D0L:10.13374.issn1001-053x2013.10.019 第35卷第10期 北京科技大学学报 Vol.35 No.10 2013年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2013 水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 代华明12，林柏泉1,2)，李庆钊2)，张军凯3)，邹全乐12) 1)中国矿业大学安全工程学院，徐州2211162)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州221116 3)空军勤务学院航空四站系，徐州221006 ☒通信作者，E-mail:daihuamingt666@163.com 摘要为研究含水汽低浓度瓦斯气体在多孔介质燃烧器中的燃烧特性，采用计算流体力学方法对其进行数值分析，研 究了瓦斯含不同水汽量燃烧时燃烧器中温度分布规律和污染物排放情况.随着瓦斯中水汽含量的增大，燃烧器轴向温度 及燃烧热效率下降.由温度二维等值线图可以直观看到不同工况下燃烧器中各个地点的温度分布，为燃烧器设计提供指 导.在确保一定热效率时，适当增加水汽含量，可降低燃烧器中O排放量，不但可以保护环境，而且有助于CO转化 为CO2以控制有毒气体排放量. 关键词煤矿瓦斯：燃烧：多孔介质：水汽：数值方法 分类号TK16 Effect of aqueous vapor on the combustion characteristics of low con- centration coal mine gas in a porous media burner DAI Hua-ming2),LIN Bai-quan),LI Qing-zhao),ZHANG Jun-ka,ZOU Quan-le2) 1)School of Safety Engineering,China University of Mining Technology,Xuzhou 221116,China 2)State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,Xuzhou 221116,China 3)Department of the Forth Aviation Stations,Air Force Service College,Xuzhou 221006,China XCorresponding author,E-mail:daihuaming6660163.com ABSTRACT In order to research the combustion characteristics of low concentration coal mine gas containing aqueous vapor in porous media,numerical analysis was carried out by the computational fluid dynamics(CFD)method The temperature distribution law and pollutant discharge were studied when the gases with different aqueous vapor contents burnt in a porous media burner.It is shown that the axial temperature and combustion efficiency of the burner decrease with the increase of moisture content in the gas.Temperature distributions at each location in the burner under different working conditions are visualized through two-dimensional temperature contours and they provide guidance for burner design.The NO-discharge amount decreases when the aqueous vapor content increases at appropriate thermal efficiency;this not only contributes to protect the environment,but also is useful to make CO change into CO2 for controlling toxic gas production. KEY WORDS coal mine gas;combustion;porous media;vapor;numerical methods 煤矿低浓度瓦斯是一种低热值气体).长期kJ-3以上).当低浓度瓦斯大量排放后，不仅 以来，由于燃烧技术限制，大量低浓度瓦斯被排放 会造成严重的大气污染，而且浪费了一种清洁能 到大气.瓦斯中主要成分甲烷对温室效应的影响源.为此，探索低浓度瓦斯燃烧利用的新技术迫在 是C02的21倍②，其发热量在33494.437681.2眉睫 收稿日期：2012.12-27 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51204169)：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110095120017)： 中国博士后科学基金资助项目(20110491482)
