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燃煤锅炉改烧低热值煤层气数值模拟与燃烧稳定性实验

作　者: 张代生
导　师: 张力
学　校: 重庆大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 低热值煤层气燃烧器数值模拟实验研究
分类号: TK229.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

甲烷浓度在30%左右的煤矿井下抽放煤层气热值较低,甲烷的温室效应为二氧化碳的20倍,对臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。因此,进行煤层气的产业化开发利用,不仅可以有效缓解我国当前和将来的天然气供需矛盾,还具有良好的社会效益和环境效益,对煤矿安全生产、节约资源、保护环境等方面都具有深远的意义。在能源局势日趋紧张的情况下,将煤矿附近的低效率的燃煤工业锅炉改烧煤层气是一项很好的节能减排措施。首先,本文介绍了国内外的煤层气利用现状,总结了国内外煤层气利用的几种途径,提出了低浓度煤层气利用的瓶颈问题;概述了低热值气体燃烧的研究现状,分析了低热值煤层气着火性能、火焰稳定性等的各种影响因素,为在燃煤锅炉改烧低热值煤层气的工业应用提供理论依据。其次,本文采用标准k-ε湍流模型、通用有限速率模型、P-1辐射换热模型及基于Thermal NOx的PDF输运方程的NOx生成模型,对燃煤锅炉改烧低浓度煤层气后炉内流动及燃烧过程进行三维数值模拟。分析了燃煤锅炉改烧低浓度煤层气后炉内流动及燃烧特性,预测了炉膛内流场、温度场和组分浓度场的分布规律,并对NOx的排放特性进行了预测。模拟结果表明:燃烧器的中心轴线上,具有最大的绝对速度值,随着热负荷的降低,炉膛温度和速度的峰值也逐渐减小,且峰值明显前移。NOx主要在炉膛后部的高温区域生成,且最大生成量在温度最高的区域。最后,针对喷嘴参数对低热值煤层气燃烧稳定性的影响进行实验研究,分析了流片的结构和安装位置对低热值煤层气燃烧的影响。实验结果表明:N3旋流片位置距离燃烧器出口30mm时,火焰温度最高,不容易发生熄火、脱火等燃烧不稳定现象,燃烧工况最佳。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-19
  1.1 论文选题背景及来源  8-10
  1.2 煤层气利用现状  10-12
  1.3 低热值气体燃烧的研究现状  12-16
  1.4 尚存在的问题  16-17
  1.5 课题主要内容  17-19
2 燃煤锅炉改烧低浓度煤层气数值模拟  19-33
  2.1 燃煤锅炉改烧低浓度煤层气的改造  19-22
    2.1.1 锅炉本体改造  20
    2.1.2 燃烧系统改造  20-22
  2.2 物理模型  22-23
  2.3 数学模型  23-27
    2.3.1 控制方程  23-24
    2.3.2 流动模型  24-25
    2.3.3 燃烧模型  25-26
    2.3.4 辐射模型  26-27
  2.4 NOx 生成的模拟  27-29
    2.4.1 NOx 生成机理  27-28
    2.4.2 NOx 生成模型  28-29
  2.5 数值计算方法  29-32
    2.5.1 计算区域的网格化  29-30
    2.5.2 边界条件  30-31
    2.5.3 离散方程组的离散及求解  31-32
  2.6 本章小结  32-33
3 数值模拟结果与分析  33-46
  3.1 速度场分布  33-36
  3.2 温度场  36-41
  3.3 甲烷分布  41-42
  3.4 NOx 排放特性  42-44
  3.5 本章小结  44-46
4 喷嘴参数对低热值煤层气燃烧稳定性影响的实验研究  46-63
  4.1 燃烧器参数  46-47
  4.2 实验设计  47-49
    4.2.1 实验装置  47-48
    4.2.2 实验工况  48-49
    4.2.3 实验步骤  49
  4.3 实验结果及分析  49-62
    4.3.1 开孔深度对燃烧的影响  49-54
    4.3.2 旋流角度对燃烧的影响  54-59
    4.3.3 B 安装位置对燃烧的影响  59-62
  4.4 本章小结  62-63
5 结论及建议  63-65
  5.1 本文主要结论  63-64
  5.2 进一步研究建议  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-71
附录  71
  作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  71

燃煤锅炉改烧低热值煤层气数值模拟与燃烧稳定性实验

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