多孔介質(zhì)燃燒器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

PAGEI摘要針對(duì)油頁(yè)巖干餾爐干餾產(chǎn)物甲烷在傳統(tǒng)燃燒器燃燒不充分和穩(wěn)定的問(wèn)題，我們采用了多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐，多孔介質(zhì)燃燒器代替了傳統(tǒng)燃燒器。本文利用有限元分析軟件ANSYS建立了兩段式雙層多孔介質(zhì)燃燒器的三維傳熱物理模型，并模擬分析了在孔介質(zhì)燃燒器的溫度場(chǎng)。探討了混合當(dāng)量比；入口速度；輻射衰減系數(shù)；孔徑；導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)在甲烷和空氣的混合氣體在多孔介質(zhì)燃燒器燃燒的影響。研究表明：混合當(dāng)量比；入口速度等參數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器燃燒有影響，經(jīng)分析混合當(dāng)量比適宜范圍0.6~0.8；入口速度在0.7~0.8m/s；輻射衰減系數(shù)宜選小孔1710，大孔260；孔徑宜選小孔0.030m，大孔0.10m；導(dǎo)熱系數(shù)宜選小孔0.4W/m?K，大孔0.2W/m?K可以提高效率。關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；混合當(dāng)量比；入口速度；加熱速率；輻射衰減系數(shù)；孔徑；導(dǎo)熱系數(shù)；ANSYSAbstractIn

order

to

solve

the

problem

of

insufficient

combustion

of

methane,

the

product

of

oil

shale

retorting

furnace,

in

the

traditional

burner,

a

porous

medium

oil

shale

retorting

furnace

was

established,

and

the

traditional

burner

was

replaced

by

the

porous

medium

burner.

In

this

paper,

the

finite

element

analysis

software

ANSYS

is

used

to

establish

the

three-dimensional

heat

transfer

physical

model

of

the

two-stage

double-layer

porous

media

burner,

and

the

temperature

field

in

the

porous

media

burner

is

simulated

and

analyzed.

The

mixture

equivalent

ratio

was

discussed.

Inlet

velocity;

Radiation

attenuation

coefficient;

Aperture;

Thermal

conductivity

and

other

parameters

in

methane

and

air

mixture

gas

in

porous

media

burner

combustion

effects.

The

results

show

that:

mixing

equivalent

ratio;

The

mixed

equivalent

ratio

of

methane

and

air

ranges

from

0.6

to

0.8.

The

inlet

velocity

is

0.7~0.8m/s.

The

radiation

attenuation

coefficient

should

be

selected

as

keyhole

1710

and

big

hole

260.

The

aperture

should

be

0.030m

and

0.10m

respectively.

Thermal

conductivity

should

be

selected

for

small

holes

0.4w

/m?K

and

large

holes

0.2w

/m?K.

Keywords:Porousmedia;

Mixing

equivalent

ratio;

