金屬纖維燃燒器燃燒低濃度煤層氣的數(shù)值模擬.pdf

1、煤礦井下抽采所得CH4濃度在30％以下的瓦斯氣體稱為低濃度煤層氣,當?shù)蜐舛让簩託庵蠧H4濃度在5％-16％的爆炸范圍內(nèi)時利用普通燃燒器燃燒有巨大安全隱患。目前由于技術(shù)的局限,煤礦開采所得低濃度煤層氣大部分均被禁止利用而直接排空。大量的排空會造成環(huán)境污染以及能源浪費,因而尋求安全高效回收利用低濃度煤層氣的方法,對節(jié)能減排意義重大。金屬纖維燃燒器由于具有較低的污染物排放量、較高的燃燒效率、負荷適應(yīng)性強等優(yōu)良特性近年來備受關(guān)注,利用其實現(xiàn)安全

2、高效燃燒爆炸濃度瓦斯氣體,有重要的研究意義。
　　本文對爆炸濃度瓦斯氣體在火炬筒體內(nèi)對稱布置的五個金屬纖維燃燒器表面的燃燒特性進行了三維數(shù)值模擬和初步實驗研究。并設(shè)計和搭建了相應(yīng)的燃燒實驗臺,為下一步實驗測試和研究奠定了基礎(chǔ)。
　　數(shù)值模擬采用有限速率/渦耗散模型、標準 k-ε湍流模型。通過分析燃燒速度場、溫度場及組分濃度場反映了火炬筒體和金屬纖維燃燒器在不同預(yù)混氣體流速以及 CH4濃度下的流動和燃燒特性。模擬結(jié)果表明:冷態(tài)

3、條件下,預(yù)混氣體在金屬纖維燃燒器壁面均勻出流,說明金屬纖維燃燒器在冷態(tài)下有較好的預(yù)混氣體流動特性。熱態(tài)條件下,預(yù)混氣體CH4濃度為10％時,在0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.1 m/s四種流速下燃燒器的燃燒效率均能達到99.5％以上。其中,流速為1.1 m/s時整個火炬筒體內(nèi)的湍動以及氣流間的對沖最為強烈,相同計算區(qū)域內(nèi)較其它流速擁有更高的CH4燃燒效率以及反應(yīng)物的生成速率。但火焰鋒面離燃燒器圓筒壁面較遠、燃燒溫度高

4、且高溫區(qū)域分布廣,火焰鋒面高將會增大燃燒器以及火炬筒體的尺寸,而較多的高溫區(qū)則會加速NOX的生成,對NOX排放不利。流速為0.5 m/s和0.7 m/s時燃燒進行較慢,燃燒相對滯后,0.5 m/s時CH4的燃燒效率最低,而0.7 m/s時反應(yīng)物的生成速率最低。但火焰鋒面離燃燒器圓筒壁面較近且高溫區(qū)域較少。在四種流速下火炬筒體內(nèi)的溫度峰值和燃燒效率差距不大,說明預(yù)混燃燒器對不同燃燒負荷有較強的適應(yīng)能力。在得到綜合性能最佳的預(yù)混氣體流速的基

5、礎(chǔ)上,進一步的數(shù)值模擬研究考察了預(yù)混氣體流速為0.9 m/s,CH4濃度分別為6％、8％、10％時的燃燒情況,結(jié)果表明當CH4濃度為6％時的燃燒效率最高,污染物排放量最低且高溫區(qū)較少,同時不回火,不脫火,具有較高的燃燒穩(wěn)定性。數(shù)值模擬結(jié)果表明,預(yù)混氣體流速為0.9 m/s,CH4濃度為6％為最佳燃燒工況,該結(jié)果為后續(xù)實驗提供了最佳參考實驗工況。
　　本文還設(shè)計并搭建了金屬纖維燃燒器實驗系統(tǒng),后續(xù)計劃通過實驗參數(shù)測量、數(shù)值分析以及數(shù)