低熱值煤層氣與煤矸石CFB混燒特性數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、我國每年排放約占當(dāng)年煤炭產(chǎn)量的百分之十以上的煤矸石,目前已累計堆積達數(shù)十億噸。煤矸石長期堆存,污染大氣、地面水源或下滲損害地下水質(zhì),占用大量土地。中國煤層氣可采資源量約10萬億立方米,累計探明煤層氣地質(zhì)儲量1023億立方米,可采儲量約470億立方米,目前我國每年由煤炭生產(chǎn)而釋放大量煤層氣,其中被利用的僅占很少部分。對煤矸石與煤層氣進行高效混燒能源化利用,可以節(jié)約資源,減少溫室氣體排放。
　　 采用流化床技術(shù)利用低、劣質(zhì)燃料是國內(nèi)

2、外研究的熱點。目前國內(nèi)外對不同相態(tài)的燃料在循環(huán)流化床中的混燒還很少進行系統(tǒng)研究,因此在深入研究煤矸石熱解與燃燒特性的基礎(chǔ)之上,進行煤層氣與煤矸石CFB內(nèi)多相流動與混燒特性的數(shù)值模擬與試驗研究,弄清不同相態(tài)的燃料在CFB內(nèi)的流動、傳熱及燃燒特性,可以為研究和開發(fā)煤層氣與煤矸石CFB混燒技術(shù)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。
　　 論文使用熱分析天平,在不同氣氛下進行煤矸石的熱解與燃燒特性實驗,獲得了煤矸石的著火點、活化能等特性參數(shù)。首次建立了適

3、應(yīng)低熱值煤層氣高效燃燒的燃燒器物理模型與數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)值模擬,優(yōu)化了燃燒器結(jié)構(gòu),并通過實驗驗證了數(shù)值模擬的結(jié)果。以現(xiàn)有的45t CFB鍋爐為基礎(chǔ),首次建立不同相態(tài)燃料在CFB鍋爐內(nèi)混燒的物理模型與數(shù)學(xué)模型,對煤層氣與煤矸石CFB混燒進行數(shù)值模擬,深入分析了混燒的流場、溫度場以及CO2及CH4的濃度變化,獲得了高效燃燒的最佳工況。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,首次對某煤礦45t CFB鍋爐進行了煤層氣混燒的改造,對鍋爐進行了冷態(tài)試驗、熱態(tài)試驗,測

4、試了不同混燒比時的爐膛沿高度方向的溫度變化,以及爐膛出口處CH4的濃度,并測試了鍋爐熱效率。研究結(jié)果為開發(fā)煤層氣與煤矸石CFB混燒技術(shù)奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
　　 煤矸石的熱解與燃燒動力學(xué)特性研究表明:煤矸石中揮發(fā)分含量越高,越容易發(fā)生熱解；熱解終溫增加,煤矸石的熱解失重率增大；樣品粒徑越大,熱解特征溫度越高,熱解失重率降低；升溫速率增加,DTG峰值增大,失重率降低；煤矸石高灰分的特點導(dǎo)致了其燃盡性能很差,不易燃盡；煤矸石綜合燃

5、燒性與揮發(fā)分含量關(guān)系密切,揮發(fā)分越高,綜合燃燒性能越好。
　　 低甲烷濃度煤層氣燃燒器數(shù)值模擬研究表明:部分預(yù)混式燃燒器燃燒效率最高,擴散式燃燒器燃燒效率最低,完全預(yù)混式燃燒器介于兩者之間。部分預(yù)混式燃燒器射流剛性最好,燃燒溫度相對較高?？傮w來看,部分預(yù)混式燃燒器配漸擴口,且擴散角為6.88°時能獲得相對高的燃燒效率。
　　 低濃度煤層氣燃燒器冷態(tài)與熱態(tài)試驗表明:完全預(yù)混式燃燒器燃?xì)鈧?cè)流動阻力最大,擴散式燃燒器最小。完全

6、預(yù)混式燃燒器,部分預(yù)混式燃燒器,擴散式燃燒器在不同熱負(fù)荷下均能穩(wěn)定燃燒,不回火、不脫火,具有較寬的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。部分預(yù)混式燃燒器燃燒時火焰剛性好,燃燒溫度最高,高溫段距離長,火焰寬度最小,火焰擴散角最小。擴散式燃燒器火焰長度最長,火焰寬度最大,火焰擴散角最大。完全預(yù)混式燃燒器的火焰長度最短。
　　 低濃度煤層氣燃燒器冷態(tài)與熱態(tài)試驗表明:擴散式燃燒器壓力損失最小,完全預(yù)混式燃燒器壓力損失最大。部分預(yù)混式燃燒器火焰溫度最高,火焰剛性

7、好,完全預(yù)混式燃燒器的火焰長度最短擴散式燃燒器火焰最長,寬度最大。通過實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的比對,可看出兩者結(jié)果吻合較好,部分預(yù)混式燃燒器綜合性能最優(yōu)。
　　 低熱值煤層氣與煤矸石CFB混合燃燒數(shù)值模擬研究表明:混燒比為10:0時,爐膛內(nèi)速度整體分布比較均勻,隨著煤層氣混燒比例的增加,流場偏斜加劇,煤矸石與煤層氣混燒比達到6:4時,偏斜程度最大。當(dāng)燃料全部為煤矸石時,燃燒器內(nèi)溫度分布比較均勻。噴入煤層氣,導(dǎo)致燃燒器內(nèi)流場發(fā)生偏斜,

8、從而造成局部高溫。隨混燒比的增加,在距布風(fēng)板高度5 m左右出現(xiàn)CH4的濃度峰值,隨爐膛高度的增大,CH4濃度明顯下降。綜合模擬結(jié)果,混燒比不宜大于8:2,一、二次風(fēng)比益選用6:4。
　　 煤層氣與煤矸石循環(huán)流化床混燒試驗研究表明:布風(fēng)板阻力隨一次風(fēng)量增大而增大,布風(fēng)板阻力特性曲線基本上近似為一條二次曲線。隨著流化風(fēng)量的增加,曲線有明顯的壓力變化拐點,該拐點對應(yīng)的風(fēng)量為即臨界流化風(fēng)量。由熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)可知,密相區(qū)溫度較高,稀相區(qū)溫度