多孔介质内煤矿低浓度瓦斯燃烧波多参数耦合时空演化机理

摘要

瓦斯抽采是确保煤炭安全开采的主要方式，随着煤炭产量增加，瓦斯抽采量逐年上升。煤矿瓦斯既是强温室性气体，又是优质清洁能源。然而，抽采瓦斯利用率一直很低，近60％瓦斯作为废气直接排放。大量瓦斯无法利用的主要原因是抽采瓦斯浓度低、瓦斯浓度和流量波动频繁，以致常规技术很难实现安全高效利用。多孔介质燃烧技术具有贫燃极限范围宽、燃烧效率高和污染物排放低等优点，尤其适合低浓度瓦斯利用。目前，该技术主要局限于实验室理想工况研究，针对瓦斯工程背景研究较少，且研究手段单一、研究内容不全面，亟待进一步深入研究和完善。
　　本文采用现场测试、理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，研究了多孔介质内低浓度瓦斯燃烧波多参数耦合时空演化机理。主要研究成果如下：
　　（1）开展了煤矿瓦斯气源特性和多孔介质材料特征研究。发现瓦斯抽采地点差异显著影响着抽采瓦斯的浓度、流量及其波动强弱，瓦斯利用时工况调节方案应充分参照井下抽采管路情况制定；实验获得了Al2O3和SiC泡沫陶瓷的主要成分、孔径分布、平均孔径、密度、孔隙率等参数，可为多孔介质燃烧模型参数设置和实验数据分析提供理论依据。
　　（2）开展了多孔介质内低浓度瓦斯驻定燃烧研究。文中提出一种在网状泡沫陶瓷中填充堆积床来实现燃烧波驻定的新型燃烧器；研究发现13mm小球堆积床内的传热特性和10PPI碳化硅泡沫陶瓷更加接近；小球堆积床可填充于泡沫陶瓷和换热管间空隙，减少空隙对多孔介质内传热的影响；新型燃烧器内驻定速度极限范围相比单一泡沫陶瓷区时缩小；随瓦斯速度增加，燃烧器出口 NOx排放量先增大后减小，而CO排放量却先减小后增大，但HC排放量一直减少，且新型燃烧器HC排放量介于单一堆积床和单一泡沫陶瓷燃烧器排放量之间。
　　（3）开展了多孔介质内低浓度瓦斯非驻定燃烧研究（向上游）。随燃烧波向上游传播，峰值温度和燃烧波传播速度都维持稳定均匀，而出口区烟气温度却逐渐降低；考虑多孔介质内弥散效应后，传播速度提高了近19.8%，更贴近实验测量值，有助于提高模型准确性；随瓦斯浓度增加，传播速度和峰值温度均提高，而瓦斯速度增加时，传播速度降低，峰值温度增高；当壁面散热强度增加时，传播速度和峰值温度均降低；随燃烧波向上游传播，CO排放量逐渐降低，而 NO排放量先缓慢增加再维持稳定，且峰值温度越低，NO排放量越快达到稳定。
　　（4）开展了多孔介质内低浓度瓦斯非驻定燃烧研究（向下游）。实验时通过二维温度测点布置，结合插值法获得了燃烧器内二维温度分布；随燃烧波向下游传播，火焰出现倾斜、破裂等不稳定现象，且火焰越靠近出口不稳定特性越明显；当瓦斯速度增加时，传播速度增大，而瓦斯浓度增大时，传播速度却减小；实验获得的二维温度分布可为数值模型中散热系数选择提供理论依据；随填充小球直径增加，传播速度逐渐增大，而随燃烧器长度增加，传播速度却逐渐减小。
　　（5）研究了含水低浓度瓦斯燃烧特性。当含水量增大时，峰值温度和NO排放量均呈线性下降趋势，而CO排放量与含水量却呈二次函数关系；瓦斯流速为0.5m/s时，峰值气流速度增加近4.4倍，燃烧器设计时应考虑气流速度增大带来的冲击力；随含水量增大，驻定燃烧极限范围逐渐变窄，其中速度下限变化很小（0.15~0.2m/s），而速度上限明显下降；定义了峰值反应速率变化率，并以此获得了水汽显著影响和轻微影响基元反应步。
　　（6）研究了燃烧器尺度对低浓度瓦斯燃烧特性影响。当燃烧器入口直径增大时，出口NO排放量减少，而CO排放量却增加；随燃烧器长度增大，出口NO和CO排放量均逐渐减小；燃烧器大型化时，速度极限呈现波动特征，且当量比越大速度极限波动越明显，燃烧器设计应考虑尺度对工况极限的影响。
　　（7）研究了渐扩型燃烧器中低浓度瓦斯燃烧特性。当瓦斯浓度增加时，峰值温度呈线性增长，稳燃火焰位置向上游移动，同时，NO排放量逐渐增大，而CO排放量呈先减小后增大趋势；瓦斯预热能明显提高燃烧峰值温度，有利于稳燃火焰位置移向上游，且NO排放量也显著上升，确定入口瓦斯预热程度时，应综合衡量热效率和污染物排放。
　　研究成果有助于完善多孔介质内燃烧波多参数耦合时空演化机理，而基于煤矿低浓度瓦斯工程背景开展的相关研究，可为多孔介质燃烧技术实际应用和燃烧器设计提供理论支撑。课题研究期间发表学术论文9篇，其中SCI检索4篇，EI检索2篇，获得省部级科技进步一等奖1项，授权国家发明专利4项，实用新型专利5项。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义 (Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状 (Review)

