金属纤维燃烧器燃烧低浓度煤层气的数值模拟

发布时间：2017-05-04 21:12

  本文关键词：金属纤维燃烧器燃烧低浓度煤层气的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤矿井下抽采所得CH4浓度在30%以下的瓦斯气体称为低浓度煤层气，当低浓度煤层气中CH4浓度在5%-16%的爆炸范围内时利用普通燃烧器燃烧有巨大安全隐患。目前由于技术的局限，煤矿开采所得低浓度煤层气大部分均被禁止利用而直接排空。大量的排空会造成环境污染以及能源浪费，因而寻求安全高效回收利用低浓度煤层气的方法，对节能减排意义重大。金属纤维燃烧器由于具有较低的污染物排放量、较高的燃烧效率、负荷适应性强等优良特性近年来备受关注，利用其实现安全高效燃烧爆炸浓度瓦斯气体，有重要的研究意义。 本文对爆炸浓度瓦斯气体在火炬筒体内对称布置的五个金属纤维燃烧器表面的燃烧特性进行了三维数值模拟和初步实验研究。并设计和搭建了相应的燃烧实验台，为下一步实验测试和研究奠定了基础。 数值模拟采用有限速率/涡耗散模型、标准k-ε湍流模型。通过分析燃烧速度场、温度场及组分浓度场反映了火炬筒体和金属纤维燃烧器在不同预混气体流速以及CH4浓度下的流动和燃烧特性。模拟结果表明：冷态条件下，预混气体在金属纤维燃烧器壁面均匀出流，说明金属纤维燃烧器在冷态下有较好的预混气体流动特性。热态条件下，预混气体CH4浓度为10%时，在0.5m/s、0.7m/s、0.9m/s、1.1m/s四种流速下燃烧器的燃烧效率均能达到99.5%以上。其中，流速为1.1m/s时整个火炬筒体内的湍动以及气流间的对冲最为强烈，相同计算区域内较其它流速拥有更高的CH4燃烧效率以及反应物的生成速率。但火焰锋面离燃烧器圆筒壁面较远、燃烧温度高且高温区域分布广，火焰锋面高将会增大燃烧器以及火炬筒体的尺寸，而较多的高温区则会加速NOX的生成，对NOX排放不利。流速为0.5m/s和0.7m/s时燃烧进行较慢，燃烧相对滞后，0.5m/s时CH4的燃烧效率最低，而0.7m/s时反应物的生成速率最低。但火焰锋面离燃烧器圆筒壁面较近且高温区域较少。在四种流速下火炬筒体内的温度峰值和燃烧效率差距不大，说明预混燃烧器对不同燃烧负荷有较强的适应能力。在得到综合性能最佳的预混气体流速的基础上，进一步的数值模拟研究考察了预混气体流速为0.9m/s，CH4浓度分别为6%、8%、10%时的燃烧情况，结果表明当CH4浓度为6%时的燃烧效率最高，污染物排放量最低且高温区较少，同时不回火，不脱火，具有较高的燃烧稳定性。数值模拟结果表明，预混气体流速为0.9m/s，CH4浓度为6%为最佳燃烧工况，该结果为后续实验提供了最佳参考实验工况。 本文还设计并搭建了金属纤维燃烧器实验系统，，后续计划通过实验参数测量、数值分析以及数值模拟和工业实验结果的对比，对金属纤维燃烧器燃烧爆炸浓度瓦斯气体的安全可靠性以及污染物排放特性有进一步的论证，同时为金属纤维燃烧器燃烧低浓度煤层气的工业化奠定一定的理论与技术基础。
【关键词】：爆炸浓度瓦斯气体 金属纤维燃烧器 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.6
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 主要符号表9-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 低浓度煤层气能源化现状11-15
• 1.2.1 提纯技术11-12
• 1.2.2 燃烧技术12-15
• 1.3 金属纤维燃烧器燃烧技术15-19
• 1.3.1 燃烧器发展史15
• 1.3.2 燃烧方式15-17
• 1.3.3 金属纤维燃烧器简介17-19
• 1.4 本文的研究内容和意义19-22
• 1.4.1 研究内容19-20
• 1.4.2 研究意义20-22
• 2 数值分析模型22-32
• 2.1 物理模型22-24
• 2.1.1 模型基本结构22-23
• 2.1.2 模型的假定23-24
• 2.2 数学模型24-26
• 2.2.1 基本控制方程24
• 2.2.2 湍流模型24-25
• 2.2.3 燃烧模型25-26
• 2.2.4 燃烧反应机理26
• 2.3 数值求解方法26-28
• 2.3.1 计算区域的网格划分26-27
• 2.3.2 控制方程的离散27
• 2.3.3 边界条件27
• 2.3.4 离散方程组的求解27-28
• 2.4 相关参数计算28-31
• 2.4.1 燃料参数28
• 2.4.2 流速及流量参数28-29
• 2.4.3 流动阻力29-30
• 2.4.4 理论燃烧温度计算30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 数值模拟结果分析32-64
• 3.1 冷态流场分析32-35
• 3.2 热态下不同入口流速对燃烧的影响35-54
• 3.2.1 速度场分布36-39
• 3.2.2 温度场分布39-45
• 3.2.3 CH_4组分分布45-49
• 3.2.4 CO、CO_2、H_2O 组分分布49-54
• 3.3 热态下不同 CH_4含量对燃烧的影响54-61
• 3.3.1 温度场分布54-56
• 3.3.2 CH_4及生成物组分分布56-61
• 3.4 本章小结61-64
• 4 实验系统设计64-74
• 4.1 实验目的64
• 4.2 系统方案设计64-71
• 4.2.1 供气系统65-66
• 4.2.2 安全输送保障系统66-68
• 4.2.3 燃烧系统68-69
• 4.2.4 安全监测控制系统69-70
• 4.2.5 烟气测量系统70-71
• 4.3 实验方法及实验步骤71-73
• 4.3.1 实验方法71
• 4.3.2 实验步骤71-73
• 4.4 本章小结73-74
• 5 结论及展望74-76
• 5.1 结论74-75
• 5.2 展望75-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-82
• 附录82
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文82
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目82

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