不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)低濃度瓦斯燃燒特性研究

丁 艷，林柏泉，袁隆基，宋正昶

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221008； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

在“先抽后采、能抽盡抽、以用促抽”的方針政策下[1]，我國(guó)煤礦瓦斯抽采量逐年增加，但瓦斯利用率并無(wú)明顯提高，造成這一現(xiàn)象的重要原因是抽采的瓦斯中50%以上為中低濃度瓦斯[2]。目前，濃度較高的瓦斯，其利用價(jià)值較高，應(yīng)用技術(shù)也比較成熟[3]；濃度較低的瓦斯，特別是甲烷體積分?jǐn)?shù)低于10%的低濃度瓦斯，很難采用傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)進(jìn)行直接利用[4-5]。抽采瓦斯中低濃度瓦斯大部分被直接排放到大氣中，這既造成環(huán)境污染(CH4的溫室效應(yīng)約為CO2的28倍[6-7])，又導(dǎo)致能源浪費(fèi)(煤礦瓦斯是一種可燃性氣體，是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源[8-9])。因此充分利用煤礦低濃度瓦斯具有重要意義。

許多專家學(xué)者對(duì)低濃度瓦斯利用方法進(jìn)行了積極地探索，趙益芳等[10]研究了碳分子篩變壓吸附技術(shù)用于提高瓦斯?jié)舛?；邢紅[11]進(jìn)行了濃縮提純技術(shù)及應(yīng)用的研究；王松浩等[12]對(duì)泡沫陶瓷內(nèi)低濃度瓦斯預(yù)混燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬；朱茜茜等[13]分析了預(yù)混氣體在泡沫陶瓷內(nèi)的燃燒溫度和火焰面移動(dòng)特性；王振江[14]利用甲烷氧化菌對(duì)低濃度瓦斯進(jìn)行降解處理；宋正昶等[4]利用多孔介質(zhì)的蓄熱功能對(duì)低濃度瓦斯進(jìn)行過(guò)焓燃燒試驗(yàn)；李聰?shù)萚3]通過(guò)聲熱耦合原理實(shí)現(xiàn)了低濃度瓦斯的脈動(dòng)燃燒；武文慶[15]采用Helmholtz型燃燒器對(duì)低濃度瓦斯進(jìn)行脈動(dòng)燃燒試驗(yàn)；CONTARIN F等[16]建立了以多孔介質(zhì)顆粒為內(nèi)芯的燃燒器模型；GAO Huaibin等[17]搭建了含有不同直徑顆粒的氧化鋁燃燒器；DAI Huaming等[18]研究了在多孔介質(zhì)中加入水蒸氣時(shí)低濃度瓦斯的燃燒特性；李德波等[19]分析了低濃度瓦斯在泡沫陶瓷內(nèi)燃燒時(shí)的污染物排放特性。

多孔介質(zhì)的引入為低濃度瓦斯的燃燒利用提供了新的安全利用途徑。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)是一種新的燃燒方式[20]，多孔介質(zhì)內(nèi)部由多個(gè)基于絲網(wǎng)骨架的孔連接構(gòu)成，孔密度小，孔隙率較高(約為70%～90%)[13]。多孔介質(zhì)的孔密度不同，其傳熱特性也不同，混合氣體在不同孔密度的多孔介質(zhì)中燃燒亦會(huì)呈現(xiàn)出不同的燃燒特性。

筆者選用5種不同孔密度的碳化硅(SiC)多孔介質(zhì)，研究當(dāng)量比為0.50～0.70時(shí)低濃度瓦斯在多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒情況，揭示多孔介質(zhì)孔密度對(duì)低濃度瓦斯燃燒溫度分布、污染物排放的影響規(guī)律。分別選用每英寸10、15、20、30和40個(gè)孔數(shù)的5種不同孔密度的SiC多孔介質(zhì)，每片多孔介質(zhì)為圓餅狀，直徑為100 mm，厚度為15 mm，孔隙率約為85%。選取相同孔密度規(guī)格的4片多孔介質(zhì)材料組合成燃燒器內(nèi)芯，共形成5種不同孔密度的均勻型多孔介質(zhì)燃燒器，試驗(yàn)探索低濃度瓦斯在多孔介質(zhì)燃燒器中燃燒的溫度和污染物排放規(guī)律。

1 燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)

本燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、高能點(diǎn)火器、多孔介質(zhì)燃燒器、煙氣分析儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

供氣系統(tǒng)主要為多孔介質(zhì)燃燒器提供符合要求的混合氣體，其主要成分及體積分?jǐn)?shù)為CH434.3%、CO21.2%、O219.6%、N2及其他氣體44.9%；混合氣體經(jīng)過(guò)減壓閥和智能流量計(jì)后與凈化的壓縮空氣在混合室進(jìn)行充分混合，之后被送入多孔介質(zhì)燃燒器中進(jìn)行燃燒。多孔介質(zhì)燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多孔介質(zhì)燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

