王鹏飞,冯 涛,陈丽娟,贾真真

(1．湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭 411201;2．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201;3．湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭 411201)

壁面热损失对超低热值煤层气热逆流氧化的影响

王鹏飞1,2,冯 涛1,2,陈丽娟3,贾真真1

(1．湖南科技大学能源与安全工程学院,湖南湘潭 411201;2．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南 湘潭 411201;3．湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭 411201)

建立了超低热值煤层气热逆流氧化的数学模型,运用计算流体力学软件进行数值计算,得到不同壁面热损失条件下超低热值煤层气热逆流氧化的温度场、甲烷转化率、最低甲烷浓度及最大换向半周期,并将数值计算结果与实验结果进行了对比。结果表明:改善氧化装置保温性能,降低壁面热损失,可以提高氧化床整体温度场和拓宽高温区域,有利于甲烷的充分氧化和热量提取;降低氧化装置壁面热损失,可以提高甲烷转化率,且进气速度越小影响越明显;减少氧化装置壁面热损失,可以降低装置维持自运行所需的最低甲烷浓度,有利于氧化装置的稳定运行;随着壁面热损失的下降,氧化床最大换向半周期不断延长,在装置实际运行中,通过改善装置保温性能降低壁面热损失,可以适当延长装置换向时间,减少换向次数。

超低热值;煤层气;热逆流氧化;壁面热损失

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

超低热值煤层气是指煤层气中甲烷浓度低于5%的煤层气,通常条件下,它不能被点燃或者维持燃烧[1]。目前,世界上几乎所有的超低热值煤层气都未经回收处理而直接排向大气。超低热值煤层气中的甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体,其温室效应为二氧化碳的21倍[2]。同时,甲烷又是一种优质洁净的气体能源。据统计,我国每年约有200亿m3的甲烷以超低热值煤层气的形式排空,如将其回收利用,相当于节省4 000万t标准煤,减排3．0亿t当量CO2

[3]。因此,合理回收利用超低热值煤层气具有节能和环保双重意义。目前,热逆流氧化技术是实现超低热值煤层气减排及合理利用的主要技术之一,其关键是将送入氧化装置中的超低热值气体不断变换流动方向,使超低热值煤层气在氧化床中吸热升温,以保证甲烷氧化过程的自维持[4-6]。

21世纪以来,国内外学者相继开展了大量有关超低热值煤层气热逆流氧化方面的研究工作。2006年,澳大利亚学者Shi Su等对煤矿乏风低浓度瓦斯热逆流氧化进行了相关的试验研究,通过改变反应器预热温度、压力及甲烷浓度来考察其对反应的影响[7-8];同年,Devals、Fuxman等应用 COMSOL Multiphysics软件对低浓度瓦斯在热逆流反应中的燃烧进行了模拟,考察了甲烷浓度、供气速度及变向周期对甲烷燃烧转化率的影响[9];国内学者刘永启、郑斌等利用自行开发的热逆流氧化装置对超低热值煤层气热逆流氧化进行了较全面的试验研究,讨论了甲烷浓度、气体流量、换向半周期等工况参数对热逆流氧化装置温度场及阻力的影响[10-12];中国科学院肖云汉、吕元等,在热力计算基础上,设计出最大处理量为1 000 m3/h的煤矿通风瓦斯热逆流氧化装置,对装置的运行特点以及各运行参数(甲烷浓度、换向半周期和气体流量)对热逆流氧化过程的影响进行了研究[13-15]。近几年,笔者所在课题组开展了超低热值煤层气热逆流氧化相关的数值模拟以及试验研究,对超低热值煤层气热逆流氧化床的阻力特性、热结构及其影响因素进行了系统的研究[16-18]。综上所述,有关超低热值煤层气热逆流氧化的影响因素以前主要集中在甲烷浓度、流量、换向半周期等,而关于壁面热损失的影响研究甚少。而且,在对热逆流氧化影响因素进行分析时,只分析其对温度场、氧化床阻力及甲烷转化率的影响,而对最大换向半周期和最低甲烷浓度的影响鲜见相关报道。笔者将通过数值模拟和试验,研究氧化装置壁面热损失对超低热值煤层气热逆流氧化过程中氧化床温度场、甲烷转化率、最低甲烷浓度及最大换向半周期等工况参数的影响,研究成果将为超低热值煤层气热逆流氧化装置的开发设计提供理论指导。

