煤矿超低浓度瓦斯蓄热式无焰氧化装置的大型化研究

裴刚; 李庆钊; 张国川; 丁熊; 张海庆; 朱建云; 仝艳军

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2508183

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :12972-12981 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2508183

论文：矿冶工程

煤矿超低浓度瓦斯蓄热式无焰氧化装置的大型化研究

裴刚 ¹ ,
李庆钊 ²^,^* ,
张国川 ¹ ,
丁熊 ² ,
张海庆 ¹ ,
朱建云 ² ,
仝艳军 ¹

作者信息 +

Scaling-up of Regenerative Flameless Oxidation Device for Ultra-low Concentration Coal Mine Gas

Author information +

文章历史 +

摘要

为探索煤矿超低浓度瓦斯蓄热式无焰氧化装置的大型化运行特性,基于实验室小试平台,分析了不同类型多孔介质对超低浓度瓦斯无焰氧化稳燃区间的影响规律,揭示了蓄热体布置方式及进气瓦斯参数对装置温度场分布的作用机制。在此基础上,开发了处理能力为800 Nm³/h的超低浓度瓦斯中试测试装置。在平顶山天安煤业有限公司八矿现场试验期间,针对不同入口瓦斯体积浓度和流量工况,获得了入口参数对大型化无焰氧化装置床温分布、瓦斯氧化效率及一氧化碳、氮氧化物等排放特性的影响规律。研究发现,多孔蓄热体孔隙结构对蓄热氧化过程具有显著影响,其中孔密度(pores per inch,PPI)为20的泡沫陶瓷蓄热体的稳燃区间范围最宽,且回火与脱火极限均随入口瓦斯体积分数升高而增加。蜂窝陶瓷蓄热体稳燃区间较窄,但具有更低流阻及更低回火下限。不同孔隙结构蓄热体的布置方式及反应腔室结构所形成的界面突变可构建火焰锚定区。当腔室长径比为0.8时可实现较好的稳燃效果,且反应温度与入口瓦斯体积分数、流速总体呈正相关特征。界面突变强化的局部反应及下游蓄热体的热反馈使反应腔室温度分布趋于均匀。在4%~7%现场抽采瓦斯条件下,氧化装置反应室温度可维持在650~1 100 ℃,高温区随入口瓦斯体积分数及流量增加略向上游移动。测试条件下氧化装置的瓦斯销毁率不低于96%,排烟CO与NO_x均低于环保限值。从多孔结构调控与反应腔尺度匹配的角度出发,揭示了稳燃区间拓展与回火风险抑制的协同机制,完成了由小试到中试的工程放大,为超低浓度瓦斯无焰氧化装置的规模化应用提供了依据。

Abstract

To explore the large-scale operation characteristics of regenerative flameless oxidation devices for ultra-low concentration coal mine methane, the influence of different types of porous media on the stable combustion range of ultra-low concentration methane flameless oxidation was analyzed based on a laboratory-scale platform, and the mechanisms of heat accumulator arrangement and inlet methane parameters on the temperature field distribution of the device were revealed. On this basis, a pilot-scale test device for ultra-low concentration methane with a treatment capacity of 800 Nm³/h was developed. During field tests at the No.8 Coal Mine of Pingdingshan Tian’an Coal Industry Co., Ltd., the influences of inlet parameters on the bed temperature distribution, methane oxidation efficiency, and emission characteristics of CO and NO_x of the large-scale flameless oxidation device were obtained under different inlet methane volume concentrations and flow rates. It is found that the pore structure of porous heat accumulators has a significant effect on the regenerative oxidation process. Among them, the foam ceramic heat accumulator with a pore density (pores per inch, PPI) of 20 has the widest stable combustion range, and both the flashback and blow-off limits increase with the rise of inlet methane volume fraction. The honeycomb ceramic heat accumulator has a narrower stable combustion range but lower flow resistance and a lower flashback limit. The abrupt interface change formed by the arrangement of heat accumulators with different pore structures and the structure of the reaction chamber can construct a flame anchoring zone. A good combustion stability effect can be achieved when the chamber length-to-diameter ratio is 0.8, and the reaction temperature is generally positively correlated with the inlet methane volume fraction and flow velocity. The local reaction enhanced by the abrupt interface change and the thermal feedback from the downstream heat accumulator tend to homogenize the temperature distribution in the reaction chamber. Under the condition of 4%~7% field-extracted methane, the temperature of the reaction chamber of the oxidation device can be maintained at 650~1 100 ℃, and the high-temperature zone moves slightly upstream with the increase of inlet methane volume fraction and flow rate. Under the test conditions, the methane destruction rate of the oxidation device is not less than 96%, and the exhaust CO and NO_x are both lower than the environmental limits. From the perspective of porous structure regulation and reaction chamber scale matching, this paper reveals the synergistic mechanism of expanding the stable combustion range and suppressing flashback risk, completes the engineering scale-up from laboratory scale to pilot scale, and provides a basis for the large-scale application of ultra-low concentration methane flameless oxidation devices.

