李隆键，陶冶，逄锦伦，，龙伍见

(1.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030; 2.中煤科工集团重庆研究院瓦斯防灭火研究分院，重庆 400037)

金属纤维燃烧器在低浓度煤层气利用中的应用进展

李隆键1，陶冶1，逄锦伦1，2，龙伍见2

(1.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030; 2.中煤科工集团重庆研究院瓦斯防灭火研究分院，重庆 400037)

对低浓度煤层气能源化利用技术进行了综述。介绍了提纯技术和催化燃烧技术，重点探讨了金属纤维燃烧器燃烧技术在低浓度煤层气利用中的可行性，并对其应用前景进行了展望。提出在低浓度煤层气利用领域还需对金属纤维燃烧器燃烧和排放机理、燃烧稳定性以及装置的可靠性方面进行系统的研究。

低浓度煤层气;提纯;催化燃烧;金属纤维燃烧器

我国煤气资源丰富，已探明的2 000 m以上浅层储量为(30～35)×1012m3，和天然气储量相当，居世界第3位［1］。每年由于采煤排放出的低浓度煤层气多达1.2×1010m3，相当于107t标准煤［2］。抽采所得煤层气中CH4的体积分数低于30%的称为低浓度煤层气，其中CH4体积分数在5%～16%范围内的有爆炸危险。由于技术的局限，目前开采所得煤层气大部分均被禁止利用而直接排空。CH4是低浓度煤层气的主要成分，其产生的温室效应约为同体积CO2的20倍［3］，大量排空会造成严重的温室效应，破坏臭氧层。特别是对于体积分数在5%～16%的爆炸极限范围内的低浓度煤层气，直接排空会危害矿区的安全生产。然而，低浓度煤层气也是高热值的环境友好型能源，若被有效利用可缓解当今全球的能源短缺问题。据统计，我国煤层气开采量占全球的8%，但排放量却占全球的35%，利用率仅占总排放量的5%～7%。因此，寻求高效回收利用低浓度煤层气的方法对节能减排意义重大。

1 低浓度煤层气利用技术概况

1.1 提纯技术

对低浓度煤层气而言，如果能将其纯度提高到CH4含量在80%以上，就能作为高能燃料和化工原料;如果CH4含量达到95%，就能并入燃气管道输送，广泛应用于化工领域［4］。

1.1.1 低温精馏技术

低温精馏法利用CH4和N2的沸点差将两者分离。在一个大气压下，N2的沸点为77.35 K，CH4的沸点是111.7 K，两者相差34 K，低温精馏法理论上可将两者分离。但陶鹏万等认为当煤层气中CH4的体积分数在50%以下时，需要增加一个辅助环才能获得95%以上的CH4产品。该方法投资大，工艺复杂［5］，仅对日处理量达几百万立方米的大型煤矿有经济价值［6］。

1.1.2 膜分离技术

膜分离技术利用气体中各组分在表面的吸附能力及在膜内溶解－扩散的差异实现分离。近几年对该技术用于分离CH4和N2的基础研究较多。该技术具有设备简单、运行投资少的优点。但受膜渗透选择性低的制约［7］，离工业化应用还有较大距离。

1.1.3 变压吸附技术

吸附法气体分离过程包括吸附和脱附再生2个过程。当吸附和脱附分别由升压、降压来实现时该过程称为变压吸附分离过程。吸附剂是该技术的核心，目前主要有活性炭、沸石分子筛和碳分子筛3种。Simone Cavenati等［8］研究了复合床变压吸附技术分离CH4/CO2/N2体系，让含CH460%、CO220%、N220%的混合气体先后通过分层装填13X沸石分子筛和碳分子筛的吸附柱，分别除去CO2和N2，最终得到含CH488.8%的气体。整个系统CH4的回收率为66.2%。Dong Fei等［9－10］不仅采用了复合床变压吸附，在同一吸附柱中分层填装活性炭、碳分子筛、沸石分子筛等吸附剂，而且把精馏的工艺引入到变压吸附系统中，建立了一种带有侧线加料和取样的新型变压吸附装置(Petlyuk PSA)，最终把含CH4小于15%、含N2大于60%的原料气提纯到CH4含量大于60%。

低浓度煤层气为易燃易爆气体，防爆性就成为了提纯设备的关键。而在煤矿抽采过程中CH4的浓度变化很大，这就对提纯设备的自动化控制提出了更高的要求。同时，实现CH4规模化提纯才能满足经济性要求，因而还需在实践中深入研究经济性和安全性的问题。