1 超低热值煤层气热逆流氧化原理

图1为超低热值煤层气热逆流氧化装置原理,可以看出,该装置主要由热交换介质、保温层、换热器及相关的管道和控制阀门组成。装置通入气体前,由电加热器将氧化床预热,使氧化床中心温度达到甲烷氧化温度(1 000℃)。预热结束后,超低热值煤层气从某一方向进入氧化床,气体被热交换介质(蜂窝陶瓷蓄热体)加热,温度不断上升,直至甲烷氧化。然后,氧化的热气体继续向氧化床的另一端移动,把热量依次传递给换热器和热交换介质而逐渐降温。随着新鲜气体的不断进入,氧化床进口端温度不断下降,而出口端温度逐渐升高。在进口端没有足够的热量将新鲜气体加热至甲烷氧化温度以前,开始换向,气体流动方向发生反转。该氧化装置的关键是将送入氧化床中的气体不断变换流动方向,使气体在蓄热体中吸热升温,以保证氧化过程的自维持。同时,在装置中部安装换热器将反应的部分热量进行回收,用于生产热水或用于发电[16,18]。

图1 热逆流氧化装置原理示意Fig．1 Principle schematic diagram of device for thermal flow-reversal oxidation

2 壁面热损失数值模拟

2.1 计算模型

模拟计算对象为一卧式超低热值煤层气热逆流氧化装置,装置中心氧化床尺寸为2．0 m(长)×0．6 m (宽)×0．6 m(高)。为简化计算,建立氧化装置二维计算模型,中心氧化床规格为2．0 m(长)×0．6 m(宽),保温层厚度为15 cm。氧化床内由若干块规格相同的方形蜂窝陶瓷填充而成,填充层外设有保温层,保温材料采用硅酸铝耐火纤维毡。计算中,通过改变氧化床两侧外壁热流量来考察壁面热损失对超低热值煤层气热逆流氧化的影响。计算模型如图2所示,模拟中不考虑换热器的影响。

图2 数值模拟计算热逆流氧化装置模型Fig．2 Oxidation device mode for numerical simulation

2.2 控制方程和边界条件

超低热值煤层气热逆流氧化过程的模拟涉及热传导、对流、辐射以及化学反应等诸多方面,如对其进行详尽的模拟计算,则计算难度和耗时大。为简化计算,模拟中做了相应假设,具体假设条件见文献[17],基于这些假设的控制方程组以及模拟中有关物性参数的设置见文献[3]。边界条件设置如下。

进口边界:采用速度入口边界来描述进气口气体流速以及各组分质量分数,流速和质量分数根据不同工况进行设置;气体流动方向与进口垂直,气体温度设置为25℃。

出口边界:将氧化床的出口边界设定为压力出口边界,定义出口压力为0,回流条件中设置甲烷的质量分数为0。

壁面:氧化床的外壁表面设置为第一类边界条件,其热流量根据不同工况进行设置。

氧化床填充层:将氧化床填充层设置为多孔介质,多孔介质孔隙率为0．64,关于内部阻力系数Cx的设定见文献[16]。

2.3 初始条件和求解

借助Fluent软件对超低热值煤层气热逆流氧化过程进行求解。计算时,通过导入UDF程序来实现氧化床温度场的初始化。氧化床运行半个周期后,将原进口边界和出口边界条件进行互换,进、出口参数设置与前半个周期相同。通过编辑jou文件,实现计算过程中的进、出口边界条件的周期性改变。气体在氧化床内的一正一逆持续流动的时间组成一个换向周期,如此循环进行,直至反应进入稳定状态[17]。

2.4 结果与分析

超低热值煤层气的热逆流氧化,由于燃料气体在氧化装置内释放的能量有限,装置的壁面热损失对热逆流氧化产生一定的影响,其直接影响到氧化床内温度场、甲烷转化率、维持装置自运行所需最低甲烷浓度及最大换向半周期。数值模拟中通过改变氧化床两侧外壁表面热流量,考察装置壁面热损失对热逆流氧化的影响。

2.4.1 对氧化床内温度场的影响

将进气甲烷浓度和换向半周期分别固定为0．50%和2 min,考察了进气速度为0．20 m/s时壁面热损失对氧化床温度场的影响。选取装置进入稳定运行状态后任一周期结束时氧化床中心轴线温度场作为参考指标,考察壁面热损失对氧化床温度场的影响。图3为壁面热流量分别为0,1．0和2．0 kW/m2时氧化床中心轴线温度曲线,可以发现,随着壁面热流量即热损失的增加,氧化床峰值温度和高温区温度普遍降低,高温区域宽度也明显变窄。如果继续增加热损失,高温区域将持续变窄,直至成为一个点,此时如再增加热损失,此最高温度将持续下降,直至反应停止。可见,改善氧化装置保温性能,减少壁面热损失,可以提高氧化床整体温度和拓宽高温区域,有利于煤矿乏风中甲烷的充分氧化和热量提取。

图3 壁面热损失对氧化床温度场的影响Fig．3 Effect of wall heat loss on temperature field of oxidation bed

