低濃度瓦斯脈動燃燒的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大力開發(fā)低濃度煤礦抽采瓦斯這種具有高熱值,低污染的新能源,對優(yōu)化我國能源消費(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。但對于煤礦低濃度瓦斯來說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。針對這個問題,本文將脈動燃燒技術(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)研究三個方面對低濃度瓦斯脈動燃燒特性進(jìn)行分析研究。
　　理

2、論研究上分析了脈動燃燒基本理論,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,分析了脈動燃燒穩(wěn)定性機(jī)理和驅(qū)動機(jī)理;建立了低濃度瓦斯脈動著火的數(shù)學(xué)模型,并探討了脈動燃燒過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,確定了脈動燃燒器型式為 Helmholtz型,根據(jù)脈動燃燒器設(shè)計原則,設(shè)計了額定功率為10kW的低濃度瓦斯脈

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

4、度場分布最均勻;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燃燒實(shí)驗(yàn)臺,對低濃度瓦斯的脈動燃燒特性進(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;找出了影響各燃燒指標(biāo)的主要脈動參數(shù);以及低濃度瓦斯在不同脈動燃燒參數(shù)條件下的燃燒污染物排放特性;同時得到了在實(shí)驗(yàn)條件下額定負(fù)荷為10kW的燃燒功率時,低濃度瓦斯脈動燃燒的脈動頻

5、率范圍60-110Hz;燃燒最佳參數(shù)組合為熱負(fù)荷8kW、尾管長度2000mm、瓦斯?jié)舛?%;實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明采用脈動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)與模擬得到的脈動參數(shù)變化對燃燒特性的影響具有相同的變化規(guī)律,即尾管長度越長,脈動頻率越低;瓦斯?jié)舛仍酱?燃燒溫度越高;燃燒室溫度