（动力工程及工程热物理专业论文）低热值煤层气燃烧器结构设计及优化的研究.pdf

studies on structural design optimization of low calorific value coal-bed gas burner a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by cai song supervised by prof. zhang li major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china may 2011 中文摘要 i 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- 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。 关键词：冷态实验，热态实验，数值模拟，低热值煤层气，燃烧器 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract calorific value of coal bed methane that contains 30% methane concentration is lower, the use is difficult, when combusted with coal gangue in cfb or directly applied steam boiler, there will be many problems if apply conventional burner for example combustion instability, flame penetration is not enough and so on,this has resulted in lower combustion efficiency, larger pollutant emissions, unstable operation and other issues. therefore, the research and development of low calorific value coal bed methane burner has important industrial application value and academic significance. on the basis of analyzing the advantages and disadvantages of burners, the burner is design for the low calorific value coal bed methane. fluent numerical simulation is used,the optimal ratio of swirling wind and straight wind，the best guide vane angle and blade number are gained, and further analyze the advantages and disadvantages for both before and after improvement burner. the loss of flowing resistance with the change of load and the relationship between swirl intensity and excess air ratio are studied in cool state experiment. burner flame characteristics and the distribution of temperature field are studied in hot state experiment. adopting finite rate model, realizable k- turbulent model and the p-1 radiation heat transfer model to simulate burning of burner, the results show that when the swirling wind accounted for 20%, straight wind shared 80% of the wind, the air jet not only has strong strength, which improved the stiffness of the jet flame post, but has a strong swirl intensity, which