Graphical abstract

关键词

煤矿 / 超低浓度瓦斯 / 多孔介质 / 无焰氧化装置 / 大型化

Key words

coal mine / ultra-low concentration gas / porous media / flameless oxidation device / scaling-up

引用本文

引用格式 ▾

裴刚, 李庆钊, 张国川, 丁熊, 张海庆, 朱建云, 仝艳军. 煤矿超低浓度瓦斯蓄热式无焰氧化装置的大型化研究[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 12972-12981 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508183

PEI Gang, LI Qing-zhao, ZHANG Guo-chuan, DING Xiong, ZHANG Hai-qing, ZHU Jian-yun, TONG Yan-jun. Scaling-up of Regenerative Flameless Oxidation Device for Ultra-low Concentration Coal Mine Gas[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 12972-12981 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508183

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

煤矿瓦斯抽采与利用是中国绿色矿山建设和煤炭甲烷管控所面临的核心难题之一^[1-3]。随着煤矿开采深度与规模不断扩大,瓦斯抽采量显著增加,然而抽采的超低浓度瓦斯占比高、波动大且难以安全稳定燃烧利用,使其利用效果受限^[4-5],目前多被直接排空处理,对矿区温室气体管控造成极大影响^[6]。在国家“双碳”目标背景下,超低浓度瓦斯无焰氧化技术已经被写入温室气体自愿减排项目方法学。因此,如何推动超低浓度无焰氧化技术及装备的大型化,实现超低浓度瓦斯的安全、高效与环保利用,已成为煤矿瓦斯清洁低碳技术亟须破解的关键难题^[7]。

超低浓度瓦斯无焰氧化不仅要求装置能够适应较低的贫燃极限,同时也要避免出现脱火、回火、熄灭等非稳定特征^[8-9]。为改善贫燃状态下的稳定性,多孔介质燃烧技术(porous media combustion,PMC)成为近年来研究的重点方向^[5,10-12]。PMC通过固体骨架的强辐射换热与固体蓄热,可在入口低当量比条件下维持高温燃烧,并显著提升火焰稳定性与燃烧效率^[13-15]。球体堆积床^[16-18]、泡沫陶瓷^[19-21]和蜂窝陶瓷^[22]等多孔结构均已被用于多孔介质燃烧器的研究,但其结构与材料热物性不同导致稳燃机理和性能表现差异显著^[23-25]。张建国等^[12]研究了渐变结构多孔介质对低浓度甲烷燃烧的影响。王鹏涛等^[26]基于GRI-Mech 3.0机理,分析了不同当量比下氧化铝球体堆积床多孔介质燃烧器的燃烧特性。王恩宇等^[27]研究了燃烧器内芯孔隙结构及冷却空气流量对燃烧温度与污染物排放的影响。赵旭生等^[28]在重庆石壕矿建立了处理量为2 000 m³/h的低浓度瓦斯安全燃烧工业性试验系统,研究了金属纤维燃烧器和阻火器的安全燃烧条件。杨俊辉等^[29]构建了工业化低浓度瓦斯燃烧试验系统,依托经PSO-BP神经网络优化的比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器,有效减小了低浓度瓦斯直燃系统的控制误差,确保系统实现长期安全稳定运行。

与泡沫陶瓷及颗粒堆积蓄热体相比,蜂窝陶瓷轴向直孔结构导致横向热反馈不足,稳燃区间较窄,但其具有流动阻力低、结构规整等优势,在工业上具有广泛应用。由于超低浓度瓦斯无焰氧化装置的回火具有比脱火更大的危险性,因此氧化装置必须在确保“防回火”的条件下尽可能扩大稳燃区间。与实验室稳定条件不同,煤矿抽采瓦斯流量、浓度常呈现出实时波动的特性,从而对超低浓度瓦斯在波动条件下运行的安全稳定性带来更大挑战。为此,研究获得抽采瓦斯波动条件下超低浓度瓦斯无焰氧化装置的运行特性对于其大型化设计具有重要意义。

综上,现有关于低浓度及超低浓度瓦斯蓄热式氧化利用的研究多集中于装置构型设计及运行可行性验证,而针对多孔介质结构、反应腔尺度与稳燃特性及回火行为之间的内在关联缺乏系统研究。针对上述问题,现围绕超低浓度瓦斯蓄热式无焰氧化装置的大型化过程开展研究。通过小试实验考察不同多孔介质结构对超低浓度瓦斯氧化特性、温度分布及稳燃区间的影响规律。分析反应腔结构参数对温度场演化及回火抑制性能的作用机制。在此基础上,构建处理能力为800 Nm³/h的中试装置并开展不同运行工况下的燃烧实验。从多孔结构调控与反应腔尺度匹配的角度出发,揭示稳燃区间拓展与回火风险抑制之间的协同机制,建立由小试到中试的结构放大路径,为超低浓度瓦斯无焰氧化装置的工程化应用提供理论依据与设计方法。

