（动力工程及工程热物理专业论文）低浓度煤层气燃烧器数值模拟及试验.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 煤矿井下抽放的煤层气甲烷体积浓度在3 0 左右，热值较低难于利用，大多 是未经利用直接排空，既造成了环境污染又是能源的浪费。研究开发能高效清洁 燃烧这种煤层气的燃烧器对于缓解我国能源紧张、控制煤层气污染以及合理利用 煤层气资源都具有很好的经济效益和环境效益。 文中对三种结构的低热值煤层气燃烧器进行了三维燃烧数值模拟和试验研 究。模拟预测了不同结构的燃烧器在不同热负荷下的流动和燃烧特性变化；对经 过模拟优选出来的燃烧器进行了工业试验，考察了燃烧区域的火焰特性和温度分 布，并测试了不同工况下的燃烧效率。 数值模拟采用标准k - e 湍流模型、通用速率模型和漩涡耗散模型及p 1 辐射换 热模型对三种结构的燃烧器( b 1 、b 2 、b 3 ) 进行燃烧模拟表明：三种结构的燃 烧器燃烧效率都达到9 9 以上，扩散式燃烧器b 1 、b 一2 燃烧效率较低，其中b 1 燃烧效率最低；部分预混式燃烧器b 3 燃烧效率最高，高温区域分布广，射流刚 性好，速度衰减慢，其综合性能最好。进一步的数值模拟考察了部分预混式燃烧 器b 3 在搭配三种不同角度( 1 4 9 3 0 、9 4 6 0 、3 8 1 0 ) 的渐扩出口下的燃烧效率， 结果表明当其搭配扩张角度为3 8 1 0 的扩口时的燃烧效率最高。 把加工好的b 3 燃烧器安装于某改造后的锅炉上进行工业试验。试验研究结 果表明，燃烧器在不同热负荷下均能稳定燃烧，不回火、不脱火，有较宽的负荷 调节能力，燃烧温度高，高温段距离长、火焰刚性好。2 5 1 0 0 热负荷下燃烧效 率都在9 9 以上。 数值模拟和工业试验结果基本吻合，研究结果为低热值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。 关键词：低浓度煤层气，燃烧器，数值模拟，试验研究 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a bs t r a c t c o a lb e dm e t h a n et h a tc o n t a i n s3 0 m e t h a n ev o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o ni sd i f f i c u l t t ou s e ，f o ri t sl o wc a l o r i cv a l u e m o s t l yd i s c h a r g e dw i t h o u tu t i l i z a t i o n ，n o to n l yp o l l u t e a i rb u ta l s ow a s t ee n e r g ys o u r c e s s t u d y i n ga n de x p l o i t i n gas p e c i a lb u r n e rs u i tf o r b u m i n gt h i sc o a lb e dm e t h a n ee f f i c i e n t l ya n dc l e a n l yi se n d o w e d w i t hg o o de c o n o m i c ， s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i tf o rr e l i e v i n ge n e r g ys o u r c e si n t e n s i t y , c o n t r o l l i n gc o a l b e dg a sp o l l u t i o na n du t i l i z i n gc o a lb e dg a ss o u r c e sr e a s o n a b l y r n l e 血ns i z et h r e e d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h r e el o wc a l o r i f i cv a l u ec o a l b e dm e t h a n eb u r n e r sa r ec o n d u c t e d t h c c h a n g i n gr u l e so fb u r n e rs t r u c t u r ea n dh e a tl o a do nf l o w i n ga n db u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c o fb u r n e ra r ep r e d i c t e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec h a n g i n gr u l e so fb u r n e rs t r u c t u r e a n dl