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用于煤礦通風(fēng)甲烷的Swiss-roll燃燒器特性研究

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時(shí)間:2024-08-18 21:00:37
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用于煤礦通風(fēng)甲烷的Swiss-roll燃燒器特性研究【摘要】: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

【摘要】: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,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(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。 【關(guān)鍵詞】:煤礦通風(fēng)甲烷 Swiss-roll燃燒器 熱平衡模型 傳熱特性 換熱試驗(yàn) 熄火 反應(yīng)區(qū)漂移 參數(shù)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2009
【分類號(hào)】:X701;TK174
【目錄】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-15
  • 第一章 緒論15-25
  • 1.1 當(dāng)今世界的能源與環(huán)境問(wèn)題15-16
  • 1.2 煤礦通風(fēng)甲烷處理技術(shù)16-22
  • 1.2.1 背景和意義16-18
  • 1.2.2 VAM 燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介18-20
  • 1.2.3 Swiss-roll 燃燒器20-22
  • 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容22-23
  • 參考文獻(xiàn)23-25
  • 第二章 Swiss-roll 燃燒器傳熱過(guò)程模擬計(jì)算25-60
  • 2.1 前言25-26
  • 2.2 Swiss-roll 燃燒器26-33
  • 2.2.1 Swiss-roll 燃燒器結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)26-28
  • 2.2.2 換熱通道內(nèi)的傳熱過(guò)程和流動(dòng)阻力28-30
  • 2.2.3 二維湍流熱平衡模型與求解30-32
  • 2.2.4 計(jì)算參數(shù)選擇32-33
  • 2.3 結(jié)果和討論33-57
  • 2.3.1 通道內(nèi)加熱過(guò)程和溫度分布33-35
  • 2.3.2 進(jìn)口條件對(duì)燃燒器性能的影響35-40
  • 2.3.3 通道尺寸對(duì)燃燒特性的影響40-45
  • 2.3.4 燃燒室直徑對(duì)燃燒器特性的影響45-46
  • 2.3.5 熱損失的影響46-57
  • 2.4 結(jié)論57-58
  • 參考文獻(xiàn)58-60
  • 第三章 Swiss-roll 燃燒器傳熱特性的試驗(yàn)研究60-75
  • 3.1 前言60
  • 3.2 試驗(yàn)裝置與系統(tǒng)60-62
  • 3.3 試驗(yàn)Swiss-roll 燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62-63
  • 3.4 燃燒器散熱損失估算63-65
  • 3.5 結(jié)果與討論65-74
  • 3.5.1 換熱通道的溫度分布65-66
  • 3.5.2 散熱對(duì)反應(yīng)區(qū)溫度的影響66-68
  • 3.5.3 加熱功率對(duì)傳熱特性的影響68-71
  • 3.5.4 進(jìn)口流速對(duì)傳熱特性的影響71-74
  • 3.6 結(jié)論74
  • 參考文獻(xiàn)74-75
  • 第四章 Swiss-roll 燃燒器燃燒過(guò)程模擬計(jì)算75-105
  • 4.1 前言75
  • 4.2 數(shù)學(xué)模型與求解75-76
  • 4.3 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選擇76-78
  • 4.4 結(jié)果與討論78-102
  • 4.4.1 燃燒器溫度與甲烷濃度分布78-81
  • 4.4.2 熱損失的影響81-83
  • 4.4.3 考慮化學(xué)反應(yīng)時(shí)進(jìn)口條件與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒器性能的影響83-95
  • 4.4.4 吹熄和反應(yīng)區(qū)漂移95-102
  • 4.5 結(jié)論102-103
  • 參考文獻(xiàn)103-105
  • 第五章 Swiss-roll 燃燒器的參數(shù)優(yōu)化105-126
  • 5.1 前言105
  • 5.2 優(yōu)化模型105-107
  • 5.2.1 Swiss-roll 燃燒器優(yōu)化模型105-106
  • 5.2.2 計(jì)算參數(shù)106-107
  • 5.3 結(jié)果與討論107-125
  • 5.3.1 理想狀態(tài)下的參數(shù)優(yōu)化107-114
  • 5.3.2 考慮化學(xué)反應(yīng)和熱損失時(shí)的參數(shù)優(yōu)化114-125
  • 5.4 結(jié)論125-126
  • 第六章 總結(jié)和展望126-129
  • 6.1 本文的主要工作及結(jié)論126-127
  • 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)127-128
  • 6.3 下一步工作展望128-129
  • 致謝129-130
  • 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果130-131


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精細(xì)管理是法寶    本報(bào)記者 王金法通訊員 宋媛

山東移動(dòng)開(kāi)展“創(chuàng)精品網(wǎng)絡(luò)”意見(jiàn)征集活動(dòng)    楊斌通訊員 張妍

節(jié)約1423千瓦小時(shí)電量的奧秘    龐先斌

Sybase Linux策略    

氧氣助燃技術(shù)的發(fā)展及其在加熱和退火工藝中的應(yīng)用    劉文 編譯

Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)優(yōu)化    中國(guó)聯(lián)通大連分公司通信工程師 高紅

太重油膜軸承受到市場(chǎng)青睞    曹克順

新工藝助推增產(chǎn)增效    尹永華唐毓

用于煤礦通風(fēng)甲烷的Swiss-roll燃燒器特性研究    扈鵬飛

飛機(jī)電熱除冰過(guò)程的傳熱特性及其影響研究    肖春華

平板通道內(nèi)螺旋纖肋強(qiáng)化傳熱機(jī)理及傳熱特性研究    唐玉峰

微型燃燒器內(nèi)燃燒與傳熱特性研究    李艷霞

微細(xì)電火花加工放電狀態(tài)辨識(shí)與預(yù)測(cè)的理論和方法    周明

半導(dǎo)體激光器組件的傳熱特性與熱電控制技術(shù)研究    楊明偉

虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在精密排種部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用    孫裕晶

含鈦無(wú)氟連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣的基礎(chǔ)研究    漆鑫

多支承回轉(zhuǎn)窯接觸體系的力學(xué)特征研究及參數(shù)優(yōu)化    肖友剛

高穩(wěn)銣原子頻標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化及激光抽運(yùn)銣原子頻標(biāo)研究    黃學(xué)人

硝酸生產(chǎn)過(guò)程操作參數(shù)的智能優(yōu)化    宋云東

西寧市低溫低濁水增效澄清池處理動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究    欒新曉

鐵道客車系統(tǒng)隔振分析及懸掛參數(shù)優(yōu)化    郝建華

多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒中的氣固溫度分布及傳熱特性研究    李?yuàn)?/span>

鰭片管傳熱特性的數(shù)值模擬與分析    吳國(guó)洪

蟻群算法參數(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用    楊亞南

綜放采場(chǎng)順槽錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)及參數(shù)優(yōu)化研究    王偉

卷煙廠的氣力輸送技術(shù)應(yīng)用參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化    周暉

轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合紗的紡紗工藝及其成紗機(jī)理的研究    任秀紅

城市交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化控制方法的研究    楊繼平