1 实验部分

1.1 实验装置

蓄热结构及其布置方式、入口瓦斯体积分数、流速等小尺度实验在自主设计的超低浓度瓦斯蓄热氧化实验平台上进行,氧化装置本体如图1(a)和图1(b)所示。基于小试实验结果,设计研发了处理量达800 Nm³/h的超低浓度瓦斯中试测试装置,如图1(c)和图1(e)所示。中试无焰氧化装置由瓦斯安全输送系统、瓦斯体积分数自动调控系统、无焰氧化装置本体、电气系统以及数据采集测试系统等组成。

1.2 实验设计及方法

为了获得蓄热体孔隙结构对超低浓度瓦斯无焰氧化的影响,实验选用了不同孔隙率(10 PPI、20 PPI、30 PPI、40 PPI等)的泡沫陶瓷及蜂窝陶瓷开展实验,以获得不同蓄热体稳燃对应的体积分数与流速的匹配范围。其中泡沫陶瓷采用密度为3.1×10³ kg/m的碳化硅材料所制作,蜂窝陶瓷采用密度为3.6×10³ kg/m³的氧化铝材质制作。蓄热体布置方式如图2(a)所示,该型布置方式使得蓄热体轴向结构依次呈现阻火区、预热区、反应区与蓄热区,其中阻火区(-95~-45 mm)为厚度为50 mm的氧化铝蜂窝陶瓷构成,蜂窝通道直径为1 mm,其主要功能是通过小孔径结构抑制火焰向上游传播,实现对超低浓度甲烷混合气的阻火与进气匀流;预热区(-45~0 mm)则由厚度45 mm的氧化铝蜂窝陶瓷组成,内部孔道直径为2 mm,孔隙率为15%,来流在此区域内与高温固体壁面充分换热,使混合气温度显著提升,为反应区超低浓度瓦斯的无焰氧化提供热量支持。反应区(0~L mm,直径100 mm,其中L=20、40、60、80 mm)为无焰氧化装置的核心空间,为获得反应区的轴向物理尺度对无焰氧化的影响,测试并分析了其长度 L对氧化装置运行特性的影响规律。由于反应腔与多孔介质之间存在明显的结构突变,界面附近的流动分布与混合状态发生重构,反应区由此获得更有利的稳定条件,火焰锋面在界面附近保持附着。蓄热区(L ~L + 30 mm)布置在氧化区腔室的下游,由厚度30 mm的氧化铝蜂窝陶瓷构成,孔径为5 mm,其具有低流阻和强蓄热的特性,以实现超低浓度瓦斯氧化热量的回收,并通过对上游的导热、辐射热回馈,从而提升进气的预热,有助于贫燃火焰的持续稳定。实验使用的混合气由纯度为99.9%的甲烷与空气混合所制,甲烷和空气采用精度为±0.1%,量程分别为50 L/min与500 L/min的Yidu-SC系列质量流量控制器进行调节,当通入气流稳定后,在燃烧器下游出口处进行点火,并采用K型铠装热电偶与TOPRIE TP700多通道数据采集仪,以1 Hz的采样频率对燃烧器内温度进行读取,当连续10 min内测得温度波动范围不超过20 K时,判定燃烧器已达到稳定燃烧状态。

中试装置的现场测试在平顶山天安煤业有限公司八矿进行,其抽采瓦斯体积分数约10.0%波动,通过瓦斯体积分数自动调控系统以满足无焰氧化装置入口瓦斯体积分数的测试需求,可调瓦斯体积分数范围为4%~8%。现场测试是在约30 d的试验期间内分阶段开展的,受抽采瓦斯波动及极限工况切换调整等因素影响,测试过程并非持续不间断运行。现场测试的主要目的是考察装置在不同入口体积分数与流量条件下的稳燃范围、燃烧状态及相关运行特性,而非对装置进行长周期连续运行可靠性评价。通过设置在中试无焰氧化装置内的以10 cm间隔安装的8根热电偶T1~T8(量程-20~1 100 ℃)进行装置的中心炉温的监测,通过可视化观察孔实现超低浓度瓦斯无焰氧化装置的观测。使用电打火装置在燃烧室内进行点火。现场测试过程中,分别记录不同设定工况下装置达到稳定燃烧状态后的温度分布、出口组分及排放数据,用于分析不同工况对装置运行特性的影响。

2 结果与讨论

2.1 蓄热体多孔结构对防回火性能的影响

实验测定的不同孔隙多孔介质的稳燃区间如图3所示。泡沫陶瓷多孔介质的孔密度(PPI)与其稳燃区间并无强线性对应关系。在所测试的不同泡沫陶瓷中,20 PPI泡沫陶瓷蓄热体的稳燃区间范围最宽,40 PPI次之。10 PPI泡沫陶瓷在甲烷体积分数C_m≤6%时稳燃区间明显偏小,随着入口瓦斯体积分数C_m升高,其脱火极限显著增加。相比之下,20 PPI与30 PPI泡沫陶瓷中稳燃区间随C_m变化相对较小,但30 PPI泡沫陶瓷稳燃区间小于20 PPI。40 PPI泡沫陶瓷在C_m≤6%时具有最低的回火极限和较宽的稳燃区间。在甲烷体积分数提升至C_m≥6.5%后,回火极限显著增加,但脱火极限的增加有限,从而导致稳燃范围整体变窄。组合型氧化铝泡沫陶瓷的稳燃区间并未因轴向结构变化而出现明显扩大,其原因在于不同孔隙蓄热体叠置时的层间缝隙及结构突变会削弱火焰面的稳定性,从而使稳燃区间变窄。