第 35 卷 第 10 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 10 2013 年 10 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct. 2013 水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 代华明1,2) , 林柏泉1,2)，李庆钊1,2)，张军凯3)，邹全乐1,2) 1) 中国矿业大学安全工程学院，徐州 221116 2) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，徐州 221116 3) 空军勤务学院航空四站系，徐州 221006 通信作者，E-mail: daihuaming666@163.com 摘 要 为研究含水汽低浓度瓦斯气体在多孔介质燃烧器中的燃烧特性，采用计算流体力学方法对其进行数值分析，研 究了瓦斯含不同水汽量燃烧时燃烧器中温度分布规律和污染物排放情况. 随着瓦斯中水汽含量的增大，燃烧器轴向温度 及燃烧热效率下降. 由温度二维等值线图可以直观看到不同工况下燃烧器中各个地点的温度分布，为燃烧器设计提供指 导. 在确保一定热效率时，适当增加水汽含量，可降低燃烧器中 NOx 排放量，不但可以保护环境，而且有助于 CO 转化 为 CO2 以控制有毒气体排放量. 关键词 煤矿瓦斯；燃烧；多孔介质；水汽；数值方法 分类号 TK16 Effect of aqueous vapor on the combustion characteristics of low concentration coal mine gas in a porous media burner DAI Hua-ming1,2) , LIN Bai-quan1,2), LI Qing-zhao1,2), ZHANG Jun-kai3), ZOU Quan-le1,2) 1) School of Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China 2) State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Xuzhou 221116, China 3) Department of the Forth Aviation Stations, Air Force Service College, Xuzhou 221006, China Corresponding author, E-mail: daihuaming666@163.com ABSTRACT In order to research the combustion characteristics of low concentration coal mine gas containing aqueous vapor in porous media, numerical analysis was carried out by the computational fluid dynamics (CFD) method. The temperature distribution law and pollutant discharge were studied when the gases with different aqueous vapor contents burnt in a porous media burner. It is shown that the axial temperature and combustion efficiency of the burner decrease with the increase of moisture content in the gas. Temperature distributions at each location in the burner under different working conditions are visualized through two-dimensional temperature contours and they provide guidance for burner design. The NOx discharge amount decreases when the aqueous vapor content increases at appropriate thermal efficiency; this not only contributes to protect the environment, but also is useful to make CO change into CO2 for controlling toxic gas production. KEY WORDS coal mine gas; combustion; porous media; vapor; numerical methods 煤矿低浓度瓦斯是一种低热值气体 [1] . 长期 以来，由于燃烧技术限制，大量低浓度瓦斯被排放 到大气. 瓦斯中主要成分甲烷对温室效应的影响 是 CO2 的 21 倍 [2]，其发热量在 33494.4∼37681.2 kJ·m−3 以上 [3] . 当低浓度瓦斯大量排放后，不仅 会造成严重的大气污染，而且浪费了一种清洁能 源. 为此，探索低浓度瓦斯燃烧利用的新技术迫在 眉睫. 收稿日期：2012-12-27 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (51204169)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20110095120017)； 中国博士后科学基金资助项目 (20110491482) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.019
