煤矿乏风热逆流氧化床性能优化数值模拟研究

摘要

乏风热逆流氧化技术(TFRR)是当前矿井乏风瓦斯利用的主流技术之一,目前正处于工业化试验进程大发展阶段。氧化床的氧化特性和阻力特性是影响氧化床性能的关键因素,对其综合影响效应的分析目前还没有较为成熟的分析方法。本论文依托国家科技重大专项课题“低浓度瓦斯直接利用技术”,分析了既有1000m3/h乏风热逆流氧化初试装置试验的基础数据,综合应用数值分析、正交实验等分析方法,针对乏风热逆流氧化床的运行参数、结构参数优化主要进行了如下几方面的工作。
　　(1)根据既有1000m3/h乏风热逆流氧化初试装置所开展的冷热态压损试验、加热启动试验、自热平衡试验等试验基础数据,分析得出了氧化床温度场分布规律和进气流速、甲烷浓度、换向半周期等参数对氧化床压强损失和出口温度的影响规律;
　　(2)建立了乏风热逆流氧化数值分析单通道模型,研究了氧化床的氧化特性,重点考察进气流速、甲烷浓度、换向半周期及氧化床长度等参数对氧化床温度场、氧化率和出口温度的影响。提出“选取适中的进气流速和甲烷浓度、较大的氧化床长度值和较小的换向半周期”的参数取值原则;
　　(3)建立了乏风热逆流氧化数值分析多孔介质模型,研究了氧化床的阻力特性,重点考察了进气流速、甲烷浓度、换向半周期等参数对氧化床压强损失和出口温度的作用规律。指出:随着进气流速和甲烷浓度的提高,氧化床的压强损失增大,换向半周期对压强损失的影响极小;
　　(4)基于正交实验设计方法,将试验结果与模拟结果对比分析,获得了初试装置运行的优化方案:换向半周期为180秒、进气流速为1m/s、甲烷体积分数为0.5％及氧化床长度值为2.9米。初步形成了一种基于数值模拟的乏风热逆流氧化装置性能参数优化分析方法,并将此方法应用到了10万m3/h乏风热逆流氧化工业化装置优化设计中。

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1绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外现状

1.3主要研究内容

1.4研究方法及技术路线

2 1000m3/h乏风热逆流氧化装置的实验研究

2.1试验系统

2.2试验结果

2.3试验结果分析

2.4本章小结

3单通道模型下氧化床氧化特性研究

3.1单孔通道模型的建立

3.2化学反应模型的选取

3.3物性参数的确定

3.4其余单值性条件

3.5非稳态问题求解技巧

3.6网格无关性分析

3.7各参数对氧化床性能影响

3.8本章小结

4多孔介质模型下氧化床阻力特性研究

4.1多孔介质模型

4.2氧化床基本阻力特性

4.3各参数对氧化床压强损失的影响

4.4本章小结

5优化结果及拓展性运用

5.1模拟结果与试验结果的对比

5.2装置性能主要影响因素的正交实验设计

5.3拓展性运用

5.4本章小结

6结论及展望

6.1全文总结

6.2主要创新点

6.3后续研究工作展望

参考文献

致谢

作者简介

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