外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器特性研究.pdf

1、由于工業(yè)生產(chǎn)工程中產(chǎn)生的廢氣所含可燃成分(主要成分為甲烷)稀薄，難以被常規(guī)的燃燒技術所利用，通常被直接排空。雖然這些廢氣所含可燃氣體成分低，但排放量巨大。將如此大量的甲烷直接排放到大氣中，一方面會造成有限的不可再生資源的巨大浪費；另一方面甲烷又是很強的溫室氣體(溫室效應約為CO2的21倍)，還會造成對大氣臭氧層的破壞，加劇大氣污染。因此，發(fā)展低濃度可燃廢氣燃燒技術不僅能夠“節(jié)能”，最重要的意義在于可以“減排”；探索貧燃料(超低熱值可燃氣

2、體)自維持燃燒的方法對控制環(huán)境污染、回收能量都是十分有意義的。本文基于超焓燃燒原理，結合瑞士卷燃燒器和多孔介質(zhì)燃燒器的技術特點和優(yōu)勢，設計一種新型的外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器，應用于低濃度燃氣燃燒處理；為設計該燃燒器，對低濃度甲烷的高溫氧化特性進行了研究；探索了燃燒器的制造加工方法，并通過冷態(tài)、熱態(tài)試驗研究、數(shù)值計算分析研究了低濃度預混氣體在外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性；并進一步提出將該燃燒器用于天然氣富燃重整制氫，進行了化學動力學

3、模擬與初步的實驗研究。
　　 (1)為了探索貧燃料自維持燃燒方法，對目前降低燃氣的貧可燃極限的方法進行了總結與分析，采取提高燃燒溫度和添加催化劑是目前比較有效的方法：提高燃燒溫度方法主要是采用超焓燃燒的思想，通過換熱器或多孔介質(zhì)蓄熱體實現(xiàn)熱再循環(huán)，極限回收燃燒產(chǎn)生的熱量，使貧燃燒的溫度提高，實現(xiàn)自維持燃燒；添加催化劑主要是通過催化燃燒的方式降低燃料著火的活化能，改善著火條件，拓展貧燃極限?；蛘卟捎脙烧叩慕Y合的復合燃燒方式，進一步

4、降低燃料的貧可燃極限，用于可燃廢氣的處理與熱能利用?；谝陨戏治觯疚脑O計了一種集瑞士卷燃燒器和多孔介質(zhì)燃燒器優(yōu)點于一體的新型外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器(簡寫為SRPC)物理模型，用于低濃度廢氣的燃燒處理。
　　 (2)為設計低濃度甲烷燃燒器，基于甲烷燃燒詳細機理GRI3.0，采用充分攪拌反應器(PSR)與柱塞流反應器(PFR)模型，對低濃度甲烷定壓預混燃燒(氧化)過程進行了計算，研究了甲烷濃度、停留時間、預熱溫度、熱損失等參數(shù)對

5、超低濃度甲烷燃燒的氧化特性的影響。結果表明，這些參數(shù)對低濃度甲烷的氧化有較大影響。首先，由于低濃度甲烷預混氣體單位體積內(nèi)氧化放熱量小，溫度提升較低，化學反應時間增加，難以氧化完全，因此為增加低濃度甲烷的氧化速率，必須對其進行預熱至一定溫度，提高化學反應速率。另一方面，由于單位體積預混氣體完全燃燒(或氧化)的熱損速率與氧化反應溫度成正比關系，而放熱速率隨甲烷濃度的減小而減小，若熱損速率大于放熱速率，反應溫度下降，造成氧化反應速率也隨之下降

6、，反應不能繼續(xù)進行，導致難以穩(wěn)定自維持氧化?？刂茻釗p速率的關鍵因素在于增強保溫措施，降低對外換熱系數(shù)與外壁換熱面積，采用熱再循環(huán)降低排煙熱損，預熱低濃度甲烷預混氣體；并且氣流速度決定了低濃度甲烷氧化裝置的氧化處理能力。研究結果可為設計低濃度甲烷氧化裝置提供指導。
　　 (3)對氣體在無瑞士卷結構的單向直流式多孔介質(zhì)的流動特性進行了實驗研究，研究了氣流速度、孔密度(PPI)對阻力的影響；結果表明，在相同空隙率條件下，孔密度越大，氣