Inlet

velocity;Heating

rate;Radiation

attenuation;Thermalconductivity;ANSYS PAGEPAGE101緒論1.1目的意義自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)踏入了一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新時(shí)代，我國(guó)對(duì)煤，天然氣等普遍使用的不可再生能源消耗量持續(xù)增加，而世界煤，石油等資源儲(chǔ)量日益枯竭，因此能源成為世界各國(guó)發(fā)展最需要克服的一關(guān)。而我國(guó)因改革后發(fā)展迅速，過(guò)度的開(kāi)發(fā)利用煤，石油等資源，使之成為我國(guó)主要的利用能源，在1990-2018這30年間我國(guó)從石油等資源自給自足轉(zhuǎn)變成越來(lái)越依靠進(jìn)口，我國(guó)已然成為對(duì)進(jìn)口原油最依賴的國(guó)家，但由于石油等資源不斷減少，為了能夠與快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)同步，作為非常規(guī)能源的油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)利用得到人們的高度關(guān)注。所以自改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)一直治理與其開(kāi)發(fā)中。迄今為止，全球油頁(yè)巖總儲(chǔ)量大致為44×1011噸，而中國(guó)在現(xiàn)今世界上油頁(yè)巖儲(chǔ)量的國(guó)家中占第二位，所占儲(chǔ)量大致為476億噸。我國(guó)在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)了油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)和利用的重要性并提出指導(dǎo)性建議，我國(guó)油頁(yè)巖干餾爐作為用于油頁(yè)巖的干餾以頁(yè)巖油的主體設(shè)備，通過(guò)燃燒區(qū)燃燒，因此研究該怎么增強(qiáng)油頁(yè)巖干餾的主要產(chǎn)物甲烷在燃燒器燃燒效果就成為了如今的重中之重。一些油頁(yè)巖是單獨(dú)生產(chǎn)的，有些是與煤一起生產(chǎn)的。而生成的產(chǎn)物中頁(yè)巖油作為能源使用，而形成的殘?jiān)勺鳛榻ㄖ牧鲜褂?，使之可以充分利用，形成綜合利用的體系，但是干餾技術(shù)也存在了許多的問(wèn)題。因其利用率低，形成的“三廢”對(duì)環(huán)境的傷害較重，并且油頁(yè)巖挖掘成本較高，如果油頁(yè)巖利用率低，不僅不能得到一定的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)資源本身來(lái)說(shuō)也是一種浪費(fèi)。因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)燃燒器中充滿了非常多的微小孔隙，油頁(yè)巖干餾的產(chǎn)物如甲烷就在多孔介質(zhì)燃燒器可以充分且穩(wěn)定的燃燒。為了加快國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，針對(duì)我國(guó)如今的油頁(yè)巖技術(shù)，對(duì)多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐中的燃燒器的參數(shù)設(shè)計(jì)就具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。為了使油頁(yè)巖利用率和經(jīng)濟(jì)效益提高，對(duì)環(huán)境的污染降低，通過(guò)運(yùn)用ANSYS,CREO作圖軟件來(lái)改變等參數(shù)多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐內(nèi)的多孔介質(zhì)燃燒器中的參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)達(dá)到我們所需的目的是勢(shì)在必行。所以此次我們研究的適宜的參數(shù)為油頁(yè)巖生成的甲烷的充分充分且穩(wěn)定燃燒有較為重要的作用。1.2國(guó)內(nèi)外油頁(yè)巖資源及開(kāi)發(fā)研究現(xiàn)狀1.2.1油頁(yè)巖資源油頁(yè)巖實(shí)際上是一種半形成化的沉積巖，里面有可燃物，是由微小的軟體動(dòng)物，水生植物等慘雜著無(wú)機(jī)礦物長(zhǎng)時(shí)間沉積，腐化，煤化而成。挖掘出來(lái)的油頁(yè)巖經(jīng)過(guò)干餾裝置可以獲得頁(yè)巖油和可燃?xì)獾?，而?yè)巖油我們可以通過(guò)加工成石油等。表1.1為世界部分國(guó)家的儲(chǔ)量的。表1-1全球頁(yè)巖油儲(chǔ)量排名（單位：億噸）序號(hào)國(guó)家地區(qū)頁(yè)巖油儲(chǔ)量12345美國(guó)中國(guó)俄羅斯剛果巴西北美洲亞太歐洲非洲南美洲5369.31476.00354.70143.10117.34油頁(yè)巖不僅有大量?jī)?chǔ)量，而且具有全球分布，但不同地區(qū)之間儲(chǔ)存差異非常大。我國(guó)轉(zhuǎn)換成頁(yè)巖油大致在476億噸，儲(chǔ)量排名全球第四，占全球頁(yè)巖油儲(chǔ)量大約為7.00%。1.2.2油頁(yè)巖資源的開(kāi)發(fā)研究最早可以追溯到1350年，西歐的幾個(gè)國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行對(duì)油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)研究，后來(lái)因廉價(jià)的石油資源而放棄。全球的油頁(yè)巖地區(qū)開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖的水平很低，僅僅有少數(shù)國(guó)家對(duì)油頁(yè)巖有一定的開(kāi)發(fā)，所以油頁(yè)巖作為一種接替能源有很大的發(fā)展前景。在20世紀(jì)后期，我國(guó)挖掘采煤炭的工作中會(huì)伴隨著幾百萬(wàn)噸的油頁(yè)巖都遭到遺棄。遺棄不僅浪費(fèi)了油頁(yè)巖資源，同時(shí)占據(jù)了很大的空間，對(duì)挖掘煤炭附近的環(huán)境也產(chǎn)生了極其惡劣的影響。但自21世紀(jì)初開(kāi)始，由于傳統(tǒng)石油資源越來(lái)越匱乏，更多的國(guó)內(nèi)外研究者致力于油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)利用的研究，使之擁有一個(gè)良好的前景。我國(guó)現(xiàn)在大部分是通過(guò)在露天采集油頁(yè)巖加以利用，破碎后的油頁(yè)巖在無(wú)氧的條件下采用油頁(yè)巖干餾爐或是直接采用燃燒來(lái)進(jìn)行發(fā)電和供暖。經(jīng)過(guò)干餾爐產(chǎn)出的頁(yè)巖油經(jīng)過(guò)一些工序可以得到煤油，汽油等產(chǎn)品，而剩余的殘?jiān)€可以用來(lái)生成化肥，水泥，混凝土等材料。但我國(guó)在油頁(yè)巖的的開(kāi)發(fā)利用上也存在了許多問(wèn)題，例如，開(kāi)發(fā)利用水平低，具備的資源量可用于開(kāi)發(fā)利用分散且較少，所以也對(duì)環(huán)境污染較重，干餾工藝劣勢(shì)多，技術(shù)落后，而原位開(kāi)采技術(shù)還不完善。