improved mix of the gas and air; when guide vane angle is 60 degrees and the number of guide vane is 6, it is not only conducive to the protection of the burner nozzle, and mass fraction of methane decreased rapidly along the central axis, complete combustion. the temperature of the optimized burner increased faster along the central axis than the original burner. temperature peak is closer from the nozzle, effect of stable combustion is better than the original burner. the cold state experiment shows that as the load increases, the burner pressure loss and swirl intensity of the center of the burner nozzle exit are also increasing. in the same load, swirl intensity does not vary with excess air ratio changes. the hot state experiment shows that the optimized burner at different heat load can stably combust, flameout occur and no backfire; the temperature of the optimized burner increased 重庆大学硕士学位论文 iv faster along the central axis than the original, high temperature peak, high temperature region are widely distributed along the radial direction. the experimental results and numerical simulation results are basically consistent with the maximum error is 9%, indicating that the experimental results and numerical simulation results are reliable. keywords: cold state experiment, hot state experiment, numerical simulation, low calorific value coal-bed methane, burner 目 录 v 目 录 中文摘中文摘要要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 . 1 1.2 煤层气开发利用现状煤层气开发利用现状 . 2 1.3 气体燃烧器研究和利用现状气体燃烧器研究和利用现状 . 5 1.3.1 燃气燃烧的方法 . 5 1.3.2 气体燃烧器的种类及特性 . 6 1.3.3 目前气体燃烧器的研究现状 . 9 1.4 目前气体燃烧器的研究还存在的问题目前气体燃烧器的研究还存在的问题 . 13 1.5 课题研究的主要内容以及研究方法课题研究的主要内容以及研究方法 . 14 2 低热值煤层气燃烧器结构设计低热值煤层气燃烧器结构设计 . 15 2.1 原始设计参数原始设计参数 . 16 2.2 燃气和空气流量计算燃气和空气流量计算 . 16 2.3 燃烧器结构尺寸计算燃烧器结构尺寸计算 . 16 2.4 本章小结本章小结 . 20 3 低热值煤层气燃烧器结构优化的数值模拟低热值煤层气燃烧器结构优化的数值模拟 . 21 3.1 物理模型物理模型 . 21 3.2 数学模型数学模型 . 22 3.2.1 基本的控制方程 . 22 3.2.2 湍流模型 . 23 3.3.3 辐射模型 . 24 3.3.4 燃烧模型 . 24 3.3 边界条件以及求解方法边界条件以及求解方法 . 25 3.3.1 边界条件 . 25 3.3.2 网格划分 . 26 3.3.3 求解方法 . 27 3.4 模拟结果及分析模拟结果及分析 . 27 3.4.1 速度场分布情况 . 27 3.4.2 温度场分布情况 . 30 3.4.3 浓度场分布情况 . 