o a do nt h ei n t e r i o rf l o w i n gr e s i s t a n c eo fb u r n e ra r ec a l c u l a t e d 1 1 1 ec h a n g i n gr u l e s o f b u r n e rs t r u c t u r ea n dh e a tl o a do nf l a m ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n b u r n i n gr e g i o na r ei n v e s t i g a t e di nh e a ts t a t ee x p e r i m e n t a d o p t i n gs t a n d a r dk - et u r b u l e n tm o d e l ，s p e c i e st r a n s p o r tm o d e l ，e d d yd i s s i p a t i o n m o d e la n dp 1r a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rm o d e lt os i m u l a t eb u r n i n go fb u r n e r , t h er e s u l t s s h o wt h a tb u r n i n ge f f i c i e n c yo ft h r e eb u r n e r sr e a c h9 9 ，p a r t - p r e m i x e db u r n e r ( b - 3 ) i s h i g h e s t ，d i f f u s i o nb u r n e r ( b - 1 ，b - 2 ) i sl o w e r , b 一1i sl o w e s t f o rp a r t - p r e m i x e db u r n e r ( b 3 ) ，b u r n i n gt e m p e r a t u r ei sh i g ha n dd i s t r i b u t i o no fh i g ht e m p e r a t u r er e g i o n i sm o s t e x t e n s i v e ，j e tf l o wr i g i d i t y i sf i n e ，a t t e n u a t i o no fv e l o c i t yi ss l o w , d i a m e t e ro f m a i n s t r e a ma r es m a l l e s t f o rd i f f u s i o nb u r n e r ( b l ，b 一2 ) ，b u m i n gt e m p e r a t u r ei sl o w e r , a t t e n u a t i o no fv e l o c i t yi sq u i c k s y n t h e t i cp e r f o r m a n c eo fp a r t p r e m i x e db u r n e r ( b 一3 ) i sf i n e f u r t h e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nb u r n i n ge f f i c i e n c yo fp a r t p r e m i x e d b u r n e r 、析md i f f e r e n ts p o u ta n g l ei sc o n d u c t e d t h er e s u l t sp r e d i c tt h a tb u r n i n g e f f i c i e n c yo ft h i sb u r n e ri sh i g h e s tw h e ns p o u td i f f u s i v ea n g l ea m o u n t s 3 81o i n d u s t r i a lw a sd o n et ob 3b u r n e r , t h er e s u l t so fb u m i n gi n d u s t r i a lt e s ts h o w s t h a tt h eb u r n e rb u m ss t e a d i l y , n ob a c k f i r ea n df l a m e o u t ，h a v ec a p a b i l i t yo fw i d e rl o a d r a n g er e g u l a t i o n ，h i g hb u r n i n gt e m p e r a t u r e ，f m ef l a m er i g i d i t y , l o n gh i g ht e m p e r a t u r e r e g i o n ，a n dw