但是隨著干餾油頁(yè)巖技術(shù)的持續(xù)提高，以及人民對(duì)環(huán)境的愛(ài)護(hù)，油頁(yè)巖將從僅僅提取頁(yè)巖油轉(zhuǎn)變成物盡其用，這樣不僅能夠提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省資源，降低有害氣體的產(chǎn)生，減少了對(duì)環(huán)境的傷害，可以保證我國(guó)在踏入了一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新時(shí)代的進(jìn)行中無(wú)后顧之憂。1.3油頁(yè)巖干餾1.3.1干餾方式國(guó)內(nèi)正在開(kāi)發(fā)研究干餾設(shè)備有：一在上海人們所研究的油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化成頁(yè)巖油的技術(shù)中，他們先將油頁(yè)巖磨的很碎。高溫氣體為熱載體，快速完成干餾。優(yōu)勢(shì)是方便操作，工藝簡(jiǎn)單，但污染環(huán)境重，半焦熱值低。。二大連理工大學(xué)的新法干餾技術(shù)。將油頁(yè)巖加熱到干餾裝置中，立即加熱油頁(yè)巖，對(duì)油頁(yè)巖進(jìn)行反應(yīng)，得到頁(yè)巖油和可燃?xì)怏w。但此裝置因冷凝系統(tǒng)采用氨水汽化，消耗能源高且經(jīng)濟(jì)效益低，所以也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。油頁(yè)巖干餾有兩種模式：地下和地上干餾。故名思議地下干餾講的是在地底下的油頁(yè)巖沒(méi)有采用機(jī)器進(jìn)行挖掘，而是在地下不需要轉(zhuǎn)移到地上就開(kāi)始通過(guò)干餾來(lái)得到頁(yè)巖油的過(guò)程；而地上干餾是把從地下挖掘的油頁(yè)巖固體經(jīng)機(jī)器磨碎后通到油頁(yè)巖干餾爐來(lái)得到頁(yè)巖油和可燃?xì)怏w的過(guò)程，因?yàn)槭窃诟绅s爐內(nèi)進(jìn)行的，不存在油氣泄露等問(wèn)題，并且剩余產(chǎn)物，如灰渣可制造水泥等建筑材材，這樣既可以實(shí)現(xiàn)各類產(chǎn)品都可以被利用，增加經(jīng)濟(jì)效益，也保護(hù)了對(duì)環(huán)境的傷害。見(jiàn)圖1-1撫順油頁(yè)巖循環(huán)經(jīng)濟(jì)，圖1-2撫順油頁(yè)巖干餾爐。圖1-1撫順油頁(yè)巖循環(huán)經(jīng)濟(jì)圖1-2撫順油頁(yè)巖干餾爐1.3.2油頁(yè)巖熱解理論簡(jiǎn)介油頁(yè)巖的熱裂解過(guò)程實(shí)際上是油頁(yè)巖在沒(méi)有氧氣的條件下溫度達(dá)到了它的裂解所需溫度而熱解產(chǎn)生可燃?xì)怏w和頁(yè)巖油。這個(gè)過(guò)程會(huì)發(fā)生物理以及化學(xué)變化。因?yàn)橛晚?yè)巖所含多種成分，它有著十分復(fù)雜的化學(xué)變化。油頁(yè)巖的熱解:（1）要將油頁(yè)巖加熱到185~340oC，使之水分被去除；（2）把油頁(yè)巖溫度繼續(xù)加熱到425~530oC，使之熱分解油頁(yè)巖；（3）把油頁(yè)巖熱解后的產(chǎn)品分類規(guī)劃。第一步轉(zhuǎn)化過(guò)程是油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化成中間物質(zhì)瀝青，第二步轉(zhuǎn)化過(guò)程是中間物質(zhì)轉(zhuǎn)化成頁(yè)巖油和可燃?xì)怏w。1.3.3油頁(yè)巖干餾技術(shù)油頁(yè)巖干餾爐作為用于油頁(yè)巖的干餾以制取頁(yè)巖油的主體設(shè)備，通過(guò)熱解油頁(yè)巖獲得頁(yè)巖油及可燃?xì)怏w。按照加熱設(shè)備的安置情況可分兩類：一，外熱式干餾爐。外熱式干餾爐有較多問(wèn)題，如傳熱效率不高，每天熱解油頁(yè)巖的量小，同時(shí)不能大規(guī)模干餾，所以已經(jīng)跟不上當(dāng)今我國(guó)快速發(fā)展所需消耗大量能源的需求。二，內(nèi)熱式干餾爐。它是指在干餾爐內(nèi)大部分油頁(yè)巖與熱載體在爐里直接接觸并達(dá)到了熱量的傳遞，等油頁(yè)巖達(dá)到干餾溫度，以制取頁(yè)巖油和可燃?xì)怏w。自21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)大部分地區(qū)都使用內(nèi)部熱干餾爐。同時(shí)，中國(guó)迄今一直使用燃?xì)鉄彷d體來(lái)加熱油頁(yè)巖，從而實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油和可燃?xì)怏w的油頁(yè)巖加熱和干餾。而油頁(yè)巖干餾爐技術(shù)現(xiàn)今比較少的用固體熱載體來(lái)加熱熱解油頁(yè)巖來(lái)獲得產(chǎn)品，它的好處是對(duì)環(huán)境危害較小，產(chǎn)生較少?gòu)U水，而干餾后得到的半焦還可以用于燃燒發(fā)電，使之可以得到綜合利用。1.3.4油頁(yè)巖干餾步驟一，油頁(yè)巖干燥部分：油頁(yè)巖井下開(kāi)采，先破碎油頁(yè)巖，破碎篩分為單輥破碎機(jī)和振動(dòng)篩。破碎后的油頁(yè)巖從頂部進(jìn)入烘干機(jī)進(jìn)行干燥，隨后氣流進(jìn)入除塵器，除塵器分離出的材料作為產(chǎn)品回收，廢氣經(jīng)排風(fēng)機(jī)通過(guò)煙囪排出。二，干餾部分：油頁(yè)巖經(jīng)加熱干燥后輸送到干餾爐上方的存儲(chǔ)位置中，然后等運(yùn)作的時(shí)候被轉(zhuǎn)移到油頁(yè)巖干餾爐，先后在油頁(yè)巖干餾爐中進(jìn)行加熱干燥，預(yù)先熱處理，然后進(jìn)行干餾，干餾后經(jīng)過(guò)干餾爐下方的冷卻水冷卻，最后從干餾爐中排出。三加熱部分：甲烷等產(chǎn)物在燃燒器中燃燒，燃燒后生成的固體廢物可以作為建筑材料被重新利用。1.4多孔介質(zhì)燃燒器1.4.1多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)通常是由固體材質(zhì)組成，因在其內(nèi)部擁有非常多的細(xì)小孔隙，大大增加了其表面積，可以存有液體，氣體等。如土壤、保溫制品、氧化鋁預(yù)熱器等。而根據(jù)多孔介質(zhì)的特點(diǎn),我們對(duì)多孔介質(zhì)的定義是:多孔介質(zhì)內(nèi)可以存在各相物質(zhì):而對(duì)于其中的固體骨架來(lái)說(shuō),剩余相則都彌散在這個(gè)固體骨架里,因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)的彌散效應(yīng)，所以又稱多孔介質(zhì)為彌散材料。多孔介質(zhì)的整個(gè)空間填充有固相,同時(shí)又有很多的孔隙，并且孔被分成有效和死端。有效指的是孔隙之間是可以互通的,而死端空隙指的是少數(shù)流體幾乎不能流通或者不連通的空隙。因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)內(nèi)部的大部分都是效空隙,所以我們也可以稱多孔介質(zhì)材料為可滲透性材料，并所以多孔介質(zhì)間隙大小及其分布的設(shè)置就顯得十分關(guān)鍵。1.4.2多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐目前，油頁(yè)巖干餾爐燃燒一直采取的是以在一定空間內(nèi)自由火焰的燃燒，但是這種燃燒方式有很多問(wèn)題，這種燃燒方式不僅使多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)溫度梯度很大，同時(shí)溫度分布也極不平均，而且局部的高溫也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳和大量的氮氧化物，對(duì)環(huán)境的危害大大加強(qiáng)，就算是現(xiàn)在最先進(jìn)的燃燒噴嘴依然存在不能穩(wěn)定燃燒且燃燒不充分，大量一氧化碳和氮氧化物排放到空氣中的情況，所以這種方法浪費(fèi)了油頁(yè)巖等資源，經(jīng)濟(jì)效益低，對(duì)環(huán)境的危害也很大。