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用于煤矿通风甲烷的Swiss-roll燃烧器特性研究

扈鹏飞  
【摘要】:全世界每年因煤矿开采排入大气中的甲烷超过2500万吨,其中煤矿通风甲烷(VAM)占总排放量的70%以上。甲烷是造成全球变暖的温室气体之一,全球每年以VAM方式排入大气的甲烷的温室效应相当于5.2亿吨二氧化碳当量,其热值相当于5000万吨标准煤。长期以来,我国煤炭占一次能源消费总量的比例在70%左右,煤矿甲烷(其中VAM占91%)的排放量在150亿立方米以上,所造成的社会成本超过150亿元。 在F.J.Weinberg提出的超焓燃烧思想的基础上,Lloyd指出可使用Swiss-roll燃烧器直接燃烧低热值燃料,其原理为通过换热通道的传热提高反应区温度,从而达到直接燃烧低热值燃料的目的。本文基于煤矿通风流量大的特点,考虑了流动状态、物性变化和通道形状对传热过程的影响,建立了Swiss-roll燃烧器的二维湍流热平衡模型,求解了换热通道的温度分布,分析了进口条件、通道尺寸、燃烧室直径等参数和热损失对其传热特性的影响。结果表明,Swiss-roll燃烧器能通过换热提高反应区温度,在甲烷体积浓度1%甚至更低时使化学反应稳定自维持;反应区温度受通道宽度和甲烷体积浓度的影响最显著,受通道长度的影响次之,受进口流速的影响相对要小得多,受燃烧室直径的影响更小,而通道高度对反应区温度的影响基本可以忽略不计;增加进口流速有利于传热,但增大了通道内压力损失,增大通道宽度能增加燃烧器处理流量且减小通道内压力损失,但降低了反应区温度,增大的通道长度能有效提高反应区温度,但也导致了通道内压力损失和燃烧器制造成本增大,因此应综合考虑各因素选择合适的参数;热损失降低了燃烧器温度且减小了通道间传热温差;热损失系数较小时,热损失系数对燃烧器性能的影响更显著。 为了验证传热模型的正确性,在自制的Swiss-roll燃烧器上进行了传热试验,研究了燃烧器进口流速、功率等参数和热损失对传热特性的影响。试验结果表明,计算值与实验数据之间的相对误差小于5%,二维湍流热平衡模型能较好地预测反应区温度;随着进口流速增大,反应区温度降低,换热通道的传热系数增加,燃烧器热再循环系数减小,在高流速时进口流速对反应区温度的影响程度降低;随着燃烧器功率增加,反应区温度升高,燃烧器热再循环系数略有提高,在燃烧器功率较小时,燃烧器功率对反应区温度的影响更显著。 结合简化的甲烷反应机理,研究了运行参数、结构参数和热损失对燃烧器熄火特性和反应区漂移的影响,分析了燃烧器可能存在的3种甲烷体积浓度分布类型和6种温度分布类型。结果表明,随着通道换热能力增强,化学反应区由燃烧室不断向进气通道漂移,且在此过程中燃烧室温度基本不变,而减弱通道换热能力,将导致吹熄;增大进口流速和通道宽度,减小通道长度和甲烷体积浓度,反应区首先会向燃烧室漂移,之后在燃烧室内稳定燃烧,直到吹熄,但在某些情况下,稳定燃烧段不存在;散热会使稳定燃烧区向反应漂移区移动。 最后,基于Swiss-roll燃烧器的二维湍流热平衡模型,以处理VAM为背景,进行了投资收益分析。考虑了运行成本、制造成本、发电收益和减排收益对纯收益的影响,建立了处理VAM的Swiss-roll燃烧器优化模型,分析了运行参数与结构参数对燃烧器经济性的影响,并对其进行了优化,为Swiss-roll燃烧器的设计提供参考。


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