i d t ho ff l a m ei sn a r r o w , d i f f u s i v ea n g l eo ff l a m ei ss m a l l f r o m2 5 t o 10 0 l o a d ，c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo fb u r n e rm a i n t a i n so v e r9 9 t h er e s u l t so ft e s ta r em o s t l ya g r e e m e n t 、析t hs i m u l a t i o nr e s u l t s t h i ss t u d y e s t a b l i s h e st h e o r e t i ca n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o r i n d u s t r i a la p p l i c a t i o na n df m a l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 c o m m e r c i a l i z a t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o nc o a lb e dm e t h a n eb u r n e r k e y w o r d s ：l o wc o n c e n t r a t i o nc o a lb e dm e t h a n e ，b u r n e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i n d u s t r i a lt e s t i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈。交的退 士 学位论文 匦趣赵望鎏越篷塑诬厘丛垒塑澎红我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 学位论文作者签名： 导师签名： 知浅 签字日期：五哆) 签字日期： 学位论文使用授权书 6 夕 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 、，、 下简称“章程” ) ，愿意将本人的舀吐学位论文；c 叁礁缝匡堑! 鳖逝鱼硷脚嘲掺 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 导师签名 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! q 逐装订在提交的学位论文最后一页。 弓厂 静 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 中国是世界上最大的煤炭生产国，也是排放甲烷最多的国家。我国每年因煤 炭开采而排入大气中的煤层气达1 5 0 - - 2 0 0 亿标准立方米，占全世界因采煤而排入 大气的甲烷总量的3 4 ，居世界第一位【l 】。而且随着矿井不断向深部延伸，煤层瓦 斯含量随煤层埋深增加而变大，矿井瓦斯涌出量会越来越大。 煤层气( 煤层甲烷、煤层瓦斯) 是一种在成煤过程中生成并以吸附和游离状 态赋存于煤层及其围岩中的以甲烷为主的自储式非常规天然气。是经地壳运动被 埋入地下的古代植物，在地热和厌氧细菌的作用下与煤同时生成的。煤层气生成 作用有生物成因和热成因两种，生物成因气是有机物在微生物作用下分解并具备 缺氧、低硫酸盐浓度、低温、高p h 值、充足的空隙空间、快速沉淀，经过一系列 复杂的作用下生成的；热成因气是随着煤层温度升高、压力增大、煤化作用增强， 有机质在深成热解作用下生成的甲烷气。煤层甲烷是指聚集于煤层之外其他储层 中的煤层伴生气；煤矿瓦斯则是专指随着煤层的开采不断涌入煤矿坑道的甲烷气 体。矿井瓦斯气主要可燃成分是c h 4 ，常常危及矿井安全和污染大气。矿井瓦斯 气作为一种新兴、洁净、高效的能源已引起世界各国的瞩目。 煤层气在煤矿开采时被释放出来，是矿井开采工作中的灾害因素，具有燃烧、 爆炸和突出危险。如果空气中甲烷含量在5 1 6 之间，氧含量超过1 2 ，存在 高温热源则会发生爆炸。浓度高时还会使人因缺氧而窒息死亡。据有关部门确认， 我国由瓦斯引起的事故造成人员伤亡数占总矿井事故的3 0 - - - 4 0 ，瓦斯事故已占 到煤矿事故的8 0 以上，造成的伤亡占特大事故伤亡人数的九成【2 】。煤层气所含的 主要成分甲烷( c h 4 ) 是一种温室气体，甲烷比二氧化碳( c 0 2 ) 具有更强的温室 效应，在1 0 0 年期限内，每克c h 4 的温室效应约为每克c 0 2 的2 0 - - 6 0 倍。对臭氧 层的破坏能力是c 0 2 的7 倍i l 】。c h 4 是除c 0 2 外最主要的温室气体，其温室效应 在全球温室效应中所占的比例约为1 8 ，仅次于c 0 2 。