多床式热逆流氧化装置内甲烷热氧化过程数值模拟及试验研究

摘要

煤炭在我国一次能源消费结构中长期占据主导地位，伴随煤炭开采每年数百亿立方的煤矿瓦斯未经利用而排入大气，既浪费了大量能源，又带来了严重的环境污染问题。开展针对煤矿低浓度瓦斯、特别是风排瓦斯氧化及利用技术研究，对提高煤矿瓦斯利用量、减少温室气体排放具有重要意义。　　本文以热逆流氧化技术为研究对象，在小型试验研究基础上确定了装置放大设计的关键参数，研制了工业化瓦斯热逆流氧化装置，通过工业性试验与数值模拟相结合的方式，研究了操作参数、结构参数以及材料物性参数对瓦斯热逆流氧化装置运行状态的影响规律。主要研究内容和研究结果如下：　　①建立了一套两床立式结构的1000 Nm3/h小型瓦斯热逆流氧化试验系统，试验分析了装置的甲烷氧化性能及自热平衡运行规律。结果表明，当燃烧室温度在722℃至847℃区间时，甲烷氧化率维持在96%以上，且甲烷氧化率不受进气甲烷浓度影响。当装置处理量和循环周期时长保持不变时，存在一个能使瓦斯热逆流氧化装置维持自热平衡运行状态的进气甲烷浓度下限值。当循环周期时长为200 s、处理量为1000Nm3/h时，进气甲烷浓度下限值为0.3 vol%。当处理量减小至500 Nm3/h时，进气甲烷浓度下限值升高至0.32 vol%。　　②通过性能比选确定100 000 Nm3/h瓦斯热逆流氧化装置选用五床立式结构，基于小型试验研究结果，确定了燃烧室温度、进气流速以及最低进气浓度下限值等关键设计参数，并完成了工业化热逆流氧化装置本体结构设计。　　③设计并建立了瓦斯热逆流氧化利用工业性试验系统，开展了 13 种工况条件下的工业性试验研究，考察了装置运行参数对装置性能的影响。结果表明，当进气甲烷浓度和循环周期时长固定时，随着装置处理量增大，陶瓷床平均温度及温度波动范围、炉膛温度、热能利用率均增大。当处理量和循环周期时长固定时，随着进气甲烷浓度升高，陶瓷床平均温度值以及波动幅度总体呈现增大趋势，炉膛温度和热能利用率增大。当处理量和进气甲烷浓度固定时，随着循环周期时长增加，陶瓷床温度波动区域面积增大，陶瓷床平均温度、炉膛温度和热能利用率小幅降低。当炉膛温度在718℃至1129℃区间时，装置内甲烷氧化率为97%至99.8%，均能实现对甲烷的高效氧化。进气甲烷浓度下限值随装置处理量增大而降低。当装置处理量在102 784 Nm3/h至107 487 Nm3/h区间时，装置在陶瓷床和燃烧室里的阻力损失在2950 Pa至3330 Pa区间。　　④通过对蜂窝陶瓷通道内瓦斯热逆流氧化过程的三维数值模拟，揭示了瓦斯热逆流氧化的温度场周期性迁徙规律和甲烷氧化特性。分析了主要操作参数（进气浓度、进气流速和循环周期时长）、材料物性参数（陶瓷比热容）和通道结构参数（长度、壁厚、截面形状）对通道内温度分布和甲烷氧化的影响，揭示了通道长度、进气流速和周期时长对临界自热平衡工况的影响，分析了通道内压力分布的动态特性及主要参数对阻力损失的影响。结果表明，高温区长度随进气甲烷浓度增加、进气流速降低和通道长度增加而增加，其它因素对其影响较小。高温区温度分布受到进气甲烷浓度、进气流速、通道长度、壁厚和通道形状的显著影响，会呈现直线、抛物线（开口向上或向下）、S 型曲线等不同分布曲线。蓄热区和放热区长度随进气甲烷浓度减小和进气流速增加而增加，其它因素对其影响较小。蓄热区和放热区的平均热流密度主要随进气甲烷浓度和进气流速增加而增加。进出口平均温差主要随进气甲烷浓度增加而线性增加，其他因素对其影响较小。甲烷反应区长度随进气浓度升高、进气流速减小及周期时长增加而减小，陶瓷比热容、通道长度及壁厚对反应区长度有一定影响，但无明显规律，通道形状对反应区长度无影响。进气甲烷浓度下限值随通道长度的减小而显著增加，随进气流速增加而线性增加，且几乎不受循环周期时长影响。通道阻力损失随进气浓度、进气流速和通道长度的增加而显著增加。通过理论分析，获得了通道内阻力损失计算式，理论计算值与数值模拟结果及试验结果吻合较好。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 引言