.1376 北京科技大学学报 第35卷 基于多孔介质的预混燃烧技术被认为是利用 孔隙率 多孔介质区 低热值气体的有效方法.与传统燃烧技术相比，该 方法具有稳定性好、燃烧效率高、污染物排放低、 负荷调节范围广、燃烧强度高等优点-刃.利用数 燃气 烟气 人口 出口 值计算方法对多孔介质燃烧器进行研究可以缩小实 120mm 20 mm 验操作误差，观测难以测量物理量，具有独特优势 20 mm 国内外已有很多研究者利用数值计算对多孔介质燃 图1燃烧器二维几何模型 烧进行了深入研究8-1. Fig.1 2D geometric model of the burner 目前国内外学者做了很多关于在燃气中添加 表1多孔介质区域的热物性参数 辅助物的研究.Tsengl14研究了氢气对多孔介质中 Table 1 Thermophysical parameters of the porous 瓦斯燃烧的影响，发现氢气可以将瓦斯贫燃极限降 media zone 参数 取值 低到当量比为0.26，当量比为0.8时可以将燃烧速 PPI数 20 度提高到118cms-1,同时氢气对污染物C0和 孔径/mm 1.3 NO,排放均有影响.邢丹等可研究了催化剂对多 孔隙率，中 0.853 孔介质中瓦斯燃烧的作用，发现催化剂加入后火焰 散射率，E 0.794 衰减系数，Bm-1 498 面前移，温度分布更加均匀，能缩小燃烧器尺寸和 散射系数，os/m-1 395 降低污染物排放.Alavandi和Agrawalll6实验研究 吸收系数，a/m-1 102 H2和CO的加入对多孔介质中瓦斯燃烧的影响，发 有效导热系数，/(W-(mK)-1) 27.5 现H2和CO可以降低污染物CO和NOz排放. (2)动量方程. 然而，添加水汽后瓦斯燃烧的研究尚属空白.由于 V·(φpg）=-tp+V·(μV+B. 煤层瓦斯的赋存条件及抽采瓦斯管道输送抑爆的要 求，矿井抽采瓦斯往往都含有一定量的水汽.因此， 式中，p为气体压力，R1=-(华+Ct是 a 2 研究水汽对燃烧的影响对于推进煤矿低浓度瓦斯利 由多孔介质引起的流体黏性阻力和惯性阻力项，其 32 用具有重要的现实意义. 中，a= od2 是黏性阻力系数，μ为黏度系数，d为 本文采用数值计算的方法，基于改进的多孔介 8F 质燃烧数学模型，研究了水汽对多孔介质中低浓 孔隙平均直径，C= d vo 是惯性阻力系数，F 度瓦斯燃烧及污染物排放特性的影响，为多孔介 为泡沫陶瓷结构相关系数 质燃烧器的设计及燃烧污染物的排放控制提供理论 (3)组分守恒方程. 指导. 7·(oPguYi)=-7·(ppgY）+uiW 1数学物理模型 式中，Y、、:和W:分别是第i种组分的质量分 本文模拟的燃烧器是圆柱体结构，内部的多孔 数、扩散速度、体积生成率和相对分子质量。水汽作 介质模型属于整体框架式，其轴向物理量分布只与 为一种气体组分，其扩散系数根据斐克定律求解 圆柱体截面半径有关，由此将三维圆柱问题简化为 (4)能量守恒方程 二维问题. V.(ouh)=V.(okg VTg)+hv(Ts-Tg)+oQ, 1.1物理模型 V.(keVTs)+hv(Tg -Ts)=0. 本模型将圆柱体结构的燃烧器进行截面切割， 式中：h是气体的格，T和Ts分别是固体和 得到如图1所示二维平面图.图中，燃烧器横截面 气体温度，Q=∑⊙h,:是气体反应的释热 直径为40mm,燃气入口和烟气出口长度均为20 率；多孔介质内气、固间的体积对流换热系数为 mm,多孔介质区域长度为120mm.为了使模型 hy Nuvkg/d2,Nuy 2+1.1Pr1/3 Re0.6,Re 贴近实验，多孔介质区域热物性参数设置参照文献 pguodp/u9,20,Ks为气体的导热系数，dp为堆积 [17],具体数值如表1所示. 小球直径，Pr为普朗特数，Re为雷诺数：固体多 1.2控制方程 孔介质的有效传热系数为信=+5，是多孔 (1)连续性方程. 介质的有效热传导系数，：是有辐射引起的等效热 7·(ppg）=0. 传导系数 式中，Pg表示气体密度，立为速度，中为多孔介质 (⑤)修正的燃烧反应速率方程
· 1376 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 基于多孔介质的预混燃烧技术被认为是利用 低热值气体的有效方法. 与传统燃烧技术相比，该 方法具有稳定性好、燃烧效率高、污染物排放低、 负荷调节范围广、燃烧强度高等优点 [4−7] . 利用数 值计算方法对多孔介质燃烧器进行研究可以缩小实 验操作误差，观测难以测量物理量，具有独特优势. 国内外已有很多研究者利用数值计算对多孔介质燃 烧进行了深入研究 [8−13] . 目前国内外学者做了很多关于在燃气中添加 辅助物的研究. Tseng[14] 研究了氢气对多孔介质中 瓦斯燃烧的影响，发现氢气可以将瓦斯贫燃极限降 低到当量比为 0.26，当量比为 0.8 时可以将燃烧速 度提高到 118 cm·s −1，同时氢气对污染物 CO 和 NOx 排放均有影响. 邢丹等 [15] 研究了催化剂对多 孔介质中瓦斯燃烧的作用，发现催化剂加入后火焰 面前移，温度分布更加均匀，能缩小燃烧器尺寸和 降低污染物排放. Alavandi 和 Agrawal[16] 实验研究 H2 和 CO 的加入对多孔介质中瓦斯燃烧的影响，发 现 H2 和 CO 可以降低污染物 CO 和 NOx 排放. 然而，添加水汽后瓦斯燃烧的研究尚属空白. 由于 煤层瓦斯的赋存条件及抽采瓦斯管道输送抑爆的要 求，矿井抽采瓦斯往往都含有一定量的水汽. 因此， 研究水汽对燃烧的影响对于推进煤矿低浓度瓦斯利 用具有重要的现实意义. 本文采用数值计算的方法，基于改进的多孔介 质燃烧数学模型，研究了水汽对多孔介质中低浓 度瓦斯燃烧及污染物排放特性的影响，为多孔介 质燃烧器的设计及燃烧污染物的排放控制提供理论 指导. 1 数学物理模型 本文模拟的燃烧器是圆柱体结构，内部的多孔 介质模型属于整体框架式，其轴向物理量分布只与 圆柱体截面半径有关，由此将三维圆柱问题简化为 二维问题 [17] . 1.1 物理模型 本模型将圆柱体结构的燃烧器进行截面切割， 得到如图 1 所示二维平面图. 