將高能點(diǎn)火器的噴嘴插入多孔介質(zhì)燃燒器的煙氣出口處；在煙氣出口處采用MRU DELT2000煙氣分析儀分析低濃度瓦斯燃燒后的煙氣成分及含量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)熱電偶傳感器采集多孔介質(zhì)燃燒器溫度，并傳給電腦進(jìn)行分析處理。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用5種規(guī)格多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)芯，每種規(guī)格由相同孔密度的柱形泡沫陶瓷組成：每英寸10個(gè)孔、15個(gè)孔、20個(gè)孔、30個(gè)孔和40個(gè)孔(以下簡(jiǎn)稱為10孔、15孔、20孔、30孔和40孔)。

試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)燃燒器進(jìn)行預(yù)熱：將接近理想配比的預(yù)混可燃?xì)庖?.1 m/s的流速送入燃燒器，用高能點(diǎn)火器點(diǎn)燃，再進(jìn)行回火，重復(fù)多次，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)燃燒器壁面的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃左右后停止預(yù)熱。

不同孔密度泡沫陶瓷表面溫度及污染物測(cè)定：將本試驗(yàn)所用的瓦斯氣體和空氣混合，配制0.60當(dāng)量比(實(shí)際CH4體積分?jǐn)?shù)與空氣中以化學(xué)計(jì)量比完全燃燒時(shí)CH4的體積分?jǐn)?shù)(約為9.542%)的比值[4])的預(yù)混氣體(CH4體積分?jǐn)?shù)為5.700%)，分批次送入5種不同孔密度的多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)芯中進(jìn)行燃燒，通過(guò)燃燒器周圍均勻分布的熱電偶連續(xù)監(jiān)測(cè)燃燒室壁面的溫度分布；利用煙氣分析儀檢測(cè)煙氣的組分及含量。采用相同的方法，配制不同當(dāng)量比的預(yù)混氣體并考察其燃燒情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 多孔介質(zhì)孔密度對(duì)燃燒溫度分布的影響

0.60當(dāng)量比下，5種不同孔密度(10孔、15孔、20孔、30孔和40孔)多孔介質(zhì)材料外壁表面溫度沿燃燒器軸向位置的變化情況如圖3所示。

圖3 當(dāng)量比為0.60時(shí)5種不同孔密度多孔介質(zhì)材料外壁表面溫度變化

由圖3可知，5種不同孔密度的多孔介質(zhì)外壁表面溫度均經(jīng)歷了一個(gè)先升高再降低的變化過(guò)程：孔密度由10孔增加到20孔時(shí)，溫度呈上升趨勢(shì)；孔密度由20孔增加到40孔時(shí)，溫度出現(xiàn)了先降低后升高的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，多孔介質(zhì)的孔密度對(duì)燃燒溫度的影響并非線性函數(shù)關(guān)系。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是輻射換熱和對(duì)流換熱的共同作用的結(jié)果。①輻射換熱方面：孔密度減小時(shí)，輻射衰減減小，輻射穿透力增強(qiáng)，從而增大了對(duì)多孔介質(zhì)材料上下游溫度的影響，加快了材料上游溫度的上升，減緩了材料下游溫度的下降，導(dǎo)致孔密度較小的多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)火焰相對(duì)比較分散；孔密度增大時(shí)，多孔介質(zhì)材料比表面積增大，光學(xué)厚度增大，輻射阻力增大，最終導(dǎo)致火焰局部相對(duì)集中。②對(duì)流換熱方面：孔密度減小，多孔介質(zhì)材料比表面積減小，有效傳熱面積減小，容積換熱系數(shù)減小，對(duì)流換熱作用減小，多孔介質(zhì)溫度降低，從而影響到輻射熱量的回流。

基于輻射換熱和對(duì)流換熱的共同作用，10孔的多孔介質(zhì)內(nèi)的輻射換熱效果較好，對(duì)流換熱效果較差，多孔介質(zhì)中火焰向兩端散失，熱量被分散，導(dǎo)致多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)部溫度較低；而30孔和40孔的多孔介質(zhì)內(nèi)對(duì)流換熱效果較好，由于孔密度較大阻礙了輻射換熱，熱量很難釋放到多孔介質(zhì)燃燒器兩端，使得多孔介質(zhì)材料內(nèi)溫度分布不均，局部溫度較高；20孔的多孔介質(zhì)換熱效果最好，多孔介質(zhì)整體溫度較高。

