多孔陶瓷中掺烧VAM（火山灰材料）的粉煤燃烧特性分析

《Applied Thermal Engineering》：Analysis of combustion characteristics of pulverized coal mixed with VAM in porous ceramics

　　

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  添加煤炭促进VAM氧化，但因焦炭不完全燃烧导致CO升高。
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  无烟煤可使CH₄转化率最大化但CO产生量高，褐煤使CO降至最低。
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  最佳气体速度为2 m/s时可最大限度减少CH₄逃逸，CO随速度升高而增加。
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  均匀预热优于分段预热，≥700 °C是实现高效低排放协同燃烧的关键。
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  较大的通道直径减弱自由基淬灭，降低CH₄和CO排放。

引言

甲烷浓度直接决定了煤矿瓦斯（CMM）的资源利用途径[1]。甲烷体积分数高于30%的CMM通常被视为高浓度天然气，主要通过地面钻井开采，并通过燃料燃烧或化学转化加以利用[2-4]。甲烷浓度介于1%至30%之间的低浓度CMM主要通过井下抽采获取，目前主要用于低浓度瓦斯发电[5,6]。通风瓦斯（VAM）甲烷浓度低于1%，排放量巨大，约占煤矿甲烷总排放量的64%[7,8]。由于其热值极低，VAM无法被传统燃烧技术直接利用；其大量排放不仅造成严重的资源浪费，而且由于甲烷的全球变暖潜能值（GWP）远高于CO₂，对气候变化和大气环境也构成了重大威胁[9-12]。这一严峻形势凸显了开发高效经济技术以降低煤矿甲烷排放的紧迫性和必要性。

相关研究表明，向燃烧系统中添加氢气等活性燃料可有效促进甲烷氧化[13-18]；然而，该技术路线也存在相当大的安全风险[19,20]。在燃煤发电领域，已探索将VAM作为辅助燃料引入锅炉以部分替代煤炭的方案。实践表明，添加粉煤可降低混合燃料的着火温度并提高燃烧速率和火焰温度[21-23]；然而，在某些运行条件下，VAM的实际利用率仍然有限[24-27]。

对于VAM的深度净化，再生热氧化器（RTO）是一项具有重大应用潜力的技术。该技术最初是为消除工业废气流中的挥发性有机化合物（VOCs）而开发的。其工作原理涉及VOCs流经多孔再生介质时进行高温氧化。该放热反应释放的热量被传递至介质并储存起来。受热的介质随后将进入的新鲜含VOCs气流预热至其氧化温度，从而建立起自循环的换热循环。这一机制可实现较高的热能回收效率，同时高效净化有机废气[28]。

理论上，该技术也适用于VAM的氧化。然而，一个关键区别在于其固有的热值。在VOC浓度足够高的情况下，氧化过程中释放的热量可被陶瓷床层回收，并能提供足够的能量维持RTO运行[29]。与此形成鲜明对比的是，VAM的甲烷浓度极低，其氧化放热量非常有限，通常不足以独立维持系统的热平衡。因此，将RTO技术直接应用于VAM处理需要集成辅助热源以确保系统稳定性。一个直观的解决方案是采用煤助燃来辅助RTO过程。煤燃烧产生的补充热量可以弥补稳定运行所需的能量缺口，且煤炭可直接从矿井获取，从而避免了额外的运输成本。因此，将粉煤和VAM共同送入RTO系统进行协同处理，代表了一种高效消除VAM的有前景的方法。

多孔蓄热介质是RTO系统中可燃物种氧化的主要区域；因此，了解煤与VAM在多孔介质中的协同燃烧特性对于RTO系统的设计和运行具有重要意义。然而，关于粉煤与可燃气体在多孔介质中协同燃烧过程的研究仍然稀少。已有大量研究针对多孔介质中VOCs的氧化过程展开，涵盖了系统设计[29]、反应动力学[30]、催化反应[31]、故障诊断[32]和参数优化[33,34]等方面。这些研究表明，反应器温度、气体流量、物种浓度和多孔介质结构显著影响气相可燃物种的转化过程。可以预期，上述因素也将对煤与VAM在多孔介质中的协同燃烧过程产生重大影响。此外，煤种和煤投加速率将影响协同燃烧过程的反应速率和燃烧特性。

鉴于此，本研究采用蜂窝陶瓷RTO，通过实验研究了多孔介质中粉煤与VAM的协同燃烧特性。系统考察了预热温度（包括轴向温度分布）、气体流速、初始甲烷体积分数、蜂窝陶瓷通道直径、煤种和煤投加速率对协同燃烧性能的影响。因此，在实验室规模上验证了所提出工艺的可行性，为工业RTO装置的设计和参数调节提供了基础数据和理论支持。本研究的结果可以为VAM与粉煤的热存储氧化工业应用奠定基础，对于解决RTO反应器的实际问题具有重要意义。

章节摘要

材料

在本研究中，选取了三种碳和灰分含量明显不同的煤样：SM烟煤、JC无烟煤和KM褐煤。所采集的样品被研磨至75–96 μm的粒度。在实际工业燃煤系统中，煤颗粒尺寸的选择需要在燃烧效率、粉碎能耗和系统运行稳定性之间取得平衡。颗粒过细会加剧团聚，增加粉碎能耗，

结果与讨论

本节展示并讨论了实验结果。除非另有说明，所有涉及不同煤种的实验均在固定的煤投加速率1 g/m³下进行，而其他所有运行条件保持不变。采用这种实验设计是为了反映煤助燃VAM燃烧的预期工程应用，其中煤给料器由质量流量控制，单位通风空气体积的煤剂量是主要的

结论

本研究通过实验研究了在不同运行参数下，蜂窝陶瓷再生热氧化器中粉煤与通风瓦斯（VAM）的协同燃烧特性。系统评估了煤种、煤投加速率、初始甲烷体积分数、表观气体速度、预热温度、轴向温度分布和蜂窝通道直径对CH₄和CO排放的影响。主要结论如下

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响到本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（2026ZD1701901）、中国煤炭科工集团科技项目（2023-TD-KJHZ003）和国家自然科学基金委（编号：U24B2069）的支持。

Zhigang Zhang|Yafei Li|Tao Zhang|Xusheng Zhao|Jing Zhu|Qun Zhang|Dingtong Liu|Yanpeng Liu|Yanhong Li|Suyang Pan|Yang Zhang