不同礦井乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)燃燒特性模擬研究

劉 祥，陳 曦，鄧存寶，高鳳利

(1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.沈陽(yáng)焦煤股份有限公司紅陽(yáng)二礦，遼寧省沈陽(yáng)市，110000)

煤礦作為瓦斯(甲烷)排放的主要來(lái)源，全球年排放量約671.5億m3，其中礦井乏風(fēng)所包含的甲烷排放總量位居世界之最，僅我國(guó)每年通過(guò)煤礦乏風(fēng)進(jìn)入大氣的甲烷總量就達(dá)100億～150億m3，比西氣東輸一期工程的120億m3的天然氣還多[1-4]。煤礦乏風(fēng)具有3個(gè)特點(diǎn)：乏風(fēng)量巨大，一個(gè)典型煤礦主排風(fēng)口的乏風(fēng)量為60萬(wàn)～100萬(wàn)m3/h；乏風(fēng)中的瓦斯?jié)舛确浅５?，一般?.10%～0.75%范圍內(nèi)；乏風(fēng)量、瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)范圍大。這些特征決定了乏風(fēng)超低濃度瓦斯的大規(guī)模高效綜合利用仍然是一個(gè)世界性的難題,這些甲烷長(zhǎng)期以來(lái)都只能被放置在大氣中,造成了巨大的溫室氣體污染。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤礦乏風(fēng)瓦斯的利用主要側(cè)重于熱逆流氧化技術(shù)的研究，并取得了一定進(jìn)展[5-7]。AUBE F[8]等首先建立了一個(gè)用來(lái)消除大氣污染中煤礦風(fēng)排低濃度瓦斯氣體的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)該種直徑200 mm和500 mm的反應(yīng)器裝置在不同參數(shù)下進(jìn)行了仿真，所得實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果比較吻合；LITTO R[9]等對(duì)低濃度甲烷的氧化和燃燒方法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化研究，SALOMONS S[10]等通過(guò)新的研究結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載甲烷催化濃度約為0.19%時(shí)，逆流自熱反應(yīng)催化技術(shù)能夠有效地達(dá)到維持負(fù)載甲烷更高的化學(xué)轉(zhuǎn)化熱效率；王盈[11]等人利用小型逆流反應(yīng)催化裝置對(duì)含有負(fù)載甲烷貴金屬的自熱催化劑，進(jìn)行了一次用較低濃度的負(fù)載甲烷自熱流向運(yùn)動(dòng)變換自熱催化和甲烷燃燒的反應(yīng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)負(fù)載甲烷的催化濃度大約為0.5%時(shí),該反應(yīng)裝置可以立即甚至連續(xù)進(jìn)行一次自熱反應(yīng)[12-13]。基于此，本文構(gòu)建了礦井乏風(fēng)在錐形燃燒器中燃燒的數(shù)值計(jì)算模型，并針對(duì)不同乏風(fēng)體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒特性和污染物排放情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析不同體積分?jǐn)?shù)瓦斯的貧燃溫度，為礦井乏風(fēng)瓦斯的高效、大規(guī)模利用與節(jié)能減排奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

錐形燃燒器的幾何模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，在中心區(qū)域包含一個(gè)小的噴嘴，在模擬錐形燃燒器燃燒的過(guò)程中，計(jì)算得出這個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果之間有著直接關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，隨著網(wǎng)格密度的提高，計(jì)算精確率就會(huì)越來(lái)越高，但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量過(guò)于密集時(shí)，則會(huì)影響CPU計(jì)算時(shí)間及所需的計(jì)算內(nèi)存；同時(shí)，計(jì)算的精度與網(wǎng)格密度不一定會(huì)呈現(xiàn)出線(xiàn)性關(guān)系，在某些場(chǎng)合中，如果當(dāng)計(jì)算出的網(wǎng)格密度達(dá)到了特定程度時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格密度，計(jì)算誤差反而可能會(huì)增大[14]。因此，本文通過(guò)采用Gambit軟件的Submap方式對(duì)所建立的物理模型進(jìn)行了四面體的網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格個(gè)數(shù)為793 518個(gè)。網(wǎng)格劃分后的物理模型如圖2所示。

圖1 錐形燃燒器幾何模型

圖2 網(wǎng)格劃分

甲烷具有特有的四面體結(jié)構(gòu)和很大的C-H鍵能，具有很高的著火溫度和較低的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，甲烷燃燒過(guò)程中涉及的化學(xué)反應(yīng)如下[15]：

