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内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的点火启动和热能利用研究

何贤钊  
【摘要】: 矿井通风瓦斯(ventilation air methane, VAM)排放量巨大,由于其中的CH4浓度为0.1-1%;远小于CH4的贫燃下限(5%),处理很困难,故直接排放到大气中。这一方面造成了能源的浪费;另一方面甲烷又是很强的温室气体,其全球变暖潜能值(Global Warming Potential, GWP)约为CO2的21倍。因此,合理利用煤矿通风气中的低浓度甲烷具有节能和环保双重意义。 多孔介质燃烧器和Swiss-roll燃烧器均可以实现超焓燃烧,都有降低燃料贫燃极限的作用,而且多孔介质还具有稳定火焰的作用,本文在常规尺度Swiss-roll燃烧器的中心区填充多孔介质,在自行搭建的共用燃烧实验平台上,对其点火启动过程,贫燃下限,热能利用方式进行研究,在此基础上对其进行了CDM分析。 搭建了一共用燃烧实验平台,其由四个部分组成:燃料与氧化剂流量的精确供给系统、测试仪器及设备、工作参数的计算机集成显示记录系统、燃烧反应器。针对不同的燃烧反应器和研究对象,本实验平台可提供通用接口,对反应器的工作参数(如温度、压力),反应产物进行定性和定量测量。另外,实验平台功能具有拓展空间。 对燃烧器的点火启动方式和启动过程的燃烧特性进行了研究。因为该燃烧器的中心燃烧区用多孔介质填充,其在冷态时具有很强的壁面熄火效应,使得点火启动困难。首先对甲烷的点火理论进行了分析,在此基础上设计研究了两种不同的点火启动方法:1)在多孔介质中心区置入单管扩散燃烧器点火。2)在多孔介质中心区留有10mm左右的缝隙,在缝隙中用电火花或电热丝点火。点火启动时,随着多孔介质温度的升高,燃烧效率增加,未燃CH4和CO浓度逐渐下降,整个过程NOx排放都很低,多孔介质材料性质和预混气流量对启动特性影响很大。预混气流量3.49L/s,当天然气浓度降到1.3%时,未燃CH4增加,CO排放达1000mg/m3以上,燃烧效率下降至70%。这表明,内置多孔介质Swiss-roll燃烧器实现了烟气和进气的逆流换热,中心区的多孔介质又进一步加热预混气,显著拓展燃料的贫燃极限。 使用FLUENT6.3软件,通过数值模拟的方法对甲烷/空气在内置多孔介质Swiss-roll燃烧器中的点火启动过程进行研究,得到了冷态的流场、启动过程火焰面的漂移过程,和随着天然气浓度的降低时燃烧器温度场的变化。数值模拟的温度分布随天然气浓度变化情况与实验现象吻合,但整体温度分布比实验要高。 在多孔介质中置入换热器,分析内置多孔介质Swiss-roll燃烧器及其热能利用系统的能量转换和传递关系,并在此基础上建立了系统的热平衡模型。研究在不同条件下的取热量和热效率,分析取热对燃烧效率的影响。在此基础上进行了控制系统设计,防止煤层气因温度过低而熄火和防止因瓦斯浓度过高时导致燃烧器过热。实验发现,因火焰面在多孔介质中存在漂移现象,使得取热管在多孔介质中的位置非常重要。取热量与取热管处的温度有关,取热管处的温度与火焰面位置相关,火焰面位置取决于气流速度和火焰传播速度,而火焰传播速度又取决于预混气浓度等因素。另外,当持续取出过多热量时,会导致火焰面后移,未燃产物增加,燃烧效率下降。 基于本装置开发的项目具有真实的CO2减排效应,符合ACM0008第6版方法学要求,具备开发成清洁发展机制(clean development mechanism, CDM)项目的条件。以皖北一典型煤矿为例,对项目的额外性、基准线和排放量进行分析计算;在获得CDM资助的基础上对项目进行技术经济学分析。


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