基于煤矿乏风热氧化的填充床内置换热器取热特性

基于煤矿乏风热氧化取热过程,搭建了填充床内置换热器稳态取热实验台,取热率最大相对误差为2.50%,实验研究了床层内取热区两侧及取热区内填充蜂窝陶瓷对换热器取热的影响,结果表明：取热区两侧空间填充的蜂窝陶瓷通过增大床层气体物理流速、辐射换热面积、扰动换热器背风侧流场而强化换热器取热,当气体质量流速0.15 kg/(s·m2),温度从613 K升高到1 113 K时,取热区两侧蜂窝陶瓷的存在使换热器取热率比空床增大了2.20%～14.84%,而当气体质量流速增至0.30 kg/(s·m2),温度同样从613 K升高到1 113 K时,取热区两侧蜂窝陶瓷则使换热器的取热率比空床增大了4.92%～10.61%;取热区内填充的蜂窝陶瓷对换热器取热率影响的矛盾两面性决定了取热区内填充的蜂窝陶瓷不会对换热器取热率产生较大影响,也并不总是强化换热器取热,甚至会削弱换热器取热,当气体质量流速为0.15 kg/(s·m2)、温度从613 K升高到1 113 K时,取热区内蜂窝陶瓷的存在使得换热器取热率比空床变化了-1.92%～+4.47%;采用换热器外壁镀银的方法,研究了填充床内置换热器取热过程中传热方式的贡献,结果表明气体质量流速0.15 kg/(s·m2),温度为1 113 K时,换热器取热率中已经有55%的贡献来自辐射,随着温度进一步升高,辐射成为填充床内置换热器取热的主要方式。     

取热区蜂窝陶瓷几何特性对换热器取热率的影响

在实验验证数学模型有效性的基础上,数值研究了立式蜂窝陶瓷填充床内取热区蜂窝陶瓷几何特性对填充床内置换热器取热率的影响。热风从取热区下侧的蜂窝陶瓷流出后进入的取热区阻力不匹配,热风会重新分配,一部分进入换热器内置空间,与换热管外壁进行直接的对流换热,另一部分进入取热区蜂窝陶瓷将其加热后与换热管外壁进行辐射换热,取热区蜂窝陶瓷的几何结构影响取热区热风阻力不匹配程度与热风分配,最终影响到换热器取热率。计算结果表明：沿热风流动方向上取热区蜂窝陶瓷几何特性尺寸增大时,换热器取热率减小;垂直热风流动方向上取热区蜂窝陶瓷的两个几何特性尺寸增大时,内置换热器取热率呈现先增大后减小趋势。     

煤矿乏风瓦斯流入特性对填充床内置换热器取热的影响

在实验验证数学模型有效基础上,研究了气体流入特性对煤矿乏风氧化床内置换热器取热的影响,结果表明:填充床内置换热器取热率随床层入口气体质量流速均匀性指数的下降而减小,蜂窝陶瓷的存在导致气体流动单向导通、增大床层物理流速及辐射面积,使床层入口气体质量流速均匀性指数减幅相同时填充床内置换热器取热率减小幅度要比空床换热器大;床层入口气体平均质量流速不变时,内置热器取热率随床层入口气体温度均匀性变差而减小,温度分布不均同时引起流速分布不均,温度分布不均引起的取热率下降幅度要明显大于相同平均质量流速、温度下床层入口气体流速不均引起的取热率下降幅度;对于立式氧化床,各部分气体由于温度不同导致的浮力大小不同以及气体所受浮力由于进风方式不同导致的对流动影响差异,换热器取热率也随之发生变化,随着床层入口气体平均温度逐步升高,进风方式对取热率影响越来越明显。     

煤矿乏风氧化床内置翅片换热器几何特性对换热器取热影响

采用Fluent软件,对煤矿乏风氧化床内置换热器翅片几何特性对换热器取热的影响进行了研究,研究结果表明:煤矿乏风氧化床内置翅片换热器的取热率总大于对应光管换热器的取热率,同时随着翅片面积的增大,换热器取热率增大,但增大到一定值后不再增大;同时翅片间距由小逐渐增大时,氧化床内置翅片换热器的取热率先增大后减小,存在取热率的极大值。     