CH4+1.5O2→CO+2H2O

CO+0.5O2→CO2

CO2→CO+0.5O2

N2+O2→2NO

2 數(shù)值方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用組分輸運(yùn)模型研究脈動(dòng)燃燒器內(nèi)氣體燃燒過(guò)程，考慮到燃燒系統(tǒng)的復(fù)雜性，做如下假設(shè)：

(1)礦井乏風(fēng)屬于多組分氣體，混合氣體組分僅考慮氮?dú)?、氧氣、甲烷、二氧化碳，主要可燃?xì)怏w為甲烷；

(2)混合可燃?xì)怏w為不可壓縮流體；

(3)脈動(dòng)燃燒器中的流動(dòng)為二維定常湍流。

基于以上假設(shè)，控制方程可以表示如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：Ui、Uj——xi、xj方向的速度，m/s；

ρ——流體密度，kg/m3；

Uj——xj方向的速度，m/s；

p——空氣壓力，Pa；

μ——空氣動(dòng)力黏度，N·S/m2。

由于脈動(dòng)燃燒器進(jìn)氣過(guò)程不涉及傳熱，僅在計(jì)算流體密度的過(guò)程中考慮流體溫度，可認(rèn)為滿(mǎn)足能量守恒。

在各種湍流模型中，以K-ε模型最為典型，應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)，低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒器的進(jìn)氣可以視為各向同性的均勻湍流，因此選用精度較高且穩(wěn)定的K-ε模型，控制方程如下：

湍流脈動(dòng)動(dòng)能k方程：

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

式中：k——湍流動(dòng)能，m2/s2;

μi——分子粘度，kg/(m·s);

Gk——速度梯度引起的應(yīng)力源項(xiàng)；

Gb——浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

YM——可壓縮湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；

Sk、Sε——自定義源項(xiàng)；

σk、σμ——湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的普朗特?cái)?shù)，分別取1.0、1.3；

G1ε、G2ε、G3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09。

2.2 邊界條件設(shè)定及求解

本文采用RNGK-ε湍流模型及SIMPLE算法，保持Fluent默認(rèn)的松弛因子不變，壓力采用二階迎風(fēng)，動(dòng)量采用一階迎風(fēng)，湍流動(dòng)能采用一階迎風(fēng)，湍流耗散率采用一階迎風(fēng)。入口邊界條件采用速度入口，湍流強(qiáng)度為0.063，水力直徑為0.056 m；出口邊界條件采用充分發(fā)展的壓力出口，湍流強(qiáng)度為0.081，水力直徑為0.064 m；壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。在初始化后，先對(duì)冷態(tài)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，冷態(tài)場(chǎng)計(jì)算收斂后，再進(jìn)行熱態(tài)場(chǎng)計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 燃燒器內(nèi)流場(chǎng)模擬

礦井乏風(fēng)瓦斯(體積分?jǐn)?shù)為0.75%)以25 m/s速度進(jìn)入燃燒器，采用穩(wěn)態(tài)模擬方法研究燃燒器熱氛圍溫度為1 000 K時(shí)乏風(fēng)燃燒的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到燃燒器內(nèi)的生成情況，如圖3所示。

由圖3可以看出，礦井乏風(fēng)沿著中心軸線(xiàn)方向射入熱氛圍后，由于遇熱在燃燒器中心軸線(xiàn)方向發(fā)生多點(diǎn)自燃現(xiàn)象，瓦斯?jié)舛冉档?.67%；隨著火焰迅速向軸線(xiàn)方向擴(kuò)散，逐漸形成穩(wěn)定的軸向火焰；同時(shí)，在回流區(qū)生成了少量二氧化碳，在燃燒器出口處二氧化碳濃度達(dá)到了0.031 9%。

圖3 燃燒器內(nèi)的生成情況

3.2 礦井乏風(fēng)貧燃極限

乏風(fēng)瓦斯中的主要成分是氮?dú)?、氧氣和甲烷，低濃度瓦斯上限約為0.7%，因此，需要不同體積分?jǐn)?shù)瓦斯的貧燃溫度極限。分別研究乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時(shí)，不同氛圍溫度下燃燒器內(nèi)乏風(fēng)瓦斯減少情況，如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.1%時(shí)，燃燒器內(nèi)不會(huì)發(fā)生燃燒反應(yīng)；當(dāng)乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于0.4%，燃燒器內(nèi)氛圍溫度達(dá)到200 K時(shí)，燃燒器內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)減少量增加。

圖4 不同乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)、氛圍溫度下甲烷減少體積分?jǐn)?shù)

