低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大力開(kāi)發(fā)低濃度煤礦抽采瓦斯這種具有高熱值,低污染的新能源,對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),促進(jìn)環(huán)境經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展有著重要的作用和意義。但對(duì)于煤礦低濃度瓦斯來(lái)說(shuō)由于其甲烷濃度含量低燃燒釋放熱值低,用常規(guī)的燃燒方式很難將其穩(wěn)定燃燒高效利用,極大地制約了其利用率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本文將脈動(dòng)燃燒技術(shù)與煤礦低濃度瓦斯燃燒利用相結(jié)合,提出一種新的低濃度瓦斯燃燒利用方法,并從燃燒理論、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)方面對(duì)低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒特性進(jìn)行分析研究。
　　理

2、論研究上分析了脈動(dòng)燃燒基本理論,包括其工作原理、熱力學(xué)模型及熱聲耦合機(jī)理,結(jié)合低濃度煤礦瓦斯燃燒特性,建立了低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒氣柱振蕩模型的數(shù)學(xué)模型并根據(jù)瑞利準(zhǔn)則,分析了脈動(dòng)燃燒穩(wěn)定性機(jī)理和驅(qū)動(dòng)機(jī)理;建立了低濃度瓦斯脈動(dòng)著火的數(shù)學(xué)模型,并探討了脈動(dòng)燃燒過(guò)程中控制污染物排放的機(jī)理。
　　結(jié)合低濃度瓦斯氣體燃料的性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)條件,確定了脈動(dòng)燃燒器型式為 Helmholtz型,根據(jù)脈動(dòng)燃燒器設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了額定功率為10kW的低濃度瓦斯脈

3、動(dòng)燃燒裝置,系統(tǒng)主要包括:配氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)。
　　在數(shù)值模擬方面建立了適合低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒的數(shù)學(xué)模型、物理模型及求解模型,并通過(guò)編制UDF入口控制程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)脈動(dòng)入口邊界條件的自動(dòng)控制,運(yùn)用Fluent流場(chǎng)分析軟件對(duì)瓦斯?jié)舛鹊陀?0％的低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒特性進(jìn)行了研究,數(shù)值模擬結(jié)果表明:在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)各流場(chǎng)分布包括壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布也呈現(xiàn)周期性變化,其變化趨勢(shì)符合脈動(dòng)原理;在進(jìn)氣入口夾角為90°時(shí)溫

4、度場(chǎng)分布最均勻;污染物NOx分布明顯低于常規(guī)的直接燃燒,并以快速型NOx為主;
　　實(shí)驗(yàn)研究:首次自行搭建了低濃度煤礦瓦斯脈動(dòng)燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)低濃度瓦斯的脈動(dòng)燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)燃燒火焰聲音、燃燒室壓力及空氣自吸現(xiàn)象可以判斷是否進(jìn)入脈動(dòng);找出了影響各燃燒指標(biāo)的主要脈動(dòng)參數(shù);以及低濃度瓦斯在不同脈動(dòng)燃燒參數(shù)條件下的燃燒污染物排放特性;同時(shí)得到了在實(shí)驗(yàn)條件下額定負(fù)荷為10kW的燃燒功率時(shí),低濃度瓦斯脈動(dòng)燃燒的脈動(dòng)頻

5、率范圍60-110Hz;燃燒最佳參數(shù)組合為熱負(fù)荷8kW、尾管長(zhǎng)度2000mm、瓦斯?jié)舛?%;實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明采用脈動(dòng)燃燒方法不僅可以擴(kuò)展低濃度瓦斯的貧燃極限,實(shí)現(xiàn)瓦斯在5%濃度下穩(wěn)定而充分的燃燒,而且污染物的排放也處于一個(gè)較低的水平范圍之內(nèi)。
　　論文最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較分析,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)與模擬得到的脈動(dòng)參數(shù)變化對(duì)燃燒特性的影響具有相同的變化規(guī)律,即尾管長(zhǎng)度越長(zhǎng),脈動(dòng)頻率越低;瓦斯?jié)舛仍酱?燃燒溫度越高;燃燒室溫度