陶瓷填充床内H型翅片管换热特性实验研究

基于热逆流氧化床内置翅片换热器的取热过程,自行搭建陶瓷填充床内置翅片换热器稳态取热实验台,实验研究陶瓷多孔介质围成的狭小空间内H型翅片管的换热特性,并通过外壁镀银的方法分析传热方式对H型翅片管换热系数的贡献。结果表明:H型翅片管边缘的温度随入口温度增加最大增长264℃,随入口雷诺数增加最大仅增长35℃,且靠近基管管壁处温度随入口温度和入口雷诺数变化不大;蜂窝陶瓷的存在强化了H型翅片管外壁面的热辐射作用,同时减小了29. 80%的散热量,但在一定程度上抑制对流传热;辐射传热贡献度随入口温度增加从48. 17%增至60. 34%,随入口雷诺数增加从57. 2%降至55. 35%。对试验数据进行归纳分析,得到陶瓷氧化床内H型翅片管换热特性的试验关联式。     

乏风瓦斯蓄热氧化床阻力特性的数值模拟

基于自行开发的煤矿乏风热逆流氧化试验装置,采用多孔介质均质模型,建立了煤矿乏风蓄热逆流氧化的控制方程组和化学反应方程,模拟研究了氧化床运行参数、蜂窝陶瓷的结构参数和物性参数对氧化床的流动阻力和出口温度的影响规律。计算结果表明：在气流方向切换瞬间,氧化床的压强损失瞬时增大,经过1~2 s后趋于稳定;随着进入氧化床的乏风气体表观速度的增加,压强损失和出口温度都增加;乏风甲烷浓度对压强损失影响较小;提高蜂窝陶瓷的孔隙率,可以有效降低阻力损失,但是蓄热能力明显下降;提高比热容,有利于氧化装置稳定运行;随着当量直径的增加,压强损失显著降低。     

煤矿乏风瓦斯氧化装置蓄热室阻力特性实验研究

为了研究煤矿乏风瓦斯氧化装置中核心部件蜂窝陶瓷蓄热室的阻力特性,建立了蜂窝陶瓷蓄热室的热态阻力实验台,并在实验台上进行了流速、蜂窝陶瓷长度、蓄热室温度等多参数的影响实验。实验结果表明,蜂窝陶瓷蓄热室的阻力主要为黏性阻力,气流进出口的惯性阻力较小。蓄热室的阻力和流速、蓄热室长度近似呈线性关系,流速越大,蓄热室阻力越大,蓄热室越长,阻力也越大。蓄热室的温度也会影响蓄热室的阻力,这一影响和物性有关。     

煤矿乏风预热催化氧化装置的阻力特性试验

利用自行搭建的煤矿乏风预热催化氧化装置试验研究了表观流速、床层长度、反应室平均温度对其阻力损失的影响。试验结果表明,随表观流速的增大,反应室阻力损失呈线性增加;随床层长度增大,反应室阻力损失呈线性增加;随温度升高,反应室阻力损失有较大增加。对试验数据进行归纳分析,得到适用于冷热态的反应室阻力损失的试验关联式。     

煤矿乏风瓦斯热逆流氧化的一维数值模拟

为了研究煤矿乏风低含量瓦斯热逆流氧化,建立了煤矿乏风瓦斯热逆流氧化的一维数学模型,应用FLUENT软件研究了氧化床内热结构特性以及工况参数对氧化床热结构、甲烷氧化率及出口温度的影响。计算结果表明:1)氧化床内温度场基本成梯形分布,高温区沿氧化床高度方向周期性往复移动。2)随着乏风中甲烷体积分数的提高,氧化床高温区域拓宽,最高温度和出口温度也有相应的提高,甲烷的氧化率略有升高。3)随着氧化床处理乏风量的增加,氧化床内温度峰值、反应率及出口温度都有明显升高,反应区向两端移动,高温区域加宽,但甲烷氧化率随之下降。4)随着换向半周期的延长,氧化床反应区和高温区向氧化床中部移动,高温区域变窄,出口温度升高,甲烷氧化率略有下降。5)随璧面热损失的不断增加,氧化床峰值温度、高温区温度及甲烷的氧化率均降低,反应速率也下降剧烈,高温区域宽度也明显变窄。     

热逆流反应器的流动均匀性实验研究

对热逆流反应器的陶瓷床内部流动均匀性进行了实验研究,建立了陶瓷床的流动阻力数学模型,并进行了流体力学机理分析。研究结果表明：陶瓷床整体速度分布不均匀,并且均匀性指数随着进口流速的提高而降低;上、下集气箱的压差为陶瓷床内的流动提供推动力,因此集气箱内的静压分布与陶瓷床内的流动均匀性紧密相关;随着进口流速的提高,动量交换作用和摩擦阻力损失对静压的影响加强,使陶瓷床内、外侧的压差进一步增大,从而使陶瓷床内的流动更不均匀。     