7、流速越大，流動阻力越大；分析了氣流在顆粒填充床與泡沫陶瓷阻力產(chǎn)生的機理，得出若該兩種多孔介質(zhì)的比表面積及空隙率相等，且排列方式相同，兩者的流動阻力近似相等；基于此，建立了泡沫陶瓷結構模型，求出兩者相等時PPI與顆粒填充床的顆粒直徑函數(shù)關系，可直接利用泡沫陶瓷的特征參數(shù)(PPI，空隙率)，由顆粒填充床經(jīng)典模型-Ergun方程來預測流動阻力；實驗結果驗證了此方法在預測高空隙率的泡沫陶瓷流動阻力是有效的；并確定了滲透阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)的計

8、算式，為燃燒器中心多孔介質(zhì)的設計及其進行泡沫陶瓷多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬研究提供了參數(shù)計算依據(jù)。
　　 (4)采用矩形鋼板拼接制作了矩形瑞士卷換熱通道，并對對其進行了冷態(tài)實驗，試驗研究了不同風速、通道圈數(shù)對燃燒器的阻力損失分布和最大阻力的影響規(guī)律。結果表明，燃燒器通道內(nèi)的壓力隨與送風點的距離增加而降低，彎頭處的局部阻力對直管段的沿程阻力影響較大；壓降隨著雙向逆流通道數(shù)目與風速的增加而增加；風速與總壓呈介于線性和拋物線之間的非線性關

9、系。基于沿程阻力和局部阻力公式，采用綜合阻力系數(shù)與平均局部阻力系數(shù)方法對瑞士卷結構的流動阻力進行了數(shù)學描述，回歸試驗數(shù)據(jù)得到阻力計算公式，計算結果與實驗結果吻合較好，結合多孔介質(zhì)流動阻力研究結果，可為本燃燒器的設計與運行提供參考依據(jù)。該試驗方法可推廣應用于電力、水利、化工行業(yè)中具有多彎頭的結構流動阻力的研究。其實驗結果可為燃燒器通道結構優(yōu)化設計、風機的初步選型、首次點火啟動、熱態(tài)安全運行提供必要的控制參數(shù)，同時為掌握燃燒器密封性能檢測方

10、法提供依據(jù)。
　　 (5)根據(jù)瑞士卷燃燒器初樣、矩形瑞士卷燃燒器及內(nèi)置剛玉管螺旋板換熱器方案在加工與實驗過程中存在的問題，不斷優(yōu)化燃燒器的設計方案與加工方法，最終確定了外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器的最優(yōu)設計加工方法，制作了燃燒器，并進行了燃燒特性實驗，對其點火預熱啟動過程，及其不同預混氣體濃度、流量等工況參數(shù)條件下的溫度分布、排放進行了測量；分析了燃燒器的啟動方法以及流量、預混氣體濃度等有關工況參數(shù)對其燃燒特性的影響規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，

11、優(yōu)化后的設計方法確保了燃燒器加工方便及其密封等特性要求；外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器可有效拓展燃料的貧燃極限，具有較大的功率調(diào)節(jié)范圍與較好的火焰穩(wěn)定性；并對裝置在實際工程化應用方面，提出了采用單元燃燒器優(yōu)化設計方案。
　　 (6)提出將外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器應用于天然氣富燃制氫，可實現(xiàn)裝置的自保溫、產(chǎn)物自冷卻，能量利用率高、結構緊湊，能夠滿足小規(guī)模現(xiàn)場制氫的要求；對富燃制氫過程進行了化學動力學模擬，計算結果表明，增大停留時間，提高

12、反應溫度，選擇合適的化學當量比是提高制氫效率的關鍵所在；并且進行了天然氣/空氣預混氣在當量比1.25～2.50，總流量60～120L/min條件下的富燃試驗，研究了其自熱重整制氫的燃燒特性。結果表明，富燃情況下可實現(xiàn)自維持燃燒，自穩(wěn)定響應時間較快；瑞士卷結構的有效預熱與中心多孔介質(zhì)的蓄熱，提高反應溫度至1600K以上，可實現(xiàn)超絕熱富燃制氫。
　　 (7)對氣體在外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒過程進行了合理的簡化，建立了外置瑞士卷多孔介質(zhì)