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玄武岩纤维束热逆流氧化器氧化性能数值研究

玄武岩纤维束热逆流氧化器氧化性能数值研究

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作者：刘燕英东南大学

学位级别：硕士

甲烷是第二大温室气体,而矿井乏风瓦斯因其量大面广难以利用的特点常直接被排放,据统计每年我国通过矿井通风的方式排放约170亿m3的甲烷气体,这部分气体浪费热值高、造成的温室效应严重,因此对乏风瓦斯进行回收利用,可以产生巨大的能源... 详细信息

甲烷是第二大温室气体,而矿井乏风瓦斯因其量大面广难以利用的特点常直接被排放,据统计每年我国通过矿井通风的方式排放约170亿m3的甲烷气体,这部分气体浪费热值高、造成的温室效应严重,因此对乏风瓦斯进行回收利用,可以产生巨大的能源、经济和环境效益。调研发现,热逆流氧化技术是最具前景的处理技术,针对陶瓷蜂窝结构存在的处理范围小、占地面积大、阻力损失大等问题,本文提出一种具有混合流道的玄武岩纤维束热逆流氧化器结构。借助Ansys Fluent软件对玄武岩纤维束热逆流氧化器处理乏风瓦斯时定参数和变参数下的氧化性能进行了二维数值研究。同时对其循环稳定性、自维持浓度以及经济性能进行研究,主要研究内容与结论如下:(1)利用相邻两半周期平均温差和高温平台宽度对反应器的循环稳定性进行数值研究,发现在20个周期内,反应器能实现循环稳定。(2)建立反应器单通道二维数值模型,借助CFD-Post软件可视化研究了定参数下反应器内的温度分布、甲烷浓度分布、流场分布以及阻力分布的规律与特性,研究发现混合流道能够有效改善反应器内的流场分布同时降低阻力。(3)建立了氧化性能的评价指标,采用控制变量法研究了入口甲烷浓度、入口流速、换向周期以及纤维束群排列间距四个关键参数对反应器氧化性能和阻力特性的影响。根据数值模拟结果发现,为获得良好的氧化性能,需要选择适中的流速和换向周期。同时入口甲烷浓度、换向周期对阻力损失的影响较小,相较于流速造成阻力损失的差异几乎可以忽略不计。另外结合气体处理量和氧化性能综合考虑,本文认为垂直流道方向间距(S)取2.0倍纤维束垂直流道方向直径(D)、平行流道方向间距(S)取1.0倍纤维束群平行流道方向直径(D)是反应器的最佳排列间距。(4)对反应器的自维持最低甲烷浓度进行了研究分析,发现降低进口流速和缩短换向周期都可以降低反应器的可燃极限,同时多种运行参数组合都能够实现0.1%的自维持最低甲烷浓度,相较于陶瓷蜂窝结构降低了约44%-50%,能够额外获得0.68倍的减排收益。(5)利用敏感性分析法和对比分析法两种手段,从减排效益和经济效益两个方面对玄武岩纤维束热逆流氧化器的年总收益进行分析。分析发现玄武岩纤维束结构的压力损失与陶瓷蜂窝结构相比降低了88.87%。另外因为单位体积气体处理量是后者的2.3倍,所以在相同的处理浓度下玄武岩纤维束结构获得的年总收益是后者的2.51倍,即更好的氧化性能会带来更高的应用价值。

关键词：热逆流氧化器玄武岩纤维束混合流道乏风瓦斯数值模拟

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