王鵬飛,馮 濤,陳麗娟,賈真真

(1．湖南科技大學能源與安全工程學院,湖南湘潭 411201;2．湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3．湖南科技大學化學化工學院,湖南湘潭 411201)

壁面熱損失對超低熱值煤層氣熱逆流氧化的影響

王鵬飛1,2,馮 濤1,2,陳麗娟3,賈真真1

(1．湖南科技大學能源與安全工程學院,湖南湘潭 411201;2．湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3．湖南科技大學化學化工學院,湖南湘潭 411201)

建立了超低熱值煤層氣熱逆流氧化的數學模型,運用計算流體力學軟件進行數值計算,得到不同壁面熱損失條件下超低熱值煤層氣熱逆流氧化的溫度場、甲烷轉化率、最低甲烷濃度及最大換向半周期,并將數值計算結果與實驗結果進行了對比。結果表明:改善氧化裝置保溫性能,降低壁面熱損失,可以提高氧化床整體溫度場和拓寬高溫區(qū)域,有利于甲烷的充分氧化和熱量提取;降低氧化裝置壁面熱損失,可以提高甲烷轉化率,且進氣速度越小影響越明顯;減少氧化裝置壁面熱損失,可以降低裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度,有利于氧化裝置的穩(wěn)定運行;隨著壁面熱損失的下降,氧化床最大換向半周期不斷延長,在裝置實際運行中,通過改善裝置保溫性能降低壁面熱損失,可以適當延長裝置換向時間,減少換向次數。

超低熱值;煤層氣;熱逆流氧化;壁面熱損失

Key words:ultra-low heating value;coalbed methane;thermal flow-reversal oxidation;wall heat loss

超低熱值煤層氣是指煤層氣中甲烷濃度低于5%的煤層氣,通常條件下,它不能被點燃或者維持燃燒[1]。目前,世界上幾乎所有的超低熱值煤層氣都未經回收處理而直接排向大氣。超低熱值煤層氣中的甲烷是僅次于二氧化碳的重要溫室氣體,其溫室效應為二氧化碳的21倍[2]。同時,甲烷又是一種優(yōu)質潔凈的氣體能源。據統(tǒng)計,我國每年約有200億m3的甲烷以超低熱值煤層氣的形式排空,如將其回收利用,相當于節(jié)省4 000萬t標準煤,減排3．0億t當量CO2

[3]。因此,合理回收利用超低熱值煤層氣具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。目前,熱逆流氧化技術是實現超低熱值煤層氣減排及合理利用的主要技術之一,其關鍵是將送入氧化裝置中的超低熱值氣體不斷變換流動方向,使超低熱值煤層氣在氧化床中吸熱升溫,以保證甲烷氧化過程的自維持[4-6]。

21世紀以來,國內外學者相繼開展了大量有關超低熱值煤層氣熱逆流氧化方面的研究工作。2006年,澳大利亞學者Shi Su等對煤礦乏風低濃度瓦斯熱逆流氧化進行了相關的試驗研究,通過改變反應器預熱溫度、壓力及甲烷濃度來考察其對反應的影響[7-8];同年,Devals、Fuxman等應用 COMSOL Multiphysics軟件對低濃度瓦斯在熱逆流反應中的燃燒進行了模擬,考察了甲烷濃度、供氣速度及變向周期對甲烷燃燒轉化率的影響[9];國內學者劉永啟、鄭斌等利用自行開發(fā)的熱逆流氧化裝置對超低熱值煤層氣熱逆流氧化進行了較全面的試驗研究,討論了甲烷濃度、氣體流量、換向半周期等工況參數對熱逆流氧化裝置溫度場及阻力的影響[10-12];中國科學院肖云漢、呂元等,在熱力計算基礎上,設計出最大處理量為1 000 m3/h的煤礦通風瓦斯熱逆流氧化裝置,對裝置的運行特點以及各運行參數(甲烷濃度、換向半周期和氣體流量)對熱逆流氧化過程的影響進行了研究[13-15]。近幾年,筆者所在課題組開展了超低熱值煤層氣熱逆流氧化相關的數值模擬以及試驗研究,對超低熱值煤層氣熱逆流氧化床的阻力特性、熱結構及其影響因素進行了系統(tǒng)的研究[16-18]。綜上所述,有關超低熱值煤層氣熱逆流氧化的影響因素以前主要集中在甲烷濃度、流量、換向半周期等,而關于壁面熱損失的影響研究甚少。而且,在對熱逆流氧化影響因素進行分析時,只分析其對溫度場、氧化床阻力及甲烷轉化率的影響,而對最大換向半周期和最低甲烷濃度的影響鮮見相關報道。筆者將通過數值模擬和試驗,研究氧化裝置壁面熱損失對超低熱值煤層氣熱逆流氧化過程中氧化床溫度場、甲烷轉化率、最低甲烷濃度及最大換向半周期等工況參數的影響,研究成果將為超低熱值煤層氣熱逆流氧化裝置的開發(fā)設計提供理論指導。