图中，燃烧器横截面 直径为 40 mm，燃气入口和烟气出口长度均为 20 mm，多孔介质区域长度为 120 mm. 为了使模型 贴近实验，多孔介质区域热物性参数设置参照文献 [17]，具体数值如表 1 所示. 1.2 控制方程 (1) 连续性方程. ∇ · (φρg~u) = 0. 式中，ρg 表示气体密度，~u 为速度，φ 为多孔介质 孔隙率. 图 1 燃烧器二维几何模型 Fig.1 2D geometric model of the burner 表 1 多孔介质区域的热物性参数 Table 1 Thermophysical parameters of the porous media zone 参数 取值 PPI 数 20 孔径/mm 1.3 孔隙率, φ 0.853 散射率, ε 0.794 衰减系数, β/m−1 498 散射系数, σs/m−1 395 吸收系数, α/m−1 102 有效导热系数, λ/(W·(m·K)−1 ) 27.5 (2) 动量方程. ∇ · (φρg~u~u) = −φ∇p + ∇ · (φµ∇~u) + R1. 式中，p 为气体压力，R1 = − µ µ α + C1ρg 2 |~u| ¶ ~u 是 由多孔介质引起的流体黏性阻力和惯性阻力项，其 中，α = 32 φd2 是黏性阻力系数，µ 为黏度系数，d 为 孔隙平均直径，C1 = 8F d r 2 φ 是惯性阻力系数，F 为泡沫陶瓷结构相关系数 [18] . (3) 组分守恒方程. ∇ · (φρg~uYi) = −∇ · (φρgYiV~ i) + φω˙iWi . 式中，Yi、V~ i、ω˙i 和 Wi 分别是第 i 种组分的质量分 数、扩散速度、体积生成率和相对分子质量。水汽作 为一种气体组分，其扩散系数根据斐克定律求解. (4) 能量守恒方程. ∇ · (φ~uh) = ∇ · (φkg∇Tg) + hv(Ts − Tg) + φQ, ˙ ∇ · (k s e∇Ts) + hv(Tg − Ts) = 0. 式中： h 是气体的焓， Ts 和 Tg 分别是固体和 气体温度， Q˙ = P i ω˙ihiwi 是气体反应的释热 率；多孔介质内气、固间的体积对流换热系数为 hv = Nuvkg/d2 p，Nuv = 2 + 1.1P r1/3Re0.6，Re = ρguφdp/µ[19,20]，kg 为气体的导热系数，dp 为堆积 小球直径，Pr 为普朗特数，Re 为雷诺数；固体多 孔介质的有效传热系数为 k s e = k c e + k r s，k c e 是多孔 介质的有效热传导系数，k r s 是有辐射引起的等效热 传导系数. (5) 修正的燃烧反应速率方程
第10期 代华明等：水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 1377· 响，，=A,TB,e-B,/RT表示反应r的前向速率常 r(ir-v) 数，A,是指前因子，B,是温度指数，E,是反应活 i=1 R是通用气体常数，血，=表示反应 式中，N是反应r的化学物质数目，C.,是反应 逆向反应常数，K,是反应r的平衡常数，，表示 r中每种反应物或生成物j的摩尔浓度，，是反 反应r中反应物i的化学计量系数，：，表示反应 应？中每种反应物或生成物j的正向反应速度指 T中生成物i的化学计量系数.水汽在燃烧反应过 数，，是反应r中每种反应物或生成物j的逆向 程中各特性参数如表2所示. 反应化学计量数，T代表第三体对反应速率的净影 (6)气体状态方程. 表2不同温度下水汽的特性参数2刂 Table 2 Characteristic parameters of water vapor at different temperatures1] C9/ S/ -G9-H9(T】/ He-He(T)/ △eHe/ △rG9/ T/K (J,K-1.mol-1) (J.K-1.mol-1) (J.K-1.mol-) (KJ.K-1.mol-1) (kJ.K-1.mol-1) (kJ.K-1.mol-1) 298.15 33.590 188.834 188.834 0 -241.836 -228.582 300 33.596 189.042 188.835 0.062 -241.844 -228.500 500 35.226 206.534 192.685 6.925 -243.826 -219.051 700 37.495 218.739 198.465 14.192 -245.632 -208.812 900 39.987 228.459 204.084 21.938 -247.185 -198.083 1100 42.536 236.731 209.285 30.191 -248.460 -187.033 1300 44.945 244.035 214.080 38.942 -249.473 -175.774 1500 47.090 250.620 218.520 48.151 -250.265 -164.376 1700 48.935 256.630 222.655 57.758 -250.881 -152.883 1900 50.496 262.161 226.526 67.706 -251.368 -141.325 2100 51.823 267.282 230.167 77.941 -251.762 -129.721 注：T=298.15K,pe=0.1MPa 币p 验可知一般取500Wm-2.K-1.燃烧器壁面视为绝 Ps-RTg 热壁面：内壁面为无滑移，边界条件为u=0,v=0. 式中，卫和而是混合气的压力和平均相对分子 本文基于Fluent13.0软件中的预混燃烧模型，设 质量. 置贴合实验的边界条件，对含水汽低浓度瓦斯气体 1.3边界条件 燃烧的温度场和各主要气体的分布情况进行数值分 多孔介质区20： 析. 气相进口(x=0m,y=0~0.04m), 2数值模拟结果及分析 u=u0,=0,Yk=Y.0,Tg=T0=300K; 由于低浓度瓦斯气体中主要可燃物质是甲烷， 数值计算时，选用低浓度甲烷作为燃烧气体.