1.2 煤矿风排瓦斯氧化及利用技术概述

1.2.1 辅助燃料利用技术

1.2.2 主燃料利用技术

1.3 逆流催化氧化技术研究现状

1.4 热逆流氧化技术研究现状

1.5 本文研究内容

2 小型瓦斯热逆流氧化实验研究

2.1 引言

2.2 热逆流氧化装置结构型式

2.3 实验装置及方法

2.3.1 实验装置

2.3.2 实验方法

2.4 实验结果与讨论

2.4.1 加热启动实验

2.4.2 装置甲烷氧化性能实验

2.4.3 装置自热平衡实验

2.5 实验不确定度分析

2.6 小结

3 五床立式结构瓦斯热逆流氧化装置研制

3.1 引言

3.2 工业化瓦斯热逆流氧化装置结构选型及工作原理

3.2.1 工业化装置结构选型

3.2.2 五床式瓦斯热逆流氧化装置工作原理

3.3 五床式瓦斯热逆流氧化装置本体结构设计

3.3.1 陶瓷床结构设计

3.3.2 燃烧室结构设计

3.3.3 气流分配室及切换阀门设计

3.4 装置内温度及压力测点设置

3.5 小结

4 瓦斯热逆流氧化工业性试验研究

4.1 引言

4.2 工业性试验系统组成及试验工况表

4.2.1 工业性试验系统组成及工艺流程

4.2.2 试验工况表

4.3 额定运行工况

4.3.1 气体流量及甲烷浓度波动

4.3.2 装置内温度分布

4.3.3 装置阻力损失分析

4.3.4 能量平衡分析

4.4 临界自热平衡运行工况

4.5 主要操作参数对装置性能的影响

4.5.1 进气流量的影响

4.5.2 进气甲烷浓度的影响

4.5.3 循环周期时长的影响

4.6 小结

5 瓦斯热逆流氧化数值模拟研究

5.1 引言

5.2 物理数学模型

5.2.1 物理模型及相关假设

5.2.2 控制方程及定解条件

5.3 计算模型设置及验证

5.3.1 物性参数

5.3.2 计算方法

5.3.3 网格无关性验证

5.3.4 模型验证

5.4 瓦斯热逆流氧化基本特性

5.4.1 基本定义

5.4.2 温度场周期性迁徙规律

5.4.3 通道内甲烷浓度分布周期性迁徙规律

5.5 主要操作参数对温度场及甲烷氧化的影响

5.5.1 进气浓度的影响

5.5.2 进气流速的影响

5.5.3 循环周期时长的影响

5.6 蓄热体比热容对温度场及甲烷氧化的影响

5.7 通道结构参数对温度场及甲烷氧化的影响

5.7.1 通道长度的影响

5.7.2 壁厚的影响

5.7.3 通道截面形状的影响

5.8 临界自热平衡工况影响因素分析

5.9 蓄热体通道内阻力特性研究

5.9.1 阻力特性理论分析

5.9.2 阻力特性影响因素分析

5.10 小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 论文主要创新点

6.3 后期工作与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间作者发表的论文

B. 攻读博士学位期间参加的科研项目

C. 攻读博士学位期间申请的发明专利

D. 攻读博士学位期间获得的省部级奖励