2.4.2 对甲烷转化率的影响

保持上述模拟进气甲烷浓度(0．50%)和换向半周期(2 min)不变,考察了3种进气速度下(0．15, 0．20和0．25 m/s)壁面热损失对装置甲烷转化率的影响。图4为不同壁面热流量(0,0．5,1．0,1．5和2．0 kW/m2)所对应的装置甲烷转化率,其中甲烷转化率为进入稳定状态后任一周期内平均甲烷转化率。从图4中的模拟结果可以发现,随着壁面热损失的不断增加,装置甲烷转化率有所下降。当进气速度为0．20 m/s时,壁面热流量从0增加至2．0 kW/m2,甲烷转化率由66．75%降低至61．42%,下降5．33%。对比不同进气速度下壁面热流量对装置甲烷转化率的影响发现,进气速度越小时,壁面热损失对甲烷转化率的影响越明显。

图4 壁面热损失对甲烷转化率的影响Fig．4 Effect of wall heat loss on methane conversion rate

2.4.3 对最低甲烷浓度的影响

当进气甲烷浓度低于某一值时,热逆流氧化装置将无法维持自运行,该浓度即为装置维持自运行所需的最低甲烷浓度。影响最低甲烷浓度的因素有很多,其中,壁面热损失是重要因素之一。图5为进气速度0．15,0．20和0．25 m/s下,最低甲烷浓度与壁面热流量的关系曲线,模拟时将换向半周期保持为2 min。从图5的模拟结果可以看出,随着壁面热流量的不断增加,装置维持自运行所需的最低甲烷浓度不断升高。

图5 壁面热损失对最低甲烷浓度的影响Fig．5 Effect of wall heat loss on the lowest methane concentration

热逆流氧化装置的热损失主要来自于壁面散热和烟气热损失。氧化装置中填充材料蜂窝陶瓷具有较强的蓄热能力,通常出口烟气温度较低,而装置的主要热损失表现为壁面散热。超低热值煤层气热逆流氧化过程中,由于甲烷浓度极低,甲烷燃烧释放热量相对较少,壁面热损失对装置维持运行所需最低甲烷浓度的影响表现较为明显。从模拟结果也可以发现,进气流速为0．20 m/s时,壁面热流量从0增加至2．0 kW/m2,装置维持自运行所需的最低甲烷浓度从0．06%提升至0．30%。可见,改善装置的保温性能,可以降低维持自运行所需的最低甲烷浓度,使得氧化装置更能适应进气中甲烷浓度的变化,保证了装置的稳定运行。

2.4.4 对最大换向半周期的影响

超低热值煤层气热逆流氧化需要选择合适的换向半周期,过小的换向半周期会导致大量进气在换向时没来得及氧化而直接排出,而且频繁的换向造成装置内气流不稳定,影响装置运行;然而,过大的换向半周期会导致过高的出口温度,不利于热量的蓄积。而且,当换向半周期高于某临界值时,氧化床高温平台宽度过小且靠近出口,超低热值气体不能完全氧化,装置无法维持自运行,将此临界换向半周期作为热逆流氧化的最大换向半周期。壁面热损失是影响最大换向半周期的因素之一,图6为壁面热流量与最大换向半周期的关系曲线。模拟时将进气甲烷浓度设置为0．50%,分别计算进气速度为 0．15,0．20和0．25 m/s时,不同壁面热流量所对应的最大换向半周期。从图6的模拟结果可以看出,在其他条件一定的情况下,最大换向半周期随着壁面热损失的增加而缩短。可见,改善装置的保温性能,可以延长装置运行的最大换向半周期。在装置实际运行中,通过改善装置保温性能降低壁面热损失,可以适当延长装置换向时间,减少换向次数,有利于装置的稳定运行。

图6 壁面热损失对最大换向半周期的影响Fig．6 Effect of wall heat loss on the maximum half cycle

3 壁面热损失试验

3.1 试验系统

超低热值煤层气热逆流氧化试验系统由4部分组成,即供气系统、温度采集系统、气体成分分析系统和装置本体。装置本体如图7所示,氧化床填充长度为2．0 m,保温层厚度为15 cm。试验中,模拟超低热值煤层气由空气压缩机提供的空气和来自甲烷钢瓶的甲烷按照相应的体积比配置而成。安装于进排气管道上的两组电磁阀实现进排气的周期性换向,换向周期由时间继电器控制。装置本体内沿轴线方向均匀分布15支热电偶,用于监测氧化床轴线温度,并通过采集卡对温度数据进行实时采集和储存。采用气相色谱仪对装置进气和出口烟气中气体成分进行在线分析[18]。

