煤层气旋流燃烧器流动及燃烧特性实验研究

论文摘要

甲烷浓度在30%左右的煤矿井下抽放煤层气热值较低,研究开发适合这种煤层气高效清洁燃烧的专用燃烧器对缓解我国能源紧张、控制煤层气污染及合理利用煤层气资源具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。文中对低浓度煤层气燃烧器搭配不同结构喷口在多种热负荷下进行了实验研究。冷态实验研究了燃烧器出口流场分布、阻力特性随燃烧器喷口角度和热负荷变化的规律;热态实验考察了燃烧区域的火焰特性、温度场和组分浓度分布随燃烧器结构、热负荷和过量空气系数的变化规律。通过对旋流燃烧器的冷态实验,采用热线风速仪对其出口流场进行了测量,得到了燃烧器流场的分布状况,并进一步研究了喷口角度变化对燃烧器出口速度场的影响;利用U形管测量了燃烧器搭配不同喷口时燃气入口侧的阻力,发现燃气侧流动阻力随着喷口角度的减小,燃烧器内部流动阻力随之增大,并且随着燃气进口速度的增加也会使阻力变大。实验结果表明,燃烧器搭配不同喷口时,在燃烧器根部均能形成稳定的中心回流区。渐扩喷口燃烧器的射流扩展角大,渐缩喷口燃烧器的射流穿透能力较强。在较宽的热负荷范围内,该旋流燃烧器均具有良好的空气动力场,有利于低热值煤层气的着火与燃烧。热态燃烧实验结果表明:旋流燃烧器在不同热负荷下均能稳定燃烧,不脱火并且具有较宽的负荷调节能力。燃烧器火焰长,宽度大,火焰扩散角大。过量空气系数的变化会影响烟气排放及燃烧效率。并且发现当α=1.00时,N-5渐缩喷口的热效率最高,炉膛尾气中NOx和CH4的含量最低。通过实验研究了对比了以低浓度煤层气和纯天然气为燃料的旋流燃烧器的流动和燃烧特性,为低浓度煤层气燃烧器的工业应用和最终商业化奠定了理论与技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景、意义及课题来源
• 1.2 煤层气开发利用现状
• X排放研究现状和发展趋势'>1.3 国内外燃料燃烧的低NO_X排放研究现状和发展趋势
• X 的危害'>1.3.1 NO_X的危害
• X 的机理研究现状'>1.3.2 燃料燃烧生成NO_X的机理研究现状
• X 排放研究现状和发展趋势'>1.3.3 低NO_X排放研究现状和发展趋势
• 1.4 气体燃料及燃烧器
• 1.4.1 气体燃料的成分和燃烧特性
• 1.4.2 气体燃烧器的分类和要求
• 1.4.3 气体燃烧器的研究方法及现状
• 1.4.4 气体燃烧器发展现状
• 1.5 课题主要研究内容和方法
• 2 燃烧器结构及参数
• 2.1 实验系统设计慨算
• 2.1.1 燃气计算
• 2.1.2 空气系统计算
• 2.1.3 燃气系统计算
• 2.2 燃烧器结构
• 2.3 燃烧器参数
• 2.3.1 燃料参数
• 2.3.2 流量参数
• 2.3.3 流速参数
• 2.3.4 流动阻力
• 2.4 本章小结
• 3 燃烧器冷态实验研究
• 3.1 冷态实验
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 热线风速仪的标定
• 3.1.3 实验方法及工况
• 3.2 实验结果分析
• 3.2.1 轴向速度分布
• 3.2.2 切向速度分布
• 3.2.3 燃气侧阻力变化规律
• 3.3 本章小结
• 4 燃烧器热态实验研究
• 4.1 热态实验
• 4.2 实验装置及实验方法
• 4.2.1 燃气系统
• 4.2.2 燃烧及管道系统
• 4.2.3 温度和烟气测量系统
• 4.2.4 实验工况及方法
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 燃烧火焰特性及温度分布规律
• 4.3.2 过量空气系数对燃烧产物浓度的影响
• X、CH₄ 浓度分布规律'>4.3.3 燃烧室内NO_X、CH₄浓度分布规律
• 4.3.4 过量空气系数及喷口角度变化对燃烧效率的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论及建议
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 研究建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录