1 超低熱值煤層氣熱逆流氧化原理

圖1為超低熱值煤層氣熱逆流氧化裝置原理,可以看出,該裝置主要由熱交換介質、保溫層、換熱器及相關的管道和控制閥門組成。裝置通入氣體前,由電加熱器將氧化床預熱,使氧化床中心溫度達到甲烷氧化溫度(1 000℃)。預熱結束后,超低熱值煤層氣從某一方向進入氧化床,氣體被熱交換介質(蜂窩陶瓷蓄熱體)加熱,溫度不斷上升,直至甲烷氧化。然后,氧化的熱氣體繼續(xù)向氧化床的另一端移動,把熱量依次傳遞給換熱器和熱交換介質而逐漸降溫。隨著新鮮氣體的不斷進入,氧化床進口端溫度不斷下降,而出口端溫度逐漸升高。在進口端沒有足夠的熱量將新鮮氣體加熱至甲烷氧化溫度以前,開始換向,氣體流動方向發(fā)生反轉。該氧化裝置的關鍵是將送入氧化床中的氣體不斷變換流動方向,使氣體在蓄熱體中吸熱升溫,以保證氧化過程的自維持。同時,在裝置中部安裝換熱器將反應的部分熱量進行回收,用于生產熱水或用于發(fā)電[16,18]。

圖1 熱逆流氧化裝置原理示意Fig．1 Principle schematic diagram of device for thermal flow-reversal oxidation

2 壁面熱損失數值模擬

2.1 計算模型

模擬計算對象為一臥式超低熱值煤層氣熱逆流氧化裝置,裝置中心氧化床尺寸為2．0 m(長)×0．6 m (寬)×0．6 m(高)。為簡化計算,建立氧化裝置二維計算模型,中心氧化床規(guī)格為2．0 m(長)×0．6 m(寬),保溫層厚度為15 cm。氧化床內由若干塊規(guī)格相同的方形蜂窩陶瓷填充而成,填充層外設有保溫層,保溫材料采用硅酸鋁耐火纖維氈。計算中,通過改變氧化床兩側外壁熱流量來考察壁面熱損失對超低熱值煤層氣熱逆流氧化的影響。計算模型如圖2所示,模擬中不考慮換熱器的影響。

圖2 數值模擬計算熱逆流氧化裝置模型Fig．2 Oxidation device mode for numerical simulation

2.2 控制方程和邊界條件

超低熱值煤層氣熱逆流氧化過程的模擬涉及熱傳導、對流、輻射以及化學反應等諸多方面,如對其進行詳盡的模擬計算,則計算難度和耗時大。為簡化計算,模擬中做了相應假設,具體假設條件見文獻[17],基于這些假設的控制方程組以及模擬中有關物性參數的設置見文獻[3]。邊界條件設置如下。

進口邊界:采用速度入口邊界來描述進氣口氣體流速以及各組分質量分數,流速和質量分數根據不同工況進行設置;氣體流動方向與進口垂直,氣體溫度設置為25℃。

出口邊界:將氧化床的出口邊界設定為壓力出口邊界,定義出口壓力為0,回流條件中設置甲烷的質量分數為0。

壁面:氧化床的外壁表面設置為第一類邊界條件,其熱流量根據不同工況進行設置。

氧化床填充層:將氧化床填充層設置為多孔介質,多孔介質孔隙率為0．64,關于內部阻力系數Cx的設定見文獻[16]。

2.3 初始條件和求解

借助Fluent軟件對超低熱值煤層氣熱逆流氧化過程進行求解。計算時,通過導入UDF程序來實現氧化床溫度場的初始化。氧化床運行半個周期后,將原進口邊界和出口邊界條件進行互換,進、出口參數設置與前半個周期相同。通過編輯jou文件,實現計算過程中的進、出口邊界條件的周期性改變。氣體在氧化床內的一正一逆持續(xù)流動的時間組成一個換向周期,如此循環(huán)進行,直至反應進入穩(wěn)定狀態(tài)[17]。

