用于煤礦通風甲烷的Swiss-roll燃燒器特性研究.pdf

1、全世界每年因煤礦開采排入大氣中的甲烷超過2500萬噸，其中煤礦通風甲烷(VAM)占總排放量的70％以上。甲烷是造成全球變暖的溫室氣體之一，全球每年以VAM方式排入大氣的甲烷的溫室效應相當于5.2億噸二氧化碳當量，其熱值相當于5000萬噸標準煤。長期以來，我國煤炭占一次能源消費總量的比例在70％左右，煤礦甲烷(其中VAM占91％)的排放量在150億立方米以上，所造成的社會成本超過150億元。
　　 在F.J.Weinberg提出的

2、超焓燃燒思想的基礎上，Lloyd指出可使用Swiss-roll燃燒器直接燃燒低熱值燃料，其原理為通過換熱通道的傳熱提高反應區(qū)溫度，從而達到直接燃燒低熱值燃料的目的。本文基于煤礦通風流量大的特點，考慮了流動狀態(tài)、物性變化和通道形狀對傳熱過程的影響，建立了Swiss-roll燃燒器的二維湍流熱平衡模型，求解了換熱通道的溫度分布，分析了進口條件、通道尺寸、燃燒室直徑等參數(shù)和熱損失對其傳熱特性的影響。結果表明，Swiss-roll燃燒器能通過換

3、熱提高反應區(qū)溫度，在甲烷體積濃度1％甚至更低時使化學反應穩(wěn)定自維持；反應區(qū)溫度受通道寬度和甲烷體積濃度的影響最顯著，受通道長度的影響次之，受進口流速的影響相對要小得多，受燃燒室直徑的影響更小，而通道高度對反應區(qū)溫度的影響基本可以忽略不計；增加進口流速有利于傳熱，但增大了通道內壓力損失，增大通道寬度能增加燃燒器處理流量且減小通道內壓力損失，但降低了反應區(qū)溫度，增大的通道長度能有效提高反應區(qū)溫度，但也導致了通道內壓力損失和燃燒器制造成本增大

4、，因此應綜合考慮各因素選擇合適的參數(shù)；熱損失降低了燃燒器溫度且減小了通道間傳熱溫差；熱損失系數(shù)較小時，熱損失系數(shù)對燃燒器性能的影響更顯著。
　　 為了驗證傳熱模型的正確性，在自制的Swiss-roll燃燒器上進行了傳熱試驗，研究了燃燒器進口流速、功率等參數(shù)和熱損失對傳熱特性的影響。試驗結果表明，計算值與實驗數(shù)據(jù)之間的相對誤差小于5％，二維湍流熱平衡模型能較好地預測反應區(qū)溫度；隨著進口流速增大，反應區(qū)溫度降低，換熱通道的傳熱系數(shù)增

5、加，燃燒器熱再循環(huán)系數(shù)減小，在高流速時進口流速對反應區(qū)溫度的影響程度降低；隨著燃燒器功率增加，反應區(qū)溫度升高，燃燒器熱再循環(huán)系數(shù)略有提高，在燃燒器功率較小時，燃燒器功率對反應區(qū)溫度的影響更顯著。
　　 結合簡化的甲烷反應機理，研究了運行參數(shù)、結構參數(shù)和熱損失對燃燒器熄火特性和反應區(qū)漂移的影響，分析了燃燒器可能存在的3種甲烷體積濃度分布類型和6種溫度分布類型。結果表明，隨著通道換熱能力增強，化學反應區(qū)由燃燒室不斷向進氣通道漂移，且

6、在此過程中燃燒室溫度基本不變，而減弱通道換熱能力，將導致吹熄；增大進口流速和通道寬度，減小通道長度和甲烷體積濃度，反應區(qū)首先會向燃燒室漂移，之后在燃燒室內穩(wěn)定燃燒，直到吹熄，但在某些情況下，穩(wěn)定燃燒段不存在；散熱會使穩(wěn)定燃燒區(qū)向反應漂移區(qū)移動。
　　 最后，基于Swiss-roll燃燒器的二維湍流熱平衡模型，以處理VAM為背景，進行了投資收益分析?？紤]了運行成本、制造成本、發(fā)電收益和減排收益對純收益的影響，建立了處理VAM的Sw