层状热储大体积单井循环换热循环动力设备扬程模拟计算

本文以国内外现有裂隙热储和层状热储循环换热模型为基础,提出一种适用于河北平原馆陶组层状热储稳定隔水层空间大体积单井循环换热取热不取水技术。该技术利用封隔器将热储段以隔水层为界分为上下两层,中间下入保温管,下抽上灌,顶端为井下换热器,以软水为换热介质,通过换热器换取地热流体中热量,达到取热不取水的目的。以河北东部平原地热井为例,按照黄金分割比例配置保温管外径,根据管材结构、流体流速、粘性系数、运动粘度等确定雷诺数,绘制莫迪图,划分流体状态,选择沿程阻力系数经验公式,模拟地热流体沿程水头损失、局部水头损失、水头提升值和动能水头,确定循环动力设备扬程。同时发现,局部水头损失为沿程阻力水头损失的0.23%~0.44%,水头损失以沿程阻力水头损失为主;当循环流量分别为30 m3/h、50 m3/h时,扬程分别为121.631 m和168.191 m。     

煤矿乏风瓦斯热逆流氧化反应器的数学模型和试验

建立了低浓度甲烷热氧化逆流反应器的数学模型,运用计算流体力学方法进行数值计算,得到各种操作参数下的温度分布及甲烷浓度分布曲线,并将数值计算结果与实验结果进行了对比,并对影响氧化床运行特性的几个主要因素进行了分析。结果表明,氧化床内温度分布基本成M型,高温区以及甲烷浓度分布曲线沿气体流动方向周期性往复移动;进口甲烷混合气的浓度越大,温度分布峰值就越高并而且更靠近进口端,高温区域的宽度也增宽,而且高温区域中间凹度加深,进出口温度梯度也会增大;预混甲烷气体的流速从0.15 m/s增大到0.70 m/s时,最高温度峰值和高温区变化不大,因为流速增大一方面使单位时间进入氧化床内反应物的数量增加,放出了更多的热量,但是另一方面气体流速升高而带走的对流换热量也会大量增加。     

流热耦合作用下组合岩体等效导热系数研究

针对存在裂隙和流体的组合岩体,采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法,基于传热学和热动力学的基本原理,综合考虑不同性质岩石的传热和裂隙流体的对流换热,建立了流热耦合条件下组合岩体等效导热系数的计算模型;采用有限元数值模拟方法,随机模拟岩石的孔隙结构,建立了孔隙分别被空气和水充填时,岩石等效导热系数的统一经验方程;通过对裂隙流体与岩体对流换热系数的实验测试,给出了对流换热系数随与流速和温差的关系;综合分析了裂隙和流体对组合岩体导热性的作用,在低流速和小温差条件下,对流换热阻较小,裂隙宽度和流体导热性对岩体导热系数的影响较大;在高流速和大温差条件下,对流换热阻逐渐超过裂隙流体的热阻,组合岩体导热系数明显增大。     

直冷式深焓取热乏风热泵技术在小保当煤矿2~#风井的应用

为响应国家节能环保要求,建立绿色能源供热矿井,小保当煤矿2~#风井提出淘汰现有燃煤锅炉,利用矿井余热资源,解决该风井场井口保温防冻和建筑采暖用热需求。基于现有乏风余热利用的4种技术路线,分别对各自的技术特点进行分析对比,最终提出采用直冷式深焓取热乏风热泵新技术,解决该煤矿的用热需求,介绍了小保当煤矿2~#风井场地的项目概况,供热需求以及采用直冷式深焓取热乏风热泵系统的技术路线,最后进行了经济分析。项目实施后,彻底解决了由于燃煤带来的环保问题,并且对煤矿现有余热进行回收利用,减少了能源的浪费。     

煤矸石人工热储的建造及自燃热能潜力分析

针对山西省阳泉市荫营煤矿矸石山自燃造成的环境污染和能源浪费问题，提出了以煤矸石为原材料建造人工热储并利用内部自燃热能的方案；研究了煤矸石自燃耗氧速率、放热速率和可燃物剩余量的动态变化规律；建立了温度场、渗流场、氧气浓度和可燃物剩余量分布的多物理场数学模型；评价了煤矸石热储的供热潜力。研究结果表明：人工热储内空间分布不均匀的温度场会产生烟囱效应，使渗流速度增大、对流换热增强；高温区的煤矸石氧化反应较快，可燃物剩余量较少和氧气浓度衰减幅度较大。连续取热720 d后，“U”形管进出口温度差超过10℃,出风口流出的空气温度超过55℃;同时可燃物剩余量超过60%的煤矸石体积占比依旧超过94%。研究认为，利用煤矸石建造的人工热储可以长时间提供优质热量。     

