结论

(1) 多孔介质超焓燃烧技术拓宽了常温常压下瓦斯的燃烧极限，可实现浓度高于3.5%的瓦斯气安全、稳定燃烧，响应了国家“双碳”战略，拥有巨大经济效益和社会效益。

(2) 多孔介质可强化气体的混合及弥散效应，显著加快燃烧反应，提高燃烧速率，降低CO生成量。良好的换热特性使燃烧区域温度迅速趋于均匀，避免局部高温，减少NOx生成量。

参考文献:

[1]刘见中,孙海涛,雷毅,等.煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势[J].煤炭学报,2020,45(1):258~267.

[2]程乐鸣.多孔介质燃烧理论与技术[M].化学工业出版社,2013.

[3]胡乾明.蓄热式热力焚化炉生产安全事故分析[J].山东化工,2015,44(10):3.

[4]李涛.低热值预混气在往复式多孔介质中燃烧实验研究[D].浙江大学,2010.

[10]王松浩,宋正昶,尹泽光.矿井低浓度瓦斯在多孔介质内预热增压燃烧特性研究[J].煤炭技术,2016,35( 9) :144~147.

[11]朱茜茜,程乐鸣,郑成航,等.预混气体在泡沫陶瓷多孔介质燃烧温度分布与火焰面移动特性[J].中国电机工程学报,2012,32( 17) :63~69.

文章来源:方毅波.低浓度煤矿瓦斯气多孔介质超焓燃烧试验研究[J].电站系统工程,2024,40(01):23-24+27.