燃气 气相出口(x=0.16m,y=00.04m), 当量比设为0.75，流速为0.56ms-1,采用增加水 -0出-恶-竖=0： 汽量，相应减少甲烷和空气流量的方式来改变水汽 含量.当水汽质量分数为0时，计算结果可与相同 固相进口(x=0.02m,y=00.04m), 工况下文献[17]的实验结果中当量比为0.75、燃烧 强度FR=1378kWm-2工况时的温度分布情况对比 c(Ti-Td)+h(T-T)=0; 分析（文献中横坐标为量纲一的长度，已换算为与 本文实际长度相对应的数据)，以从温度角度验证数 固相出口(x=0.14m,y=0~0.04m), 值分析可靠性.瓦斯运输时所喷抑爆水雾使水汽量 (To-d+h(T.out-Tz.o)=0. 充分饱和四，经管口设备干燥作用可大范围调节 dr 水汽含量. 式中，o表示波尔兹曼常数，取5.67×10-8W-m-2. 2.1水汽量对燃烧器中温度分布的影响 K-4:h表示固体界面与气体的对流换热系数：Y表 不同含水量下，燃烧器轴向温度分布情况如图 示气体组分：e表示散射率：k表示传热系数，由实 2所示.为了验证模型的准确性，图中加入了文献
第 10 期 代华明等：水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 1377 ·· Rˆ i,r = Γ(ν 00 i,r − ν 0 i,r) Ã kf,r Q N j=1 [Cj,r] η 0 j,r − kb,r Q N j=1 [Cj,r] ν 00 j,r! . 式中，N 是反应 r 的化学物质数目，Cj,r 是反应 r 中每种反应物或生成物 j 的摩尔浓度，η 0 j,r 是反 应 r 中每种反应物或生成物 j 的正向反应速度指 数，ν 00 j,r 是反应 r 中每种反应物或生成物 j 的逆向 反应化学计量数，Γ 代表第三体对反应速率的净影 响，kf,r=ArT βr e −Er/RT 表示反应 r 的前向速率常 数，Ar 是指前因子，βr 是温度指数，Er 是反应活 化能，R 是通用气体常数，kb,r= kf,r Kr 表示反应 r 的 逆向反应常数，Kr 是反应 r 的平衡常数，ν 0 i,r 表示 反应 r 中反应物 i 的化学计量系数，ν 00 i,r 表示反应 r 中生成物 i 的化学计量系数. 水汽在燃烧反应过 程中各特性参数如表 2 所示. (6) 气体状态方程. 表 2 不同温度下水汽的特性参数 [21] Table 2 Characteristic parameters of water vapor at different temperatures[21] T/K CΘ p / (J · K−1 · mol−1 ) S Θ/ (J · K−1 · mol−1 ) −[GΘ−HΘ(Tr)] T / (J · K−1 · mol−1 ) HΘ − HΘ(Tr)/ (KJ · K−1 · mol−1 ) ∆fHΘ/ (kJ · K−1 · mol−1 ) ∆fGΘ/ (kJ · K−1 · mol−1 ) 298.15 33.590 188.834 188.834 0 –241.836 –228.582 300 33.596 189.042 188.835 0.062 –241.844 –228.500 500 35.226 206.534 192.685 6.925 –243.826 –219..051 700 37.495 218.739 198.465 14.192 –245.632 –208.812 900 39.987 228.459 204.084 21.938 –247.185 –198.083 1100 42.536 236.731 209.285 30.191 –248.460 –187.033 1300 44.945 244.035 214.080 38.942 –249.473 –175.774 1500 47.090 250.620 218.520 48.151 –250.265 –164.376 1700 48.935 256.630 222.655 57.758 –250.881 –152.883 1900 50.496 262.161 226.526 67.706 –251.368 –141.325 2100 51.823 267.282 230.167 77.941 –251.762 –129.721 注：Tr=298.15 K，P Θ=0.1 MPa. ρg= W p RTg . 式中，p 和 W 是混合气的压力和平均相对分子 质量. 1.3 边界条件 多孔介质区 [20]： 气相进口 (x=0 m，y=0∼0.04 m)， u = u0, v=0，Yk = Yk,0，Tg = T0=300 K； 气相出口 (x=0.16 m，y=0∼0.04 m)， v=0， du dx = dYk dx = dTg dx = 0； 固相进口 (x=0.02 m，y=0∼0.04 m)， ks dTs dx + εσ ¡ T 4 s,in − T 4 0 ¢ + hs(Ts,in − Tg,in) = 0; 固相出口 (x=0.14 m，y=0∼0.04 m)， ks dTs dx + εσ ¡ T 4 s,out − T 4 0 ¢ + hs(Ts,out − Tg,out) = 0. 式中，σ 表示波尔兹曼常数，取 5.67×10−8 W·m−2 · K−4；hs 表示固体界面与气体的对流换热系数；Y 表 示气体组分；ε 表示散射率；k 表示传热系数，由实 验可知一般取 500 W·m−2 ·K−1 . 燃烧器壁面视为绝 热壁面；内壁面为无滑移，边界条件为 u=0，v=0. 本文基于 Fluent 13.0 软件中的预混燃烧模型，设 置贴合实验的边界条件，对含水汽低浓度瓦斯气体 燃烧的温度场和各主要气体的分布情况进行数值分 析. 2 数值模拟结果及分析 由于低浓度瓦斯气体中主要可燃物质是甲烷， 数值计算时，选用低浓度甲烷作为燃烧气体. 燃气 当量比设为 0.75，流速为 0.56 m·s −1，采用增加水 汽量，相应减少甲烷和空气流量的方式来改变水汽 含量. 当水汽质量分数为 0 时，计算结果可与相同 工况下文献 [17] 的实验结果中当量比为 0.75、燃烧 强度FR=1378 kW·m−2 工况时的温度分布情况对比 分析 (文献中横坐标为量纲一的长度，已换算为与 本文实际长度相对应的数据)，以从温度角度验证数 值分析可靠性. 瓦斯运输时所喷抑爆水雾使水汽量 充分饱和 [22]，经管口设备干燥作用可大范围调节 水汽含量. 2.1 水汽量对燃烧器中温度分布的影响 不同含水量下，燃烧器轴向温度分布情况如图 2 所示.为了验证模型的准确性，图中加入了文献
