氧化装置进出口乏风分配系统数值模拟与优化设计

论文摘要

煤矿瓦斯是一种优质、高效、清洁的气体燃料,由于开采利用率不高,使得大量的煤矿瓦斯以煤矿乏风的形式排入大气中,进而造成了巨大的环境污染和能源浪费。煤矿乏风氧化技术是回收、利用煤矿乏风中甲烷的先进技术,该技术开创了大规模、低成本治理和利用煤矿乏风的新局面,是乏风瓦斯综合利用技术发展的必然趋势。本文采用模型试验和数值计算相结合的研究方法,以山东理工大学自主研发的煤矿乏风热逆流氧化装置为原型,研究乏风氧化装置内气体的流动均匀性问题。具体研究包括以下三部分：（1）以山东理工大学自主研发的煤矿乏风热逆流氧化装置为原型设计、建造冷态模型试验台。通过试验测量得到了不同进气流量时氧化床内气体的速度分布规律以及装置进出口压力损失情况,详细讨论了入口速度对流动均匀性的影响,并进一步分析其流体力学机理；另外,根据Darcy-Forchheimer定律建立了氧化床流动阻力的数学模型,计算出单位长度陶瓷内的惯性阻力系数和粘性阻力系数,为数值模拟计算提供了必要的边界条件。（2）在乏风氧化装置气流分布模型试验的基础上,利用CFD软件FLUENT求解氧化装置模型内的流场特性。论文讨论了影响数值计算精度的因素,通过简化氧化装置气流流动的物理模型、确定网格类型和调整网格密度、选择湍流模型、设置多孔介质模型以及边界条件等步骤,完成了求解乏风氧化装置内流场特性的数值计算过程。模拟计算结果与模型试验结果一致,验证了数值模拟计算方法的可靠性。之后采用该数值模拟计算方法分别对不同氧化装置结构（如装置的流型结构,集气箱形状和高度,以及氧化床的高度、长度和孔隙率等）以及进气导流（包含导流板板形、板长、数量以及安置方式等）对流动均匀性的影响进行了更深入的研究分析。（3）在以上模型试验以及数值模拟的基础上,采用数值方法对60000m3/h乏风氧化装置实型进行模拟计算研究,通过对天圆地方扩张段以及集气箱中乏风分配的改善,最终给出了60000m3/h氧化装置进出口乏风分配系统的优化设计方案,该设计方案成功解决了大型氧化装置内部流动不均匀的问题,具有很高的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 煤矿乏风氧化技术
• 1.2.1 乏风氧化装置的现状与进展
• 1.2.2 乏风氧化装置的结构和原理
• 1.3 乏风氧化装置的流体动力特性
• 1.4 课题的研究方法和研究内容
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 乏风氧化装置的流动均匀性试验研究
• 2.1 试验目的
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试验方案
• 2.2.2 试验装置
• 2.2.3 测点布置
• 2.2.4 取值方法
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 流动均匀性指数的定义
• 2.3.2 氧化床流动阻力的数学模型
• 2.3.3 流量分配均匀性分析
• 2.3.4 均匀性影响机理
• 2.4 本章小结
• 第三章 乏风氧化装置的流动均匀性数值模拟
• 3.1 计算流体力学软件简介
• 3.2 数值求解
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 数学模型
• 3.2.3 网格的划分
• 3.2.4 边界条件
• 3.3 模拟与结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 乏风氧化装置结构因素对流动均匀性的影响
• 4.1 乏风氧化装置的流型结构对流动均匀性的影响
• 4.2 乏风氧化装置的集气箱结构对流动均匀性的影响
• 4.2.1 集气箱形状的影响分析
• 4.2.2 集气箱高度的影响分析
• 4.3 氧化床几何因素对流动均匀性的影响
• 4.3.1 床体高度的影响分析
• 4.3.2 床体长度的影响分析
• 4.3.3 孔隙率的影响分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 乏风氧化装置进气导流的流动均匀性研究
• 5.1 导流板安置方式对流动均匀性的影响
• 5.2 板形对流动均匀性的影响
• 5.3 板长对流动均匀性的影响
• 5.4 导流板数量对流动均匀性的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 60000m3/h氧化装置进出口乏风分配系统的优化设计
• 6.1 天圆地方扩张段乏风分配系统的优化设计
• 6.2 集气箱乏风分配系统的优化设计
• 6.3 流动均匀性判定
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结和工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间公开发表论文及著作情况