煤层气着火基础特性的实验与模型研究

This project focuses on the study of Coal Bed Methane (CBM),which includes that the effects of initial temperature, initial pressure, equivalence ratio and diluted gas and large alkanes on the ignition delay characteristics and auto-ignition limit will be investigated by using reflected shock wave.A common Arrhenius-type correlation will be fitted to predict the ignition delay of CBM over wide conditions. Furthermore, the relevant elementary reaction rate constant and concentration of key free radicals such as OH, HO2, and H2O2 will be measured in shock tube with Planar laser induced fluorescence (FLIF-OH) and tunable diode laser absorption system, which will be used to re-evaluate and modify the current combustion models of CBM. Finally, a detailed mechanism of C6 and a skeletal mechanism suitable for CFD simulation will be developed by sensitivity, rate of production and flow reaction analyses. This fundamental study will provide scientific criterion of the safety assessment for avoiding the auto-ignition, explosion and detonation in the CBM processes, and reliable experimental support for designing and improving the combustion chamber of practical burning equipment with CBM as fuel to achieve efficient and low pollutant emission combustion, and necessary kinetic model for understanding combustion of CBM.

本项目以清洁能源煤层气为研究对象，利用反射激波方法研究初始温度、压力、当量比、稀释气及大分子烷烃对煤层气着火延迟期和着火极限的影响规律，拟合适用于预测宽广条件下煤层气着火延迟期的Arrhenius关系式；采用平面激光诱导荧光（PLIF-OH）和可调谐激光吸收光谱诊断系统测量着火过程中自由基OH、HO2和H2O2浓度及关键基元反应速率常数；利用敏感性分析，ROP分析和反应流分析探究主导煤层气着火化学的关键物种和基元反应，评价现有动力学模型的适应性，构建和优化煤层气（C6）详细机理和适用于CFD模拟的骨架机理。本项目的基础性研究工作为煤层气开采过程中出现的自燃、闪爆、爆炸等安全评估提供理论依据，为燃用煤层气燃烧设备燃烧室的设计和优化提供可靠的实验支撑，为煤层气燃烧机理的理解提供理论指导。

我国是典型的富煤国家，其伴生资源煤层气的有效开发和利用已经被列入国家能源规划的重要发展方向，并作为我国“十二五”能源规划中17个子规划之一被率先公布实施。本项目以一次能源低品质煤层气（LCBM）和二次能源的高品质煤层气（HCBM）为研究对象，立足于着火基础特性和燃烧反应动力学研究，开展了大量激波管实验测量和数值模拟工作。按照本项目的预期规划和研究方案，基本完成了计划书中所需开展的研究工作，主要包括：底层机理氢气（C0_Mech）、一氧化碳（CO_Mech）、甲烷模型（C1_Mech）和乙烷模型（C2_Mech）的综合评估；高浓度稀释气体对氢气着火延迟特性影响的碰撞理论解析；氢气存在对HCBM关键组分甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）着火过程的影响规律研究，现有动力学模型对甲烷/氢气，乙烷/氢气二元燃料燃烧特性预测的适用性评估；杂质NOx、SOx对LCBM着火特性影响的反应动力学量化研究。. 通过本项目研究，我们证实了15年来一直被国际广泛使用的核心机理GRI 3.0在高掺氢比下的不适用性，为C0-C4底层基础动力学模型的进一步发展提供了直接的实验依据。发现了高稀释气存在的条件下，特别是三原子CO2和二原子N2通过三体反应H+O2+M=HO2+M所表现的碰撞效应对氢气着火延迟特性模拟产生了较大的影响，碰撞效率特别是低压极限的不确定性导致当前C0_Mech并不能很好地捕捉实验现象。CBM中NOx的存在改变了甲烷氧化过程中关键反应的branching ratio，新的燃烧反应路径主导了甲烷的消耗，导致活性稳定的甲基通过链传播过程氧化进而加速甲烷的着火。