2.4 結果與分析

超低熱值煤層氣的熱逆流氧化,由于燃料氣體在氧化裝置內釋放的能量有限,裝置的壁面熱損失對熱逆流氧化產生一定的影響,其直接影響到氧化床內溫度場、甲烷轉化率、維持裝置自運行所需最低甲烷濃度及最大換向半周期。數值模擬中通過改變氧化床兩側外壁表面熱流量,考察裝置壁面熱損失對熱逆流氧化的影響。

2.4.1 對氧化床內溫度場的影響

將進氣甲烷濃度和換向半周期分別固定為0．50%和2 min,考察了進氣速度為0．20 m/s時壁面熱損失對氧化床溫度場的影響。選取裝置進入穩(wěn)定運行狀態(tài)后任一周期結束時氧化床中心軸線溫度場作為參考指標,考察壁面熱損失對氧化床溫度場的影響。圖3為壁面熱流量分別為0,1．0和2．0 kW/m2時氧化床中心軸線溫度曲線,可以發(fā)現,隨著壁面熱流量即熱損失的增加,氧化床峰值溫度和高溫區(qū)溫度普遍降低,高溫區(qū)域寬度也明顯變窄。如果繼續(xù)增加熱損失,高溫區(qū)域將持續(xù)變窄,直至成為一個點,此時如再增加熱損失,此最高溫度將持續(xù)下降,直至反應停止。可見,改善氧化裝置保溫性能,減少壁面熱損失,可以提高氧化床整體溫度和拓寬高溫區(qū)域,有利于煤礦乏風中甲烷的充分氧化和熱量提取。

圖3 壁面熱損失對氧化床溫度場的影響Fig．3 Effect of wall heat loss on temperature field of oxidation bed

2.4.2 對甲烷轉化率的影響

保持上述模擬進氣甲烷濃度(0．50%)和換向半周期(2 min)不變,考察了3種進氣速度下(0．15, 0．20和0．25 m/s)壁面熱損失對裝置甲烷轉化率的影響。圖4為不同壁面熱流量(0,0．5,1．0,1．5和2．0 kW/m2)所對應的裝置甲烷轉化率,其中甲烷轉化率為進入穩(wěn)定狀態(tài)后任一周期內平均甲烷轉化率。從圖4中的模擬結果可以發(fā)現,隨著壁面熱損失的不斷增加,裝置甲烷轉化率有所下降。當進氣速度為0．20 m/s時,壁面熱流量從0增加至2．0 kW/m2,甲烷轉化率由66．75%降低至61．42%,下降5．33%。對比不同進氣速度下壁面熱流量對裝置甲烷轉化率的影響發(fā)現,進氣速度越小時,壁面熱損失對甲烷轉化率的影響越明顯。

圖4 壁面熱損失對甲烷轉化率的影響Fig．4 Effect of wall heat loss on methane conversion rate

2.4.3 對最低甲烷濃度的影響

當進氣甲烷濃度低于某一值時,熱逆流氧化裝置將無法維持自運行,該濃度即為裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度。影響最低甲烷濃度的因素有很多,其中,壁面熱損失是重要因素之一。圖5為進氣速度0．15,0．20和0．25 m/s下,最低甲烷濃度與壁面熱流量的關系曲線,模擬時將換向半周期保持為2 min。從圖5的模擬結果可以看出,隨著壁面熱流量的不斷增加,裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度不斷升高。

圖5 壁面熱損失對最低甲烷濃度的影響Fig．5 Effect of wall heat loss on the lowest methane concentration

熱逆流氧化裝置的熱損失主要來自于壁面散熱和煙氣熱損失。氧化裝置中填充材料蜂窩陶瓷具有較強的蓄熱能力,通常出口煙氣溫度較低,而裝置的主要熱損失表現為壁面散熱。超低熱值煤層氣熱逆流氧化過程中,由于甲烷濃度極低,甲烷燃燒釋放熱量相對較少,壁面熱損失對裝置維持運行所需最低甲烷濃度的影響表現較為明顯。從模擬結果也可以發(fā)現,進氣流速為0．20 m/s時,壁面熱流量從0增加至2．0 kW/m2,裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度從0．06%提升至0．30%。可見,改善裝置的保溫性能,可以降低維持自運行所需的最低甲烷濃度,使得氧化裝置更能適應進氣中甲烷濃度的變化,保證了裝置的穩(wěn)定運行。