与泡沫陶瓷相比,蜂窝陶瓷蓄热体在超低浓度甲烷条件下表现出明显更窄的稳燃区间。蜂窝结构以轴向直孔为主,孔道之间的横向连通程度较低,其热量传递方式主要沿轴向展开。与泡沫结构相比,蜂窝陶瓷内部各通道之间的横向热耦合较弱,因而在超低浓度瓦斯贫燃条件下,整体稳燃能力低于泡沫结构蓄热体。当体积分数或流速偏低时,无焰氧化反应易受壁面冷却与轴向对流冲刷作用而减弱。此外,流速较高时蜂窝陶瓷的轴向流动模式使对流散热增强,较低的蓄热能力使得其贫燃稳定范围进一步变窄。

蜂窝陶瓷由狭长直孔构成,火焰传播过程受到孔道尺度与壁面换热的共同制约,逆向传播受到抑制,因此其回火下限低于泡沫陶瓷,表现出更好的防回火安全性。因此蜂窝陶瓷在超低浓度瓦斯无焰氧化装置中具有突出的工程优势。同时蜂窝结构孔隙分布均匀、流阻更低,高比表面积的直孔孔壁强化了局部气体的预热,增强了混合气的贫燃稳定性,是超低浓度瓦斯无焰氧化装置的可选的蓄热体孔隙结构。

2.2 蓄热体布置对超低浓度瓦斯氧化的影响

为了获得不同孔隙蓄热体的布置方式对超低浓度瓦斯无焰氧化的影响,本实验设计的蜂窝陶瓷燃烧器采用分段式组合结构,沿轴向依次为阻火区、预热区、反应区与蓄热区,通过蓄热体的界面突变以强化氧化过程的流场控制与热反馈调控。该型布置方式在反应区上下游形成两处关键的界面突变,在预热区与反应区的上游界面,流道由狭窄的蜂窝孔道突变为开敞腔室,流动状态发生明显调整,火焰稳定位置集中于界面附近区域,表明该结构突变对火焰附着与稳定具有重要作用。与此同时,上游蜂窝蓄热体孔道尺度较小、孔内流速较高,使火焰向上游传播受到抑制,从而降低了回火风险。在反应区腔室与蓄热区的界面,下游高温蓄热体维持了较高温度水平,并对上游反应区形成热反馈作用。该热反馈与界面附近的高温分布相对应,对上游混合气预热和火焰稳定起到了支撑作用。为此,以反应区腔室长径比λ作为无量纲参数,表达式为腔室长度L与直径D之比,即 λ =L/D,用以定量评估其对氧化温度分布的影响。

2.2.1 腔室长径比对无焰氧化状态的影响

在甲烷体积分数C_m=5%、预热区直孔流速V_h=1 m/s的条件下,对不同腔室长径比(λ =0.2、0.4、0.6、0.8 mm)氧化装置的轴向温度分布进行了对比。如图4所示,4种结构均呈现出阻火区温度缓升、预热区快速升温以及燃烧腔室内温度继续升高的共同特征,但峰值温度与火焰位置随腔室长径比变化显著不同。当λ =0.2时,温度在腔室出口附近达到最高值1 101.7 ℃,局部热释放集中且反应强度最强。λ增加至0.4时,峰值温度略降至1 077.2 ℃,但仍保持较高的反应强度。当λ =0.6时,反应区进一步展开,温度在腔室内部形成宽泛的高温平台,峰值为1 032.4 ℃。而λ增至0.8时,温度分布出现“上升-下降-再上升”的波动形态,峰值温度降至823.5 ℃。总体上,峰值温度随腔室长径比λ 增加呈下降趋势,表明短腔室有利于维持火焰紧凑结构与高反应强度。同时在λ =0.8时蓄热区也能保持温度约为800 ℃,对稳定火焰与增强预热具有关键作用,所以较大的腔室长径比不仅有利于维持超低浓度甲烷的高效氧化,还可实现氧化的稳定性。基于此,在大型化无焰氧化装置设计过程中,反应区腔室的长度设计为500 mm±20 mm,内径设计为600 mm±10 mm、腔室长径比控制在0.8较为合适。