對(duì)于傳統(tǒng)燃燒器燃燒時(shí)所存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油頁(yè)巖干餾爐中的燃燒器，根據(jù)所知理論做了很多提高燃燒效率的研究，比如選取合適噴嘴和優(yōu)化噴嘴。可是迄今為止人們還沒(méi)有用多孔介質(zhì)燃燒器代替到到油頁(yè)巖干餾的燃燒器。因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)內(nèi)部擁有很多孔隙，表面積增大，所以可以使油頁(yè)巖產(chǎn)物如甲烷更充分。通過(guò)多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒是一種可使多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊等比較突出的優(yōu)點(diǎn)的有效、潔凈、新穎的技術(shù)。這項(xiàng)燃燒技術(shù)可以提高頁(yè)巖油燃燒效率、節(jié)能、擴(kuò)大可燃極限和改善環(huán)境方面具有優(yōu)越性，且已經(jīng)在化工、冶金、能源等各種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其不同與傳統(tǒng)燃燒，所以在燃燒頁(yè)巖油采用多孔介質(zhì)是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的技術(shù)是。因此多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐對(duì)于油頁(yè)巖利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益和減少環(huán)境污染起到了非常關(guān)鍵的作用。見(jiàn)圖4-3多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒。圖4-3多孔介質(zhì)燃燒過(guò)程1.4.3多孔介質(zhì)燃燒器的優(yōu)勢(shì)(1)由于多孔介質(zhì)的固體骨架對(duì)氣流有彌散效果并且多孔介質(zhì)基質(zhì)燃燒放出的熱量被其有效的儲(chǔ)蓄較多熱量，所以能夠和氣體燃料等產(chǎn)生對(duì)流換熱效果并且效果不錯(cuò)；（2）多孔介質(zhì)能使氣體燃料的火焰的傳熱過(guò)程明顯加強(qiáng)，是因?yàn)樗鼡碛泻軓?qiáng)的導(dǎo)熱和輻射傳熱能力；（3）多孔介質(zhì)中的經(jīng)過(guò)預(yù)混區(qū)產(chǎn)生的火焰比正常干餾爐燃燒器內(nèi)的的火焰具有傳播速度快同時(shí)很難產(chǎn)生回火，燃燒充分穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。（4）多孔介質(zhì)通過(guò)熱傳導(dǎo)和傳熱輻射將未燃燒的預(yù)混和氣體預(yù)熱，對(duì)于氣體燃料，這種優(yōu)勢(shì)可以使氣體燃料在燃燒區(qū)穩(wěn)定且充分燃燒，因此減少了許多有害物質(zhì)的出現(xiàn)，大大減少了對(duì)環(huán)境的傷害。1.4.4多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒多孔介質(zhì)燃燒器分為預(yù)熱和燃燒兩個(gè)區(qū)間，因此預(yù)熱區(qū)是用由甲烷等可燃物釋放的高溫氣體加熱多孔介質(zhì)固體。預(yù)熱混合氣，在燃燒區(qū)燃燒經(jīng)過(guò)氣固導(dǎo)熱，輻射傳熱，對(duì)流換熱等來(lái)預(yù)熱在預(yù)熱區(qū)中的混合物進(jìn)行預(yù)熱。多孔介質(zhì)燃燒器的回?zé)崾峭ㄟ^(guò)預(yù)熱區(qū)的混合氣體能夠盡快達(dá)到著火溫度且燃燒，并且可已讓可燃?xì)怏w更充分燃燒。對(duì)低品位能源利用起到了關(guān)鍵性作用，使之能夠擴(kuò)展貧燃極限。多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)可以劃分為：（1）惰性多孔介質(zhì)中的燃燒技術(shù)（2）可燃性多孔介質(zhì)的氧化技術(shù)；（3）燃燒的合成技術(shù)。1.4.5多孔介質(zhì)燃燒器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我們所研究的多孔介質(zhì)燃燒器中，諸如甲烷等各類可燃物在其內(nèi)燃燒會(huì)經(jīng)過(guò)各種各樣的熱量轉(zhuǎn)換過(guò)程。在多孔介質(zhì)燃燒器中混合氣體燃燒有簡(jiǎn)單與復(fù)雜兩種反應(yīng)機(jī)理和單溫度和雙溫度兩種模型。自19世紀(jì)末開(kāi)始，就有越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者不遺余力的對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)可燃物燃燒就已經(jīng)做了十分多的實(shí)驗(yàn)。最開(kāi)始英國(guó)研究者Weinberg就想到了多孔介質(zhì)中的熱量通過(guò)燃燒后的產(chǎn)物再循環(huán)到未加熱的可燃物中去[26]。后來(lái)，Weinberg等人為了采用了一些昂貴復(fù)雜的換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)他的想法，卻沒(méi)有改變火焰復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。接著是Slimane[27]等人根據(jù)gibbs的理論中的化學(xué)動(dòng)力模型，以此來(lái)模擬富硫氫氣體和空氣的混合氣體在多孔介質(zhì)燃燒器中的燃燒，大致獲得了生成物的組成和能夠燃燒的最低要求。后來(lái)，Min[28]等人[29]選用蜂窩型泡沫陶瓷材料，對(duì)材料中的混合氣體的著火發(fā)展進(jìn)行了模擬和實(shí)證研究。實(shí)踐證明，該過(guò)程中不存在任何形狀的外邊界熱源，驗(yàn)證了多孔介質(zhì)燃燒具有良好的再循環(huán)特性。Hayashi[29]考慮了混合物在多孔介質(zhì)燃燒器燃燒時(shí)其內(nèi)部的溫度和壓降有何改變。他們通過(guò)一些簡(jiǎn)單的化學(xué)變化進(jìn)行了各類參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明了如果預(yù)混氣體混合當(dāng)量比較小時(shí)，火焰面會(huì)往多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒區(qū)方向擴(kuò)散。同時(shí)，他們還得出結(jié)論可以通過(guò)適宜的改變多孔介質(zhì)燃燒器燃燒區(qū)中的孔徑來(lái)提升多孔介質(zhì)燃燒效率。Chen[30]等想如何降低熱損失。因此，在采用了氣相固相溫度不平衡的條件下，采用甲烷和空氣混合氣體的反應(yīng)通過(guò)對(duì)應(yīng)方程，并對(duì)在多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒進(jìn)行了模擬。然而，模擬表明并沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的過(guò)熱度火焰。而他們是采用的是多步反應(yīng)機(jī)機(jī)理，相比于單步反應(yīng)機(jī)理，火焰前緣變得更寬。第一個(gè)開(kāi)發(fā)泡沫陶瓷表面爐的是荷蘭能源研究中心。而中國(guó)，陸兆華教[2,5]授和其他研究人員也研究多孔陶瓷板中預(yù)混氣體的燃燒，對(duì)在其內(nèi)的燃燒，對(duì)在其內(nèi)的燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示引入一定量的二次空氣能夠增加火焰流動(dòng)的穩(wěn)定速度流動(dòng)的范圍。