煤层气的过度直接排放必 然对地球的气候和生态环境造成严重破坏；另一方面，煤层气也是一种优质洁净 能源，其主要可燃成分c h 4 的低位热值是3 5 9 0 6 k j n m 3 ，煤层气燃烧排放的污染物 大体上是石油的1 4 0 ，燃煤的1 8 0 0 ；燃用同样热值的煤层气，排放的颗粒物只是 煤炭的1 6 1 6 ，s 0 2 为燃煤的1 1 2 0 ，c o 只是燃煤的1 1 3 2 ，远远低于燃煤排放的 污染物的量1 3 西j 。所以开发利用煤层气具有安全、环保、节能多重意义，对优化我 国能源结构，保护大气环境，改善煤矿安全条件，从根本上解决煤矿瓦斯灾害问 题，都具有重大的意义，是我国实施可持续能源发展战略的必然选择。 重庆大学硕十学位论文1 绪论 我国是煤炭资源大国，煤层气资源极为丰富。据全国煤层气资源评价2 0 0 5 年的研究成果，在埋深3 0 0 - - - 2 0 0 0 米范围内，我国煤层气资源量为3 6 8 1x 1 0 1 2 m 3 ， 约占世界煤层气总资源量的1 4 ，相当于4 1 0 x 1 0 8 t 燃油，5 2 5 x 1 0 8 t 标准煤，与陆 上常规煤层气资源量3 8 x 1 0 1 2 m 3 相当，位居世界第三1 6 j 。其中可采资源量为 1 0 8 7 x 1 0 1 2 m 3 。重庆地区拥有丰富的矿井煤层气资源，煤层气储量勘明的有7 4 4 亿 m 3 。但我市一年的煤层气抽取量仅为1 6 亿m 3 ，利用率低于3 0 。重庆各大煤矿 ( 如松藻、钟梁山、南桐等) 有大量煤层气资源，仅松藻煤矿，2 0 0 3 年煤层气抽 放量已达9 9 8 4 万m 3 ( 纯量) ，预计到2 0 1 0 年松藻矿区年抽放量4 0 0 0 0 万m 3 a 。 中梁山煤田以一2 0 m 水平计尚有瓦斯气资源3 9 9 7 亿m 3 。南桐矿区以2 0 m 水平计尚 有瓦斯气资源3 0 多亿m 3 。 国外利用煤层气起步较早，技术也较成熟。美国在煤层气的开发和利用处于领 先地位，已形成产业化；俄罗斯等国已将煤矿床看作“煤甲烷”矿床，把煤层气 视同煤一样进行开发利用；我国的煤层气产业仍处于发展的初期阶段，产量规模 小，在实施抽放的矿井中，煤层气平均抽放率只有2 3 左右【j 7 8 】，而发达国家的抽 放率可高达8 0 以上【9 j ，我国煤炭开采直接排入大气中大量煤层气，一方面是资源 极大的浪费，另一方面也是对大气环境的很大污染。 根据开发形式的不同，煤层气可分为地面开发煤层气、煤矿井下抽放煤层气。 一是地面钻井开采，技术上与天然气的开采近似，采出的矿井瓦斯成分以c h 4 为 主，并包含其它烃类化合物等，称为地面钻井开采的矿井瓦斯，二是通过井下瓦 斯抽放系统和地面输气系统进行抽放，称为抽放瓦斯，采出的矿井瓦斯浓度变化 范围较大，标准规定c n 4 的体积分数3 0 以上可以利用。煤矿井下抽放煤层气是 出于煤矿安全生产的需要，在煤矿开采前、中、后从煤体及围岩中抽取的煤层气， 其特点是c h 4 浓度低，一般在3 0 , - 一6 0 之间，其余则主要是n 2 和c 0 2 等惰性气 体，此外还含有微量的粉尘和有害气体，如h 2 s 、n o x 等。以往此部分煤层气仅有 少量抽取利用，多数作为有害气体排放到大气中，一方面造成资源浪费、污染大 气环境；另一方面又危及矿井安全。因此，无论是从能源利用，还是从环境保护 和煤矿安全生产的角度出发，综合利用煤矿井下抽放煤层气对缓解我国能源紧张、 控制煤层气污染及开发与合理利用煤层气资源都具有重要意义，是实现我国煤层 气产业化的重要环节。本课题j 下是为了开发和利用边远地区的煤矿井下抽放煤层 气资源，使这些以前无法开发利用的资源优势真正转化成为经济优势，实现资源 化利用，减少环境污染，具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。 1 2 低热值煤层气的利用 我国煤层气开发利用起步较晚n o l ，从5 0 年代起到目前的几十年，其发展大体 2 重庆人学硕士学位论文1 绪论 可分为三个阶段： 第一阶段：减少煤矿矿井瓦斯灾害的井下抽放与利用阶段( 1 9 5 2 1 9 8 9 ) 。这 一阶段从2 0 世纪5 0 年代开始，到7 0 年代术，主要目的是为减少煤矿瓦斯灾害而 进行的煤矿井下瓦斯抽放，基本都排放到大气中去了，很少进行研究利用。这种 状况目前在我国矿区还很常见。 第二阶段：煤层气勘探开发试验初期和煤层气井下抽放利用阶段( 1 9 8 9 1 9 9 5 ) 。这一阶段从2 0 世纪7 0 年代末，到9 0 年代初我国先后在辽宁、山西、河 南、湖南等矿区先后打过地面钻孔4 0 余个并且进行了水力压裂试验和研究。同时， 大量的井下抽放和利用项目逐步的展开，至1 9 9 3 年井下抽放系统年抽放量达4 亿 m 3 ，部分地区已经开始将煤层气用于工业生产和居民生活。 第三阶段：煤层气产业逐渐形成发展阶段( 1 9 9 6 至今) 。从9 0 年代开始，我 国在3 9 个地区施工1 8 0 口煤层气参数或参数试验井，对全国范围内的资源分布及 储层参数条件有了一个概貌性的认识，基本上明确了在当前的技术经济条件下煤 层气开采的有利地区和今后的发展方向。1 9 9 8 年我国煤层气开发达到了第二次高 潮。