1.3 存在的主要问题 (Main Remained Problems)

1.4 主要研究内容 (Main Contents)

1.5 研究总体思路 (General Ideas)

1.6 研究工作及进展 (Research Progress)

2 煤矿抽采瓦斯气源特性及多孔介质材料特征

2.1 引言 (Introduction)

2.2 煤矿抽采瓦斯主要成分及其浓度波动特征 (Main Components and Concentration Characteristics of Extracted CMM)

2.3 煤矿抽采瓦斯流量波动特征 (Fluctuating Characteristics of Extracted CMM Flow)

2.4 多孔介质材料结构参数 (Structural Parameters of Porous Media Materials)

2.5 多孔介质材料热处理性能表征 (Characteristics of Heated Porous Media Materials)

2.6 本章小结 (Summary of this Chapter)

3 多孔介质内煤矿低浓度瓦斯驻定燃烧特性

3.1 引言 (Introduction)

3.2 实验准备 (Preparation of Experiment)

3.3 实验步骤及方法 (Procedure and Method of Experiment)

3.4 实验结果及分析 (Results and Discussion)

3.5 本章小结 (Summary of this Chapter)

4 多孔介质内煤矿低浓度瓦斯非驻定燃烧特性

4.1 引言 (Introduction)

4.2 燃烧波向上游传播特性 (Propagating Characteristics of Upstream Combustion Waves)

4.3 燃烧波向下游传播特性 (Propagating Characteristics of Downstream Combustion Waves)

4.4 本章小结 (Summary of this Chapter)

5 基于工程背景的多孔介质内低浓度瓦斯燃烧特性

5.1 引言 (Introduction)

5.2 水汽含量对多孔介质内低浓度瓦斯燃烧特性的影响 (Effect of Aqueous Vapor on the Combustion Characteristics of Low-Concentration Coal Mine Methane in Porous Media Burner)

5.3 燃烧器尺度对多孔介质内低浓度瓦斯燃烧特性的影响 (Scale Effect of Porous Media Burner on the Combustion Characteristics of Low-Concentration Coal Mine Methane)

5.4 渐扩型结构多孔介质燃烧器内低浓度瓦斯燃烧特性 (Combustion Characteristics of Low-Concentration Coal Mine Methane in Divergent Porous Media Burner)

5.5 本章小结 (Summary of this Chapter)

6 总结与展望

6.1 主要结论 (Main Conclusions)

6.2 主要创新点 (Main Innovations)

6.3 研究展望 (Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文数据集