1.2 燃烧技术

低浓度煤层气无论是用于热交换、制热或发电，都离不开燃烧的过程。因而寻求安全、高效的燃烧技术是低浓度煤层气利用的关键。

催化燃烧方式与传统燃烧方式相比有能量利用率高和污染物排放量低两大优点。目前有多种催化燃烧技术适用于超低浓度煤层气。

1.2.1 甲烷流向变换催化燃烧技术

流向变换催化反应器集固定床催化反应器和蓄热换热床于一体。主要由一个固定床催化反应器和一套用以实现流向变换的阀门组成，共有A、B、C、D四个阀门。当A、B打开而C、D关闭时，物料正向流动;反之，物料逆向流动。

固定床由3个区域组成:两端为高热容的惰性填料，温度较低，为交替使用的蓄热换热区;中间为催化剂层，是有效的反应区。

反应前先将催化床层预热到催化剂的起活温度，然后通入低温原料混合气。原料混合气进入固定床后，在催化床层发生反应而释放出大量的热。产生的热量及反应产物持续通过催化剂层出口，出口处的热交换介质不断吸热，从而温度不断升高。而入风侧因气流以常温通过，热交换介质不断被冷却。当冷却到一定温度时，反应器自动转换风流方向，风流从高温侧进入，并吸收热交换介质的热量，继续在催化层发生反应生成热量，一部分被热交换器吸收，另一部分用于热损失，从而往复循环。

1.2.2 整体式催化燃烧技术

整体式催化燃烧技术应用了一种蜂窝状的整体反应器。反应器的整体框架由许多平行的管道组成。管道壁面是多孔的支撑结构，上面附有很多具有催化特性的活性颗粒［11］。甲烷属于比较稳定的烃类质，不容易被氧化或活化，这就要求催化剂具有低温活性和高温热稳定性，并且具有一定的抗热冲击性能。目前主要有贵金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂、复氧化物催化剂3类［12－14］，通常采用浸渍法制备。助剂常用的为碱金属氧化物如K2O、MgO和CeO2，可采用共沉淀法和浸渍法添加。Shi Su等［15］的研究表明:在整体式催化燃烧中，Pd/Al2O3对超低浓度煤层气的氧化利用有着较好的催化效果。

1.2.3 流化床催化燃烧技术

Gosiewski，Chou，Klvana等［16－18］通过研究发现固定床燃烧器容易产生局部温度过热，甚至造成装置的不稳定及催化剂的失活。Foka，Iamarino等［19－20］发现在流化床中燃烧气体燃料可有效避免这个问题。流化床催化燃烧技术应运而生，它针对超低浓度的煤层气理论上有较好的燃烧效果，同时具有燃料适应性广、热容量大的特点，还可应用于劣质固体燃料的燃烧［21－22］。

催化燃烧技术虽然比较成熟，但目前仅适用于超低浓度煤层气的燃烧，无法满足爆炸范围内煤层气燃烧的稳定性需求。若要将燃烧释放的热量用于发电，还需添加一定量的天然气，因而催化燃烧技术还有待进一步研究。

2 金属纤维燃烧器燃烧技术

金属纤维燃烧器是近年出现的一种新型全预混表面燃烧式燃气燃烧器。它具有阻火特性，热效率高，污染物排放量低，因具有快速反应性和冷却性、形状的可变性、热膨胀的可控性等诸多优点而备受关注［23－24］。

2.1 金属纤维燃烧器组成及工作原理

金属纤维燃烧器主要由燃烧器头部、调速直流风机、燃气调节阀、混气装置、点火装置和控制系统组成。其头部为直径约20～50μm的由铁铬铝金属纤维制成的金属纤维毡或金属纤维织物。金属纤维不但具有金属材料固有的优点，还具有非金属纤维的某些特殊性能，不仅可以通过烧结在一起形成刚性而多孔的金属纤维毡，还能通过纺织过程制成柔软的金属纤维织物。金属纤维燃烧器头部构造如图1所示［25］。