由于与中方签订了开发合同，在美国开发煤层气经验丰富的德士古( t e x a c o ) 、 阿科( a r c o ) 、菲力浦斯石油( p h i l i p sp e t r o l e u m ) 等大公司在各自的合同区内开始 了的试验一评价计划，中国煤层气联合开发公司也在几个地区进行试验。 煤层气利用方式主要有以下几种【1 1 。1 7 】： 民用燃气 煤层气利用系统一般由瓦斯泵、瓦斯罐、调压站和输气管道组成。当甲烷浓度 大于3 0 ，气体混合物中无有害杂质，并具有足够的气源、稳定的气压时，煤层 气可以用于民用，主要供应矿区居民的炊事和供热以及矿区食堂、幼儿园、学校 等公用事业用气。一般含甲烷3 5 - - 一4 0 的供民用的煤层气，不含其他干馏有害杂 质，无需复杂的净化工艺，与人工煤气和天然气相比，它不需另建气源厂，瓦斯 气的民用具有投资少和效益高的特点，已在各矿区迅速推行。 瓦斯发电 瓦斯气发电是当前正在积极开发应用的技术。煤层气发电对甲烷浓度要求不 高，甲烷含量在9 1 0 0 的煤层气均可用于发电。煤层气发电采用的技术主要有 往复式发动机驱动发电机发电、燃气轮机发电、汽轮机发电和燃气轮机与汽轮机 联合发电。燃气轮机要求纯甲烷浓度在4 0 以上；内燃机则要求在为3 0 - - 一8 0 。 截至2 0 0 8 年4 月底，全国瓦斯发电机组总装机容量达7 1 万千瓦。 用作化工原料 煤层气制取化工原料和产品主要有两条途径：一是甲烷化学，属直接利用；二 是合成气化学( 包括甲醇化学) ，属间接利用。煤层气可以直接加工成化工产品， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 或间接加工成精细化工产品。这些产品当中的合成氨、甲醇、炭黑、乙炔都是我 国发展化学工业急需的化工原材料。 瓦斯提纯 目前，国内瓦斯提纯还没有应用实例，而国外现行的瓦斯提纯技术有两种：其 一为变压吸附，即利用碳分子筛在低压状态下对氮分子的吸附和高压状态下对氮 分子的解吸特性来过滤氮气从而提纯瓦斯；其二为深冷，即利用甲烷与氮气液点 的不同，通过深冷液化甲烷排放氮气，从而提纯瓦斯。两种途径相比较，变压吸 附法成本较低，操作相对简单，设备维护费用较低，但却只能除去氮气；而深冷 法可以除去所有污染物，回收率较高，产品纯度也较高。 1 3 气体燃料及燃烧器 1 3 1 气体燃料的分类和燃烧 气体燃料是由多种可燃与不可燃单一气体成分组成的混合气体，可燃成分包 括碳氢化合物、氢气及一氧化碳等，不可燃成分包括氧气、氮气和二氧化碳等。 通常按照燃气的获得方式分为天然气燃料和人工气体燃料两大类。天然气是指动 植物通过生物、化学作用及地质变化作用，在不同地质条件下生成、转移，在一 定的压力下储集，埋藏在深度不同的地层中的优质可燃气体。一般可分为气田气、 油田伴生气、凝析气田气、煤层气和矿井气五种。人工气体燃料是以煤、石油或 各种有机物为原料，经过各种加工方法而得到的气体燃料。人工气体燃料主要有 气化炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、液化石油气、油制气以及沼气等。 天然气、液化石油气和焦炉煤气属高热值燃气，其低位热值一般不低于 1 5 0 0 0 k j n m 3 ，而高炉煤气、转炉煤气等的低位热值一般低于7 0 0 0 k j n m 3 ，属低热 值燃气。和煤或石油燃料相比，气体燃料一般具有环境污染小、输运方便和使用 灵活等优点，是公认的高效、清洁能源。 气体燃料的燃烧一般包括三个基本过程：燃料与空气的混合过程：混合气体 的升温和着火过程；混合气体的燃烧过程。前两个过程本质上是燃料和氧化剂之 间发生物理性接触的过程。因此，气体燃料燃烧所需要的全部时间由两部分组成： 燃料与空气间发生物理性接触所需的时间f 。和进行化学反应所需的时间h ，即： f = f 肋+ ( 1 。1 ) 对气体燃料来说，f 抽就是燃气和氧化剂的混合时间，如果混合时间和进行化 学反应所需的时间相比非常小，即f 抽，则f 吃，此时称燃烧过程在动力区 进行。如果燃料与氧化剂混合所需要的时间与化学反应所需要的时间相比非常大， 即t p h ，则r ，此时称燃烧过程在扩散区进行。当燃烧过程在动力区进行 时，燃烧速度主要受化学动力学因素的控制，如反应物的活化能、混合物的温度 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 和压力等。当燃烧过程在扩散区进行时，燃烧速度主要受流体动力学因素的控制， 如气流的速度、流动过程中所遇到的物体的尺寸大小和形状等。动力区和扩散区 是燃烧过程的两个极限区，两者之间的燃烧过程称为中间区或动力一扩散区。在中 间区，燃烧过程所需的物理性接触时间和化学反应时间相近，即f 曲，此时的 情况就较复杂，燃烧速度与化学动力学和流体动力学都有关。一般用一次空气系 数口( 即燃烧反应前预先和燃气混合的空气量与理论空气量之比) 来区分燃烧过 程所属的区域。扩散区燃烧时，；动力区燃烧时，口1 ；中间区燃烧时，o a 1 0 4 ) ；模型和原型流出气流的动量 比相等。