34 重庆大学硕士学位论文 vi 3.4.4 导流叶片倾角以及叶片数目的优化 . 35 3.4.5 原燃烧器与优化后的燃烧器性能比较 . 38 3.5 本章小结本章小结 . 40 4 低热值煤层气燃烧器冷态实验研究低热值煤层气燃烧器冷态实验研究 . 41 4.1 燃烧器结构参数燃烧器结构参数 . 41 4.2 实验装置实验装置 . 42 4.3 燃烧器流动阻力测试燃烧器流动阻力测试 . 42 4.3.1 实验方案以及实验工况 . 43 4.3.2 实验步骤 . 44 4.3.3 实验结果分析 . 44 4.4 燃烧器喷口出口旋流强度的测试燃烧器喷口出口旋流强度的测试 . 46 4.4.1 实验方案以及实验工况 . 46 4.4.2 实验步骤 . 47 4.4.3 实验结果分析 . 47 4.5 本章小结本章小结 . 50 5 低热值煤层低热值煤层气燃烧器热态实验研究气燃烧器热态实验研究 . 51 5.1 热态实验装置热态实验装置 . 51 5.2 实验工况及实验方案实验工况及实验方案 . 51 5.3 实验步骤实验步骤 . 54 5.4 实验现象及数据分析实验现象及数据分析 . 54 5.4.1 实验现象分析 . 54 5.4.2 火焰长度分析 . 57 5.4.3 温度沿中心轴线分布情况 . 58 5.4.4 温度沿径向方向分布情况 . 59 5.5 数值模拟结果与实验结果的比较数值模拟结果与实验结果的比较 . 61 5.6 本章小结本章小结 . 62 6 结论及下一步研究建议结论及下一步研究建议 . 63 6.1 文章主要研究结论文章主要研究结论 . 63 6.2 下一步研究建议下一步研究建议 . 64 致致 谢谢 . 65 参考文献参考文献 . 67 附附 录录 . 71 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 随着科学技术的飞速发展，在人民生活条件不断得到改善的同时，能源的消 耗量也在飞速的增加，怎样合理有效利用能源是当今社会主要讨论的话题之一。 能源一般包括可再生能源和不可再生能源两类，煤和石油就属于不可再生能源， 形成过程比较缓慢，地下深层中掩压的古生物遗体，经过漫长的地质年代从而形 成了煤和石油，因此常常将它们称为“化石燃料”，这些燃料一旦被燃烧耗用后，不 可能在短短数百年内再生；诸如太阳能，风能这种直接来源于自然的一次能源被 称为可再生能源1。然而，由于现阶段技术的所限，人类对能源的利用还不能完全 来自于可再生能源，国家发改委能源局作出的规划中，明确指出 2015 年可再生能 源在能源消费结构中的比重，最多达到 10.5%，2025 年最多达到 16.5%，因此从中 可以看出现阶段，人类对能源的需求大部分还是来自于不可再生能源，我国人口 众多，对能源的需求巨大，提高煤炭，石油等不可再生资源的利用率、改善运用 技术是目前被广泛关注的一个话题2。 根据当前的统计数据，全球探明地下的煤炭埋藏储量为 9091 亿吨，仅可开采 147 年3，我国煤炭储存量位于世界第三，根据目前的发展水平，人均可利用的煤 炭大大低于世界平均水平，到 2020 年，每年我国能源的需求量大约为 50.1 亿吨标 准煤，其中原煤占了 45.4 亿吨，这相当于目前全球消耗的煤炭总量，随着我国对 石油、 煤炭供需不平衡的严重加剧， 煤层气是一种清洁能源， 受到了广泛的关注4。 煤层气又称煤层瓦斯，煤层甲烷，它是成煤过程中经过生物化学热解作用以吸附 或游离状态赋存于煤层及固岩的自储式天然气体，属于非常规天然气5。中国是继 俄罗斯、加拿大之后的第三大煤层气储量国。现阶段全国煤层气探明储量达到 1700.1 亿立方米，年产量达 7.1 亿立方米，产能达 25.2 亿立方米，作为一种优质 高效清洁能源，凭借良好的经济效益、环保效益和安全效益，煤层气的大规模开 发利用前景诱人。煤层气可用于工业燃料、发电燃料和居民生活燃料；除此之外， 不但可液化成汽车燃料，还可广泛用于生产合成氨、甲醛、甲醇、炭黑等方面， 成为一种热值高的洁净能源和重要原料，开发利用的市场前景十分广阔。政府采 取相关激励扶持政策，强力推进煤层气抽采利用。到 2015 年，国内将建成 36 个 煤层气抽采利用亿方级矿区，充分利用煤层气资源，有效保护大气环境6。 可另一方面，由于技术水平的限制，在煤层气开采利用的过程中容易发生安全 事故，新中国成立以来，煤矿共发生 22 起一次死亡百人以上事故，其中 20 起为 煤层气引起的事故，事故起数和死亡人数，分别占 91%、93%。对此，国家为了保 重庆大学硕士学位论文 2 证生命安全，将大量煤层气直接排放在大气中，我国煤炭开采排放的煤层气约占 世界煤炭开采排放煤层气总量的 13，由于煤层气是以甲烷为主的烃类气体，甲 烷是一种辐射和化学活性气体，会使对流层大气产生增温效应，作用比二氧化碳 大 2060 倍，严重影响了全球大气环境7。