2.2.2 入口瓦斯体积分数对氧化状态的影响

在腔室长径比λ =0.8、孔内流速V_h=0.7 m/s的条件下,改变甲烷体积分数(C_m=4.5%、5%、5.5%、6%)对氧化温度分布进行了分析。如图5所示,不同瓦斯体积分数条件下的温度均呈现出阻火区缓升、预热区快速升温以及腔室内“上升-下降-再上升”的变化规律,最高温度均位于腔室上游靠近火焰主反应区。随着瓦斯体积分数提高,温度分布整体抬升,峰值温度依次从C_m=4.5%时的733.4 ℃、C_m=5%时的773.5 ℃、C_m=5.5%时的821.5 ℃ 增加至C_m=6%时的872.0 ℃,表明可燃组分含量增加显著增强了火焰放热强度和反应速率,使火焰结构更加紧凑,热释放作用更为集中。尽管C_m=4.5%属于近似贫燃极限的超低浓度工况,其温度场依然保持明确的火焰中心与上升趋势,表明在蓄热蜂窝结构的强辐射与热反馈作用下,燃烧能够维持稳定。整体而言,氧化温度与瓦斯体积分数呈正相关特征,但在C_m=4.5%~6%范围内均可实现装置的稳定运行,其中蓄热区的持续高温对贫燃的稳定则起着关键作用。

2.2.3 进气流速对氧化状态的影响

在腔室长径比λ =0.8、瓦斯体积分数C_m=5%的条件下,研究了蓄热体孔内流速(V_h=0.5、0.8、1.0、1.5 m/s)对氧化装置轴向温度分布的影响。如图6所示,随着孔内流速提高,整体温度明显升高,反应区热释放更为强烈,峰值温度由 V_h=0.5 m/s的713.5 ℃、V_h=0.8 m/s的 791.9 ℃、V_h=1.0 m/s的823.5 ℃逐步升至 V_h=1.5 m/s的864.5 ℃。同时较高孔内流速能够增强可燃混合气在腔室中的扰动幅度,从而强化局部放热强度。当流速V_h=0.5 m/s时,火焰热释放受限,温度分布趋于平缓;而高流速V_h=1.5 m/s则在保持火焰附着于预热区域与反应区的腔室界面的同时,使腔室和蓄热区形成更为连续的高温场,有利于整体氧化效率的提升。

2.3 无焰氧化中试装置现场分工况测试的床温特性

在前述小试实验的基础上,为了探究尺度放大后超低浓度瓦斯无焰氧化装置的运行特性,在抽采瓦斯体积分数波动条件下,现场实测了长径比λ =0.8的中尺度无焰氧化装置在不同瓦斯体积分数和不同流量作用下的温度特性,测试设定的瓦斯体积分数分别为 4.0%、5.0%、6.0%、7.0%,对应流量范围依次为 100~160 Nm³/h、200~280 Nm³/h、250~650 Nm³/h、450~800 Nm³/h。

图7所示结果为现场试验期间不同代表性入口工况下装置稳定运行阶段的测温结果。随着瓦斯体积分数与流量增加,无焰氧化的反应强度显著增强,腔室反应区由暗红色逐渐变为亮黄色,可视化亮度变化与热电偶监测的温度变化趋势一致。当瓦斯体积分数低于6.0%时,受抽采瓦斯波动影响,反应腔室(T1~T4区域)温度分布呈现局部波动,观察窗可见反应区域亮度略显不均,部分测点温度出现先升后降的趋势,该现象在瓦斯体积分数为4.0%时较为明显。该现象反映出低体积分数条件下装置内部反应强度较弱,受入口波动和内部流动分布影响,局部区域温度更易出现起伏,从而使整体温度稳定性下降。当瓦斯体积分数达到6.0%及以上时,氧化反应强度显著提升,从观察窗可见反应腔室内充满分布均匀的亮黄色火焰,反应区明显扩大且亮度稳定,在反应腔室内表现出温度更高、波动更小的特性。瓦斯体积分数为4.0%的工况在T5位置才会达到1 000 ℃,而7.0%工况在T1位置即可达到1 000 ℃,这是因为高体积分数下反应前沿向腔室上游侧推进。同一体积分数下,流量的提升增强了气固间的对流换热强度,从而加快蓄热体中前段的升温速率。瓦斯体积分数为4.0%,流量从100 Nm³/h提升至140 Nm³/h时,热电偶T5之后的温度可快速攀升至1 050 ℃以上。瓦斯体积分数为7.0%时,各流量工况在T5之后均能维持1 100 ℃左右的稳定温度。此外,在温度均匀性方面,体积分数6.0%、7.0%工况下高温段温差<20 ℃,显著优于低体积分数工况,这是由于高体积分数下热流密度分布更均匀,进而提升了蓄热体的温度稳定性。

蓄热区作为核心储热单元,其温度在不同工况下均可稳定维持在1 000 ℃以上,且波动幅度较小。瓦斯体积分数越高,流量适配范围越广,蓄热体的热传递效率与温度稳定性越优。多孔蓄热体具备优异的高温热稳定性,能够与气体实现高效、持续的热交换,从而保障氧化过程的稳定,并提升装置的氧化效率与整体热性能。已有实验表明,甲烷在体积分数为3.8%时的引燃温度为640 ℃^[30],而本次研究的无焰氧化装置测试中,燃烧室内部温度均高于650 ℃,结合观察窗所确认的稳定氧化状态,证明了此装置在体积分数4%~7%范围内具备较好的自维持稳定运行的无焰氧化能力。