其特点是不需要花费大量的时间和财力就可以对燃烧器在燃烧空间的流 动和燃烧特性进行研究，也可应用于新方案的预测研究。但是该方法需要很大的 工作量，同样也受测试仪器和方法的局限。即便如此，实验研究燃烧器仍然是国 内外专家普遍采用的研究手段，特别是各种高精度测试仪器的出现和测试方法的 改进，该方法更加受到重视【2 3 2 8 j 。 自六十年代中期开始，随着计算流体力学和计算燃烧学的逐步完善，以及计 算机技术的迅猛发展，以英国s p a l d i n g a g o s m a n 和美国s vp a t a n k a r 为代表的计 算流体燃烧学家创造性地引入了通用微分方程的概念，编制了一系列通用计算机 程序，为流动和燃烧过程的数学模拟开辟了新道路。国内外不少热工专家已经成 功地利用数值模拟的方法对燃烧器的实际流动和燃烧过程进行了计算机模拟，并 和实验结果取得了很好的吻合。数值模拟法是采用一组代数或微分方程的控制方 程来描述一个过程或一个过程的某个方面，采用数值方法求解这些方程，以或得 会过程的定量认识。数值模拟的结果能够提供整个计算域上所有有关变量的值。 数值模拟具有速度快、费用低等特点。数值模拟方法首先将计算区域划分成很小 的计算单元( 网格) ，采用数值法对离散的方程进行迭代计算求解。该方法在一定 程度上取消了比较费时、费力的试验工作，能够灵活地在计算机上改变燃烧器的 结构和不同的运行条件，从而避免了现场实测的困难和物理模型与原型不尽相似 的缺陷，具有极大的优越性和前景【2 9 3 0 1 。 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 5 低热值气体燃烧器研究现状 低热值燃气是我国燃气气源的重要组成部分，具有广阔的应用前景。近来， 随着世界范围内的能源紧缺和人们环境保护意识的增强，低热值气体燃烧器的研 究开发受到国内外的广泛关注，我国不少专家和企业也积极投入到该类产品的研 发工作中，吸收国外的先进技术和经验并取得了一定的成效。中国航天科技集团 公司第1 1 研究所成功研发出低压低热值煤气燃烧器i 引j ，其结构见图1 6 。该燃烧 器具有宽负荷调节比、燃烧效率高等特点，其结构上采用了独特的三层结构，能 有效降低燃烧器外壳的温度，同时将空气预热。 事气 i 燃睾萼气锗2 火编躲测器搽安3 中气镑 4 巾嬲筒，外壳6 寝被注笆7 慰焰简 8 翻气f i j 流巍9 窄气喷镑 i 伊牛气总镎 i l 巍撬点火棒1 2 托扳a 。：窀靠t 喷魏 c ，m 一颦气分漉4 1 c - - 燃车毒q 喷毳 图1 1 新型低压低热值煤气燃烧器 f i g 1 1 n e w t y p el o wp r e s s u r ea n dc a l o r i f i cv a l u ec o a lg a sb u r n e r 靳世平、陈丽湘等华南理工大学的学者和宝钢自备电厂合作，将回流区分级 着火技术应用于低热值高炉煤气( b f g ) 燃烧，成功地设计出高炉煤气开缝钝体 燃烧器【3 2 1 ，其结构见图1 7 。由于低热值煤气往往含有大量的不可燃成分，需要更 多的着火热才能使其着火，所以火焰不稳定。而通过回流区分级着火技术将一小 部分空气直接送入回流区，充分利用回流区流速低、温度高的特点，使这部分空 气率先和燃料燃烧，给主流提供稳定的着火源，从而使燃烧得到了稳定和强化。 8 重庆大学硕士学位论文 口攥凰 图12 高炉煤气开缝钝体燃烧器 f i g1 2s l i t b l u f f - b o d y b u r n e r f 打b l a s t f i u n a c e g a s 东北大学材料与冶金学院王爱华等针对我国工业炉窑煤气热值不高的实际情 况，设计出一种新型的高效蓄热d r l 燃烧器p 3 l ，该燃烧器燃烧采用双蓄热方式， 如图1 8 所示，具有燃烧效率高，n o x 排放低等优点较好解决了低热值煤气的燃用 问题。马钢股份公司热电厂的居思洋等对原有的高炉煤气燃烧器进行改造获得成 功m j 改造后的燃烧器见图1 9 。该燃烧器中心管通入焦炉煤气，热值高，作用是 点火和低负荷下助燃。其显著特点是采用了双旋流装置，大大促进了高炉煤气和 空气的混合过程，解决了原有燃烧器着火区距离长，燃烧效率低的问题。沈阳拓 峰燃烧工程技术中心所设计的燃烧器可以燃烧浓度1 0 9 0 的煤层气，煤层气浓度 和成分变化时，无需更换燃烧设备，只需进行相应的设备调整为低压低热值煤 层气的直接高效燃烧提供了直好的途径。 p 埠气 mp 堪气 8 图1 3 d r l 燃烧器 图14 高炉煤气双旋流燃烧器 f 1 3 d o u b l er e g e n e r a t i v el o w n o x b u r n e r f i g1 4 d o u b l es w i d i n g b w n e r f o r b f g 在煤气燃烧方面，目前国内通常使用的是非预混式煤气燃烧器又名“燃烧筒 重庆大学硕士学位论文1 绪论 式气体燃烧器。此类气体燃烧器同结构即由金属导管、燃烧筒及烧嘴砖三大部 件依次联成。为加强燃气空气的混合，有些气体燃烧器还装有旋流稳焰器，燃烧 筒内空气燃气混合物经点火器点燃后，产生的高温烟气通过烧嘴砖的缩口喷入炉 膛。