內(nèi)置多孔介質(zhì)Swiss-roll燃燒器的點火啟動和熱能利用研究.pdf

1、礦井通風(fēng)瓦斯(ventilation air methane，VAM)排放量巨大，由于其中的CH4濃度為0.1-1％；遠(yuǎn)小于CH4的貧燃下限(5％)，處理很困難，故直接排放到大氣中。這一方面造成了能源的浪費；另一方面甲烷又是很強的溫室氣體，其全球變暖潛能值(Global Warming Potential，GWP)約為CO2的21倍。因此，合理利用煤礦通風(fēng)氣中的低濃度甲烷具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。
　　 多孔介質(zhì)燃燒器和Swiss

2、-roll燃燒器均可以實現(xiàn)超焓燃燒，都有降低燃料貧燃極限的作用，而且多孔介質(zhì)還具有穩(wěn)定火焰的作用，本文在常規(guī)尺度Swiss-roll燃燒器的中心區(qū)填充多孔介質(zhì)，在自行搭建的共用燃燒實驗平臺上，對其點火啟動過程，貧燃下限，熱能利用方式進行研究，在此基礎(chǔ)上對其進行了CDM分析。
　　 搭建了一共用燃燒實驗平臺，其由四個部分組成：燃料與氧化劑流量的精確供給系統(tǒng)、測試儀器及設(shè)備、工作參數(shù)的計算機集成顯示記錄系統(tǒng)、燃燒反應(yīng)器。針對不同的燃

3、燒反應(yīng)器和研究對象，本實驗平臺可提供通用接口，對反應(yīng)器的工作參數(shù)(如溫度、壓力)，反應(yīng)產(chǎn)物進行定性和定量測量。另外，實驗平臺功能具有拓展空間。
　　 對燃燒器的點火啟動方式和啟動過程的燃燒特性進行了研究。因為該燃燒器的中心燃燒區(qū)用多孔介質(zhì)填充，其在冷態(tài)時具有很強的壁面熄火效應(yīng)，使得點火啟動困難。首先對甲烷的點火理論進行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計研究了兩種不同的點火啟動方法：1)在多孔介質(zhì)中心區(qū)置入單管擴散燃燒器點火。2)在多孔介質(zhì)中

4、心區(qū)留有10mm左右的縫隙，在縫隙中用電火花或電熱絲點火。點火啟動時，隨著多孔介質(zhì)溫度的升高，燃燒效率增加，未燃CH4和CO濃度逐漸下降，整個過程NOx排放都很低，多孔介質(zhì)材料性質(zhì)和預(yù)混氣流量對啟動特性影響很大。預(yù)混氣流量3.49L/s，當(dāng)天然氣濃度降到1.3％時，未燃CH4增加，CO排放達1000mg/m3以上，燃燒效率下降至70％。這表明，內(nèi)置多孔介質(zhì)Swiss-roll燃燒器實現(xiàn)了煙氣和進氣的逆流換熱，中心區(qū)的多孔介質(zhì)又進一步加熱

5、預(yù)混氣，顯著拓展燃料的貧燃極限。
　　 使用FLUENT6.3軟件，通過數(shù)值模擬的方法對甲烷/空氣在內(nèi)置多孔介質(zhì)Swiss-roll燃燒器中的點火啟動過程進行研究，得到了冷態(tài)的流場、啟動過程火焰面的漂移過程，和隨著天然氣濃度的降低時燃燒器溫度場的變化。數(shù)值模擬的溫度分布隨天然氣濃度變化情況與實驗現(xiàn)象吻合，但整體溫度分布比實驗要高。
　　 在多孔介質(zhì)中置入換熱器，分析內(nèi)置多孔介質(zhì)Swiss-roll燃燒器及其熱能利用系統(tǒng)的

6、能量轉(zhuǎn)換和傳遞關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)的熱平衡模型。研究在不同條件下的取熱量和熱效率，分析取熱對燃燒效率的影響。在此基礎(chǔ)上進行了控制系統(tǒng)設(shè)計，防止煤層氣因溫度過低而熄火和防止因瓦斯?jié)舛冗^高時導(dǎo)致燃燒器過熱。實驗發(fā)現(xiàn)，因火焰面在多孔介質(zhì)中存在漂移現(xiàn)象，使得取熱管在多孔介質(zhì)中的位置非常重要。取熱量與取熱管處的溫度有關(guān)，取熱管處的溫度與火焰面位置相關(guān)，火焰面位置取決于氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，而火焰?zhèn)鞑ニ俣扔秩Q于預(yù)混氣濃度等因素。另外，當(dāng)