煤矿乏风蓄热氧化过程数值模拟_陈相煜.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）作者简介：陈相煜（），男，硕士，研究方向为蜂窝陶瓷蓄热氧化，电话：，：；王波，男，博士，副教授，通信联系人，电话：；：。过程模拟煤矿乏风蓄热氧化过程数值模拟陈相煜，王 波，周秋平，王雅亮，成金东，沈佳飞，孙聪聪（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海；浙江盾安机电科技有限公司，浙江 绍兴）摘要：建立蓄热氧化炉的三维单通道简化模型，利用 软件对煤矿乏风蓄热氧化过程进行数值模拟，分析甲烷体积分数、燃烧室温度、蓄热体温度、排烟温度及蓄热室温度效率等参数的动态变化规律。结果表明，在甲烷体积分数 ，进口温度 ，进口流速 ，两侧蓄热室高 ，燃烧室长 ，换向周期 的条件下，随着运行时间的增加，蓄热体温度、排烟温度及蓄热室温度效率都呈现出先缓慢后剧烈最后趋于稳定的变化规律；甲烷开始反应的位置不断地向蓄热体内移动。蓄热氧化炉稳定运行时，燃烧室的温度约，排烟温度约，蓄热室温度效率约 。在蓄热氧化炉设计时应充分考虑甲烷在蓄热体内反应放热对蓄热室传热性能和设备安全的影响，并采取高温烟气旁通等可靠的调温措施。关键词：煤矿；乏风；蓄热氧化；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：；陈相煜等 煤矿乏风蓄热氧化过程数值模拟 投稿平台：在煤矿开采过程中，会有大量的瓦斯从煤矿中渗出，目前大多以抽采的方式确保煤矿安全。年全国煤矿抽采瓦斯 亿，其中有 亿 直接排放入大气，这不仅造成资源的浪费，也会产生温室效应。煤矿瓦斯按产生方式分为风排瓦斯和抽放瓦斯。风排瓦斯也称为乏风，是指通过煤矿的通风系统排出的甲烷体积分数低于 的混合气体，约占煤矿甲烷排放总量的。乏风的资源化利用有利于推动能源综合利用和降低温室气体排放，但目前尚处于起步阶段。蓄热氧化（）是高效净化煤矿乏风并回收其能量的重要技术之一。其原理为先将蓄热氧化炉内的蓄热体预热到一定温度，再将乏风通入蓄热氧化炉进行氧化放热，并通过换热器生产蒸汽、热水或其他工质而加以利用。蓄热氧化炉的运行特性直接影响与其配套的余热发电机组或其他余热利用设备工作的稳定性。等通过实验及数值模拟，提出了甲烷 空气在多孔介质中燃烧的一步和两步反应动力学模型。邓浩鑫等建立了单通道均相反应模型，通过数值模拟分析了低浓度甲烷蓄热氧化过程中气体流量和甲烷体积分数对实验装置工作特性的影响。和蒙蒙等建立了蓄热氧化装置的单孔模型，通过数值计算获得了甲烷体积分数为 时蓄热氧化装置内的温度分布。等基于单通道模型分析了通道长度对氧化过程的影响。在余热利用和运行调节方面，黄克海开展了乏风瓦斯混配装置调控系统设计研究，设计了前馈控制和负反馈控制相结合的浓度调控方案，以及紧急情况处理方案，提高了混配后瓦斯分布的均匀性和浓度的稳定性。张群对乏风蓄热氧化系统进行了安全性分析，提出了低浓度瓦斯输送、瓦斯混配和蓄热氧化炉的安全保障系统设计。近年来，我国陆续建设了一些低体积分数甲烷蓄热氧化利用项目，但大多未能长期稳定运行。这些项目运行过程中存在的突出问题集中在 个方面：一是蓄热氧化系统自身能耗较高，导致系统运行经济性较差；二是系统运行调节和安全控制技术不完善不能适应乏风流量和浓度波动大的特点。