多孔介质内矿井乏风逆流氧化反应的数值模拟

摘要

我国每年有大量的矿井乏风直接排放到大气中,矿井乏风中的甲烷是主要的温室气体,不仅对环境造成破坏,而且热量无法回收。本文以能够实现矿井乏风稳定燃烧的多孔介质逆流氧化器为研究对象,数值计算了矿井乏风在多孔介质内逆流氧化的燃烧特征。多孔介质内的逆流氧化技术可以拓宽瓦斯气体贫可燃极限,实现超低值稳定燃烧,并在逆流氧化过程中显著降低燃烧所生成的氮氧化物和一氧化碳,是一项先进的并具有很大发展潜力的燃烧技术。建立了矿井乏风逆流氧化反应的一维和二维模型,并借助Fluent软件,数值模拟了不同工况参数对矿井乏风逆流燃烧过程的影响。在一维模拟计算中,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,甲烷氧化简化为单步总包反应,考虑了多孔介质的辐射,分析了当量比、半周期、流速以及多孔介质的孔隙率等对矿井乏风逆流氧化的影响。计算结果表明:逆流氧化装置内的温度场呈梯形分布;当量比和流速对逆流氧化反应影响较大;在半周期不变时,甲烷/空气混合物当量比和流速增大,高温区域加宽,气体出口温度和最高温度增大;半周期对逆流氧化装置的最高温度没有明显的影响,但是半周期越大逆流氧化燃烧器的出口温度也越大。二维数值模型主要分析甲烷的燃烧和温度场的分布情况。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 论文研究的背景

1.2 国内研究现状

1.2.1 矿井乏风氧化技术研究进展

1.2.2 多孔介质内氧化技术概述

1.2.3 国内外气体在多孔介质内燃烧的研究概述

1.3 论文研究的主要内容和意义

1.3.1 论文研究的主要内容

1.3.2 论文研究的意义和技术路线

1.4 本章小结

2 多孔介质研究综述

2.1 多孔介质的种类

2.1.1 泡沫陶瓷

2.1.2 蜂窝陶瓷

2.2 多孔介质材料的物理特性

2.2.1 孔隙率

2.2.2 渗透率

2.2.3 比表面积

2.2.4 孔隙直径

2.3 多孔介质的选取

2.4 多孔介质中预混气体燃烧机理

2.5 本章小结

3 矿井乏风逆流氧化技术的应用

3.1 瓦斯发电技术

3.2 矿井乏风发电技术发展前景

3.3 本章小结

4. 矿井乏风逆流氧化技术的分析

4.1 矿井乏风氧化技术简述

4.1.1 矿井乏风热逆流氧化装置

4.1.2 矿井乏风热逆流氧化装置的原理

4.2 计算流体力学软件简介

4.2.1 FLUENT 的应用领域

4.2.2 FLUENT 软件的组成

4.2.3 FLUENT 的求解过程

4.2.4 FLUENT 与其他软件之间的协同关系

4.3 本章小结

5 多孔介质内逆流氧化过程的数值模拟

5.1 数学模型

5.1.1 控制方程

5.1.2 边界条件

5.1.3 初始条件

5.2 一维模型数值模拟结果分析

5.2.1 矿井乏风逆流氧化反应特性分析

5.2.2 瓦斯浓度对逆流氧化反应的影响

5.2.3 进口速度对热逆流氧化反应的影响

5.2.4 半周期对热逆流氧化反应的影响

5.2.5 多孔介质的孔隙率对逆流氧化反应的影响

5.2.6 矿井乏风逆流氧化装置内组分变化分布

5.3 本章小结

6 二维模型数值模拟结果分析

6.1 控制方程

6.1.1 状态方程

6.1.2 组分守恒方程

6.1.3 动量方程

6.1.4 能量方程

6.1.5 连续方程

6.1.6 边界条件和初始条件

6.2 计算结果分析

6.2.1 逆流氧化装置内温度和速度分布

6.2.2 多孔材料对逆流氧化装置的影响

6.3 本章小结

结论

展望

参考文献

作者简历

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