中國(guó)的李艷紅[6,22]等學(xué)者同樣也關(guān)注了混合氣體在多孔陶瓷板中所產(chǎn)生的燃燒情況。他們得出的結(jié)論是火焰表面和煙氣燃燒后，溫度和過(guò)氧化物濃度均有所下降，縮短火焰區(qū)停留時(shí)間可以減少有害氣體的排放。同樣我國(guó)的褚金華[23]也對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒也進(jìn)行了一次十分完美的探究。同時(shí)，王恩宇教授對(duì)多孔介質(zhì)與油頁(yè)巖干餾爐燃燒器進(jìn)行了對(duì)比，研究產(chǎn)生的有害物質(zhì)特性[18,21]。而浙江大學(xué)因?yàn)閲?guó)家重點(diǎn)工程之一的利用清潔能源項(xiàng)目，所以他們對(duì)硫化氫超絕熱燃燒制氫過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬并且起到了十分關(guān)鍵的作用。1.5本文的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)1.5.1研究?jī)?nèi)容=1\*GB3①根據(jù)油頁(yè)巖干餾現(xiàn)狀，利用傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)等知識(shí)采用理論研究、數(shù)值模擬的方式對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器在不同參數(shù)范圍內(nèi)燃燒過(guò)程，查好所需要用的方程，并建立多孔介質(zhì)燃燒器的數(shù)學(xué)模型；=2\*GB3②利用ANSYS與CREO軟件建立模擬反應(yīng)的模型，并利用其模型進(jìn)行熱分析，求得傳熱過(guò)程圖；=3\*GB3③探討多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)某些參數(shù)對(duì)油頁(yè)巖干餾爐干餾產(chǎn)物甲烷燃燒的影響。1.5.2創(chuàng)新點(diǎn)（1）利用ANSYS與CREO軟件利用有限元法進(jìn)行三維的模擬，模擬出多孔介質(zhì)燃燒器不同參數(shù)下的溫度云圖然后進(jìn)行分析。（2）在以往的油頁(yè)巖干餾爐研究中，從來(lái)沒(méi)有把多孔介質(zhì)燃燒器加入到油頁(yè)巖干餾爐中，本文利用ANSYS與CREO軟件不同參數(shù)范圍內(nèi)建立多孔介質(zhì)燃燒器模擬反應(yīng)的溫度云圖，探討了甲烷和空氣在不同混合當(dāng)量比，不同入口流速等參數(shù)在什么范圍內(nèi)能充分且穩(wěn)定的燃燒。為了加快國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，針對(duì)我國(guó)如今的油頁(yè)巖技術(shù)，對(duì)多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐中的燃燒器的參數(shù)設(shè)計(jì)就具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。2研究方法2.1有限元分析法簡(jiǎn)介有限元法是一種高效率、實(shí)用性高，被現(xiàn)代人們普遍接受的數(shù)值計(jì)算方法。它是通過(guò)采用類似數(shù)學(xué)的方式來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)情況下的物理系統(tǒng)。它的觀點(diǎn)是先分后合，其中的分是對(duì)簡(jiǎn)單單元的單獨(dú)分析，而合是對(duì)整個(gè)單元進(jìn)行分析。在科學(xué)計(jì)算方面，研究者大多數(shù)情況下都要求得出很多微分方程式，如泊松和拉普拉斯方程，但是很多微分方程求解復(fù)雜，很難求出，所以人們現(xiàn)在都是通過(guò)采用有限元法先把微分方程離散化，然后進(jìn)行一系列操作，通過(guò)電腦來(lái)模擬以此來(lái)得到我們所要的結(jié)果。在20世紀(jì)末，就有越來(lái)越多的人在流體力學(xué)的研究中使用了有限元法來(lái)處理各種問(wèn)題，因此有限元法在求解各類微分方程效果顯著。有限元法現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，因其獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢(shì)和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)良好的適應(yīng)性，同時(shí)可以進(jìn)行多場(chǎng)耦合。有限元方程的原理已在數(shù)學(xué)等多領(lǐng)域被證實(shí)可靠并且收斂于精確解，理論基礎(chǔ)可信；統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的求解方式，不僅節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)提升了工作效率，適用于快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)。2.2ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS程序是被人們現(xiàn)在普遍使用得仿真模擬軟件，它主要是通過(guò)有限元法對(duì)多孔介質(zhì)、流體動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)等進(jìn)行數(shù)值模擬。應(yīng)用于我們生活的方方面面，列如能源、供暖等各個(gè)方面的研究。ANSYS程序是仿照Motif的菜單系統(tǒng)設(shè)置，人們可以采用對(duì)話框等來(lái)輸入所需的參數(shù)，所研究的種類，這樣可以讓初學(xué)者更容易上手，同時(shí)，也增加了其被現(xiàn)代工作人員普遍使用率。其還能夠和大多數(shù)CAD軟件一起配合來(lái)模擬反應(yīng)過(guò)程，達(dá)到數(shù)據(jù)的交換共享。ANSYS被當(dāng)代科學(xué)家稱為世界上最好的有限元軟件。能夠較為精確的分析多孔介質(zhì)內(nèi)部流體流動(dòng)和預(yù)混燃燒問(wèn)題，在其內(nèi)部含有豐富的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)，可選用大量材料，在處理受實(shí)際條件和實(shí)測(cè)量條件而限制的難以實(shí)現(xiàn)的流場(chǎng)，在我們模擬研究速度場(chǎng)和燃燒場(chǎng)的問(wèn)題時(shí)效果顯著并且穩(wěn)定性很好。2.2.1ANSYS技術(shù)特點(diǎn)ANSYS具有以下技術(shù)特征：●能進(jìn)行多場(chǎng)耦合功。●包含了模擬的前后處理、分析求解。●完全開(kāi)放的架構(gòu)。●網(wǎng)絡(luò)剖析能力強(qiáng)?！窨刂迫我猹?dú)立函數(shù)的求解參數(shù)。●專業(yè)的計(jì)算模擬庫(kù)?！穸鄧?guó)語(yǔ)言操作界面?！窈胸S富的CAD建模工具并可導(dǎo)入大部分的CAD軟件?！窬邆淞己玫挠脩糸_(kāi)發(fā)環(huán)境。2.2.2Creo技術(shù)特點(diǎn)●3D實(shí)體模型●單一數(shù)據(jù)庫(kù)●以最自然之思考方式從事設(shè)計(jì)工作●參數(shù)式設(shè)計(jì)2.2.3ANSYS熱分析概述通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行熱分析的主要是先把研究對(duì)象劃分成適宜大小的網(wǎng)格，一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后我們根據(jù)能量的守恒原則獲取到所需的邊界條件，同時(shí)，我們還可以得到初始條件下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程，然后我們能夠計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度，再獲得其他需求量。例如，熱量的增加或減少，熱梯度等。其實(shí)我們實(shí)際生活在生產(chǎn)加工中在熱量傳遞上有各種各樣無(wú)法處理的問(wèn)題，他們都會(huì)導(dǎo)致能量的損失。通過(guò)ANSYS軟件在傳熱分析問(wèn)題擁有非常多的優(yōu)點(diǎn)，更關(guān)鍵是初學(xué)者很容易掌握。ANSYS軟件中有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)傳熱分析，而我們?nèi)绻枰盟矐B(tài)傳熱分析的前提是我們必須先采取穩(wěn)態(tài)確認(rèn)模擬反應(yīng)時(shí)的初始溫度。模擬的模型中的流體對(duì)流、溫度、傳熱輻射率等參數(shù)都可以在ANSYS中模擬出來(lái)。2.2.4熱分析步驟熱分析步驟是：（1）建立模型1）確認(rèn)標(biāo)題、文件名與單位；2）開(kāi)始前期處理模塊，定義單元類型，設(shè)定單元選項(xiàng)；3）定義材料熱性能參數(shù)；4）建立幾何模型，劃分網(wǎng)格；（2）選擇參數(shù)并求解1）確認(rèn)分析類型；2）確定熱分析的初始條件；3）在單元模型上選擇參數(shù)；4）設(shè)定參數(shù)載步選項(xiàng)；5）保存模型并求解（3）后處理2.2.5ANSYS求解步驟ANSYS求解模型的過(guò)程中的主要步驟：=1\*GB3①想好所需要的模型，列出所需要的偏微方程組；=2\*GB3②選擇合適的模型切要用偏微方程來(lái)設(shè)定；=3\*GB3③仿真模型的尺寸設(shè)定好工作空間的大?。?4\*GB3④設(shè)定計(jì)算中所需常數(shù)；=5\*GB3⑤模型的幾何圖案；=6\*GB3⑥設(shè)定邊界條件和各物理量參數(shù)。ANSYS處理后可以查看結(jié)果：=1\*GB3①顯示等值線；=2\*GB3②顯示結(jié)果數(shù)據(jù)；=3\*GB3③對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；=4\*GB3④制作對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)部的溫度云圖，分析模擬結(jié)果并且選擇適宜參數(shù)。我們此次采用的是ANSYS中的FLUENT程序軟包。主要由以下幾個(gè)部分組成：GAMBIT：可以建立起所需模型，并生成網(wǎng)格；FLUENT：可以模擬可燃物在燃燒器內(nèi)的燃燒；PDF：燃燒過(guò)程。圖2-1各類軟件的協(xié)同配合關(guān)系圖FLUENT軟件現(xiàn)在應(yīng)用于很多方面：（1）石油和天然等氣能源的生產(chǎn)；（2）環(huán)境保護(hù)方面；（3）熱量交換方面；（4）建筑物構(gòu)造方面。結(jié)合本文研究?jī)?nèi)容及ANSYS軟件的熱分析模塊功能，對(duì)多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐的多孔介質(zhì)燃燒器在不同混合當(dāng)量比和不同入口流速中選擇適宜參數(shù),來(lái)提高油頁(yè)巖的充分燃燒并可以減少對(duì)環(huán)境的危害。2.3本章小結(jié)本章闡述了我們此次模擬不同參數(shù)下的甲烷在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒溫度在其中的變化和選擇最合適的參數(shù)范圍實(shí)驗(yàn)的所需軟件ANSYS及其主要方法有限元分析法的基本簡(jiǎn)介和其優(yōu)勢(shì)，并且我們此次采用此軟件的熱分析部分。并對(duì)熱分析模擬步驟和ANSYS求解步驟作出簡(jiǎn)單概述。3多孔介質(zhì)燃燒器設(shè)計(jì)3.1問(wèn)題描述油頁(yè)巖干餾爐主要有幾個(gè)部分，即油頁(yè)巖進(jìn)料端，排放區(qū)，冷卻區(qū)，油頁(yè)巖預(yù)熱區(qū)，干餾區(qū)和多孔介質(zhì)燃燒區(qū)。而此次我們主要研究油頁(yè)巖干餾后產(chǎn)生的主要產(chǎn)物甲烷，通過(guò)甲烷與空氣在雙層兩段式多孔介質(zhì)燃燒器中燃燒效果對(duì)比0.7，0.6，0.4,0.3不同當(dāng)量比和1.2m/s，1.0m/s，0.8m/s，0.5m/s不同入口流速，以及傳熱輻射衰減系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，多孔介質(zhì)孔徑大小的研究選取適宜的參數(shù)。多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐的主要設(shè)備詳見(jiàn)圖3-1多孔介質(zhì)干餾爐截面示意圖。圖3-1多孔介質(zhì)干餾爐截面示意圖3.2物理模型的建立我們此次研究的是一種兩段式雙層多孔介質(zhì)燃燒器，燃燒器里面分為小孔預(yù)熱區(qū)和里層大孔燃燒區(qū)，而里層小孔預(yù)熱區(qū)的外層是大孔燃燒區(qū)。而外層小孔預(yù)熱區(qū)的里層是大孔燃燒區(qū)。多孔介質(zhì)燃燒器外觀是長(zhǎng)度為0.27m，半徑為0.025m的圓柱。其中熱區(qū)長(zhǎng)為0.15m，所用的是碳化硅，燃燒區(qū)長(zhǎng)為0.12m，所用的是氧化鋁。而里層的半徑是0.0125m。詳見(jiàn)圖3-2與圖3-3。圖3-2兩段式雙層多孔介質(zhì)燃燒器示意圖圖3-3兩段式雙層多孔介質(zhì)截面燃燒器示意圖設(shè)置的部分假設(shè)：(1)所研究的燃燒器不考慮自身因素；(2)均勻的彌散結(jié)構(gòu)的圓柱；(3)燃燒器與外部絕熱,內(nèi)部壁面是由傳熱輻射灰體構(gòu)成；(4)甲烷與空氣混合氣體視為理想狀態(tài)。圖3-4兩段式雙層多孔介質(zhì)燃燒器網(wǎng)格示意圖表3-1多孔介質(zhì)機(jī)構(gòu)和物性參數(shù)表小孔介質(zhì)（上游）大孔介質(zhì)（下游）長(zhǎng)度（m）0.150.12孔徑（ppc）26.04.0孔隙率0.8500.90導(dǎo)熱系數(shù)（W/m?k）0.30.2輻射衰減系數(shù)（m-11715265散射反照率多孔介質(zhì)介質(zhì)狀態(tài)方程根據(jù)達(dá)西定律,其流體遵守連續(xù)方程如3-1所示：