进一步深入研究乏风蓄热氧化特性，对乏风蓄热氧化系统的设计和运行有重要意义。由于目前对乏风蓄热氧化过程的动态特性研究较少，本文参考工程应用中的蓄热氧化炉结构，建立单通道模型，使用 软件对低体积分数甲烷蓄热氧化过程进行数值模拟，研究燃烧室温度分布、蓄热体温度分布、排烟温度、甲烷去除率和蓄热室温度效率等参数的动态变化规律。物理模型蓄热氧化炉中低体积分数甲烷的氧化是流动、传热及化学反应等过程相互耦合作用的结果，对其进行精确的模拟极其困难，为了对模型进行简化以便于模拟，本文做如下假设：（）乏风均匀流过蓄热室，蜂窝陶瓷蓄热体的各平行流道内流动、传热及化学反应状态相同。（）忽略相邻蜂窝陶瓷的间隙对传热的影响。（）不考虑抽取炉内高温烟气进行温度调节或余热利用。（）不考虑散热损失。根据上述假设，将蓄热氧化炉简化为图 所示的单通道模型。模型总长 ，左右两侧为蜂窝陶瓷蓄热体，各长 ；中间为燃烧室，长 。蜂窝陶瓷的孔型为方孔，截面尺寸 ；流道四周壁面厚度 ，即蜂窝陶瓷相邻两孔间壁厚的一半。蜂窝陶瓷蓄热体的材质选用致密堇青石，其物性参数见表。表 堇青石的物性参数 密度（）比热容（）导热系数（）图 蓄热氧化炉简化模型 数值计算方法 网格模型采用 建立三维模型，并划分为六面体网格，经网格无关性检验，确定网格总数为化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：。控制方程质量守恒方程：（）（）动量守恒方程：（）（）（）气体能量守恒方程：（）（）（）（）固体能量守恒方程：（）（）（）气体状态方程：（）气体组分守恒方程：（）（）（）式中：为气体密度；为固体密度；为时间；为气体的速度矢量；为压力；为应力张量；为气体内能；为气体导热率；为固体的导热率；为气体的温度；为固体的温度；为组分 的焓值；为固体的焓值；为组分 的质量扩散率；为气体化学反应源项；为理想气体常数；为组分 的质量分数；为化学反应组分 的净生成率。流动模型本文研究的工况参数下，流动的雷诺数远小于，流动模型选取层流模型。化学反应机理模型甲烷氧化的化学反应机理采用 软件中默认的层流有限率模型：（）（）（）反应动力学参数如表 所示。表 化学反应动力学参数 化学反应指前因子活化能（）边界条件蓄热体内壁面为流固耦合边界条件；外侧壁面为对称边界条件；进口端和出口端的壁面为绝热边界条件。流道入口为速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件；由 软件的动网格模块基于建立的日志文件实现进出口的周期性切换。流道入口乏风温度，流速 ，甲烷体积分数 ，换向周期 。结果与分析 甲烷的氧化特性通入乏风前先对蓄热室进行预热，使蓄热氧化炉内达到甲烷氧化所需温度。设定燃烧室内热源为 ，进口空气温度，流速 ，换向周期 。计算表明，经过 后左侧蓄热体顶部温度率先达到 。蓄热氧化炉内气体温度和两侧蓄热体的温度分布，如图 所示。此时正经历空气从右侧流入、左侧流出的半周期，所以左侧蓄热体和气体温度均略高于右侧。图 气体及蓄热体的温度分布 在上述初始温度分布状态下，取消燃烧室内热源，结束预热并通入乏风进行反应。图 是前 个换向周期内甲烷体积分数沿流动方向的变化规律。从图中可以看出，在第 个换向周期的前 内，甲烷与空气的混合物通过左侧蓄热体时被加热，并在 处（燃烧室内）进行氧化，释放出热量。