但该型燃烧器存在有许多缺点，如体积过大、排放超标、燃烧效率低等。文 献提出了一种新型燃烧器，将空气分四段送入，用送入空气冷却自身，空气与燃 气强烈混合，降低了n o x 生成，提高了燃烧效率，但是增大了结构复杂度。 朱彤、张毅勐等采用h 湍流双方程模型、p d f 燃烧模型以及离散坐标辐射传 热模型，对低热值煤气高温空气燃烧过程进行了数值模拟，为低热值煤气蓄热式 双预热烧嘴的研制提供了理论指导p 引。王家楣，彭峰等采用r e a l i z a b l ek - e 模型、 有限速度燃烧模型对一种中低热值废气处理燃烧器的三维流动和燃烧进行了数值 模拟，根据模拟结果对燃烧器结构进行了合理的改进，使燃烧器的流动、燃烧以 及化学反应均得到明显的改善【3 6 。 1 6 研究内容和方法 研究内容： 数值模拟研究不同结构燃烧器在不同工况下流动和燃烧特性 工业试验研究低浓度煤层气燃烧器的火焰特性、燃烧温度分布和燃烧器效 率。 研究方法： 采用理论与实际相结合的方法。利用c f d 软件f l u e n t 对三种燃烧器不同工 况下的流动和燃烧进行数值模拟，论证最优结构类型。并选用最优结构的燃烧器 在锅炉上进行工业试验，研究火焰特性及温度分布情况，并测试不同工况下的燃 烧效率。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 物理模型和数学模型 2 物理模型和数学模型 2 1 物理模型 燃烧器的结构决定了其流动和燃烧特性，结构参数决定了燃烧器出流动状 态，进而影响整个温度场和速度场的分布。合理的燃烧器结构尺寸能保证燃烧器 的流动阻力在合适的范围内，保证燃烧器出口燃气和空气的均匀混合，提高燃烧 效率，有效地避免运行中出现回火和熄火现象，确保燃烧器安全、稳定、高效燃 烧。 2 1 1 燃烧器结构 课题研究对象为三种不同结构的燃烧器，两种是扩散式燃烧器一种是部分 预混燃烧器圈21 是三种燃烧器的结构简图，图2 1 中( a ) 、( b ) 、( c ) 三个图中 所示的三种结构燃烧器分别记傲b 1 、b 2 、b - 3 。b - 1 燃气经燃气八口进入中心管， 经燃气喷口进入燃烧嚣出口渐扩段，空气经空气入口进口进入环腔经由燃气喷 u 周围的1 2 个空气喷口进入燃烧器喷口渐扩段；b - 2 不同于b - 1 之处是在燃气喷 口内侧有1 2 个径向小孔，一部分燃气经过这些小孔沿着径向喷出，在空气喷口外 侧一周有1 6 个空气喷孔，一部分空气从小孔喷出，以加强空气和燃气的混合作用； b 3 相比b 2 在燃烧器喷口内侧小孔之前多开有一周1 2 个小孔，连通守气环腔 和燃气中心管，以使部分空气进入燃气中心管，与燃气预先混合。 幽2 1 燃烧器结构简圈 f i g2is t r u c t u r a l d i a g r a m o f c a m b u s t o r 燃烧器管道和进出口尺寸参数见表2 1 重庆人学硕士学位论文 2 物理模型神暾学模型 表21 燃烧器进出口尺寸参数 燃烧器b 1b - 2 b 3 把燃烧器的内部空m 作为研究对象画出物理模型，三种结构燃烧器物理模型 纵向剖面图见图2 , 2 、23 、2 4 ： 图2 2b - i 物理模i u 剖面图 f i g 2 2b - 】s e c t i o n d i a g r a mo f p h y s i c a lm o d e l 重庆大学硕士学位论文2 物理模型和数学模型 幽2 3b - 2 物理模犁剖面国 f i g + 2 3 b - 2s e c t i o nd ia | g n l r no f p h y s i c a lm o d e l 图2 4b 一3 物理模型剖面凹 f i g2 4 b - 3s e c t i o n d i a g r a m o f p h y s i c a l m o d e l 2 1 2 燃烧器参数 燃料参数 用气相色谱仪对打个煤矿井下抽放煤层气样品分析，得出煤层气的平均甲烷 体积浓度在3 0 3 2 之间。其余则主要是n 2 和c 0 2 等不可燃气体。决定混合气体 燃料燃烧特性的主要因素是可燃气体浓度及其燃烧特性，故采用甲烷体积比为 3 0 、氮气体积比为7 0 的混合燃气对b 1 、b 2 、b 一3 燃烧器进行研究。 燃气低位发热值，= 3 0 3 5 9 0 6 k j n m 3 = 1 0 7 7 2 k j n m 3 燃气密度p - 10 8 9 k g n m 3 流量参数 燃烧器设计热负荷只= 15 m w 重庆大学硕士学位论文 2 物理模型和数学模型 选取过量空气系数a = 1 0 5 燃气总流量由下式确定： 只= 纰，r 式中：圪燃气流量，m 3 l l ； q 鲫，甜燃气低位发热值，k j m 3 ； ，7 燃烧效率，取9 9 。 燃烧所需的理论空气量由下式计算： 圪= 击2 燃烧器所需实际空气量由下式计算： v = a v o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：卜实际空气量，m 3 h ； 口过量空气系数 则根据表2 1 ，按公式2 1 到2 3 计算2 5 、5 0 、7 5 和1 0 0 负荷下燃气流 量和燃烧所需的实际空气流量【3 7 。