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外置瑞士卷多孔介质燃烧器特性研究

马培勇  
【摘要】: 由于工业生产工程中产生的废气所含可燃成分(主要成分为甲烷)稀薄,难以被常规的燃烧技术所利用,通常被直接排空。虽然这些废气所含可燃气体成分低,但排放量巨大。将如此大量的甲烷直接排放到大气中,一方面会造成有限的不可再生资源的巨大浪费;另一方面甲烷又是很强的温室气体(温室效应约为CO2的21倍),还会造成对大气臭氧层的破坏,加剧大气污染。因此,发展低浓度可燃废气燃烧技术不仅能够“节能”,最重要的意义在于可以“减排”;探索贫燃料(超低热值可燃气体)自维持燃烧的方法对控制环境污染、回收能量都是十分有意义的。本文基于超焓燃烧原理,结合瑞士卷燃烧器和多孔介质燃烧器的技术特点和优势,设计一种新型的外置瑞士卷多孔介质燃烧器,应用于低浓度燃气燃烧处理;为设计该燃烧器,对低浓度甲烷的高温氧化特性进行了研究;探索了燃烧器的制造加工方法,并通过冷态、热态试验研究、数值计算分析研究了低浓度预混气体在外置瑞士卷多孔介质燃烧器的燃烧特性;并进一步提出将该燃烧器用于天然气富燃重整制氢,进行了化学动力学模拟与初步的实验研究。 (1)为了探索贫燃料自维持燃烧方法,对目前降低燃气的贫可燃极限的方法进行了总结与分析,采取提高燃烧温度和添加催化剂是目前比较有效的方法:提高燃烧温度方法主要是采用超焓燃烧的思想,通过换热器或多孔介质蓄热体实现热再循环,极限回收燃烧产生的热量,使贫燃烧的温度提高,实现自维持燃烧;添加催化剂主要是通过催化燃烧的方式降低燃料着火的活化能,改善着火条件,拓展贫燃极限。或者采用两者的结合的复合燃烧方式,进一步降低燃料的贫可燃极限,用于可燃废气的处理与热能利用。基于以上分析,本文设计了一种集瑞士卷燃烧器和多孔介质燃烧器优点于一体的新型外置瑞士卷多孔介质燃烧器(简写为SRPC)物理模型,用于低浓度废气的燃烧处理。 (2)为设计低浓度甲烷燃烧器,基于甲烷燃烧详细机理GRI 3.0,采用充分搅拌反应器(PSR)与柱塞流反应器(PFR)模型,对低浓度甲烷定压预混燃烧(氧化)过程进行了计算,研究了甲烷浓度、停留时间、预热温度、热损失等参数对超低浓度甲烷燃烧的氧化特性的影响。结果表明,这些参数对低浓度甲烷的氧化有较大影响。首先,由于低浓度甲烷预混气体单位体积内氧化放热量小,温度提升较低,化学反应时间增加,难以氧化完全,因此为增加低浓度甲烷的氧化速率,必须对其进行预热至一定温度,提高化学反应速率。另一方面,由于单位体积预混气体完全燃烧(或氧化)的热损速率与氧化反应温度成正比关系,而放热速率随甲烷浓度的减小而减小,若热损速率大于放热速率,反应温度下降,造成氧化反应速率也随之下降,反应不能继续进行,导致难以稳定自维持氧化。控制热损速率的关键因素在于增强保温措施,降低对外换热系数与外壁换热面积,采用热再循环降低排烟热损,预热低浓度甲烷预混气体;并且气流速度决定了低浓度甲烷氧化装置的氧化处理能力。研究结果可为设计低浓度甲烷氧化装置提供指导。 (3)对气体在无瑞士卷结构的单向直流式多孔介质的流动特性进行了实验研究,研究了气流速度、孔密度(PPI)对阻力的影响;结果表明,在相同空隙率条件下,孔密度越大,气流速越大,流动阻力越大;分析了气流在颗粒填充床与泡沫陶瓷阻力产生的机理,得出若该两种多孔介质的比表面积及空隙率相等,且排列方式相同,两者的流动阻力近似相等;基于此,建立了泡沫陶瓷结构模型,求出两者相等时PPI与颗粒填充床的颗粒直径函数关系,可直接利用泡沫陶瓷的特征参数(PPI,空隙率),由颗粒填充床经典模型-Ergun方程来预测流动阻力;实验结果验证了此方法在预测高空隙率的泡沫陶瓷流动阻力是有效的;并确定了渗透阻力系数与惯性阻力系数的计算式,为燃烧器中心多孔介质的设计及其进行泡沫陶瓷多孔介质燃烧的数值模拟研究提供了参数计算依据。 (4)采用矩形钢板拼接制作了矩形瑞士卷换热通道,并对对其进行了冷态实验,试验研究了不同风速、通道圈数对燃烧器的阻力损失分布和最大阻力的影响规律。结果表明,燃烧器通道内的压力随与送风点的距离增加而降低,弯头处的局部阻力对直管段的沿程阻力影响较大;压降随着双向逆流通道数目与风速的增加而增加;风速与总压呈介于线性和抛物线之间的非线性关系。基于沿程阻力和局部阻力公式,采用综合阻力系数与平均局部阻力系数方法对瑞士卷结构的流动阻力进行了数学描述,回归试验数据得到阻力计算公式,计算结果与实验结果吻合较好,结合多孔介质流动阻力研究结果,可为本燃烧器的设计与运行提供参考依据。该试验方法可推广应用于电力、水利、化工行业中具有多弯头的结构流动阻力的研究。其实验结果可为燃烧器通道结构优化设计、风机的初步选型、首次点火启动、热态安全运行提供必要的控制参数,同时为掌握燃烧器密封性能检测方法提供依据。 (5)根据瑞士卷燃烧器初样、矩形瑞士卷燃烧器及内置刚玉管螺旋板换热器方案在加工与实验过程中存在的问题,不断优化燃烧器的设计方案与加工方法,最终确定了外置瑞士卷多孔介质燃烧器的最优设计加工方法,制作了燃烧器,并进行了燃烧特性实验,对其点火预热启动过程,及其不同预混气体浓度、流量等工况参数条件下的温度分布、排放进行了测量;分析了燃烧器的启动方法以及流量、预混气体浓度等有关工况参数对其燃烧特性的影响规律。实验发现,优化后的设计方法确保了燃烧器加工方便及其密封等特性要求;外置瑞士卷多孔介质燃烧器可有效拓展燃料的贫燃极限,具有较大的功率调节范围与较好的火焰稳定性;并对装置在实际工程化应用方面,提出了采用单元燃烧器优化设计方案。 (6)提出将外置瑞士卷多孔介质燃烧器应用于天然气富燃制氢,可实现装置的自保温、产物自冷却,能量利用率高、结构紧凑,能够满足小规模现场制氢的要求;对富燃制氢过程进行了化学动力学模拟,计算结果表明,增大停留时间,提高反应温度,选择合适的化学当量比是提高制氢效率的关键所在;并且进行了天然气/空气预混气在当量比1.25-2.50,总流量60-120L/min条件下的富燃试验,研究了其自热重整制氢的燃烧特性。结果表明,富燃情况下可实现自维持燃烧,自稳定响应时间较快;瑞士卷结构的有效预热与中心多孔介质的蓄热,提高反应温度至1600K以上,可实现超绝热富燃制氢。 (7)对气体在外置瑞士卷多孔介质燃烧过程进行了合理的简化,建立了外置瑞士卷多孔介质燃烧器的物理和数学模型,对甲烷空气预混气体在外置瑞士卷多孔介质的燃烧过程进行了二维数值模拟计算,将计算结果同试验结果进行了对比,分析了误差存在的原因;并分析了不同入口流速和当量比对燃烧器的性能影响,模拟结果与实验结果定性相同。


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