.1378 北京科技大学学报 第35卷 [17]所得实验值.由图可以看到：相同工况下，计 对于实验手段的优势，可以观察到不易测量燃烧器 算值与文献[17]所得实验值分布有很高吻合度：在 内部的温度的分布情况.图3(a)是瓦斯不含水汽 不考虑实验时出口处散热导致的与计算时出口处温 时燃烧器内部温度分布情况.由图可以看到其温度 度存在较大差异情况下，计算与实验在最高温度值 线在x=0.024m位置附近特别密集，说明燃烧器内 处相差最大，误差率为5.4%，在可接受范围之内. 部温度在此发生瞬变，这与轴向趋势图中的变化相 因此，文中采用的模型和设置参数能反应实际情况. 对应：而在x=0.04m处达到最高温度（火焰面位 由图2具体分析可知，瓦斯不含水汽时燃烧器温度 置)后，温度曲线比较稀疏，说明此处温度变化平 沿着轴向先快速增大，在轴向0.04m时达到最高值 稳.图3(b)~()是瓦斯含不同水汽量时燃烧器内部 1975K,然后沿轴向缓慢降低，到出口时温度稳定 温度二维分布图.由图中等值线大小可以看到，随 在1730K左右.当瓦斯中含不同量水汽时，温度分 着瓦斯中水汽量的增大，温度瞬变区移向燃烧器下 布曲线变化趋势相同，但随着水汽含量的增加，升 游当燃烧器中气体燃烧时，常用火焰锋面即火焰面 温趋势变缓.三种水汽含量下的温度曲线先是在燃 来描述火焰到达的位置，而火焰面由最高温度形成 烧器入口缓慢增加，在轴向位置0.04m处开始快 的等值线来确定.由此，图3中二维图在横向直观 速增加，到0.12m处达到稳定的温度，最后在靠 展示了火焰面的形状和变化趋势，也可以借此弄清 近出口处有小段快速增长区，最后出口温度稳定在 轴向温度与器壁温度分布的差异.由于水汽在高温 1900K左右.由此可知，瓦斯含水汽时的温度总体 下易与各种金属物质发生化学反应，温度分布的研 上升趋势与瓦斯不含水汽时截然不同，其中最明显 究对燃烧器设计时各部分耐热性和耐腐性考察具有 的变化是含水汽瓦斯的火焰面正移了约0.08m.分 指导意义. 析可能的原因：一是含水汽后甲烷总体质量浓度变 2.2水汽量对燃烧器中NOz生成情况的影响 小；二是相同工况下水的比热容远大于空气的比热 NO是生成NOz最基本来源物，NO浓度充分 容，由Q=Cp·V·△T·p可知预热相同体积燃气 展现了NOz生成情况，因此可用它来衡量NOz生 需要吸收更多热量，即含有水汽的瓦斯需要更长距 成量.根据前人研究，NO生成机理模型主要有燃 离的预热：三是水汽改变了瓦斯的燃烧特性并向下 料型、热力型和快速型2.煤矿抽采瓦斯中，几乎 游推移了火焰面.单独分析含水汽瓦斯的温度变化 不含能产生NOz的氯化物.因此，选择氯氧化物生 曲线可知，当水汽质量分数从1%增加到7%时，稳 成模块时，主要考虑热力型和快速型两种 定后的温度从1940K降低到1800K,降低了燃烧 的热效率，达到稳定温度的位置从0.112m移动到 热力型(1)~(3)和快速型(4)~(9)NOx生成 机理中考虑的主要链式反应模型如下： 燃烧器下游的0.128m处.因此，随着水汽量增大， 中段稳定温度值大小和位置有着规律的变化，而且 N2+0-NO+N. (1) 烟气流出多孔介质区域后温度均有升高. 02+N=NO+0. (2) 图3为瓦斯含不同水汽量时，多孔介质燃烧器 N+OH=NO+H, (3) 温度的二维分布图.由图可见采用数值计算方法相 CH N2 HCN +N, (4) CH2+N2 HCN NH, (5) 2000 太未 C2+N2=2CN (6) HCN +OH CN +H2O, (7) 1600 NH+ONO+H. (8) y 1200 N+OH=NO+H. (9) 水的反应方程为 800 文献[17]实验值 -●一 水汽质量分数为0 水汽质量分数为1% H20=H++OH. (10) 400 一▲一水汽质量分数为4% 一◆一水汽质量分数为7% 由热力型和快速型反应机理可以看出，水反应 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 时分解的H+和OH离子会阻碍NOz的生成. z/m 图2 瓦斯在不同条件下燃烧时多孔介质燃烧器中轴向温度 图4为瓦斯含不同水汽量在燃烧器内燃烧时 分布 NO含量沿燃烧器轴向的分布.从图4中可以看到， 瓦斯不含水汽时NO含量沿轴向上升趋势明显高于 Fig.2 Axial temperature distribution in the porous media 瓦斯含水汽时NO含量的上升趋势.瓦斯不含水汽 burner when gas is burning at different conditions