4 1 1 ，结果见表2 3 。 表2 2 燃气和空气体积流量( n m 3 h ) t a b l e2 3v o l u m ef l u xo ff u e lg a sa n da i r ( n m h ) 鱼荷_ 1 0 0 p d7 5 p d5 0 p a2 5 e a c h 4 体积浓度为3 0 、n 2 体积浓度为7 0 的混合气体密度为1 0 8 9 k g n m 3 ，空 气密度为1 2 9 3 k g n m 3 ，可以计算出燃气和空气的质量流量，见表2 3 ： 表2 3 燃气和空气质量流量( k g s ) t a b l e2 3m a s sf l u xo ff u e lg a sa n da i r ( k g s ) 负荷一 1 0 0 e d 7 5 p a5 0 p d2 5 p a 燃气流量0 1 5 1 2 5o 1 1 3 4 40 7 5 6 2 50 0 3 7 8 1 实际空气流量0 5 4 0 00 4 0 5 00 2 7 0 00 13 5 0 流速参数 燃烧器的安全性是运行中应注意的首要问题，燃气和空气混合物气流速度小 于火焰传播速度时，会产生回火现象。防止回火的措施是增加气流出e l 速度或者 1 4 重庆大学硕士学位论文2 物理模型和数学模型 减小回火极限速度。增加气流出口速度需要提高头部静压力，减小回火极限速度 的主要措施是降低出口可燃物的温度。对于扩散式燃烧器而言，燃气和空气没有 预先混合，因此不存在回火的可能。 气体平均流速由式2 4 、2 5 确定： 圪：矿竺 ( 2 4 ) 莉型芦 式中：矿平均流速，m s ； 仇管路外径，m ； d 厂一管路内径，m 。 计算出空气和燃气的各处流速见表2 4 ： ( 2 5 ) 表2 4 空气和燃气流速( m s ) t a b l e2 4 v e l o c i t yo fa i ra n dr u e lg a s( m s ) 燃烧器b 1b 2b 3 对于扩散式燃烧器，因燃气和空气不预先混合，而是在喷出燃烧器之后边混 1 5 重庆大学硕士学位论文 2 物理模型和数学模型 合边燃烧，所以不存在回火和脱火的问题；当燃烧器结构为部分预混时，2 5 负荷 下喷口速度经计算为8 8 7 m s ，大于该孔径尺寸下回火速度【3 7 1 ，因此没有回火隐患。 低负荷时燃烧器燃烧时不回火，则高负荷时随着气体流速的相应提高，燃烧器的 运行更加安全。 流动阻力 要保证燃烧器额定负荷下的出力，其基本要求是在实际工作时，燃气和空气 的流量能满足要求。流量与进口各压力参数的相互关系决定了燃料燃烧的配比调 节关系及燃烧的稳定性。在流量一定的情况下，流速过大将引起动压能的显著升 高，同时增加气流的沿程阻力和流动阻力损失，对供气设备提出更高的要求。因 此，为保证燃烧器正常工作，必须保证燃烧器具有好的阻力特性。三种燃烧器在 2 5 和1 0 0 负荷下燃气和空气的平均流速见表2 4 。 燃气管路的流动阻力包括沿程阻力、局部阻力和出口动压头损失三部分。沿 程阻力按式2 4 计算： ，矿2 p = 名- 7 - ：- - p ( 2 一4 ) = 力 l j 式中：p 沿程阻力，p a ； 弘一气平均流速，州s ； 矿嘏气密度，k g m 3 ； b 沿程阻力系数 五= o 1 1 叫 ( 2 5 ) k 为管道内壁粗造度，d 为管道当量直径。 光滑钢管内壁粗糙度小，按此计算沿程阻力系数处于1 0 。2 数量级，又由于燃 气密度小，并且燃烧器内部气流流通长度为0 6 m ，所以沿程阻力较小，可以不予 考虑。所以燃气侧流动阻力主要由出口动压和局部阻力损失两部分组成。 总局部阻力损失按式2 5 计算： p = 孝。华 ( 2 6 ) 式中：p 局部阻力，p a ； 珞燃气局部流速，m m 磊局部阻力系数。 单侧燃气通道局部阻力主要由进口和喷孔出口阻力两部分组成，1 0 0 负荷情 况下燃烧器内部的主要流动阻力损失见表2 5 ，详细计算方法和局部阻力系数的选 择参见文献【4 1 4 2 l 。 1 6 重庆大学硕士学位论文2 物理模型和数学模犁 空气入口 图2 5 主要流动阻力位置 f i g 2 5 l o c a t i o no fm a i nf l o w i n gr e s i s t a n c e 表2 5 部分预混式燃烧器流动阻力损失( p a ) t a b l e2 5 f l o w i n gr e s i s t a n c el o s so fp r e m i x e db u r n e r ( p a ) 进口阻力损失截面突变阻力喷口阻力损失 燃烧器 a p l 损失仍 a p 3 全部阻力损失 由表2 5 可以看出，三种结构燃烧器中，b 2 流动阻力最小，b 3 流动阻力最 大，为1 7 5 p a 。三种结构燃烧器流动阻力都较小，说明三种燃烧器及喷口的结构选 取合理，阻力特性较好。 2 2 数学模型 2 2 1 流动 湍流流动是自然界中常见的流动现象，在多数工程技术领域中流体的流动往 往处于湍流状态，本文所研究的流动也是湍流流动，湍流特性在工程中占有重要 的地位。湍流运动的