3.2 多孔介質(zhì)孔密度對(duì)污染物排放的影響

煤礦瓦斯的主要成分是CH4，瓦斯燃燒時(shí)的主要污染物是CO和NOx。在試驗(yàn)時(shí)，選取相同流速的穩(wěn)定燃燒工況，測(cè)量不同當(dāng)量比下多孔介質(zhì)燃燒器出口污染物(主要是CO和NOx)的排放情況。5種不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)低濃度瓦斯燃燒時(shí)CO排放濃度(體積分?jǐn)?shù))隨當(dāng)量比的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器CO排放曲線

由圖4可知，相同流速下，5種不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器出口的CO排放濃度都呈現(xiàn)隨當(dāng)量比增大而減小的規(guī)律。當(dāng)量比為0.50～0.55時(shí)(CH4體積分?jǐn)?shù)為4.8%～5.2%)，CO排放呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)；當(dāng)量比為0.55～0.70時(shí)(CH4體積分?jǐn)?shù)為5.2%～6.7%)，CO排放也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是下降的幅度很小。CO排放越少，說(shuō)明燃燒越充分，這也說(shuō)明隨著當(dāng)量比的增大，瓦斯燃燒更加充分。尤其是20孔的多孔介質(zhì)燃燒器，在0.55～0.70當(dāng)量比范圍內(nèi)，CO排放濃度已經(jīng)低于50×10-6。當(dāng)量比為0.70時(shí)甚至低于25×10-6。試驗(yàn)表明：在貧燃條件下(氧氣充足)，當(dāng)量比為0.50～0.70時(shí)(CH4體積分?jǐn)?shù)為4.8%～6.7%)，相同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器CO的排放濃度隨著當(dāng)量比的增大而減小。

從圖4中還發(fā)現(xiàn)，多孔介質(zhì)燃燒器的孔密度不同，CO排放濃度也不同。當(dāng)量比為0.50時(shí)，10孔的多孔介質(zhì)燃燒器的CO排放濃度最高，40孔的多孔介質(zhì)燃燒器的CO排放濃度最低，而20孔的多孔介質(zhì)燃燒器的CO排放濃度比30孔的低，所以當(dāng)量比為0.50時(shí)，CO的排放濃度和孔密度大小并未呈線性關(guān)系；當(dāng)量比為0.55～0.70時(shí)，CO排放濃度與孔密度的關(guān)系則不太明顯，不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器的CO排放濃度曲線都很相近。20孔的多孔介質(zhì)燃燒器對(duì)應(yīng)的CO排放濃度整體偏低，而10孔的多孔介質(zhì)燃燒器對(duì)應(yīng)的CO排放濃度偏高些。

5種不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器的NO排放濃度(體積分?jǐn)?shù))隨當(dāng)量比的變化情況，如圖5所示。

圖5 不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器NO排放曲線

由圖5可知，無(wú)論哪種孔密度的多孔介質(zhì)，NO的排放濃度均隨當(dāng)量比的增大而呈上升趨勢(shì)。這主要是由于不同孔密度、不同當(dāng)量比下的燃燒溫度不同造成的，瓦斯燃燒過(guò)程中NO主要是快速型和熱力型的，在貧燃(富氧)條件下，溫度越高，生成的NO濃度越高。

不同孔密度、不同當(dāng)量比下多孔介質(zhì)NOx的排放規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同孔密度、不同當(dāng)量比下多孔介質(zhì)NOx排放曲線

由圖5和圖6可知，NOx與NO的排放規(guī)律基本一致，表明NOx污染物中主要成分為NO。

4 結(jié)論

1)多孔介質(zhì)孔密度對(duì)低濃度瓦斯燃燒溫度的影響并非線性函數(shù)關(guān)系。當(dāng)孔密度由10孔增加到 20孔時(shí)，多孔介質(zhì)燃燒器中燃燒溫度呈上升趨勢(shì)；當(dāng)孔密度由20孔增加到40孔時(shí)，多孔介質(zhì)燃燒器中燃燒溫度呈先降低后升高的趨勢(shì)。

2)孔密度為20孔的多孔介質(zhì)燃燒器換熱效果最好，多孔介質(zhì)燃燒器整體溫度較高。

3)相同流速的燃燒工況下，5種不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器的CO排放濃度均隨當(dāng)量比的增加而降低。當(dāng)量比由0.50增加至0.55時(shí)，CO的排放濃度急劇減小；當(dāng)量比由0.55增加至0.70時(shí)，CO的排放濃度減小緩慢。NO的排放濃度隨當(dāng)量比的增加而升高。CO和NO的排放濃度與孔密度大小的關(guān)系不明顯，但孔密度為20孔的多孔介質(zhì)燃燒器對(duì)應(yīng)的CO排放濃度在所測(cè)當(dāng)量比范圍內(nèi)普遍偏低，NO的排放濃度相對(duì)較高；孔密度為10孔的多孔介質(zhì)燃燒器對(duì)應(yīng)的CO排放濃度偏高，NO的排放濃度偏低；NOx與NO的排放規(guī)律基本一致，NOx的主要成分為NO。