（3-1）式中：—流體動(dòng)力粘性系數(shù)；—多孔介質(zhì)滲透系數(shù)；—達(dá)西勻流速度，m/d；—多孔介質(zhì)中的流經(jīng)長(zhǎng)度，m。流體過(guò)快時(shí)如式3-2所示：（3-2）式中：—流體的密度；—流體的慣性變；—流體動(dòng)力粘性系數(shù)；—多孔介質(zhì)滲透系數(shù)；—達(dá)西勻流速度，m/d；—多孔介質(zhì)中的流經(jīng)長(zhǎng)度，m。傅立葉導(dǎo)熱定律也同樣可應(yīng)用于多孔介質(zhì)內(nèi)部傳熱分析，其中的熱流密度公式如式3-3所示：（3-3）式中：—導(dǎo)熱系數(shù)，kg/m3；—溫度，K；—導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，m。（1）多孔介質(zhì)的連續(xù)性方程（3-4）式中：—密度，kg/m3；—多孔介質(zhì)的孔隙率；—速度矢量，m/d。（2）多孔介質(zhì)的質(zhì)量守恒方程多孔介質(zhì)的質(zhì)量守恒方程為：（3-5）式中：—密度，kg/m3；—介質(zhì)的孔隙度；—滲流速度，m/d。（3）多孔介質(zhì)的動(dòng)力學(xué)方程a.單相流達(dá)西定律如下：（3-6）式中：—流體的滲流速度，m/d；—滲透率，；—粘度，Pa?s；—流體的密度，kg/m3；—壓力，MPa；D—垂直高度，m；G—重力加速度，m/s2。b.多相流多相流的滲流微分方程為：（3-7）式中：sl—l相流體的飽和度；ql—流體流入或流出的流體質(zhì)量流量，kg/s。 （4）組分守恒定律