从而可以看出，如果不加快对煤层气 利用的研究步伐，不仅浪费了大量的能源，而且还污染了环境。 煤层气的开采涉及多种形式，其中，从煤矿井下抽放出来的煤层气甲烷体积浓 度相对较低，一般在 30%60%之间，其余则主要是 n2和 co2等惰性气体，此外 还含有微量的粉尘和有害气体，如 h2s、nox等8。针对甲烷体积分数在 30%这部 分煤层气，换算成甲烷质量分数约为 19%，热值相对较低，利用起来难度较大。 如果能安全高效的利用这部分低热值煤层气，那么对缓解我国的能源压力将是至 关重要的，无论从满足人类需求的角度出发，还是从保护大自然的角度出发，将 是很有意义的。 为实现低热值煤层气的安全、高效利用，本文优化设计出一种适合甲烷体积浓 度 30%左右低热值煤层气燃烧的燃烧器，使之能应用于循环流化床中煤层气与煤 矸石的混烧。该燃烧器不但具有较好的射流刚性，而且有较大的旋流强度。本文 在查阅燃气燃烧器设计手册及相关文献的基础上设计了燃烧器内部结构尺寸，并 采用数值模拟的方法对燃烧器内部结构进行了优化，最后对将优化后的燃烧器进 行实验研究，为煤层气的清洁、高效利用奠定了基础。 1.2 煤层气开发利用现状 煤层气是一种宝贵的洁净优质的自然资源，对其进行利用既能减少能源浪费 和环境污染，也能优化我国能源利用结构。近几年，煤层气的开发量越来越大， 利用技术也越来越成熟，以下列举了几种煤层气的开发与利用方法。 低浓度煤层气液化技术 低浓度煤层气是指为了防止在煤矿开采过程中瓦斯爆炸的发生，从中抽出的 含氮氧空气成分的煤层气。由于甲烷含量相对偏低，且含有515的氧气，是 非常危险的助燃助爆剂。将低浓度煤层气低温分离液化后9，可以采用槽车储存输 送，比管道输送更灵活，更安全。 1 绪 论 3 图 1.1 低浓度煤层气液化系统原理图 fig.1.1 the low concentration of methane liquefaction system diagram 如图1.1所示，低浓度煤层气先经净化单元脱出coz、hzs等有害物质，满足煤 层气液化前的净化指标，然后经制冷单元冷却液化，再经节流阀节流后进入精馏 单元实现气液分离。液化部分作为产品进入储存系统储存。 超低浓度煤层气的利用 甲烷体积分数低于百分之五的煤层气通常被称为超低浓度煤层气，由于可燃 成分含量较低，很难直接点燃，因此，在绝大多数情况下会将这部分煤层气直接 排放到大气中，排放到大气中的甲烷的温室效应比二氧化碳高得多，大大加剧了 大气污染和温室效应10，如果能够合理有效利用这部分资源，那将大大减缓温室 效应，对此，有相关学者对超低浓度煤层气的运用作出了研究。 澳大利亚新南威尔士州的valespoint电站对超低浓度煤层气的运用进行了实验, 而且进一步验证了实验的可行性。 solar汽轮机公司研究了在燃气轮机、内燃机中，用超低浓度煤层气替代空气 的技术，因为抽放出来的煤层气含有微小的煤炭等固体颗粒，在燃气轮机和内燃 机运行时会带来负面作用，因此，要先进行除尘，才能让超低浓度煤层气进入燃 气轮机和内燃机。 美国sequa公司和瑞典adtec研制开发了一种将低浓度煤层气直接作为主要 燃料的技术，如图1.2所示，反应器的左端和右端是由石英砂构成的热交换介质， 电热元件装在热交换介质中心，甲烷与热交换介质在反应区进行热交换，当甲烷 达到燃烧所需要的温度时，发生氧化反应, 放出热量。反应生成的热量，一部分被 热交换器吸收，另一部分用于补偿热损失，用于往复循环11。 重庆大学硕士学位论文 4 图 1.2 装置示意图 fig.1.2 schematic diagram 煤层气用于发电的技术研究 现有的比较常见的煤层气发电技术包括蒸汽轮机，燃气轮机和燃气内燃机发 电机组。蒸汽轮机机组是直接将燃气燃烧，将水加热成水蒸气，利用蒸汽推动蒸 汽轮机发电，这种发电方式的优点是对燃料品质没有很高的要求，缺点是小机组 相对能源利用率较低；燃气轮机机组则是通过把空气直接压缩，通入燃烧室中与 燃料混合燃烧，然后膨胀做功，从而推动动力涡轮，这种发电方式的优点是方便， 灵活，可靠，便于移动，缺点是对燃料品质要求相对较高；燃气内燃机是将可燃 物在气缸内直接燃烧，燃烧所产生的燃气推动活塞做功，这种发电方式的优点是 能源利用率较高，也便于移动，缺点是对燃料的品质要求也很高，各种发电方式 的特点如表1.1所示12,13。 表1.1 煤层气发电方式比较 table1.1 the comparison of coal-bed methane generate electricity mode 重要的性能指标 发电形式 气源不稳定性 的适应能力 燃烧功率 （kw） 是否方便、 灵 活 发电效率 （%） 污染程度 蒸汽轮机 好 30000.0 否 1.016.0 燃气轮机 一般 10.010000 是 24.0 高 内燃机 差 50.05000 是 40.0 高 1 绪 论 5 1.3 气体燃烧器研究和利用现状 1.3.1 燃气燃烧的方法 气体燃烧的方法大致可分为：扩散式燃烧、部分预混式燃烧、完全预混式燃 烧，下面简单介绍一下这三种燃烧方式的特性。 