2.4.4 對最大換向半周期的影響

超低熱值煤層氣熱逆流氧化需要選擇合適的換向半周期,過小的換向半周期會導致大量進氣在換向時沒來得及氧化而直接排出,而且頻繁的換向造成裝置內氣流不穩(wěn)定,影響裝置運行;然而,過大的換向半周期會導致過高的出口溫度,不利于熱量的蓄積。而且,當換向半周期高于某臨界值時,氧化床高溫平臺寬度過小且靠近出口,超低熱值氣體不能完全氧化,裝置無法維持自運行,將此臨界換向半周期作為熱逆流氧化的最大換向半周期。壁面熱損失是影響最大換向半周期的因素之一,圖6為壁面熱流量與最大換向半周期的關系曲線。模擬時將進氣甲烷濃度設置為0．50%,分別計算進氣速度為 0．15,0．20和0．25 m/s時,不同壁面熱流量所對應的最大換向半周期。從圖6的模擬結果可以看出,在其他條件一定的情況下,最大換向半周期隨著壁面熱損失的增加而縮短?？梢?改善裝置的保溫性能,可以延長裝置運行的最大換向半周期。在裝置實際運行中,通過改善裝置保溫性能降低壁面熱損失,可以適當延長裝置換向時間,減少換向次數,有利于裝置的穩(wěn)定運行。

圖6 壁面熱損失對最大換向半周期的影響Fig．6 Effect of wall heat loss on the maximum half cycle

3 壁面熱損失試驗

3.1 試驗系統(tǒng)

超低熱值煤層氣熱逆流氧化試驗系統(tǒng)由4部分組成,即供氣系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、氣體成分分析系統(tǒng)和裝置本體。裝置本體如圖7所示,氧化床填充長度為2．0 m,保溫層厚度為15 cm。試驗中,模擬超低熱值煤層氣由空氣壓縮機提供的空氣和來自甲烷鋼瓶的甲烷按照相應的體積比配置而成。安裝于進排氣管道上的兩組電磁閥實現進排氣的周期性換向,換向周期由時間繼電器控制。裝置本體內沿軸線方向均勻分布15支熱電偶,用于監(jiān)測氧化床軸線溫度,并通過采集卡對溫度數據進行實時采集和儲存。采用氣相色譜儀對裝置進氣和出口煙氣中氣體成分進行在線分析[18]。

圖7 熱逆流氧化試驗裝置Fig．7 Experimental device of thermal flow-reversal oxidation

3.2 試驗方法

裝置通入模擬氣體前,采用電加熱器對氧化床進行預熱,預熱溫度和加熱功率由溫控儀進行控制。由于該系統(tǒng)保溫層已固定于主體裝置內,試驗中無法改變壁面保溫條件。本次試驗采用布置于氧化床兩側的電加熱器對裝置進行熱損失補償,通過改變加熱功率來考察壁面熱損失對熱逆流氧化的影響。待氧化床中心溫度預熱至1 000℃左右時,停止氧化床中心電加熱器,并調節(jié)側壁加熱器使氧化床溫度場維持平衡,則該加熱功率即為氧化床壁面熱損失。通過試驗,將側壁加熱器功率調至2．3 kW時,氧化床溫度場可基本維持穩(wěn)定。

第1組試驗為壁面熱損失對氧化床溫度場與甲烷轉化率的影響試驗,分別對側壁電加熱器加熱功率為0,1．0以及2．0 kW時氧化床溫度場與甲烷轉化率進行了考察。試驗中將模擬氣體的甲烷濃度配置為0．50%,模擬氣體流速和換向半周期分別設置為0．20 m/s和2 min。第2組試驗為壁面熱損失對最低甲烷濃度的影響,模擬氣體速度和換向半周期的設置同第1組試驗,考察了3種壁面熱損失下(加熱功率為0,1．0和2．0 kW)裝置維持自運行所需最低甲烷濃度。第3組試驗為壁面熱損失對最大換向半周期的影響試驗,試驗中模擬氣體速度、甲烷濃度及側壁電加熱器加熱功率設置同第1組試驗。

3.3 試驗結果與分析

甲烷濃度、換向半周期和模擬氣體流速一定的情況下,通過改變裝置側壁電加熱器加熱功率,考察壁面熱損失對氧化床溫度場和甲烷轉化率的影響。試驗結果見表1。

表1為模擬氣體甲烷濃度為0．50%,進氣流速為0．20 m/s,換向半周期為2 min時,裝置壁面熱損失對氧化床溫度場和甲烷轉化率的影響。從表1試驗數據可以發(fā)現,在其他條件不變的情況下,隨著裝置側壁電加熱器加熱功率不斷提高,即壁面熱損失的降低,氧化床內最高溫度、平均溫度以及甲烷轉化率均有所提高,這與數值模擬表現為相同的變化趨勢。

表1 壁面熱損失對氧化床溫度場和甲烷轉化率的影響Table 1 Effect of wall heat loss on temperature field and methane conversion rate