2.4 无焰氧化装置的氧化效率及排放特性

通过测定氧化装置的进出口瓦斯体积分数及CO、NO_x组分,获得了不同测试工况条件下氧化装置的瓦斯消毁率及污染物的排放特性,结果如图8和图9所示。瓦斯销毁率η按(C_in-C_out)/C_in×100%计算,其中C_in与C_out分别为入口与出口甲烷体积分数。入口与出口甲烷、CO及NO_x体积分数均按干基体积分数进行统计与比较。在低流量、高瓦斯体积分数工况下,无焰氧化装置的瓦斯消毁率较高,可达99.0%以上。随着入口流量增大,气流速度加快,混合气在氧化装置反应区腔室内的停留时间缩短,部分瓦斯未充分反应即随热烟气排出,造成消毁率降低,但仍维持在96.0%以上。入口瓦斯体积分数也对销毁率具有显著影响,当瓦斯体积分数为4.0%、流量为160 Nm³/h时,消毁率最低降至96.1%,而随着入口体积分数升高至7.0%,瓦斯消毁率可稳定保持在99.0%以上。氧化装置出口瓦斯体积分数与入口瓦斯流量呈正相关,流量增大时出口瓦斯含量相应升高。在入口瓦斯体积分数不变且接近装置现场测试流量上限的运行条件下,出口瓦斯体积分数最高仅约0.16%。在稳定运行工况下,氧化产物排放中的瓦斯体积分数低于0.05%,表明装置对甲烷具有较高的氧化消减能力。

CO和NO_x作为常见的大气污染物,其排放量具有严格的限制,因此测试了氧化装置排烟的温度以及CO、NO_x的排放量,结果如图9所示。随着入口瓦斯流量的增加,CO排放量呈先降后升的趋势。在低流量阶段装置热功率相对较低,反应区温度水平有限,导致部分工况下CO排放量偏高(约68 mg/m³)。随着流量与功率上升,更高的火焰温度促进了瓦斯充分反应,使得CO排放量随之降低。当流量瓦斯体积分数为4.0%、流量为160 Nm³/h时CO排放最高也仅为101 mg/m³,其余稳定工况下CO排放量均低于国家标准限值95 mg/m³。随着入口流量和瓦斯体积分数变化,氧化装置NO_x排放量整体处于较低水平。在所测试工况范围内,NO_x最高排放量为4.2 mg/m³。结合温度分布结果可见,较高瓦斯体积分数和较大流量条件下,装置反应区温度水平总体较高,对NO_x生成具有促进作用。而在低体积分数工况下,受温度水平较低及工况变化影响,NO_x排放量相对较低。需要指出的是,NO_x的生成受炉温、停留时间、局部含氧状态及反应过程等多种因素共同影响,基于现场测试结果对其变化趋势进行分析,未进一步展开多因素耦合定量研究。

3 结论

以小试和中试超低浓度瓦斯无焰氧化实验平台为基础,测试分析了蓄热体孔隙结构、布置方式及进气瓦斯参数对超低浓度瓦斯无焰氧化装置的床温分布、氧化效率及污染物排放的影响,为超低浓度瓦斯无焰氧化装置的大型化提供了参考,得出如下结论。

(1)多孔蓄热体的孔隙结构对蓄热氧化的影响较为复杂,其中20 PPI泡沫陶瓷蓄热体的稳燃区间范围最宽,回火及脱火极限均随进气瓦斯体积分数增加而升高;蜂窝陶瓷蓄热体的稳燃区间最窄,但其具有更小的流阻和更低的回火下限。

(2)不同孔隙结构蓄热体的布置方式、反应腔室设置以及由此引起的界面突变可形成火焰锚定区,腔室长径比为0.8时可实现较好的稳燃,氧化温度与入口瓦斯体积分数、流速总体呈正相关特征,界面突变强化的局部反应及下游蓄热体的热反馈使得反应腔室温度分布总体均匀。

(3)在现场测试工况下,当入口瓦斯体积分数为4%~7%时,氧化装置反应室温度可维持在650~1 100 ℃,高温区随体积分数和流量提升略向上游偏移;在所测试工况范围内,氧化装置瓦斯销毁率不低于96%,CO与NO_x排放浓度均处于较低水平,并低于相应排放限值。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	刘文革, 徐鑫, 韩甲业, 等. 碳中和目标下煤矿甲烷减排趋势模型及关键技术[J]. 煤炭学报, 2022, 47(1): 470-479.

[2]	Liu Wenge, Xu Xin, Han Jiaye, et al. Trend model and key technologies of coal mine methane emission reduction aiming for the carbon neutrality[J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(1): 470-479.