3.3 乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒特性影響

為了分析乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒器內(nèi)燃燒特性的影響，分別研究乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.30%、0.45%、0.60%和0.75%時(shí)，燃燒器熱氛圍溫度為700 K和1 000 K時(shí)燃燒器內(nèi)乏風(fēng)甲烷減少情況和燃燒器內(nèi)溫度上升情況，如圖5和圖6所示。

圖5 燃燒器內(nèi)乏風(fēng)瓦斯減少分?jǐn)?shù)

圖6 燃燒器內(nèi)溫度上升幅度

由圖5和圖6可以看出，當(dāng)燃燒器的熱氛圍溫度為700 K時(shí)，燃燒器內(nèi)不能形成穩(wěn)定的燃燒火焰，當(dāng)入口乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.30%時(shí)，燃燒器內(nèi)甲烷減少體積分?jǐn)?shù)為0.17%，而隨著燃燒器內(nèi)氛圍溫度上升到1 000 K時(shí)，甲烷減少體積分?jǐn)?shù)為4.84%，當(dāng)隨著入口乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高到0.75%時(shí)，甲烷減少體積分?jǐn)?shù)提高到9.17%；當(dāng)燃燒器的熱氛圍溫度為700 K時(shí)，由于甲烷體積分?jǐn)?shù)較低，燃燒器內(nèi)出現(xiàn)低溫氧化情況，溫度上升幅度在0.020%～0.145%；隨著燃燒器內(nèi)氛圍溫度上升到1 000 K時(shí)，氣相燃燒發(fā)熱量增加，燃燒器內(nèi)溫度增加，溫度上升幅度在0.333%～1.636%。

3.4 乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)污染物生成影響規(guī)律

根據(jù)上文分析可知，在氛圍溫度為700 K時(shí)，燃燒情況較差，相較于1 000 K來(lái)說(shuō)變化較小，所以為了分析入口乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒器內(nèi)污染物生成的影響規(guī)律，故研究入口乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.30%、0.45%、0.60%和0.75%，燃燒器熱氛圍溫度為1 000 K時(shí)，燃燒器對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)上不同位置二氧化碳和一氧化碳的排放情況，如圖7所示。

由圖7可以看出，礦井乏風(fēng)進(jìn)入燃燒器后，一部分甲烷會(huì)首先經(jīng)過(guò)分解而生成CH3、CH2和CH等多種碳?xì)浠衔铮@些多種類(lèi)碳?xì)浠衔镅刂鴮?duì)稱(chēng)軸方向向前擴(kuò)散，并在燃燒器內(nèi)發(fā)生大量的燃燒反應(yīng)，生成少量二氧化碳和少量的一氧化碳；當(dāng)燃燒器入口乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.30%時(shí)，燃燒器對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)上二氧化碳生成量的體積分?jǐn)?shù)小于4×10-6%，一氧化碳生成量的體積分?jǐn)?shù)小于9×10-4%；隨著燃燒器內(nèi)乏風(fēng)體積分?jǐn)?shù)提高，燃燒器內(nèi)具有的氧化性氣氛較強(qiáng)，燃燒器對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)上不同位置二氧化碳和一氧化碳生成量也在增高，當(dāng)燃燒器入口乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高至0.75%時(shí)，對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)上的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)生成量增加867.61%，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)生成量增加283.02%。

圖7 乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)二氧化碳、一氧化碳排放影響情況

4 結(jié)語(yǔ)

(1)采用組分輸運(yùn)模型對(duì)礦井乏風(fēng)與空氣混合氣體在二維錐形燃燒器的燃燒過(guò)程進(jìn)行了研究，確定了體積分?jǐn)?shù)為0.75%的瓦斯在燃燒后，瓦斯?jié)舛妊刂S線(xiàn)濃度降低至2.67%，同時(shí)在回流區(qū)生成了少量二氧化碳，在燃燒器出口處二氧化碳濃度達(dá)到了0.031 9%。

(2)當(dāng)乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)小于0.1%，氛圍溫度不會(huì)對(duì)燃燒器內(nèi)瓦斯的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生影響，當(dāng)乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.2%～0.4%，其貧燃溫度為400 K，隨著體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高，貧燃溫度降低。

(3)低濃度瓦斯體積分?jǐn)?shù)影響燃燒器內(nèi)污染物生成情況，隨著乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)提高，燃燒器內(nèi)氧化性氣氛較強(qiáng)，一氧化碳和二氧化碳體積分?jǐn)?shù)生成量顯著增加。

(4)通過(guò)對(duì)鍋爐中摻燒礦井乏風(fēng)后的燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬，確定乏風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)對(duì)鍋爐燃燒特性和污染物生成特性的影響。