低熱值氣體多孔介質燃燒機理與工業(yè)化.pdf

1、使用多孔介質燃燒技術拓展貧燃極限，提高燃燒器體積熱負荷，擴大氣體燃料的使用范圍，實現(xiàn)燃燒技術的升級及氣體資源的充分有效利用，具有重要的研究價值及應用前景。本文致力于低熱值氣體在多孔介質內(nèi)的燃燒機理及火焰面移動特性研究，并將研究結果運用于工程系統(tǒng)的設計及開發(fā)中。
　　第一章中為全文工作背景介紹及文獻綜述：分析中國燃氣資源、低熱值氣體資源的利用現(xiàn)狀，綜述國內(nèi)外多孔介質燃燒理論和技術發(fā)展方向和狀況。從多孔介質燃燒器內(nèi)的傳熱，溫度分布及溫

2、度測量，火焰面移動及火焰面駐定，火焰面特性及燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，以及低熱值氣體往復式多孔介質燃燒方面對國內(nèi)外多孔介質燃燒技術的研究進展進行了總結，提出了多孔介質燃燒技術未來幾年的發(fā)展趨勢。并提出了本文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章及第三章為實驗研究部分：提出包覆與裸露熱電偶成對布置同步測量新方法測量多孔介質內(nèi)氣固溫度，試驗研究多孔介質內(nèi)溫度分布特性，火焰面?zhèn)鞑C理及超絕熱燃燒機理。搭建堆積小球多孔介質燃燒試驗臺，通過兩側成對布置裸露熱電

3、偶及包覆多孔介質小球的熱電偶，對多孔介質燃燒器內(nèi)氣固溫度進行同步測量，研究多孔介質燃燒器的內(nèi)氣固溫度分布及氣固溫度變化規(guī)律。通過燃燒器的預熱過程對裸露熱電偶結點在多孔介質孔隙內(nèi)的位置進行估計，并對熱電偶結點布置的不確定因素進行誤差分析，得到測量的誤差范圍。對比不同入口氣流速度，不同當量比時的不同氣固溫度分布及氣固溫度變化。同時搭建碳化硅泡沫陶瓷多孔介質燃燒試驗臺，通過對多孔介質燃燒器內(nèi)的溫度進行系統(tǒng)測量，研究不同預混氣體入口速度，不同當

4、量比，不同多孔介質孔密度等工況對超絕熱燃燒特性，火焰面?zhèn)鞑ヌ匦约皽囟确植继匦缘挠绊?。對火焰面附近的詳細軸向溫度分布及燃燒器壁面附近的徑向溫度分布進行分析。并對多孔介質材料的過熱損壞規(guī)律進行初步分析探究。
　　第四章及第五章為數(shù)值模擬研究部分：拓展二維雙溫多孔介質燃燒模型，研究多孔介質內(nèi)動態(tài)二維火焰面特性和火焰面傾斜不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生機理及抑制機理。以實驗室搭建的圓柱形碳化硅泡沫陶瓷多孔介質燃燒器為物理模型，通過變化多孔介質的孔密度，多

5、孔介質燃燒器的壁面散熱損失，入口氣流速度，當量比等參數(shù)探討低熱值氣體在多孔介質燃燒器內(nèi)的動態(tài)二維火焰面特性，研究火焰面?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓盎鹧婷鎮(zhèn)鞑ミ^程中的火焰面形狀的變化，并與實驗結果進行對比，驗證燃燒模型并進一步深入理解低熱值氣體在多孔介質內(nèi)的二維燃燒特性。同時模擬不同工況下長方體形多孔介質燃燒器內(nèi)的火焰面傾斜現(xiàn)象，對多孔介質內(nèi)火焰面傾斜現(xiàn)象及機理進行分析，研究火焰面傾斜角度增大或減小的發(fā)展過程，研究不同工況條件如當量比，入口流速，多孔

6、介質導熱系數(shù)，燃燒器尺寸等因素對火焰面傾斜角度變化的影響。通過對火焰面傾斜角度的變化探究火焰面不穩(wěn)定現(xiàn)象的抑制機理，為多孔介質燃燒器的穩(wěn)定運行提供理論基礎。
　　第六章及第七章為工程應用研究部分：設計50，000 Nm3/h低熱值氣體燃燒系統(tǒng)(10～20 MW)；研發(fā)50～221 kW中試規(guī)模往復式燃氣熔煉爐并進行工業(yè)試驗研究，提供進一步大型化理論與工程基礎。在前期工作積累基礎上，開發(fā)50，000Nm3/h的大型低熱值氣體往復式多

7、孔介質燃燒系統(tǒng)的設計方法及設計程序，完成低熱值氣體燃燒系統(tǒng)的爐體設計總圖及系統(tǒng)設計圖。能源效益及環(huán)境效益計算分析表明該燃燒系統(tǒng)的最大熱效率最大可以達到88.67％，以溫室效應折算該低熱值多孔介質燃燒裝置一年最大可以減少一臺300 MWe機組全年CO2排放量的15.4％。此外，設計搭建中試規(guī)模的往復式多孔介質燃氣熔煉爐，并進行初步試驗研究。通過對燃燒裝置的燃燒狀態(tài)，阻力波動，溫度分布，貧燃極限，金屬熔化效率的影響的研究，一方面為中小金屬熔

8、煉企業(yè)生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排提供一種較為高效清潔的爐型選擇，另一方面在中試規(guī)模上對50，000 Nm3/h大型低熱值氣體燃燒系統(tǒng)的設計進行驗證，為其優(yōu)化設計并最終工業(yè)化提供實驗基礎。
　　第八章為全文總結部分，對本文的主要研究成果，主要創(chuàng)新點及未來工作展望進行總結。全文工作的主要成果為通過實驗研究得到多孔介質內(nèi)的氣固溫度分布，氣固溫度變化，火焰面?zhèn)鞑ヌ匦约俺^熱燃燒特性。通過數(shù)值模擬研究得到二維火焰面的動態(tài)傳播特性，動態(tài)變化特性及火