[3]	李国富, 李超, 张碧川, 等. 我国煤矿瓦斯抽采与利用发展历程、技术进展及展望[J]. 煤田地质与勘探, 2025, 53(1): 77-91.

[4]	Li Guofu, Li Chao, Zhang Bichuan, et al. Gas drainage and utilization in coal mines in China: history, technological advances, and prospects[J]. Coal Geology & Exploration, 2025, 53(1): 77-91.

[5]	张群. 低浓度瓦斯燃烧安全风险分析与探讨[J]. 矿业安全与环保, 2025, 52(3): 116-122.

[6]	Zhang Qun. Analysis and discussion on safety risks of low concentration gas combustion[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2025, 52(3): 116-122.

[7]	袁亮. 我国深部煤与瓦斯共采战略思考[J]. 煤炭学报, 2016, 41(1): 1-6.

[8]	Yuan Liang. Strategic thinking of simultaneous exploitation of coal and gas in deep mining[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(1): 1-6.

[9]	李庆钊, 张桂韵, 刘鑫鑫, 等. 煤矿超低浓度瓦斯蓄热燃烧特性及其关键影响因素分析[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(23): 8078-8088.

[10]	Li Qingzhao, Zhang Guiyun, Liu Xinxin, et al. Analysis on the properties of coal mine ultra-low concentration methane combustion and its key influencing factors[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(23): 8078-8088.

[11]	余利兵. 基于模糊自适应PID控制算法的低浓度瓦斯安全输送[J]. 煤炭工程, 2014, 46(11): 106-108, 112.

[12]	Yu Libing. Safe transportation of low concentration gas based on adaptive fuzzy PID control algorithm[J]. Coal Engineering, 2014, 46(11): 106-108, 112.

[13]	张通, 袁亮, 王玥晗. “双碳”目标下甲烷管控与减排科技创新[J]. 科技导报, 2025, 43(12): 55-64.

[14]	Zhang Tong, Yuan Liang, Wang Yuehan. Technological innovations in methane control and emission reduction under the twin goals of carbon peak and carbon neutrality[J]. Science & Technology Review, 2025, 43(12): 55-64.

[15]	曹运齐, 杨丽, 贾志轩, 等. 煤矿低浓度瓦斯多孔介质催化燃烧稳定性研究[J]. 燃烧科学与技术, 2024, 30(5): 481-488.

[16]	Cao Yunqi, Yang Li, Jia Zhixuan, et al. Stability of coal mine low concentration methane catalytic combustion in porous media[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2024, 30(5): 481-488.

[17]	袁隆基, 林柏泉, 耿凡. 低浓度瓦斯自激振荡脉动燃烧特性研究[J]. 煤炭学报, 2014, 39(S1): 250-256.

[18]	Yuan Longji, Lin Baiquan, Geng Fan. Study on characteristics of self-exicited pulse combustion for low-concentration coal mine gas[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39(S1): 250-256

[19]	李宇翔, 陈小龙, 刘峰, 等. 基于文丘里的预混气体多孔介质燃烧特性[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(27): 11918-11923.

[20]	Li Yuxiang, Chen Xiaolong, Liu Feng, et al. Study of the combustion characteristics of premixed gas in porous media based on Venturi[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(27): 11918-11923.

[21]	马云龙, 陈宁, 许丽丽, 等. 蓄热式低浓度瓦斯发电系统设计与试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(8): 79-82.

[22]	Ma Yunlong, Chen Ning, Xu Lili, et al. Experimental study and design of thermal accumulated type low density gas powergeneration system[J]. Coal Science and Technology, 2014, 42(8): 79-82.

[23]	张建国, 翟成, 张国川, 等. 不同多孔介质布置下低浓度甲烷燃烧特性[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(16): 6752-6759.

[24]	Zhang Jianguo, Zhai Cheng, Zhang Guochuan, et al. Combustion properties of low-concentration methane under different porous media configurations[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(16): 6752-6759.

[25]	Li Q, Ding X, Li B, et al. Analysis of ultra-low concentration methane combustion in gradient D-type TPMS structural porous medium by experimental andpore-resolved simulations[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2026, 256: 127916.

[26]	汪健生, 张辉鹏, 刘雪玲, 等. 多孔介质结构对储层内流动和换热特性的影响[J]. 化工进展, 2023, 42(8): 4212-4220.

[27]	Wang Jiansheng, Zhang Huipeng, Liu Xueling, et al. Analysis of flow and heat transfer characteristics in porous media reservoir[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(8): 4212-4220.

[28]	李亮, 张瑞方, 张扬, 等. 考虑多孔介质形态的燃烧模拟研究: 孔隙结构和材料的影响[J]. 工程热物理学报, 2025, 46(1): 310-318.

[29]	Li Liang, Zhang Ruifang, Zhang Yang, et al. Simulation of porous media combustion considering morphology: effect of cell structure and porous material[J]. Journal of Engineering Thermophy-sics, 2025, 46(1): 310-318.