图1 金属纤维燃烧器头部结构

金属纤维燃烧器采用全预混表面燃烧。空气由风机鼓入混气管，在混气管两侧形成压力差。燃气阀门打开后，燃气从混气管压力较低一侧进入并与空气混合，然后预混气体进入燃烧器头部的分流静压室，再从金属纤维表面的缝隙中流出，最后在纤维表面燃烧［25］。燃烧可分2种方式进行，即红外热辐射方式和蓝焰燃烧方式［26］。红外燃烧模式发生在金属纤维织物的表面之内。此时，纤维织物被烧红，加热到白炽状态，通过红外辐射方式向外传递能量。红外燃烧承载的燃烧强度相对较低，根据温度的变化，表面燃烧从桔黄变为黄色，燃烧强度可从100 kW/m2变到800kW/m2。蓝焰燃烧模式发生在金属纤维织物的表面之上，火焰呈蓝色浮在表面上。此时，金属纤维织物温度较低，燃烧在金属纤维表面的蓝色火焰通过与空气对流的方式向外传递能量。蓝焰燃烧能够承载较高的燃烧强度，通常在1 000 kW/m2以上。

2.2 金属纤维燃烧器特性

金属纤维燃烧器作为新型燃烧器，有着多方面的优良特性:

1)污染物排放低。全预混燃烧温度分布均匀，没有局部高温。过量空气系数比较低，燃烧释放的热量通过对流和辐射的方式带走，降低了火焰温度［27］，因而具有更低的NOx排放水平。全预混以及多孔介质的表面燃烧方式保证了在低过量空气系数下的完全燃烧，因而CO等不完全燃烧的排放物比较少［28－31］。

2)阻火特性。金属纤维织物的孔隙直径远小于燃气的熄火距离，火焰无法穿透。金属纤维烧结毡的孔隙直径远小于金属纤维织物的孔隙直径，使火焰更难穿透［32］。长纤维在同一平面上，横向热传导性好。金属纤维在垂直方向上是长纤维的点接触，气流方向上以纤维丝相互的接触传热为主，热传导率相对较小，未燃气体侧的温度与混合气体温度很接近。由于可燃气体受金属纤维材料的影响温度达不到着火点，因而金属纤维材料具有阻火的功能［33－35］。同时，金属纤维材料也具有抗腐蚀性和抗氧化能力强、寿命长、抗热冲击性能高、抗机械冲击性能强、热惰性低等特点。

3)节能。金属纤维燃烧器的过量空气系数较小，因而在同样的排烟温度下的排烟损失比较小。

4)外形适应性强。可做成各种形状，并且设计紧凑。燃烧器同时也是过滤器，可阻挡固体燃烧产物的排放。

5)热效率高。一般燃烧热效率仅为30%，而金属纤维表面燃烧器燃烧热效率可达83%～85%。

2.3 金属纤维燃烧器应用现状

由于金属纤维燃烧器技术难度大、工艺复杂，国外只有美国、英国和比利时等少数国家能够生产。在中国，仅有西北有色金属研究院的金属多孔材料国家重点实验室等少数单位能实现金属纤维燃烧器的国产化。在民用方面，由于金属纤维燃烧器较普通燃烧器燃烧后释放的有害生成物更少，并且有更高的热效率，因而可用于家用炉灶以及热水器。在工业方面，金属纤维燃烧器的燃气红外加热技术可用于具有爆炸浓度的瓦斯气体燃烧、印染行业的布匹干燥，以及茶叶行业的茶叶出青，其优良的燃烧特性还可用于可燃气体的无害化处理。

2.4 金属纤维燃烧器研究进展

国外对金属纤维燃烧器的研究主要集中在金属纤维导热性能，金属纤维发射率，燃烧器的表面温度，燃烧器的NOx、CO和HC的排放特性，燃烧器的脱火和回火特性、电镀催化层对燃烧器燃烧特性的影响，燃烧和传热模型等方面［36－40］。M.GOLOMBOK等［41］通过经验提出80%的孔隙度和22μm的金属纤维可达到最佳的燃烧稳定性，但还有待实验进一步验证。M.Bizzi等［42］通过金属纤维催化燃烧和金属纤维非催化燃烧实验发现，催化燃烧可降低污染物排放量，提高效率，但会降低燃烧的稳定性，缩小金属纤维燃烧器自身的阻火优势。M.GOLOMBOK等［43］通过三维模型验证金属纤维燃烧器在800～1 000 kW/m2的负荷下有最稳定的表面燃烧。S.A.Leonardi等［44］通过模拟得到燃烧器表面的温度随着曲率的增加而增加，双层垫的温度高于单层垫。气体温度同样随着曲率的增加而增加，双层支撑垫比单层的温度大约高40 K，并且双层燃烧器通常有更高的温度和热辐射效率，单层燃烧器的总效率比双层燃烧器低大约5个百分点。