本次試驗安排在冬季進行,實驗室環(huán)境溫度為5～10℃,由于裝置保溫性能較差,裝置外壁表面熱損失嚴重。試驗結果表明,氣體流速為0．20 m/s,換向半周期為2 min時,當模擬氣體甲烷濃度為0．50%時,裝置可維持自運行。如繼續(xù)降低進氣甲烷濃度,裝置無法維持自運行,其原因是裝置壁面散熱損失過大。當采用側壁電加熱器進行熱補償時,在其他條件不變的情況下,其維持裝置自運行所需的最低甲烷濃度會有所降低。

表2列出了不同側壁電加熱器加熱功率下,裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度。從表2的試驗結果可以發(fā)現,隨著側壁電加熱器加熱功率的提高,裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度不斷降低。試驗結果驗證了數值模擬所得結論,即隨著壁面熱損失的不斷降低,裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度會有所下降。表2還列出了進氣流速為0．20 m/s,模擬氣體甲烷濃度為0．50%時,不同側壁電加熱器加熱功率下所對應的最大換向半周期。從表2中試驗結果可以看出,隨著壁面熱損失的降低,最大換向半周期有所增加,與數值模擬結果保持一致。

表2 壁面熱損失對最低甲烷濃度和最大換向半周期影響Table 2 Effect of wall heat loss on the lowest methane concentration and maximum half cycle

4 結 論

(1)改善氧化裝置保溫性能,減少壁面熱損失,有利于提高熱逆流氧化裝置氧化床整體溫度場。

(2)減少氧化裝置壁面熱損失,可以提高甲烷轉化率,且進氣速度越小影響越明顯。

(3)減少氧化裝置壁面熱損失,可以降低裝置維持自運行所需的最低甲烷濃度,使氧化裝置更能適應進氣中甲烷濃度的變化,保證了裝置的穩(wěn)定運行。

(4)減少氧化裝置壁面熱損失,可以延長氧化裝置運行最大換向半周期。在裝置實際運行中,通過改善裝置保溫性能降低壁面熱損失,可以適當延長裝置換向時間,減少換向次數,有利于裝置維持穩(wěn)定運行。

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Influence of wall heat loss on the thermal flow-reversal oxidation of ultra-low heating value coalbed methane

WANG Peng-fei1,2,FENG Tao1,2,CHEN Li-juan3,JIA Zhen-zhen1
(1.School of Energy&Safety Engineering,Hunan University of Science&Technology,Xiangtan 411201,China;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines,Hunan University of Science&Technology,Xiangtan 411201,China;3.School of Chemistry&Chemical Engineering,Hunan University of Science&Technology,Xiangtan 411201,China)

A mathematical model of the thermal flow-reversal oxidation of ultra-low heating value coalbed methane was established．The computational fluid dynamic software was used to simulate the temperature field,the methane conversion rate,the lowest methane concentration and the maximum half cycle of the thermal flow-reversal oxidation of ultralow heating value coalbed methane under different wall heat losses．The calculated values showed a good agreement with the corresponding available experimental data．The study results show that,with the decrease of wall heat loss,the whole temperature field of oxidation device is raised,and the high-temperature zone widens accordingly,which is better for the oxidation of methane and heat extraction．The methane conversion rate increases as the wall heat loss decreases,and the degree decreases along with the intake speed．It can also reduce the lowest methane concentration by improving the thermal insulation performance of oxidation device and reducing the wall heat loss,which will be beneficial to the stable operation of the oxidation device．As the wall heat loss decreases,the maximum half cycle prolongs．In the actual operation,it can prolong the reversal time and reduce the switch times．

2013-10-18 責任編輯:許書閣

國家自然科學基金資助項目(51306047);湖南省自然科學基金青年人才聯(lián)合基金資助項目(13JJB009)

王鵬飛(1984—),男,江西九江人,講師,博士。Tel:0731-58290040,E-mail:pfwang@sina．cn。通訊作者:馮 濤(1957—),男,河北泊頭人,教授,博士生導師。Tel:0731-58290500,E-mail:tfeng@hnust．edu．cn

王鵬飛,馮 濤,陳麗娟,等．壁面熱損失對超低熱值煤層氣熱逆流氧化的影響[J]．煤炭學報,2014,39(11):2250-2255．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1516

Wang Pengfei,Feng Tao,Chen Lijuan,et al．Influence of wall heat loss on the thermal flow-reversal oxidation of ultra-low heating value coalbed methane[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2250-2255．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1516

TD712．67

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0253-9993(2014)11-2250-06