（3-8）式中：—組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),—組分的擴(kuò)散速度—分子量（5）氣相能量方程（3-9）式中：Q—化學(xué)反應(yīng)放熱率；—預(yù)混氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；hv—體積對(duì)流換熱系數(shù)；hi—組分的摩爾生成焓；C—混合氣體的定壓比熱容；T—?dú)庀鄿囟?。?）粘性阻力系數(shù)氣體的粘度主要和溫度有關(guān)，壓強(qiáng)影響較?。?-10）空氣在適合的溫度和壓力下T=27315,S=110K，S是氣體特有的常數(shù)。（7）固體輻射參數(shù)的確定根據(jù)所查資料，輻射吸收系數(shù)為0.4，我們把傳熱輻射散射率設(shè)置成關(guān)于孔隙率的函數(shù)：（3-11）而輻射散射率為：（3-12）3.4本章小結(jié)本章我們所闡述是我們所要關(guān)于不同參數(shù)下的甲烷在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒溫度在其中的變化和選擇最合適的參數(shù)范圍的問(wèn)題，以及在CREO創(chuàng)建兩段式雙層多孔介質(zhì)的物理模型，然后轉(zhuǎn)導(dǎo)到ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格化，大致有25000個(gè)。然后通過(guò)查找相關(guān)材料得到我們此次所研究的多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒溫度分析所需要的公式。