· 1378 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 [17] 所得实验值. 由图可以看到：相同工况下，计 算值与文献 [17] 所得实验值分布有很高吻合度；在 不考虑实验时出口处散热导致的与计算时出口处温 度存在较大差异情况下，计算与实验在最高温度值 处相差最大，误差率为 5.4%，在可接受范围之内. 因此，文中采用的模型和设置参数能反应实际情况. 由图 2 具体分析可知，瓦斯不含水汽时燃烧器温度 沿着轴向先快速增大，在轴向 0.04 m 时达到最高值 1975 K，然后沿轴向缓慢降低，到出口时温度稳定 在 1730 K 左右. 当瓦斯中含不同量水汽时，温度分 布曲线变化趋势相同，但随着水汽含量的增加，升 温趋势变缓. 三种水汽含量下的温度曲线先是在燃 烧器入口缓慢增加，在轴向位置 0.04 m 处开始快 速增加，到 0.12 m 处达到稳定的温度，最后在靠 近出口处有小段快速增长区，最后出口温度稳定在 1900 K 左右. 由此可知，瓦斯含水汽时的温度总体 上升趋势与瓦斯不含水汽时截然不同，其中最明显 的变化是含水汽瓦斯的火焰面正移了约 0.08 m. 分 析可能的原因：一是含水汽后甲烷总体质量浓度变 小；二是相同工况下水的比热容远大于空气的比热 容，由 Q = Cp · V · ∆T · ρ 可知预热相同体积燃气 需要吸收更多热量，即含有水汽的瓦斯需要更长距 离的预热；三是水汽改变了瓦斯的燃烧特性并向下 游推移了火焰面. 单独分析含水汽瓦斯的温度变化 曲线可知，当水汽质量分数从 1%增加到 7%时，稳 定后的温度从 1940 K 降低到 1800 K，降低了燃烧 的热效率，达到稳定温度的位置从 0.112 m 移动到 燃烧器下游的 0.128 m 处. 因此，随着水汽量增大， 中段稳定温度值大小和位置有着规律的变化，而且 烟气流出多孔介质区域后温度均有升高. 图 3 为瓦斯含不同水汽量时，多孔介质燃烧器 温度的二维分布图. 由图可见采用数值计算方法相 图 2 瓦斯在不同条件下燃烧时多孔介质燃烧器中轴向温度 分布 Fig.2 Axial temperature distribution in the porous media burner when gas is burning at different conditions 对于实验手段的优势，可以观察到不易测量燃烧器 内部的温度的分布情况. 图 3(a) 是瓦斯不含水汽 时燃烧器内部温度分布情况. 由图可以看到其温度 线在 x=0.024 m 位置附近特别密集，说明燃烧器内 部温度在此发生瞬变，这与轴向趋势图中的变化相 对应；而在 x=0.04 m 处达到最高温度 (火焰面位 置) 后，温度曲线比较稀疏，说明此处温度变化平 稳. 图 3(b)∼(d) 是瓦斯含不同水汽量时燃烧器内部 温度二维分布图. 由图中等值线大小可以看到，随 着瓦斯中水汽量的增大，温度瞬变区移向燃烧器下 游.当燃烧器中气体燃烧时，常用火焰锋面即火焰面 来描述火焰到达的位置，而火焰面由最高温度形成 的等值线来确定. 由此，图 3 中二维图在横向直观 展示了火焰面的形状和变化趋势，也可以借此弄清 轴向温度与器壁温度分布的差异. 由于水汽在高温 下易与各种金属物质发生化学反应，温度分布的研 究对燃烧器设计时各部分耐热性和耐腐性考察具有 指导意义. 2.2 水汽量对燃烧器中 NOx 生成情况的影响 NO 是生成 NOx 最基本来源物，NO 浓度充分 展现了 NOx 生成情况，因此可用它来衡量 NOx 生 成量. 根据前人研究，NO 生成机理模型主要有燃 料型、热力型和快速型 [23] . 煤矿抽采瓦斯中，几乎 不含能产生 NOx 的氮化物. 因此，选择氮氧化物生 成模块时，主要考虑热力型和快速型两种. 热力型 ((1)∼(3) 和快速型 (4)∼(9)) NOx 生成 机理中考虑的主要链式反应模型如下： N2+O NO + N, (1) O2+N NO + O, (2) N + OH NO + H, (3) CH + N2 HCN + N, (4) CH2+N2 HCN + NH, (5) C2+N2 2CN, (6) HCN + OH CN + H2O, (7) NH + O NO + H, (8) N + OH NO + H. (9) 水的反应方程为 H2O H ++OH−. (10) 由热力型和快速型反应机理可以看出，水反应 时分解的 H+ 和 OH− 离子会阻碍 NOx 的生成. 图 4 为瓦斯含不同水汽量在燃烧器内燃烧时 NO 含量沿燃烧器轴向的分布. 从图 4 中可以看到， 瓦斯不含水汽时 NO 含量沿轴向上升趋势明显高于 瓦斯含水汽时 NO 含量的上升趋势. 瓦斯不含水汽
第10期 代华明等：水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 ·1379· 0.04 0.04 1750 且0.02 0.02 1950 至1900 1800 1750 1950 0 1850- 00.020.040.060.080.100.120.140.16 0 0.020.040.060.080.100.120.140.16 z/m z/m (a) (b) 0.04 0.04 1850 0.02 日0.02 900 -500 0+ 04 00.020.040.060.080.100.120.140.16 0 0.020.040.060.080.100.120.140.16 T/m T/m (c) (d) 图3含不同质量分数水汽的瓦斯燃烧时多孔介质燃烧器内部二维温度分布.(a)0:(b)1%:(c)4%;(d)7% Fig.3 Two-dimensional temperature distribution of the inner of porous media burner when the gases with different mass fractions of aqueous vapor are burning:(a)0;(b)1%;(c)4%;(d)7% 0.15 -●一水汽质量分数为0 快速型机理分析，该机理产生的NO红量在火焰面 ■一水汽质量分数为1% 0.12 附近达到最大值24，因此在靠近火焰面附近生成 -▲一水汽质量分被为兴 ◆水汽质量分数为 的NOx有一部分来自于快速型机理的作用.由上 数0.09 文可知，水汽分解产生的H和OH离子显著影响 了NOz的产生；从图中各条曲线可以看出在瓦斯 0.6 三 中加入一定量水汽燃烧后确实有助于减少NO红的 0.03 生成量.然而，根据水汽量对燃烧器中温度分布的 研究表明，随着水汽量增加轴向温度整体下降，从 0.00 而降低了热效率.