外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器特性研究.pdf

1、由于工業(yè)生產(chǎn)工程中產(chǎn)生的廢氣所含可燃成分(主要成分為甲烷)稀薄，難以被常規(guī)的燃燒技術(shù)所利用，通常被直接排空。雖然這些廢氣所含可燃?xì)怏w成分低，但排放量巨大。將如此大量的甲烷直接排放到大氣中，一方面會(huì)造成有限的不可再生資源的巨大浪費(fèi)；另一方面甲烷又是很強(qiáng)的溫室氣體(溫室效應(yīng)約為CO2的21倍)，還會(huì)造成對(duì)大氣臭氧層的破壞，加劇大氣污染。因此，發(fā)展低濃度可燃廢氣燃燒技術(shù)不僅能夠“節(jié)能”，最重要的意義在于可以“減排”；探索貧燃料(超低熱值可燃?xì)?/p>

2、體)自維持燃燒的方法對(duì)控制環(huán)境污染、回收能量都是十分有意義的。本文基于超焓燃燒原理，結(jié)合瑞士卷燃燒器和多孔介質(zhì)燃燒器的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種新型的外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器，應(yīng)用于低濃度燃?xì)馊紵幚?；為設(shè)計(jì)該燃燒器，對(duì)低濃度甲烷的高溫氧化特性進(jìn)行了研究；探索了燃燒器的制造加工方法，并通過(guò)冷態(tài)、熱態(tài)試驗(yàn)研究、數(shù)值計(jì)算分析研究了低濃度預(yù)混氣體在外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性；并進(jìn)一步提出將該燃燒器用于天然氣富燃重整制氫，進(jìn)行了化學(xué)動(dòng)力學(xué)

3、模擬與初步的實(shí)驗(yàn)研究。
　　 (1)為了探索貧燃料自維持燃燒方法，對(duì)目前降低燃?xì)獾呢毧扇紭O限的方法進(jìn)行了總結(jié)與分析，采取提高燃燒溫度和添加催化劑是目前比較有效的方法：提高燃燒溫度方法主要是采用超焓燃燒的思想，通過(guò)換熱器或多孔介質(zhì)蓄熱體實(shí)現(xiàn)熱再循環(huán)，極限回收燃燒產(chǎn)生的熱量，使貧燃燒的溫度提高，實(shí)現(xiàn)自維持燃燒；添加催化劑主要是通過(guò)催化燃燒的方式降低燃料著火的活化能，改善著火條件，拓展貧燃極限?；蛘卟捎脙烧叩慕Y(jié)合的復(fù)合燃燒方式，進(jìn)一步

4、降低燃料的貧可燃極限，用于可燃廢氣的處理與熱能利用?；谝陨戏治?，本文設(shè)計(jì)了一種集瑞士卷燃燒器和多孔介質(zhì)燃燒器優(yōu)點(diǎn)于一體的新型外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器(簡(jiǎn)寫為SRPC)物理模型，用于低濃度廢氣的燃燒處理。
　　 (2)為設(shè)計(jì)低濃度甲烷燃燒器，基于甲烷燃燒詳細(xì)機(jī)理GRI3.0，采用充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器(PSR)與柱塞流反應(yīng)器(PFR)模型，對(duì)低濃度甲烷定壓預(yù)混燃燒(氧化)過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，研究了甲烷濃度、停留時(shí)間、預(yù)熱溫度、熱損失等參數(shù)對(duì)

5、超低濃度甲烷燃燒的氧化特性的影響。結(jié)果表明，這些參數(shù)對(duì)低濃度甲烷的氧化有較大影響。首先，由于低濃度甲烷預(yù)混氣體單位體積內(nèi)氧化放熱量小，溫度提升較低，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間增加，難以氧化完全，因此為增加低濃度甲烷的氧化速率，必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱至一定溫度，提高化學(xué)反應(yīng)速率。另一方面，由于單位體積預(yù)混氣體完全燃燒(或氧化)的熱損速率與氧化反應(yīng)溫度成正比關(guān)系，而放熱速率隨甲烷濃度的減小而減小，若熱損速率大于放熱速率，反應(yīng)溫度下降，造成氧化反應(yīng)速率也隨之下降

6、，反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致難以穩(wěn)定自維持氧化。控制熱損速率的關(guān)鍵因素在于增強(qiáng)保溫措施，降低對(duì)外換熱系數(shù)與外壁換熱面積，采用熱再循環(huán)降低排煙熱損，預(yù)熱低濃度甲烷預(yù)混氣體；并且氣流速度決定了低濃度甲烷氧化裝置的氧化處理能力。研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)低濃度甲烷氧化裝置提供指導(dǎo)。
　　 (3)對(duì)氣體在無(wú)瑞士卷結(jié)構(gòu)的單向直流式多孔介質(zhì)的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了氣流速度、孔密度(PPI)對(duì)阻力的影響；結(jié)果表明，在相同空隙率條件下，孔密度越大，氣