图7 热逆流氧化试验装置Fig．7 Experimental device of thermal flow-reversal oxidation

3.2 试验方法

装置通入模拟气体前,采用电加热器对氧化床进行预热,预热温度和加热功率由温控仪进行控制。由于该系统保温层已固定于主体装置内,试验中无法改变壁面保温条件。本次试验采用布置于氧化床两侧的电加热器对装置进行热损失补偿,通过改变加热功率来考察壁面热损失对热逆流氧化的影响。待氧化床中心温度预热至1 000℃左右时,停止氧化床中心电加热器,并调节侧壁加热器使氧化床温度场维持平衡,则该加热功率即为氧化床壁面热损失。通过试验,将侧壁加热器功率调至2．3 kW时,氧化床温度场可基本维持稳定。

第1组试验为壁面热损失对氧化床温度场与甲烷转化率的影响试验,分别对侧壁电加热器加热功率为0,1．0以及2．0 kW时氧化床温度场与甲烷转化率进行了考察。试验中将模拟气体的甲烷浓度配置为0．50%,模拟气体流速和换向半周期分别设置为0．20 m/s和2 min。第2组试验为壁面热损失对最低甲烷浓度的影响,模拟气体速度和换向半周期的设置同第1组试验,考察了3种壁面热损失下(加热功率为0,1．0和2．0 kW)装置维持自运行所需最低甲烷浓度。第3组试验为壁面热损失对最大换向半周期的影响试验,试验中模拟气体速度、甲烷浓度及侧壁电加热器加热功率设置同第1组试验。

3.3 试验结果与分析

甲烷浓度、换向半周期和模拟气体流速一定的情况下,通过改变装置侧壁电加热器加热功率,考察壁面热损失对氧化床温度场和甲烷转化率的影响。试验结果见表1。

表1为模拟气体甲烷浓度为0．50%,进气流速为0．20 m/s,换向半周期为2 min时,装置壁面热损失对氧化床温度场和甲烷转化率的影响。从表1试验数据可以发现,在其他条件不变的情况下,随着装置侧壁电加热器加热功率不断提高,即壁面热损失的降低,氧化床内最高温度、平均温度以及甲烷转化率均有所提高,这与数值模拟表现为相同的变化趋势。

表1 壁面热损失对氧化床温度场和甲烷转化率的影响Table 1 Effect of wall heat loss on temperature field and methane conversion rate

本次试验安排在冬季进行,实验室环境温度为5～10℃,由于装置保温性能较差,装置外壁表面热损失严重。试验结果表明,气体流速为0．20 m/s,换向半周期为2 min时,当模拟气体甲烷浓度为0．50%时,装置可维持自运行。如继续降低进气甲烷浓度,装置无法维持自运行,其原因是装置壁面散热损失过大。当采用侧壁电加热器进行热补偿时,在其他条件不变的情况下,其维持装置自运行所需的最低甲烷浓度会有所降低。

表2列出了不同侧壁电加热器加热功率下,装置维持自运行所需的最低甲烷浓度。从表2的试验结果可以发现,随着侧壁电加热器加热功率的提高,装置维持自运行所需的最低甲烷浓度不断降低。试验结果验证了数值模拟所得结论,即随着壁面热损失的不断降低,装置维持自运行所需的最低甲烷浓度会有所下降。表2还列出了进气流速为0．20 m/s,模拟气体甲烷浓度为0．50%时,不同侧壁电加热器加热功率下所对应的最大换向半周期。从表2中试验结果可以看出,随着壁面热损失的降低,最大换向半周期有所增加,与数值模拟结果保持一致。

表2 壁面热损失对最低甲烷浓度和最大换向半周期影响Table 2 Effect of wall heat loss on the lowest methane concentration and maximum half cycle

4 结 论

(1)改善氧化装置保温性能,减少壁面热损失,有利于提高热逆流氧化装置氧化床整体温度场。

(2)减少氧化装置壁面热损失,可以提高甲烷转化率,且进气速度越小影响越明显。

(3)减少氧化装置壁面热损失,可以降低装置维持自运行所需的最低甲烷浓度,使氧化装置更能适应进气中甲烷浓度的变化,保证了装置的稳定运行。

(4)减少氧化装置壁面热损失,可以延长氧化装置运行最大换向半周期。在装置实际运行中,通过改善装置保温性能降低壁面热损失,可以适当延长装置换向时间,减少换向次数,有利于装置维持稳定运行。

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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 责任编辑:许书阁

国家自然科学基金资助项目(51306047);湖南省自然科学基金青年人才联合基金资助项目(13JJB009)

王鹏飞(1984—),男,江西九江人,讲师,博士。Tel:0731-58290040,E-mail:pfwang@sina．cn。通讯作者:冯 涛(1957—),男,河北泊头人,教授,博士生导师。Tel:0731-58290500,E-mail:tfeng@hnust．edu．cn

王鹏飞,冯 涛,陈丽娟,等．壁面热损失对超低热值煤层气热逆流氧化的影响[J]．煤炭学报,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

A

0253-9993(2014)11-2250-06