低热值煤层气燃烧器结构设计及优化的研究

论文摘要

甲烷体积浓度在30%左右的煤层气由于热值低,利用难度较大,在循环流化床中和煤矸石混烧或者直接应用于蒸汽锅炉时,采用常规燃烧器常表现出煤层气燃烧不稳定、火焰穿透性不够等情况,造成了燃烧效率低、污染物排放量大、运行不稳定等问题。因此,研究和开发适合低热值煤层气的燃烧器具有重要的工业应用价值和学术意义。在总结直流燃烧器和旋流燃烧器优缺点的基础上,针对低热值煤层气的特点,设计了适合低热值煤层气的燃烧器。参阅燃气燃烧器设计手册以及相关参考文献对燃烧器进行结构尺寸设计,借用fluent数值模拟软件对燃烧器进行结构优化,得到最佳的旋流风量与直流风量的搭配比例以及燃气管中导流叶片的最佳倾角和叶片数目,并进一步分析对比了改进前和改进后两种燃烧器的优缺点;将优化设计后的燃烧器制作加工,实验研究了低热值煤层气燃烧器的冷态流动和热态燃烧特性,考察了燃烧器阻力损失随负荷的变化情况、旋流强度和过量空气系数的关系、燃烧器火焰特性以及温度场的分布情况等。采用通用有限速率模型、Realizable k-ε湍流模型、P-1辐射换热模型对燃烧器进行了三维数值模拟,分析了直流风量与旋流风量搭配比例以及导流叶片倾角、数目对流场、温度场的影响,结果表明:旋流风所占比例为20%、直流风为80%为最佳配比工况。此工况下气流不仅具有很强的喷射强度,能改善射流后期火焰刚度,而且具有很强的旋流强度,能提高喷口出口燃气和助燃空气的混合度,对燃气的稳燃和燃尽非常有利;燃气管中导流叶片倾角为60度,叶片数目为6时,不仅有利于燃烧器喷口的保护,而且甲烷质量分数沿中心轴线下降快,燃烧完全。优化设计后的燃烧器温度沿中心轴线比改进前的燃烧器上升快,温度峰值离喷口更近,稳燃效果优于原燃烧器。冷态流动实验研究表明:随着负荷的增加,燃气管、直流空气管、旋流空气管压力损失不断增大,燃烧器喷口出口中心处旋流强度也随着增加。在相同负荷下,旋流强度不随过量空气系数的改变而变化。热态燃烧实验研究表明:优化设计后的燃烧器在20%、60%、80%、100%热负荷下均能稳定燃烧,不脱火、不回火;在相同热负荷下,优化设计后的燃烧器温度沿中心轴线比原燃烧器上升快,温度峰值更高,在喷口附近高温区域沿径向方向分布更广。实验结果与数值模拟的结果基本吻合,最大误差为9%,说明实验结果和数值模拟的结果都是可信的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 煤层气开发利用现状
• 1.3 气体燃烧器研究和利用现状
• 1.3.1 燃气燃烧的方法
• 1.3.2 气体燃烧器的种类及特性
• 1.3.3 目前气体燃烧器的研究现状
• 1.4 目前气体燃烧器的研究还存在的问题
• 1.5 课题研究的主要内容以及研究方法
• 2 低热值煤层气燃烧器结构设计
• 2.1 原始设计参数
• 2.2 燃气和空气流量计算
• 2.3 燃烧器结构尺寸计算
• 2.4 本章小结
• 3 低热值煤层气燃烧器结构优化的数值模拟
• 3.1 物理模型
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 基本的控制方程
• 3.2.2 湍流模型
• 3.2.3 辐射模型
• 3.2.4 燃烧模型
• 3.3 边界条件以及求解方法
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 求解方法
• 3.4 模拟结果及分析
• 3.4.1 速度场分布情况
• 3.4.2 温度场分布情况
• 3.4.3 浓度场分布情况
• 3.4.4 导流叶片倾角以及叶片数目的优化
• 3.4.5 原燃烧器与优化后的燃烧器性能比较
• 3.5 本章小结
• 4 低热值煤层气燃烧器冷态实验研究
• 4.1 燃烧器结构参数
• 4.2 实验装置
• 4.3 燃烧器流动阻力测试
• 4.3.1 实验方案以及实验工况
• 4.3.2 实验步骤
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.4 燃烧器喷口出口旋流强度的测试
• 4.4.1 实验方案以及实验工况
• 4.4.2 实验步骤
• 4.4.3 实验结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 低热值煤层气燃烧器热态实验研究
• 5.1 热态实验装置
• 5.2 实验工况及实验方案
• 5.3 实验步骤
• 5.4 实验现象及数据分析
• 5.4.1 实验现象分析
• 5.4.2 火焰长度分析
• 5.4.3 温度沿中心轴线分布情况
• 5.4.4 温度沿径向方向分布情况
• 5.5 数值模拟结果与实验结果的比较
• 5.6 本章小结
• 6 结论及下一步研究建议
• 6.1 文章主要研究结论
• 6.2 下一步研究建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录