为此，在考量通过增加水汽量来 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 降低NOz生成时，还得确保燃烧热效率 r/m 2.3水汽量对燃烧器中CO2和C0生成情况的 图4瓦斯含不同水汽量燃烧时多孔介质燃烧器内NOx含 影响 量沿轴向分布 CO2是一种温室气体，其含量的大小是考察污 Fig.4 Axial distribution of NO content in the porous media 染物排放情况的重要指标.图5为瓦斯含不同水汽 burner when the gases with different aqueous vapor contents 量燃烧时燃烧器内CO2含量沿轴向分布情况.由 are burning 图可以看到，瓦斯不含水汽燃烧时CO2质量分数 在燃烧器内燃烧时，在燃烧器0.008m处开始生 在入口处经过快速增长达到最大值13.5%后就一直 成NO,然后迅速增长，在出口处NO质量分数 稳定在最大值直到燃烧器出口处.瓦斯含不同水汽 达到0.138%.瓦斯含不同水汽在燃烧器内燃烧时 燃烧时CO2含量沿轴向分布情况相似，CO2质量 NO质量分数沿燃烧器轴向分布趋势相似，燃烧器 分数在入口段一直维持为零，随着瓦斯中水汽量的 开始段一直没有N0生成，直到0.06m处开始生 增大（水汽质量分数分别为1%、4%和7%，分别在 成NO.出口处随着瓦斯中水汽量的增大（水汽质量 燃烧器轴向0.056m、0.072m和0.08m处开始逐渐 分数分别为1%、4%和7%)，N0质量分数分别为 增大，直到出口处CO2质量分数达到最大值分别 0.137%、0.120%和0.066%，可见随着瓦斯中水汽量 为10%、9.6%和8.8%.此外，由图可以看出，燃烧 的增大，燃烧器中O排放量逐渐减小.由热力型 器中CO2质量分数总体随着瓦斯中水汽质量分数 机理分析，NO生成量主要受轴向温度分布影响.从 增大而减少 图2可以看到瓦斯不含水汽燃烧时离入口很近处 C0是一种有毒气体，它无色、无臭、无味极 温度就开始快速增大，因此该条件下产生NO的位 易被忽略而致中毒.尾气排放中若有大量C0,将严 置比较靠前，而瓦斯含水汽燃烧时温度快速增长位 重威胁人体健康，为此探索燃烧时CO分布很重要. 置要滞后很多，因此产生NO的位置比较靠后.由 图6为瓦斯含不同水汽量燃烧时燃烧器内CO含量
第 10 期 代华明等：水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 1379 ·· 图 3 含不同质量分数水汽的瓦斯燃烧时多孔介质燃烧器内部二维温度分布. (a) 0; (b) 1%; (c) 4％; (d) 7％ Fig.3 Two-dimensional temperature distribution of the inner of porous media burner when the gases with different mass fractions of aqueous vapor are burning: (a) 0; (b) 1%; (c) 4%; (d) 7% 图 4 瓦斯含不同水汽量燃烧时多孔介质燃烧器内 NOx 含 量沿轴向分布 Fig.4 Axial distribution of NOx content in the porous media burner when the gases with different aqueous vapor contents are burning 在燃烧器内燃烧时，在燃烧器 0.008 m 处开始生 成 NO，然后迅速增长，在出口处 NO 质量分数 达到 0.138％. 瓦斯含不同水汽在燃烧器内燃烧时 NO 质量分数沿燃烧器轴向分布趋势相似，燃烧器 开始段一直没有 NO 生成，直到 0.06 m 处开始生 成 NO. 出口处随着瓦斯中水汽量的增大 (水汽质量 分数分别为 1%、4%和 7%)，NO 质量分数分别为 0.137%、0.120%和 0.066%，可见随着瓦斯中水汽量 的增大，燃烧器中 NO 排放量逐渐减小. 由热力型 机理分析，NO 生成量主要受轴向温度分布影响. 从 图 2 可以看到瓦斯不含水汽燃烧时离入口很近处 温度就开始快速增大，因此该条件下产生 NO 的位 置比较靠前，而瓦斯含水汽燃烧时温度快速增长位 置要滞后很多，因此产生 NO 的位置比较靠后. 由 快速型机理分析，该机理产生的 NOx 量在火焰面 附近达到最大值 [24]，因此在靠近火焰面附近生成 的 NOx 有一部分来自于快速型机理的作用. 由上 文可知，水汽分解产生的 H 和 OH 离子显著影响 了 NOx 的产生；从图中各条曲线可以看出在瓦斯 中加入一定量水汽燃烧后确实有助于减少 NOx 的 生成量. 然而，根据水汽量对燃烧器中温度分布的 研究表明，随着水汽量增加轴向温度整体下降，从 而降低了热效率. 为此，在考量通过增加水汽量来 降低 NOx 生成时，还得确保燃烧热效率. 2.3 水汽量对燃烧器中 CO2 和 CO 生成情况的 影响 CO2 是一种温室气体，其含量的大小是考察污 染物排放情况的重要指标. 图 5 为瓦斯含不同水汽 量燃烧时燃烧器内 CO2 含量沿轴向分布情况. 由 图可以看到，瓦斯不含水汽燃烧时 CO2 质量分数 在入口处经过快速增长达到最大值 13.5%后就一直 稳定在最大值直到燃烧器出口处. 瓦斯含不同水汽 燃烧时 CO2 含量沿轴向分布情况相似，CO2 质量 分数在入口段一直维持为零，随着瓦斯中水汽量的 增大 (水汽质量分数分别为 1%、4%和 7%，分别在 燃烧器轴向 0.056 m、0.072 m 和 0.08 m 处开始逐渐 增大，直到出口处 CO2 质量分数达到最大值分别 为 10%、9.6%和 8.8%. 此外，由图可以看出，燃烧 器中 CO2 质量分数总体随着瓦斯中水汽质量分数 增大而减少. CO 是一种有毒气体，它无色、无臭、无味极 易被忽略而致中毒. 尾气排放中若有大量 CO，将严 重威胁人体健康，为此探索燃烧时 CO 分布很重要. 图 6 为瓦斯含不同水汽量燃烧时燃烧器内 CO 含量