基于均匀多孔介质模型的氧化床阻力特性数值研究

论文摘要

煤矿乏风由于浓度低、气量大和富集难等特点,一般直接排放到大气中,这样不仅造成资源浪费而且引起温室效应、破坏臭氧层造成环境污染。乏风热氧化装置可以有效氧化乏风并回收其中的热量,而由蓄热陶瓷体填充的氧化床是其氧化装置的主要能耗之一,本文基于CFD方法对蓄热氧化床进行流动和传热过程的模拟研究,为蜂窝陶瓷蓄热体结构参数的选取、优化和合理填充寻求理论指导依据。论文的主要内容如下：1.为了选用合适的蓄热陶瓷体填充乏风氧化床,首先对方形、圆管形和六边形蓄热陶瓷体的几何结构特性进行理论分析,得出特征尺寸对蓄热陶瓷体孔隙率和比表面积的影响规律。然后利用FLUENT软件对方形、圆管形和六边形蓄热陶瓷体进行模拟,得出在相同孔密度和孔隙率下,选用方形孔可以获得较好的蓄热能力,选用圆管形和六边形孔可以降低其压强损失；在同孔隙率、比表面积和当量直径条件下,方形陶瓷体的阻力损失较低,六边形陶瓷体的传热效率较高,但是方形陶瓷的气固界面的传热流量比六边形的大。2.基于自行开发的煤矿乏风热逆流氧化试验装置,采用多孔介质均质模型,建立了煤矿乏风蓄热逆流氧化的控制方程组和化学反应方程,模拟研究了氧化床运行参数、蜂窝陶瓷的结构参数和物性参数对氧化床的流动阻力和出口温度的影响规律。计算结果表明：在气流方向切换瞬间,氧化床的压强损失瞬时增大,经过1～2s后趋于稳定；随着进入氧化床的乏风气体表观速度的增加,压强损失和出口温度都增加；乏风甲烷浓度对压强损失影响较小；提高蜂窝陶瓷的孔隙率,可以有效降低阻力损失,但是蓄热能力明显下降；提高比热容,有利于氧化装置稳定运行；随着当量直径的增加,压强损失显著降低。3.对现有的六边形蓄热陶瓷体和方形陶瓷体组成的氧化床进行模拟研究,结果表明方形蜂窝陶瓷氧化床的压强损失大于六边形陶瓷氧化床的,但出口温度较低。基于对氧化床轴向方向上的温度、速度和压强曲线的分析决定采用组合氧化床,上下端部为当量直径较小、吸放热热能力较强的方孔蜂窝陶瓷,中部采用当量直径大、流通阻力小的六边蜂窝陶瓷。最后对组合氧化床的七种方式进行模拟,并分析压强损失和出口温度曲线,结果表明：六边形陶瓷长度在1.05m左右可以有效降低蓄热氧化床的阻力损失,而且出口温度也在允许的范围内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 矿井乏风热氧化装置及其氧化床
• 1.2.1 煤矿乏风氧化技术
• 1.2.2 矿井乏风热氧化装置
• 1.2.3 蓄热氧化床
• 1.2.4 蓄热氧化床的阻力研究
• 1.3 蓄热氧化床存在的问题
• 1.4 课题研究内容
• 第二章 蜂窝陶瓷体结构分析及模拟
• 2.1 计算流体力学软件简介
• 2.1.1 计算流体力学介绍
• 2.1.2 CFD软件及主要功能
• 2.1.3 FLUENT软件包介绍
• 2.1.4 FLUEN软件包及工程应用背景
• 2.1.5 FLUENT解决流动传热耦合问题的步骤
• 2.2 蜂窝陶瓷体几何结构分析
• 2.3 蜂窝陶瓷体流动和传热性能模拟
• 2.3.1 相同孔密度和孔隙率
• 2.3.2 相同孔隙率和比表面积
• 2.3.3 蓄热氧化床蜂窝陶瓷体的选取
• 2.4 本章小结
• 第三章 氧化床模型的建立与求解方法
• 3.1 多孔介质的概念及其参数
• 3.1.1 多孔介质的概念
• 3.1.2 多孔介质模型的合理性
• 3.2 氧化床流动和传热模型
• 3.2.1 雷诺数的计算
• 3.2.2 蓄热氧化床的物理模型及基本假设
• 3.2.3 质量守恒方程
• 3.2.4 动量守恒方程
• 3.2.5 能量守恒方程
• 3.2.6 组分守恒方程
• 3.2.7 化学反应方程
• 3.3 气体及蜂窝体物性参数
• 3.3.1 乏风的物性参数
• 3.3.2 蜂窝陶瓷体的物性参数
• 3.4 单值性条件
• 3.4.1 边界条件
• 3.4.2 换向条件
• 3.4.3 初始条件
• 3.4.4 计算终止条件
• 3.5 反应的稳定性和收敛性
• 3.6 本章小结
• 第四章 结果与讨论
• 4.1 冷态状态下的阻力特性
• 4.1.1 氧化床动态压强分布
• 4.1.2 蜂窝陶瓷各参数对阻力特性的影响
• 4.1.3 氧化床阻力计算分析
• 4.2 化学反应状态下的阻力特性
• 4.2.1 启动过程
• 4.2.2 模拟结果与实验的比较
• 4.2.3 流体表观流速对氧化床阻力损失的影响
• 4.2.4 甲烷浓度对氧化床阻力损失的影响
• 4.2.5 孔隙率对氧化床阻力损失的影响
• 4.2.6 比热容对氧化床阻力损失的影响
• 4.2.7 当量直径对氧化床阻力损失的影响
• 4.3 蓄热氧化床的优化
• 4.3.1 两种不同形状氧化床的比较
• 4.3.2 氧化床轴向阻力特性
• 4.3.3 组合氧化床阻力特性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文结论与工作展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 今后工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间公开发表的学术论文