纳米流体在热虹吸管中换热性能数值研究

针对热虹吸管的换热性能,基于多相流模型捕捉气液两相间的相界面变化,研究各单因素之间的交互作用对热管换热性能的影响,将数值模拟与实验结果对比验证,并采用正交实验法对各参数进行协同分析.研究结果表明:填充率对热管换热性能影响程度最大,加热功率和倾斜角度对其影响次之,纳米流体体积分数对其影响最小;相比于初始实验结果,最优化工况的热阻下降率达到13%,它的等效对流换热系数提高了23%.     

颗粒过滤器除尘效率的实验研究与数学建模

为开发煤热解工艺的高温荒煤气脱尘技术,在错流式固定床颗粒过滤实验平台上测试了表观气速、粉尘浓度、过滤介质粒度和床层厚度等关键参数对除尘器除尘效率的影响。结果表明,粉尘浓度在10.0~96.8 g/m~3范围内增大且颗粒床表层过滤作用显著时,除尘器效率先增大后减小;大粒径瓷球对应的除尘效率较低,但压降降低显著;床层厚度增大,过滤器的除尘效率和压降均增大。过滤器运行初始状态,床层过滤过程属于深层过滤,随粉尘在床层内沉积,迎流面表层过滤作用增强,可直接脱除45.0%~52.0%的粉尘。建立了描述错流式颗粒过滤过程的一维非稳态数学模型,使之可以预测过滤平台在不同操作条件下的净床除尘效率和粉尘沉积率。应用该模型,预测热解气气氛下过滤器(床层厚度0.6 m,填充6 mm瓷球)的净床除尘效率有所下降,为82.94%。     

逆流传热方式的乏风瓦斯氧化处理系统研发设计

热氧化是处理煤矿通风瓦斯主要方式。逆流传热方式的乏风瓦斯氧化处理系统,采用分段加热方式,不仅解决了氧化床传热问题,预热器的材质问题,以及取热系统安全问题,还改进了氧化床的结构,从根本上解决了当前蓄热式热氧化处理系统的诸多不足。不仅可以实现大规模连续处理,还可以获得3.4MPa以上的高温高压蒸汽,同时瓦斯浓度降至0.6%时系统仍有良好的经济性,并且最低处理浓度可降至0.167%以下。     

结合孔隙结构分析热蒸汽对煤体瓦斯解吸的影响

为了探究热蒸汽对煤体瓦斯解吸能力的影响,以阳泉新元煤矿贫煤为研究对象,采用压汞法分析了热蒸汽处理前后煤体的孔隙结构演化,结合吸附—解吸试验,用解吸率和解吸时间临界值表征热蒸汽和水分对煤体瓦斯解吸的影响。结果表明:(1)热蒸汽处理后煤体的总孔容、滞后环面积、孔隙率、渗透率及平均孔径均有增大,煤体小孔向大孔发育,闭合孔隙向开放孔隙转变,孔隙结构的连通性明显提升;(2)煤体瓦斯解吸率随着平衡压力增大而增大;热蒸汽的使用有效促进煤体残余吸附瓦斯的解吸,消除了煤体中水分抑制瓦斯解吸的影响,瓦斯解吸率明显增大;(3)热蒸汽作用下煤体瓦斯解吸时间效应临界值明显降低,解吸达到平衡所需的时间缩短,解吸效率显著提升。该研究为煤层注热强化煤层气开采提供了一定的理论依据。     

浆液外循环过滤分离费托合成浆态床反应器研究开发

通过对低温浆态床费托合成反应工艺特性和反应器性能要求的分析,为有利于蜡抽出系统的设计和维护、催化剂和反应温度在反应器床层的均匀分布,提出了浆液自行外循环固液分离浆态床反应器设想。通过气速对催化剂颗粒沉降、携带的影响,气体分布器对气含率的影响,浆液自行外循环推动力等因素分析,采用流体动力学、传热模型和宏观费托合成反应动力学模拟计算,确定了浆态床反应器的尺寸,以及进料分布器、内取热列管等内构件结构以及气固分离设备的结构,开发出了应用于低温费托合成外循环浆态反应器。