用于煤礦通風(fēng)甲烷的Swiss-roll燃燒器特性研究.pdf

1、全世界每年因煤礦開(kāi)采排入大氣中的甲烷超過(guò)2500萬(wàn)噸，其中煤礦通風(fēng)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(yīng)相當(dāng)于5.2億噸二氧化碳當(dāng)量，其熱值相當(dāng)于5000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤炭占一次能源消費(fèi)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(huì)成本超過(guò)150億元。
　　 在F.J.Weinberg提出的

2、超焓燃燒思想的基礎(chǔ)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(guò)換熱通道的傳熱提高反應(yīng)區(qū)溫度，從而達(dá)到直接燃燒低熱值燃料的目的。本文基于煤礦通風(fēng)流量大的特點(diǎn)，考慮了流動(dòng)狀態(tài)、物性變化和通道形狀對(duì)傳熱過(guò)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(jìn)口條件、通道尺寸、燃燒室直徑等參數(shù)和熱損失對(duì)其傳熱特性的影響。結(jié)果表明，Swiss-roll燃燒器能通過(guò)換

3、熱提高反應(yīng)區(qū)溫度，在甲烷體積濃度1％甚至更低時(shí)使化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定自維持；反應(yīng)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(zhǎng)度的影響次之，受進(jìn)口流速的影響相對(duì)要小得多，受燃燒室直徑的影響更小，而通道高度對(duì)反應(yīng)區(qū)溫度的影響基本可以忽略不計(jì)；增加進(jìn)口流速有利于傳熱，但增大了通道內(nèi)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(nèi)壓力損失，但降低了反應(yīng)區(qū)溫度，增大的通道長(zhǎng)度能有效提高反應(yīng)區(qū)溫度，但也導(dǎo)致了通道內(nèi)壓力損失和燃燒器制造成本增大

4、，因此應(yīng)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(shí)，熱損失系數(shù)對(duì)燃燒器性能的影響更顯著。
　　 為了驗(yàn)證傳熱模型的正確性，在自制的Swiss-roll燃燒器上進(jìn)行了傳熱試驗(yàn)，研究了燃燒器進(jìn)口流速、功率等參數(shù)和熱損失對(duì)傳熱特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差小于5％，二維湍流熱平衡模型能較好地預(yù)測(cè)反應(yīng)區(qū)溫度；隨著進(jìn)口流速增大，反應(yīng)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(shí)進(jìn)口流速對(duì)反應(yīng)區(qū)溫度的影響程度降低；隨著燃燒器功率增加，反應(yīng)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(shí)，燃燒器功率對(duì)反應(yīng)區(qū)溫度的影響更顯著。
　　 結(jié)合簡(jiǎn)化的甲烷反應(yīng)機(jī)理，研究了運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱損失對(duì)燃燒器熄火特性和反應(yīng)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(jié)果表明，隨著通道換熱能力增強(qiáng)，化學(xué)反應(yīng)區(qū)由燃燒室不斷向進(jìn)氣通道漂移，且

6、在此過(guò)程中燃燒室溫度基本不變，而減弱通道換熱能力，將導(dǎo)致吹熄；增大進(jìn)口流速和通道寬度，減小通道長(zhǎng)度和甲烷體積濃度，反應(yīng)區(qū)首先會(huì)向燃燒室漂移，之后在燃燒室內(nèi)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(huì)使穩(wěn)定燃燒區(qū)向反應(yīng)漂移區(qū)移動(dòng)。
　　 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(jìn)行了投資收益分析?？紤]了運(yùn)行成本、制造成本、發(fā)電收益和減排收益對(duì)純收益的影響，建立了處理VAM的Sw