扩散式燃烧 一般意义而言，只要在燃烧之前，燃料与氧化剂未先预混（即燃气中不含氧 化剂） ，燃烧所需的氧气由周围的大气提供，这样的燃烧方式就可称为扩散式燃烧 14。 图 1.3 显示了扩散火焰的形式，从图中可看出，火焰形状为圆锥形，燃气在喷 出之前，不含有氧气，过量空气系数为 0。可燃气体和燃烧所需的氧气分布在焰面 两侧，以内是可燃气体，以外是氧气。氧气和可燃气体都通过扩散作用到达焰面， 从而产生剧烈的化学反应。由于扩散作用通常进行的都比较缓慢，故扩散燃烧的 速度主要取决于氧气的扩散速度，对于扩散式燃烧而言，气流速度越大，火焰就 会越长，通常情况下，火焰焰面都很薄。火焰的形状和火焰的表面积主要取决于 气体燃料和空气之间的混合速度，与火焰传播的速度无关。在不同的流动状态下， 气体和空气的混合方式是不同的，在层流阶段，气体和空气的混合主要是依靠分 子热运动所导致的分子扩散，在湍流阶段，气体和空气的混合主要是依靠微团扰 动的湍流扩散14。 图 1.3 扩散式燃烧火焰结构 fig.1.3diffusion combustion flame structure 重庆大学硕士学位论文 6 部分预混式燃烧 当燃气从喷口喷出之前，有一部分氧化剂事先就已可燃气体混合，相对于扩 散式燃烧而言，燃烧进行得更加剧烈，燃烧温度也相对较高。通常将部分预混式 燃烧称之为大气式燃烧。本生灯就是一个典型的部分预混式燃烧方式。在燃烧进 行之前，它能从周围大气中吸入部分空气提前与燃气预混15。 部分预混式燃烧虽然火焰清洁，燃烧强度好，但也存在很多不足，比如：回 火和脱火，当气流速度小于火焰传播速度时，火焰将会缩进燃烧器，从而形成回 火，一方面回火会使燃烧进行的很不完全，产生较多的一氧化碳气体，另一方面， 当熄火后，容易形成爆炸性气体，容易造成严重的安全事故。随着燃气流速的增 大，火焰燃烧强度越来越大，当气流速度比火焰传播速度大得很多时，火焰将被 吹熄，这种现象称之为脱火现象，只有当燃气和空气的混合速度在回火极限和脱 火极限之间时，燃气才能稳定燃烧。因此，采用部分预混式燃烧时，回火和脱火 的控制显得尤其重要。增加脱火极限和降低回火极限是有效制止回火和脱火的重 要方法，如：增加燃烧器出口直径，脱火极限就会变高。 完全预混式燃烧 由于对于燃烧安全性的要求越来越严格，在部分预混式燃烧方式逐渐成熟以 后，完全预混式燃烧的技术得到发展。 完全预混式燃烧是指：当在燃烧进行前，燃气和空气按化学当量比混合均匀， 燃气和空气的混合物能瞬间燃烧完毕，燃烧发生较快，甚至看不见火焰，所以完 全预混式燃烧通常称为无焰燃烧。 由于燃气和空气的混合比是在燃烧之前按化学计量比组成的，属于一种爆炸 性气体，火焰传播速度很强，在燃烧进行的同时，较容易产生回火。所以，为了 有效控制回火的发生，通常搭配水冷却的喷头以此来降低火焰的传播速度。完全 预混燃烧方式燃烧速度相对较快，但是火焰稳定性比较差，燃烧强度与火道有着 密切的联系16。 1.3.2 气体燃烧器的种类及特性 随着对燃烧器研究的深入，燃烧器的类型也逐渐变多。很多学者都自己命名 了自己所研究的燃烧器，因此用一种分类方法来反映燃烧器的燃烧性能是不现实 的，本文主要从以下几个方面定义燃烧器：按空气的供给方法可将燃烧器分为： 引射式燃烧器、自然引风式燃烧器、鼓风式燃烧器三种类型；按燃气压力可将燃 烧器分为：低压燃烧器、高（中）压燃烧器两种燃烧器；按一次空气系数的大小 可将燃烧器分为： 大气式燃烧器、 扩散式燃烧器、 完全预混式燃烧器三种类型17,18。 本文着重对以下几种燃烧器进行论述。 大气式燃烧器 1 绪 论 7 大气式燃烧器的结构是根据部分预混式燃烧方法设计的，一次空气系数在 0 和 1 之间，具体结构，如图 1.4 所示。 1-调风版 2-一次空气入口 3-引射器喉部 4-喷嘴 5-火孔 图 1.4 大气式燃烧器示意图 fig.1.4 schematic diagram of atmospheric burner 燃气以一定速度从喷口喷出，之后流入吸气收缩管，燃气依靠本身所具有的 能量吸入空气，空气和可燃气体在引射器内混合，经火孔喷出进入燃烧区域。对 于大气式燃烧器而言，一次空气系数大约在 0.46-0.76 之间。但是由于实际情况不 同，一次过量空气系数会在 1.4-1.85 之间变化，这是正常的。由于燃烧所需的空气 是由燃气本身来引射的，故，大气式燃烧器通常情况下也被称为引射式燃烧器。 由于大气式燃烧器各个部件的设计步骤覆盖的内容较多，这里不作详细的叙述， 下面简要叙述一下该燃烧器的优缺点及应用范围。 大气式燃烧器的优点涵盖的范围很广，主要为：燃烧强度大；燃烧温度高； 对于燃气的品质适应性较强；由于燃气会将空气吸入，所以不需要送风设备，成 本相对较低。 然而，该燃烧器也存在许多不足，比如：由于空气是靠燃气来引射的，没有 提供额外的空气，故火孔热强度及燃烧温度