目前，国内在低浓度煤层气利用方面已进行了初步探索。中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯分院对金属纤维燃烧器燃烧爆炸浓度瓦斯气体进行了部分实验研究。具有爆燃浓度的瓦斯预混气体在圆筒中对称布置的5个金属纤维燃烧器外壁面点火燃烧。每个金属纤燃烧器的侧壁均为4层，由内向外分别是骨架、金属纤维、分流板和金属纤维。中心部位燃烧器由顶部出气，周围4个燃烧器由侧面出气，取时间间隔为1 h。为了保护金属纤维燃烧器不被烧坏，将金属纤维材料的表面燃烧强度控制在1 500 kW/m2以下，且考虑到自然风对燃烧器外部火焰温度的影响，测得金属纤维燃烧器流量、外部温度以及压力的关系。但由于火炬筒体上的检测点出厂时已布好，热电偶安装后偏离了金属纤维燃烧器火焰中心区，因此测出的温度并不是最高值。

实验表明:金属纤维燃烧器在表面燃烧强度控制在1 500 kW/m2以下时燃烧具有爆炸浓度的瓦斯气体是安全可行的。该实验下一步拟借助材料检测技术，检测燃烧一段时间后金属纤维材料的成分和理化性质是否发生了变化，同时预测燃烧器的使用寿命以及检测污染物的排放量。

综上所述，低浓度煤层气提纯的方法洁净高效，但工艺复杂、成本高。催化燃烧技术比较成熟，对超低浓度煤层气的燃烧有较好效果，但对于爆炸范围的低浓度煤层气还无法安全处理。金属纤维燃烧器具有良好的阻火性能，对煤层气的浓度范围没有限制，提高了低浓度煤层气燃烧过程的稳定性。同时可有效减少污染物的排放，在燃烧低浓度煤层气方面展示出广阔的应用前景。但对于低浓度煤层气的燃烧、排放机理以及燃烧稳定性、适应性方面还缺乏基础性、系统性的研究，制约了金属纤维燃烧器在低浓度煤层气燃烧技术领域的大规模推广应用。

3 结论

1)目前国内外针对低浓度煤层气的能源化开发了部分技术。但由于受低浓度煤层气甲烷含量、浓度变化、输送安全性等因素的制约，离大规模工业化利用还有一定的距离。

2)金属纤维燃烧器具有良好的阻火性能，对煤层气的浓度范围几乎没有限制，提高了低浓度煤层气燃烧过程的稳定性。初步的实验结果表明:金属纤维燃烧器燃烧具有爆炸浓度的瓦斯气体是安全可行的。

3)在金属纤维燃烧器燃烧低浓度煤层气领域，还需对其燃烧及排放机理、燃烧稳定性以及装置的可靠性方面进行系统的研究，为金属纤维燃烧器在低浓度煤层利用领域的推广应用奠定科学基础。

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(责任编辑 刘舸)

Advances in Research of the Application of Metal Fiber Burner in Low Concentration Coal Bed Methane

LILong－jian1，TAO Ye1，PANG Jin－lun1，2，LONGWu－jian2
(1.Key Laboratory of Low－grade Energy Utilization Technologies and Systems，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400030，China;2.China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037，China)

In this paper，the energy utilization technologies of low concentration methane are reviewed.At first the purification technology and catalytic combustion technology are summarized.Then the emphasis is focused on analyzing the feasibility of using the metal fiber burner technology in low concentration coal bed methane，as well as its application prospect.It is concluded in the paper that themechanism of combustion and pollution productof low concentrationmethane inmetal fiber burner should be studied systematically，and the combustion stability and reliability of the burner should be further improved.

low concentration methane;purification;catalytic combustion;metal fiber burner

TD845

A

1674－8425(2014)09－0035－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.008

2014－05－18

国家科技重大专项(2011ZX05041－005)

李隆键(1966—)，男，重庆人，博士，教授，主要从事方面传热传质及其强化以及多相流领域的研究。

李隆键，陶冶，逄锦伦，等.金属纤维燃烧器在低浓度煤层气利用中的应用进展［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(9):35－40.

format:LILong－jian，TAO Ye，PANG Jin－lun，etal.Advances in Research of the Application of Metal Fiber Burner in Low Concentration Coal Bed Methane［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):35－40.