7、流速越大，流動(dòng)阻力越大；分析了氣流在顆粒填充床與泡沫陶瓷阻力產(chǎn)生的機(jī)理，得出若該兩種多孔介質(zhì)的比表面積及空隙率相等，且排列方式相同，兩者的流動(dòng)阻力近似相等；基于此，建立了泡沫陶瓷結(jié)構(gòu)模型，求出兩者相等時(shí)PPI與顆粒填充床的顆粒直徑函數(shù)關(guān)系，可直接利用泡沫陶瓷的特征參數(shù)(PPI，空隙率)，由顆粒填充床經(jīng)典模型-Ergun方程來(lái)預(yù)測(cè)流動(dòng)阻力；實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此方法在預(yù)測(cè)高空隙率的泡沫陶瓷流動(dòng)阻力是有效的；并確定了滲透阻力系數(shù)與慣性阻力系數(shù)的計(jì)

8、算式，為燃燒器中心多孔介質(zhì)的設(shè)計(jì)及其進(jìn)行泡沫陶瓷多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬研究提供了參數(shù)計(jì)算依據(jù)。
　　 (4)采用矩形鋼板拼接制作了矩形瑞士卷?yè)Q熱通道，并對(duì)對(duì)其進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同風(fēng)速、通道圈數(shù)對(duì)燃燒器的阻力損失分布和最大阻力的影響規(guī)律。結(jié)果表明，燃燒器通道內(nèi)的壓力隨與送風(fēng)點(diǎn)的距離增加而降低，彎頭處的局部阻力對(duì)直管段的沿程阻力影響較大；壓降隨著雙向逆流通道數(shù)目與風(fēng)速的增加而增加；風(fēng)速與總壓呈介于線性和拋物線之間的非線性關(guān)

9、系?；谘爻套枇途植孔枇剑捎镁C合阻力系數(shù)與平均局部阻力系數(shù)方法對(duì)瑞士卷結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，回歸試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到阻力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，結(jié)合多孔介質(zhì)流動(dòng)阻力研究結(jié)果，可為本燃燒器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考依據(jù)。該試驗(yàn)方法可推廣應(yīng)用于電力、水利、化工行業(yè)中具有多彎頭的結(jié)構(gòu)流動(dòng)阻力的研究。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為燃燒器通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)的初步選型、首次點(diǎn)火啟動(dòng)、熱態(tài)安全運(yùn)行提供必要的控制參數(shù)，同時(shí)為掌握燃燒器密封性能檢測(cè)方

10、法提供依據(jù)。
　　 (5)根據(jù)瑞士卷燃燒器初樣、矩形瑞士卷燃燒器及內(nèi)置剛玉管螺旋板換熱器方案在加工與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，不斷優(yōu)化燃燒器的設(shè)計(jì)方案與加工方法，最終確定了外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器的最優(yōu)設(shè)計(jì)加工方法，制作了燃燒器，并進(jìn)行了燃燒特性實(shí)驗(yàn)，對(duì)其點(diǎn)火預(yù)熱啟動(dòng)過(guò)程，及其不同預(yù)混氣體濃度、流量等工況參數(shù)條件下的溫度分布、排放進(jìn)行了測(cè)量；分析了燃燒器的啟動(dòng)方法以及流量、預(yù)混氣體濃度等有關(guān)工況參數(shù)對(duì)其燃燒特性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，

11、優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方法確保了燃燒器加工方便及其密封等特性要求；外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器可有效拓展燃料的貧燃極限，具有較大的功率調(diào)節(jié)范圍與較好的火焰穩(wěn)定性；并對(duì)裝置在實(shí)際工程化應(yīng)用方面，提出了采用單元燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
　　 (6)提出將外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒器應(yīng)用于天然氣富燃制氫，可實(shí)現(xiàn)裝置的自保溫、產(chǎn)物自冷卻，能量利用率高、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足小規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)制氫的要求；對(duì)富燃制氫過(guò)程進(jìn)行了化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬，計(jì)算結(jié)果表明，增大停留時(shí)間，提高

12、反應(yīng)溫度，選擇合適的化學(xué)當(dāng)量比是提高制氫效率的關(guān)鍵所在；并且進(jìn)行了天然氣/空氣預(yù)混氣在當(dāng)量比1.25～2.50，總流量60～120L/min條件下的富燃試驗(yàn)，研究了其自熱重整制氫的燃燒特性。結(jié)果表明，富燃情況下可實(shí)現(xiàn)自維持燃燒，自穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間較快；瑞士卷結(jié)構(gòu)的有效預(yù)熱與中心多孔介質(zhì)的蓄熱，提高反應(yīng)溫度至1600K以上，可實(shí)現(xiàn)超絕熱富燃制氫。
　　 (7)對(duì)氣體在外置瑞士卷多孔介質(zhì)燃燒過(guò)程進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，建立了外置瑞士卷多孔介質(zhì)