多孔介質(zhì)內(nèi)煤礦低濃度瓦斯燃燒波多參數(shù)耦合時空演化機理.pdf

1、瓦斯抽采是確保煤炭安全開采的主要方式，隨著煤炭產(chǎn)量增加，瓦斯抽采量逐年上升。煤礦瓦斯既是強溫室性氣體，又是優(yōu)質(zhì)清潔能源。然而，抽采瓦斯利用率一直很低，近60％瓦斯作為廢氣直接排放。大量瓦斯無法利用的主要原因是抽采瓦斯?jié)舛鹊?、瓦斯?jié)舛群土髁坎▌宇l繁，以致常規(guī)技術(shù)很難實現(xiàn)安全高效利用。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)具有貧燃極限范圍寬、燃燒效率高和污染物排放低等優(yōu)點，尤其適合低濃度瓦斯利用。目前，該技術(shù)主要局限于實驗室理想工況研究，針對瓦斯工程背景研究較少

2、，且研究手段單一、研究內(nèi)容不全面，亟待進一步深入研究和完善。
　　本文采用現(xiàn)場測試、理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了多孔介質(zhì)內(nèi)低濃度瓦斯燃燒波多參數(shù)耦合時空演化機理。主要研究成果如下：
　?。?）開展了煤礦瓦斯氣源特性和多孔介質(zhì)材料特征研究。發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采地點差異顯著影響著抽采瓦斯的濃度、流量及其波動強弱，瓦斯利用時工況調(diào)節(jié)方案應(yīng)充分參照井下抽采管路情況制定；實驗獲得了Al2O3和SiC泡沫陶瓷的主要成分、孔徑

3、分布、平均孔徑、密度、孔隙率等參數(shù)，可為多孔介質(zhì)燃燒模型參數(shù)設(shè)置和實驗數(shù)據(jù)分析提供理論依據(jù)。
　?。?）開展了多孔介質(zhì)內(nèi)低濃度瓦斯駐定燃燒研究。文中提出一種在網(wǎng)狀泡沫陶瓷中填充堆積床來實現(xiàn)燃燒波駐定的新型燃燒器；研究發(fā)現(xiàn)13mm小球堆積床內(nèi)的傳熱特性和10PPI碳化硅泡沫陶瓷更加接近；小球堆積床可填充于泡沫陶瓷和換熱管間空隙，減少空隙對多孔介質(zhì)內(nèi)傳熱的影響；新型燃燒器內(nèi)駐定速度極限范圍相比單一泡沫陶瓷區(qū)時縮??；隨瓦斯速度增加，燃燒

4、器出口 NOx排放量先增大后減小，而CO排放量卻先減小后增大，但HC排放量一直減少，且新型燃燒器HC排放量介于單一堆積床和單一泡沫陶瓷燃燒器排放量之間。
　?。?）開展了多孔介質(zhì)內(nèi)低濃度瓦斯非駐定燃燒研究（向上游）。隨燃燒波向上游傳播，峰值溫度和燃燒波傳播速度都維持穩(wěn)定均勻，而出口區(qū)煙氣溫度卻逐漸降低；考慮多孔介質(zhì)內(nèi)彌散效應(yīng)后，傳播速度提高了近19.8%，更貼近實驗測量值，有助于提高模型準確性；隨瓦斯?jié)舛仍黾?，傳播速度和峰值溫度?/p>

5、提高，而瓦斯速度增加時，傳播速度降低，峰值溫度增高；當壁面散熱強度增加時，傳播速度和峰值溫度均降低；隨燃燒波向上游傳播，CO排放量逐漸降低，而 NO排放量先緩慢增加再維持穩(wěn)定，且峰值溫度越低，NO排放量越快達到穩(wěn)定。
　?。?）開展了多孔介質(zhì)內(nèi)低濃度瓦斯非駐定燃燒研究（向下游）。實驗時通過二維溫度測點布置，結(jié)合插值法獲得了燃燒器內(nèi)二維溫度分布；隨燃燒波向下游傳播，火焰出現(xiàn)傾斜、破裂等不穩(wěn)定現(xiàn)象，且火焰越靠近出口不穩(wěn)定特性越明顯；當

6、瓦斯速度增加時，傳播速度增大，而瓦斯?jié)舛仍龃髸r，傳播速度卻減??；實驗獲得的二維溫度分布可為數(shù)值模型中散熱系數(shù)選擇提供理論依據(jù)；隨填充小球直徑增加，傳播速度逐漸增大，而隨燃燒器長度增加，傳播速度卻逐漸減小。
　?。?）研究了含水低濃度瓦斯燃燒特性。當含水量增大時，峰值溫度和NO排放量均呈線性下降趨勢，而CO排放量與含水量卻呈二次函數(shù)關(guān)系；瓦斯流速為0.5m/s時，峰值氣流速度增加近4.4倍，燃燒器設(shè)計時應(yīng)考慮氣流速度增大帶來的沖擊力

7、；隨含水量增大，駐定燃燒極限范圍逐漸變窄，其中速度下限變化很?。?.15~0.2m/s），而速度上限明顯下降；定義了峰值反應(yīng)速率變化率，并以此獲得了水汽顯著影響和輕微影響基元反應(yīng)步。
　　（6）研究了燃燒器尺度對低濃度瓦斯燃燒特性影響。當燃燒器入口直徑增大時，出口NO排放量減少，而CO排放量卻增加；隨燃燒器長度增大，出口NO和CO排放量均逐漸減小；燃燒器大型化時，速度極限呈現(xiàn)波動特征，且當量比越大速度極限波動越明顯，燃燒器設(shè)計應(yīng)考

8、慮尺度對工況極限的影響。
　?。?）研究了漸擴型燃燒器中低濃度瓦斯燃燒特性。當瓦斯?jié)舛仍黾訒r，峰值溫度呈線性增長，穩(wěn)燃火焰位置向上游移動，同時，NO排放量逐漸增大，而CO排放量呈先減小后增大趨勢；瓦斯預(yù)熱能明顯提高燃燒峰值溫度，有利于穩(wěn)燃火焰位置移向上游，且NO排放量也顯著上升，確定入口瓦斯預(yù)熱程度時，應(yīng)綜合衡量熱效率和污染物排放。
　　研究成果有助于完善多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒波多參數(shù)耦合時空演化機理，而基于煤礦低濃度瓦斯工程背景開