用于煤矿通风甲烷的Swiss-roll燃烧器特性研究

【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。 【关键词】：煤矿通风甲烷 Swiss-roll燃烧器 热平衡模型 传热特性 换热试验 熄火 反应区漂移 参数优化
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X701;TK174
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 当今世界的能源与环境问题15-16
• 1.2 煤矿通风甲烷处理技术16-22
• 1.2.1 背景和意义16-18
• 1.2.2 VAM 燃烧技术简介18-20
• 1.2.3 Swiss-roll 燃烧器20-22
• 1.3 本文主要研究内容22-23
• 参考文献23-25
• 第二章 Swiss-roll 燃烧器传热过程模拟计算25-60
• 2.1 前言25-26
• 2.2 Swiss-roll 燃烧器26-33
• 2.2.1 Swiss-roll 燃烧器结构及结构参数26-28
• 2.2.2 换热通道内的传热过程和流动阻力28-30
• 2.2.3 二维湍流热平衡模型与求解30-32
• 2.2.4 计算参数选择32-33
• 2.3 结果和讨论33-57
• 2.3.1 通道内加热过程和温度分布33-35
• 2.3.2 进口条件对燃烧器性能的影响35-40
• 2.3.3 通道尺寸对燃烧特性的影响40-45
• 2.3.4 燃烧室直径对燃烧器特性的影响45-46
• 2.3.5 热损失的影响46-57
• 2.4 结论57-58
• 参考文献58-60
• 第三章 Swiss-roll 燃烧器传热特性的试验研究60-75
• 3.1 前言60
• 3.2 试验装置与系统60-62
• 3.3 试验Swiss-roll 燃烧器结构设计62-63
• 3.4 燃烧器散热损失估算63-65
• 3.5 结果与讨论65-74
• 3.5.1 换热通道的温度分布65-66
• 3.5.2 散热对反应区温度的影响66-68
• 3.5.3 加热功率对传热特性的影响68-71
• 3.5.4 进口流速对传热特性的影响71-74
• 3.6 结论74
• 参考文献74-75
• 第四章 Swiss-roll 燃烧器燃烧过程模拟计算75-105
• 4.1 前言75
• 4.2 数学模型与求解75-76
• 4.3 化学反应机理选择76-78
• 4.4 结果与讨论78-102
• 4.4.1 燃烧器温度与甲烷浓度分布78-81
• 4.4.2 热损失的影响81-83
• 4.4.3 考虑化学反应时进口条件与结构参数对燃烧器性能的影响83-95
• 4.4.4 吹熄和反应区漂移95-102
• 4.5 结论102-103
• 参考文献103-105
• 第五章 Swiss-roll 燃烧器的参数优化105-126
• 5.1 前言105
• 5.2 优化模型105-107
• 5.2.1 Swiss-roll 燃烧器优化模型105-106
• 5.2.2 计算参数106-107
• 5.3 结果与讨论107-125
• 5.3.1 理想状态下的参数优化107-114
• 5.3.2 考虑化学反应和热损失时的参数优化114-125
• 5.4 结论125-126
• 第六章 总结和展望126-129
• 6.1 本文的主要工作及结论126-127
• 6.2 创新点127-128
• 6.3 下一步工作展望128-129
• 致谢129-130
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果130-131

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