由于不断有气流从进口流入左侧蓄热体，蓄热体的热量不断被气流带走，导致甲烷从开始反应到完全氧化的位置不断向右移动。从 到 ，甲烷在蓄热氧化炉内已不能被完全氧化，从出口排出的烟气中甲烷体积分数从 增加到 。由于第 个换向周期中甲烷燃烧释放的热量被气流带入右侧的蓄热体，右侧蓄热体吸热后温度升高，经陈相煜等 煤矿乏风蓄热氧化过程数值模拟 投稿平台：过换向后，在第 个换向周期内，从右侧进入的乏风可以被蓄热体加热到足够高的温度，从而使得甲烷在燃烧室内完全氧化。这表明在第 个换向周期之后，甲烷已能在蓄热氧化炉中充分氧化。图 前 个周期中甲烷的体积分数分布 图 为蓄热氧化炉持续运行至 （）的过程中，左侧为进口时不同时刻甲烷体积分数沿流动方向的分布情况。图 甲烷体积分数分布的演变 由图可知，随着甲烷持续氧化放热，蓄热体温度不断提高后，甲烷开始反应的位置从燃烧室逐渐向蓄热体内移动。以后，甲烷在蓄热体内已完全发生氧化反应；时，甲烷在距离入口仅 处就已完全氧化。蓄热体及燃烧室温度分布的演变图 为前 个换向周期内两侧蓄热体各截面上的平均温度随时间变化情况。结果表明，左侧蓄热体温度随着乏风的通入而不断降低，时蓄热体顶端（）温度已从初始时刻的 下降到 ，导致乏风的预热温度和甲烷氧化率显著下降。在第 个换向周期中，右侧蓄热体顶部（）的温度先升高后下降。结合图 可知，在 期间，乏风中的甲烷充分氧化释放出热量，使得气体温度高于右侧蓄热体温度，气体与固体发生热交换，右侧蓄热体的温度从初始时刻的 不断升高到 。但是随着时间的推移，左侧蓄热体温度不断下降，使得甲烷从开始反应到完全氧化的位置不断右移，之间甲烷在 内已不能完全氧化，气体温度下降并开始低于右侧蓄热体顶部温度，反过来吸收右侧蓄热体顶部的热量，使得右侧蓄热体顶部温度不断降低。但是从总体来看，蓄热体的温度还是有所上升。到 时，蓄热体顶部温度仍达，比初始时刻高。图 前 个换向周期内蓄热体温度随时间的变化 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：在第 个换向周期（）乏风从右侧蓄热体流入并被加热、氧化，结合图 可知，此时有一部分甲烷在右侧蓄热体内开始氧化并放热，使得右侧蓄热体顶部的温度先上升，随后因右侧蓄热体热量不断被流入的低温乏风吸收，右侧蓄热体温度不断下降，甲烷开始反应的位置不断左移，使右侧蓄热体顶端温度开始逐渐降低。至 时，右侧蓄热体顶部温度仍有 ，比 时的温度 仅下降了 ，仍能使甲烷被充分预热和氧化。甲烷氧化释放的热量被左侧蓄热体吸收，使左侧蓄热体温度从 上升到 。两侧蓄热体温度随时间变化情况如图 所示，燃烧室中心温度变化如图 所示。图 蓄热体温度随时间的变化 由于整个模型处于绝热状态，随着运行时间的增加，燃烧室的温度保持在 左右，蓄热体各截面的温度逐渐波动上升。可以看出，越靠近燃烧室的蓄热体升温速率越快，之后的蓄热体升温速率在某一阶段会有明显的增加，结合图 可知，这是由于蓄热氧化炉内温度不断升高，乏风中甲烷开始氧化的位置逐渐往蓄热体内移动，以至于甲烷在蓄热体内完全氧化并释放热量。当运行时间达到（）时，蓄热体各截面温度基本趋于稳定，在距乏风进口 的范围内，蓄热体温度急剧上升到与燃烧室中心（）温度十分接近的水平，温差保持在 左右。