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(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5000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。長期以來,我國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150億元。 在F.J.Weinberg提出的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燃燒器能通過換熱提高反應(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,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(dǎo)致吹熄;增大進(jìn)口流速和通道寬度,減小通道長度和甲烷體積濃度,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。考慮了運(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Swiss-roll燃燒器優(yōu)化模型,分析了運(yùn)行參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒器經(jīng)濟(jì)性的影響,并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化,為Swiss-roll燃燒器的設(shè)計(jì)提供參考。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：X701;TK174
【部分圖文】：

每年因煤礦開采排入大氣中的甲烷已超過 2500 到 2010 年將增至 2800 萬噸，其中因煤礦通風(fēng)排，達(dá) 70%（中國為 91%）以上。甲烷是造成全圖 1. 1 典型煤礦的通風(fēng)流量和瓦斯?jié)舛萚11]

眾多的 VAM 利用方式中，將 VAM 作為輔助燃料的方案由于受到制，很難推廣應(yīng)用。VAM 作為主要燃料時(shí)，TFRR 和 CFRR 是現(xiàn)燃燒技術(shù)。這兩種技術(shù)都起源于 Weinberg 在 1971 年提出的超焓燃圖 1. 2 超焓燃燒的原理示意圖(參考 Lloyd，1975[1])

出了 TFRR 和 CFRR。圖 1.3 為 TFRR 結(jié)構(gòu)及其基本原理圖，通過換向閥裝置往復(fù)變更流動(dòng)回路，達(dá)到熱再循環(huán)的目的。目前該技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)示范應(yīng)用階段，在澳大利亞即將建成處理流量為 250000m3/h，發(fā)電功率達(dá) 6MW 示范電廠。CANMET 的催化流轉(zhuǎn)反應(yīng)器 CFRR 與 TFRR 有著基本相似的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，不同之處是在熱交換器和熱交換介質(zhì)之間加了一層催化劑層，使瓦斯自燃溫度降低和風(fēng)流轉(zhuǎn)向周期增長，該技術(shù)目前處于實(shí)驗(yàn)室階段。TFRR 和 CFRR 是國外直接處理煤礦通風(fēng)甲烷的較成熟技術(shù)，有著多項(xiàng)國際專利。國內(nèi)很多學(xué)者也非常關(guān)注低熱值氣體的燃燒利用技術(shù)[28,29]，開展了往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒、超焓燃燒、催化燃燒等方面的基礎(chǔ)研究。

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 馬培勇;外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器特性研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

2 王鵬飛;煤礦乏風(fēng)低濃度瓦斯熱逆流氧化理論及實(shí)驗(yàn)研究[D];中南大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2831513