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?shù)蜐舛让簩託庵蠧H4濃度在5％-16％的爆炸范圍內(nèi)時利用普通燃燒器燃燒有巨大安全隱患。目前由于技術的局限,煤礦開采所得低濃度煤層氣大部分均被禁止利用而直接排空。大量的排空會造成環(huán)境污染以及能源浪費,因而尋求安全高效回收利用低濃度煤層氣的方法,對節(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、負荷適應性強等優(yōu)良特性近年來備受關注,利用其實現(xiàn)安全

2、高效燃燒爆炸濃度瓦斯氣體,有重要的研究意義。
　　本文對爆炸濃度瓦斯氣體在火炬筒體內(nèi)對稱布置的五個金屬纖維燃燒器表面的燃燒特性進行了三維數(shù)值模擬和初步實驗研究。并設計和搭建了相應的燃燒實驗臺,為下一步實驗測試和研究奠定了基礎。
　　數(shù)值模擬采用有限速率/渦耗散模型、標準 k-ε湍流模型。通過分析燃燒速度場、溫度場及組分濃度場反映了火炬筒體和金屬纖維燃燒器在不同預混氣體流速以及 CH4濃度下的流動和燃燒特性。模擬結(jié)果表明:冷態(tài)

3、條件下,預混氣體在金屬纖維燃燒器壁面均勻出流,說明金屬纖維燃燒器在冷態(tài)下有較好的預混氣體流動特性。熱態(tài)條件下,預混氣體CH4濃度為10％時,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到99.5％以上。其中,流速為1.1 m/s時整個火炬筒體內(nèi)的湍動以及氣流間的對沖最為強烈,相同計算區(qū)域內(nèi)較其它流速擁有更高的CH4燃燒效率以及反應物的生成速率。但火焰鋒面離燃燒器圓筒壁面較遠、燃燒溫度高

4、且高溫區(qū)域分布廣,火焰鋒面高將會增大燃燒器以及火炬筒體的尺寸,而較多的高溫區(qū)則會加速NOX的生成,對NOX排放不利。流速為0.5 m/s和0.7 m/s時燃燒進行較慢,燃燒相對滯后,0.5 m/s時CH4的燃燒效率最低,而0.7 m/s時反應物的生成速率最低。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,說明預混燃燒器對不同燃燒負荷有較強的適應能力。在得到綜合性能最佳的預混氣體流速的基

5、礎上,進一步的數(shù)值模擬研究考察了預混氣體流速為0.9 m/s,CH4濃度分別為6％、8％、10％時的燃燒情況,結(jié)果表明當CH4濃度為6％時的燃燒效率最高,污染物排放量最低且高溫區(qū)較少,同時不回火,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)實驗提供了最佳參考實驗工況。
　　本文還設計并搭建了金屬纖維燃燒器實驗系統(tǒng),后續(xù)計劃通過實驗參數(shù)測量、數(shù)值分析以及數(shù)