图 燃烧室中心位置气体温度随时间变化曲线 排烟温度及蓄热室温度效率的变化规律由于蓄热氧化炉的进出口是随时间周期性交替的，两侧的排烟温度变化规律相似。图 所示为左侧作为出口时排烟温度及蓄热室温度效率的变化情况。前 （）排烟温度从约缓慢地上升至约 ，升温速率大约为 。（）之间，排烟温度从约 迅速上升至约 ，升温速率增大到 。升温速率突然增加的原因与前述蓄热体升温速率突然增加的原因一致，都是由顶端蓄热体吸热逐渐饱和，甲烷氧化反应起始位置不断往蓄热体两端移动而导致的。蓄热室的温度效率：（）式中：为温度效率；为燃烧室平均温度，；为排烟温度，；为进口乏风温度，。如图 所示，蓄热室在初始状态下的温度效率可高达 ，随着排烟温度上升，温度效率逐渐下降。当蓄热氧化炉达到稳定状态时，温度效率降低到约 。由于本文研究中不考虑抽取炉内高温烟气进行调温或余热利用，也不考虑散热损失，因此当蓄热氧化炉的运行趋于稳定时，其排烟温度都应等于进口乏风的理论燃烧温度，即绝热条件下甲烷氧化放热可使气体达到的温度，但不同的蓄热体堆积高度下，炉内可以维持的燃烧温度是不同的。从模拟结果可以看出，当乏风体积分数达到 时，如果不从炉陈相煜等 煤矿乏风蓄热氧化过程数值模拟 投稿平台：内抽出高温烟气，过高的排烟温度可能导致换向阀及引风机等设备的损坏。在蓄热氧化炉设计时，即使仅考虑乏风净化，不进行余热利用，也必须根据入口乏风浓度考虑炉内高温烟气旁通或其他可靠的调温方法。图 排烟温度及温度效率随时间的变化规律 结论（）在乏风体积分数 ，进口温度 ，进口流速 ，两侧蓄热室高度 ，燃烧室长，换向周期 的条件下，随着运行时间的增加，蓄热体温度和排烟温度先缓慢上升，然后急剧升高，再趋于稳定；蓄热室温度效率先缓慢下降，然后急剧下降，最后趋于稳定。（）随着运行时间的增加，甲烷发生氧化反应的位置逐渐从燃烧室内转移到蓄热体中，并向乏风入口端移动。（）蓄热氧化炉运行约 后才能趋于稳定，燃烧室的温度保持在 左右，排烟温度约 ，蓄热室温度效率约 。在距乏风进口 的范围内，蓄热体温度急剧上升到与燃烧室中心温度十分接近的水平。（）在蓄热氧化炉设计时应充分考虑甲烷在蓄热体内反应放热对蓄热室传热性能和设备安全的影响；运行过程中有必要同时监测燃烧室温度、蓄热体温度和排烟温度，更全面地反映设备运行状态，并采取高温烟气旁通等可靠的调温措施。参考文献：成由甲，彭聪 煤矿乏风瓦斯综合利用新技术助力碳减排 中国煤炭工业，（）：刘俊，田友军，刘君 煤矿瓦斯精细化治理技术研究 煤炭技术，（）：桑培勇，陈磊，张笑难，等 矿井乏风低浓度瓦斯氧化数值模拟研究 煤炭与化工，（）：唐韩英 煤矿瓦斯利用技术现状与展望 煤质技术，（）：金刚，王康 矿井乏风瓦斯蓄热氧化发电关键技术研究 科学技术创新，（）：，：，：邓浩鑫 煤矿通风瓦斯蓄热氧化过程研究 北京：中 国 科 学 院 研 究 生 院（工 程 热 物 理 研 究所），邓浩鑫，吕元，萧琦，等 通风瓦斯蓄热式热氧化过程数值模拟 煤炭学报，（）：和蒙蒙，刘瑞祥，刘永启，等 蜂窝陶瓷蓄热体中的辐射传热 陶瓷学报，（）：，：黄克海 乏风瓦斯混配装置调控系统设计研究矿业安全与环保，（）：张群 乏风瓦斯蓄热氧化安全系统设计研究 矿业安全与环保，（）：熊云威 煤矿区低浓度煤层气梯级利用技术研究进展 矿业安全与环保，（）：史美中，王中铮 热交换器原理与设计 版 南京：东南大学出版社，：欢 迎 投 稿，欢 迎 订 阅，欢 迎 刊 登 广 告！