金屬纖維燃燒器燃燒低濃度煤層氣的數(shù)值模擬.pdf

1、煤礦井下抽采所得CH4濃度在30％以下的瓦斯氣體稱為低濃度煤層氣,當(dāng)?shù)蜐舛让簩託庵蠧H4濃度在5％-16％的爆炸范圍內(nèi)時(shí)利用普通燃燒器燃燒有巨大安全隱患。目前由于技術(shù)的局限,煤礦開(kāi)采所得低濃度煤層氣大部分均被禁止利用而直接排空。大量的排空會(huì)造成環(huán)境污染以及能源浪費(fèi),因而尋求安全高效回收利用低濃度煤層氣的方法,對(duì)節(jié)能減排意義重大。金屬纖維燃燒器由于具有較低的污染物排放量、較高的燃燒效率、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)良特性近年來(lái)備受關(guān)注,利用其實(shí)現(xiàn)安全

2、高效燃燒爆炸濃度瓦斯氣體,有重要的研究意義。
　　本文對(duì)爆炸濃度瓦斯氣體在火炬筒體內(nèi)對(duì)稱布置的五個(gè)金屬纖維燃燒器表面的燃燒特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬和初步實(shí)驗(yàn)研究。并設(shè)計(jì)和搭建了相應(yīng)的燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái),為下一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試和研究奠定了基礎(chǔ)。
　　數(shù)值模擬采用有限速率/渦耗散模型、標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型。通過(guò)分析燃燒速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及組分濃度場(chǎng)反映了火炬筒體和金屬纖維燃燒器在不同預(yù)混氣體流速以及 CH4濃度下的流動(dòng)和燃燒特性。模擬結(jié)果表明:冷態(tài)

3、條件下,預(yù)混氣體在金屬纖維燃燒器壁面均勻出流,說(shuō)明金屬纖維燃燒器在冷態(tài)下有較好的預(yù)混氣體流動(dòng)特性。熱態(tài)條件下,預(yù)混氣體CH4濃度為10％時(shí),在0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s四種流速下燃燒器的燃燒效率均能達(dá)到99.5％以上。其中,流速為1.1 m/s時(shí)整個(gè)火炬筒體內(nèi)的湍動(dòng)以及氣流間的對(duì)沖最為強(qiáng)烈,相同計(jì)算區(qū)域內(nèi)較其它流速擁有更高的CH4燃燒效率以及反應(yīng)物的生成速率。但火焰鋒面離燃燒器圓筒壁面較遠(yuǎn)、燃燒溫度高

4、且高溫區(qū)域分布廣,火焰鋒面高將會(huì)增大燃燒器以及火炬筒體的尺寸,而較多的高溫區(qū)則會(huì)加速NOX的生成,對(duì)NOX排放不利。流速為0.5 m/s和0.7 m/s時(shí)燃燒進(jìn)行較慢,燃燒相對(duì)滯后,0.5 m/s時(shí)CH4的燃燒效率最低,而0.7 m/s時(shí)反應(yīng)物的生成速率最低。但火焰鋒面離燃燒器圓筒壁面較近且高溫區(qū)域較少。在四種流速下火炬筒體內(nèi)的溫度峰值和燃燒效率差距不大,說(shuō)明預(yù)混燃燒器對(duì)不同燃燒負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在得到綜合性能最佳的預(yù)混氣體流速的基

5、礎(chǔ)上,進(jìn)一步的數(shù)值模擬研究考察了預(yù)混氣體流速為0.9 m/s,CH4濃度分別為6％、8％、10％時(shí)的燃燒情況,結(jié)果表明當(dāng)CH4濃度為6％時(shí)的燃燒效率最高,污染物排放量最低且高溫區(qū)較少,同時(shí)不回火,不脫火,具有較高的燃燒穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果表明,預(yù)混氣體流速為0.9 m/s,CH4濃度為6％為最佳燃燒工況,該結(jié)果為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了最佳參考實(shí)驗(yàn)工況。
　　本文還設(shè)計(jì)并搭建了金屬纖維燃燒器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),后續(xù)計(jì)劃通過(guò)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量、數(shù)值分析以及數(shù)