[30]	Ding X, Li Q, Zhu J, et al. Gas-solid heat transfermechanism and flame stability characteristics of ultra-low concentration methane combustion in spheres packed burner[J]. Fuel, 2026, 406: 137139.

[31]	贺志龙, 李楠, 梁国庆, 等. 结构化填充床内流动和传热特性的数值研究[J]. 热科学与技术, 2024, 23(6): 612-619.

[32]	He Zhilong, Li Nan, Liang Guoqing, et al. Numerical study on flow and heat transfer characteristics in structured packed beds[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2024, 23(6): 612-619.

[33]	尹智成, 王平, 姜霖松, 等. 随机堆积床内过滤燃烧特性的实验研究[J]. 热能动力工程, 2022, 37(11): 115-121.

[34]	Yin Zhicheng, Wang Ping, Jiang Linsong, et al. Experimental study on filtration flame characteristics in randomly packed beds[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2022, 37(11): 115-121.

[35]	Dai H, Dai H. Efficient lean combustion in a novel porous medium burner with the integration of pellets and ceramic foam: experimental study of flame propagation and stability[J]. Combustion and Flame, 2022, 244: 112244.

[36]	李德波, 宋正昶. 泡沫陶瓷内甲烷预混燃烧火焰传播规律[J]. 燃烧科学与技术, 2013, 19(2): 141-144.

[37]	Li Debo, Song Zhengchang. Principle of flame movement for premixed methane combustion in ceramic foam[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2013, 19(2): 141-144.

[38]	张雪梅, 李和颖, 郑璐, 等. 不同背压下多孔介质燃烧器的燃烧特性研究[J]. 天然气工业, 2017, 37(2): 97-102.

[39]	Zhang Xuemei, Li Heying, Zheng Lu, et al. Combustion characteristics of porous media burners under various back pressures[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(2): 97-102.

[40]	Mao M, Li J, Li J, et al. Numerical study of flame inclination instability in a packed bed with extra lean methane/air intake by an adaptive multi-scale model[J]. Applied Thermal Engineering, 2024, 239: 122073.

[41]	Kim S G, Yokomori T, Kim N I, et al. Flame behavior in heated porous sand bed[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2007, 31(2): 2117-2124.

[42]	王国昌, 舒子云, 司济沧, 等. 二氧化碳、水和氮气稀释条件下甲烷MILD氧燃烧的实验研究[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(18): 6312-6321.

[43]	Wang Guochang, Shu Ziyun, Si Jicang, et al. Experimental investigation on MILD Oxy-combustion of methane under CO₂, H₂O and N₂ dilution[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(18): 6312-6320.

[44]	王鹏飞, 冯涛, 陈丽娟, 等. 进气预热温度对煤矿乏风热逆流氧化的影响[J]. 煤炭学报, 2015, 40(5): 1070-1075.

[45]	Wang Pengfei, Feng Tao, Chen Lijuan, et al. Influence of preheat temperature on the thermal flow-reversal oxidation of coal mine ventilation air methane[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(5): 1070-1075.

[46]	王鹏涛, 贾楠, 刘鹏中, 等. 基于GRI-Mech 3.0机理的甲烷/空气多孔介质燃烧特性数值分析[J]. 洁净煤技术, 2022, 28(4): 26-32.

[47]	Wang Pengtao, Jia Nan, Liu Pengzhong, et al. Numerical analysis of CH₄/air porous media combustion characteristics based on GRI-Mech 3.0 mechanism[J]. Clean Coal Technology, 2022, 28(4): 26-32.

[48]	王恩宇, 史忠天, 唐世乾, 等. 冷却边界下变孔隙多孔介质燃烧特性研究[J]. 热科学与技术, 2022, 21(6): 572-579.

[49]	Wang Enyu, Shi Zhongtian, Tang Shiqian, et al. Study on combustion characteristics of porous media with variable porosity undercooling boundary[J]. Journal of Thermal Science and Techno-logy, 2022, 21(6): 572-579.

[50]	赵旭生, 逄锦伦. 低浓度瓦斯安全直接燃烧技术研究[J]. 矿业安全与环保, 2017, 44(6): 1-5.

[51]	Zhao Xusheng, Pang Jinlun. Study on safe direct combustion technology of low-concentration gas[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2017, 44(6): 1-5.

[52]	杨俊辉, 苗常盛, 张继达, 等. 基于低浓度瓦斯直流氧化系统主管瓦斯浓度自适应预测[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(24): 10182-10192.

[53]	Yang Junhui, Miao Changsheng, Zhang Jida, el al. Adaptive prediction of main gas concentration based on low concentration gas direct current oxidation system[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(24): 10182-10192.

[54]	Kong D, Eckhoff R K, Alfert F. Auto-ignition of CH₄/air, C₃H₈/air, CH₄/C₃H₈/air and CH₄/CO₂/air using a 11 ignition bomb[J]. Journal of Hazardous Materials, 1995, 40(1): 69-84.