低浓度煤层气流态化燃烧技术的研究进展

低浓度煤层气由于热值低、流量变化大,利用较困难,大部分都未经处理就直接被排放,不仅浪费资源,而且还污染环境,引起了国内外的密切关注。较之常规的煤层气利用技术,以惰性颗粒和催化颗粒为床料的流态化燃烧技术具有热容量大、燃料适应性广的特点,在低浓度煤层气燃烧利用方面表现出巨大的潜力。为此,综述了该技术的研究现状,分析了惰性颗粒和催化颗粒作用下,床层温度、进气浓度、流化风速及气固两相流对其燃烧特性的影响,介绍了在流化床中催化燃烧反应的模型及其动力学特性,探讨了杂质性气体对气固催化反应的作用机制,明确了SO_2作用下硫酸铜的生成是催化剂硫中毒的根本原因,提出了相应的抗硫中毒措施,讨论了水蒸气对低浓度甲烷催化燃烧的影响。最后,就该技术的未来发展进行了分析与展望,得出的认识如下:①后续的研究应该侧重颗粒尺寸变化对流态化燃烧带来的影响;②应寻找更加廉价、催化活性更优的催化剂替代;③对惰性颗粒下低浓度甲烷流态化燃烧,缺乏燃烧机理分析,需要进一步从理论角度进行深度挖掘。     

超低浓度煤层气在流态化蓄热装置中的燃烧特性

超低浓度煤层气中甲烷体积分数低于5%,常规技术很难加以利用,而含有石英砂颗粒的流态化蓄热装置对超低浓度煤层气的燃烧利用提供了平台。为此,采用数值模拟的方法,研究了含有不同甲烷浓度的超低浓度煤层气在流态化蓄热装置中的燃烧特性,并和绝热燃烧时的工况进行了对比,分析了燃烧特性、蓄热特性、氮氧化物生成等变化规律。结果表明,流态化蓄热装置在煤层气的体积分数不低于3%时可以维持燃烧;与采用绝热工况相比,采用蓄热颗粒之后,燃烧反应向布风板方向移动,并主要发生在蓄热颗粒组成的床层以内;燃烧后氮氧化物排放量极少。     

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明:加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。     

掺杂Ce、Zr对CO2钙基吸附剂循环特性的影响

利用湿法混合-煅烧法将元素Ce、Zr掺杂到CO₂钙基吸附剂中,利用热重分析仪(TGA)研究了24种改性钙基吸附剂吸附CO₂的循环特性。研究发现:CeO₂散布在CaO晶粒之间可抑制晶粒融合,对吸附剂烧结有一定的阻碍作用;CeO₂可明显提高吸附剂在扩散控制阶段对CO₂的吸附速率,原因在于CeO₂中丰富的氧空位可促进CO₂以离子迁移的方式穿过表面产物层到达内部与CaO反应;吸附剂中CeO₂含量越高,稳定性越强;ZrO₂与CaO高温化合成具有高塔曼温度的CaZrO₃,均匀分散在CaO晶粒间,构成稳固的支撑骨架,有效抑制了吸附剂烧结。     

页岩气燃烧器燃烧特性的数值模拟

研究页岩气的清洁燃烧特性并设计优化其燃烧器对页岩气的推广应用具有重要意义。根据页岩气的特点,设计了供小型工业炉使用的200 kW页岩气燃烧器,采用数值模拟的方法,研究了过量空气系数（1.05～1.35）、钝体等对页岩气燃烧的温度分布、燃烧产物、NO排放等特性的影响规律。结果表明：①随着过量空气系数增大,炉膛的峰值温度降低;②过量空气系数较大时,容易在燃烧器根部形成高温区域;③未加装钝体时,NO的生成量较大,NO的生成量随过量空气系数的增加而减小;④在燃气管出口处增加钝体后,可实现甲烷的完全转化;⑤与未加装钝体相比,炉膛温度峰值下降,钝体后形成回流区,回流的高温烟气能够有效预热喷出的燃气,减少了着火时间,温度分布较均匀,燃烧状况稳定,产生的NO浓度较低。综合考虑的结论认为,增加钝体优化后的燃烧器,当过量空气系数为1.25时的工况性能最优。