4多孔介質(zhì)燃燒器的模擬及分析4.1ANSYS模擬不同當(dāng)量比下的多孔介質(zhì)燃燒器混合當(dāng)量比指的是要通入多孔介質(zhì)燃燒器的經(jīng)過(guò)混合的氣體中可燃物實(shí)際含有的量與所需空氣量在理想狀態(tài)下上可完全燃燒之比。其指的是可燃混合氣中甲烷量與空氣量比例的一個(gè)十分重要的參數(shù)。此次我們采用ANSYS15.0中的fluent熱分析軟件，設(shè)置入口流速是0.8m/s研究多孔介質(zhì)燃燒器在各當(dāng)量比下的溫度圖。4.1.1建立有限元模型（1）我們首先采用ANSYS15.0軟件；（2）創(chuàng)建新的文件夾；（3）然后采用軟件中的前處理器準(zhǔn)備處理軸對(duì)稱的模型，其中我們要用的是其中的熱分析；（4）設(shè)置參數(shù)；（5）建立有限元模型，如3-1；（6）對(duì)所創(chuàng)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有25000多個(gè)，結(jié)果如圖3-3。4.1.2施加載荷計(jì)算A.定義分析類型定義分析類型為瞬態(tài)分析“transient”。B.設(shè)置瞬態(tài)熱分析的初始條件4.1.3采用fluent進(jìn)行模擬在fluent依次進(jìn)行命令為：Main，Solution，LoadStepOpts，TimeFrequenc，Time-TimeStep，用時(shí)為0.01s，所以計(jì)算的終止時(shí)間定為0.01s，然后我們就可以進(jìn)行模擬。4.1.4模擬后處理我們后期可以對(duì)瞬態(tài)開(kāi)始通過(guò)采用后處理方法來(lái)模擬。GUI進(jìn)行命令操作，最后我們會(huì)得出表示甲烷和空氣在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的不同當(dāng)量比情況下的關(guān)于溫度的相關(guān)圖。4.1.5當(dāng)量比的影響在甲烷和空氣混合燃燒時(shí)，我們對(duì)甲烷的濃度會(huì)用混合濃度當(dāng)量比來(lái)表示。濃度混合當(dāng)量比定義：（4-1）式中：—實(shí)際濃度；—理論濃度。4.2不同當(dāng)量比的溫度場(chǎng)云圖的分析與模擬4.2.1不同混合當(dāng)量比的溫度場(chǎng)云圖圖4-1當(dāng)量比為0.6溫度分布云圖圖4-2當(dāng)量比為0.8溫度分布云圖圖4-3當(dāng)量比為0.9溫度分布云圖圖4-4當(dāng)量比為0.4溫度分布云圖4.2.2不同當(dāng)量比的分析由上述四個(gè)入口流速相同，不同混合當(dāng)量比而形成的溫度分布云圖,如圖4-4，我們可以看到在甲烷和空氣的混合當(dāng)量比較高時(shí),甲烷含量高,空氣含量低，所以過(guò)量空氣系數(shù)較低,在多孔介質(zhì)燃燒器不容易進(jìn)行充分燃燒,不僅會(huì)產(chǎn)生大量一氧化碳和氮氧化物排放到空氣中,大大加重了對(duì)環(huán)境的危害,獲得的經(jīng)濟(jì)效益和資源利用率也低,所以不應(yīng)采用甲烷和空氣的混合當(dāng)量過(guò)大。而采取甲烷和空氣的混合當(dāng)量比較低時(shí),如圖4-5，相較于其余的溫度分布云圖，當(dāng)甲烷與空氣的混合當(dāng)量比減小時(shí),多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒表面更接近燃燒區(qū)的出口方位，使得燃燒火焰面向后推進(jìn)而較為分散以至于燃燒火焰面不太穩(wěn)定,可能不會(huì)產(chǎn)生回火。如圖4-2，圖4-3，我們可以分析出這兩個(gè)圖在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒有平穩(wěn)的火焰面并且會(huì)形成很高的溫度，我們可以看出甲烷在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)有效穩(wěn)定且充分的燃燒，所以我們通過(guò)對(duì)比在多孔介質(zhì)油頁(yè)巖干餾爐的多孔介質(zhì)燃燒器中分析出甲烷和空氣的混合當(dāng)量比的最適宜參數(shù)范圍為0.6~0.8最佳。4.3ANSYS模擬不同入口流速下的多孔介質(zhì)燃燒器在研究不同入口流速下的多孔介質(zhì)燃燒器中我們依然采用ANSYS15.0中的fluent熱分析軟件，以甲烷和空氣在當(dāng)量比為0.6和不同入口流速進(jìn)行多孔介質(zhì)燃燒器溫度場(chǎng)分布情況。4.3.1建立有限元模型（1）我們首先采用ANSYS15.0軟件；（2）建立新的文件夾；（3）然后采用軟件中的前處理器準(zhǔn)備處理軸對(duì)稱的模型，其中我們要用的是其中的熱分析；（4）設(shè)置參數(shù)；（5）建立有限元模型，如3-1；（6）對(duì)所創(chuàng)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有25000多個(gè)，結(jié)果如圖3-3。4.3.2施加載荷計(jì)算A.定義分析類型定義分析類型為瞬態(tài)分析“transient”。B.設(shè)置瞬態(tài)熱分析的初始條件4.3.3采用fluent進(jìn)行模擬在fluent依次進(jìn)行命令為：Main，Solution，LoadStepOpts，TimeFrequenc，Time-TimeStep，用時(shí)為0.01s，所以計(jì)算的終止時(shí)間定為0.01s，進(jìn)行模擬。4.3.4模擬后處理我們后期通過(guò)后處理模擬瞬態(tài)熱分析。GUI進(jìn)行命令操作，最后我們會(huì)得出甲烷和空氣在不同入口流速的燃燒器內(nèi)的關(guān)于溫度的相關(guān)圖。4.3.5甲烷和空氣的混氣體入口流速的影響在甲烷與空氣混合比相同的條件下，我們研究了預(yù)混氣體入口流量對(duì)燃燒條件的影響：（4-2）式中：—甲烷流量；—甲烷低位發(fā)熱量；—截管面積。4.4不同入空流速的溫度場(chǎng)云圖與分析4.4.1不同入空流速的溫度場(chǎng)云圖圖4-5入口流速為0.6m/s溫度分布云圖圖4-6入口流速為0.7m/s溫度分布云圖圖4-7入口流速為0.8m/s溫度分布云圖圖4-8入口流速為1.0m/s溫度分布云圖4.4.2不同入口流速的分析圖4-6和其余三個(gè)溫度場(chǎng)云圖相比，我們分析出甲烷和空氣在不同速度下通過(guò)多孔介質(zhì)燃燒器的預(yù)混區(qū)的時(shí)候高速度比低速度的溫度低，同時(shí)入口流速較低時(shí)燃燒的更快。原因是因?yàn)楫?dāng)速度較低時(shí)，甲烷與空氣停留在預(yù)熱區(qū)相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間，在其中會(huì)更長(zhǎng)時(shí)間的加熱氣體使之溫度更高。而在燃燒區(qū)附近速度快的反而比速度慢的溫度更高，原因是甲烷速度快，就會(huì)更快的到達(dá)出口區(qū)域，所以出口區(qū)域溫度更高。同時(shí)如果入口流速較快時(shí)，甲烷含量變的更多，就能夠在相同時(shí)間內(nèi)燃燒更多的甲烷，但過(guò)快的話，也會(huì)伴隨得到了非常多的有害物質(zhì)排放到空氣中。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，我們可以得出入口流速應(yīng)在0.7~0.8m/s最好，可以提高效率。4.5不同輻射衰減系數(shù)的溫度場(chǎng)云圖與分析4.5.1輻射衰減系數(shù)定義輻射衰減系數(shù)是單位質(zhì)量厚度介質(zhì)層對(duì)輻射量的相對(duì)減少所占比。為材料特有的物性參數(shù)。其與吸收能量的材料的密度有關(guān)，而密度又和物理形態(tài)有關(guān)，我們一般采用輻射衰減系數(shù)不受材料的密度的影響。它的優(yōu)勢(shì)在于它的數(shù)值與材料的密度無(wú)關(guān)，即與材料的物理形態(tài)無(wú)關(guān)。輻射衰減系數(shù)與介質(zhì)密度無(wú)關(guān)，同時(shí)也與材料物理狀態(tài)無(wú)關(guān)，這為實(shí)際應(yīng)用提供了極大方便。表4-1輻射衰減系數(shù)設(shè)定輻射衰減系數(shù)小孔介質(zhì)（上游）大孔介質(zhì)（下游）117102602171056032410260424105604.5.2不同輻射衰減系數(shù)的溫度場(chǎng)云圖圖4-10輻射衰減系數(shù)1溫度圖圖4-11輻射衰減系數(shù)2溫度圖圖4-12輻射衰減系數(shù)1溫度圖圖4-13輻射衰減系數(shù)1溫度圖圖4-14不同輻射衰減系數(shù)下的溫度分布圖4.5.3不同輻射衰減系數(shù)的分析從圖4-10和圖4-11的比較可以看出，預(yù)熱區(qū)不變，只是增大燃燒區(qū)，圖中甲烷燃燒的將會(huì)降低，同時(shí)，火焰面向下方推進(jìn)，我們可以分析出多孔介質(zhì)固體散發(fā)出更多的熱量。從圖4-10和圖4-12比較可以看出，燃燒區(qū)不變，僅僅是增大小孔介質(zhì)預(yù)熱區(qū)的，甲烷將會(huì)向燃燒區(qū)上方有部分推進(jìn)，同時(shí)，燃燒器內(nèi)溫度基本不會(huì)產(chǎn)生變化，因?yàn)樵陬A(yù)熱和燃燒區(qū)連接處周圍甲烷才剛剛開(kāi)始燃燒，所以我們要想通過(guò)改變預(yù)熱區(qū)的小孔介質(zhì)的發(fā)射率對(duì)溫度和火焰表面沒(méi)有大的影響。通過(guò)圖4-10與圖4-13可以看出，我們將小孔預(yù)熱區(qū)與大孔燃燒區(qū)的一起增大的時(shí)候，燃燒器內(nèi)溫度會(huì)有部分降低，同時(shí)火焰面會(huì)向下方有部分推進(jìn)，原因是燃燒器的兩個(gè)區(qū)都增加時(shí)會(huì)加快氣體速度，所以甲烷與空氣燃燒區(qū)向下方推進(jìn)。輻射衰減系數(shù)宜選小孔1710，大孔2604.6不同孔徑的溫度場(chǎng)云圖與分析4.6.1多孔介質(zhì)燃燒器孔徑的意義多孔介質(zhì)的主要性質(zhì)之一是其孔結(jié)構(gòu)。而我們此次研究的是多孔介質(zhì)燃燒器的不同孔徑的溫度場(chǎng)云圖與分析就顯得十分重要。表4-2多孔介質(zhì)燃燒器孔徑設(shè)定（m）孔徑（m）小孔介質(zhì)（上游）大孔介質(zhì)（下游）10.0300.120.0400.130.0300.1540.040不同孔徑的溫度場(chǎng)云圖圖4-15孔徑1溫度分布云圖圖4-16孔徑2溫度分布云圖圖4-17孔徑3溫度分布云圖圖4-18孔徑4溫度分布云圖圖4-19不同孔徑下的溫度分布圖4.6.3不同孔徑的分析通過(guò)對(duì)圖4-14，圖4-15和圖4-17進(jìn)行對(duì)比，我們可以分析得出當(dāng)小孔預(yù)熱區(qū)孔徑變大的話，無(wú)論大孔燃燒區(qū)的孔徑是增大還是減小，燃燒器中的火焰表面向下游推進(jìn)。多孔介質(zhì)燃燒區(qū)會(huì)隨甲烷和空氣的混合氣流向后推進(jìn)的原因是流經(jīng)其中的甲烷速度因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)的孔徑增大而加快。還有一個(gè)重要有優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)適宜減小燃燒區(qū)的孔徑也能夠防止產(chǎn)生回火。我們通過(guò)圖4-14和圖4-16進(jìn)行比較，當(dāng)預(yù)熱區(qū)孔徑不變時(shí)，只增加大孔燃燒區(qū)的孔徑，火焰表面的位置基本上沒(méi)有變化，但溫度峰值部分降低?？讖揭诉x小孔0.030m，大孔0.10m。4.7不同導(dǎo)熱系數(shù)的溫度場(chǎng)云圖與分析4.7.1導(dǎo)熱系數(shù)它是指在穩(wěn)定傳熱的情況下材料在1米的的厚度，單自位溫差內(nèi)，在1秒內(nèi)，每單位面積所傳遞的熱量大小，單位W/m·K（此處的K可用°C代替）。表4-3導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定（W/m·K）導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·K）小孔介質(zhì)（上游）大孔介質(zhì)（下游）.2多孔介質(zhì)燃燒器的不同導(dǎo)熱系數(shù)的溫度場(chǎng)云圖圖4-20導(dǎo)熱系數(shù)1溫度分布云圖圖4-21導(dǎo)熱系數(shù)2溫度分布云圖圖4-22導(dǎo)熱系數(shù)3溫度分布云圖圖4-23導(dǎo)熱系數(shù)3溫度分布云圖圖4-24不同導(dǎo)熱系數(shù)下的溫度分布圖4.7.3不同導(dǎo)熱系數(shù)的分析分析上述的模擬出的不同導(dǎo)熱系數(shù)的溫度場(chǎng)云圖，對(duì)圖4-19，圖4-20和圖4-22進(jìn)行比較，當(dāng)小孔預(yù)熱區(qū)的導(dǎo)熱率變大時(shí)，不管燃燒區(qū)設(shè)置成增加還是減小，多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)溫度都會(huì)升高，燃燒器的傳熱效果都將增強(qiáng)，。然而，比較圖4-21，如果預(yù)熱區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)保持恒定并且燃燒區(qū)同時(shí)提高，則大孔燃燒區(qū)對(duì)氣體和小孔預(yù)熱區(qū)的固體傳熱性能提高，也將使燃燒區(qū)內(nèi)溫度峰值降低。沒(méi)有燃燒的甲烷氣體獲得的熱量產(chǎn)生了變化，燃燒火焰面位置也會(huì)產(chǎn)生了變化所以多孔介質(zhì)燃燒器預(yù)熱區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)適宜大些。導(dǎo)熱系數(shù)宜選小孔0.4W/m?K，大孔0.2W/m?K。4.8本章小結(jié)本章我們通過(guò)分析軟件模擬出不同混合當(dāng)量的甲烷和空氣在多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒情況。通過(guò)溫度云圖我們分析出當(dāng)量比過(guò)高不宜充分燃燒，過(guò)低會(huì)使火焰表面不穩(wěn)定，不易產(chǎn)生回火，最后得出最適宜的范圍在0.6~0.8；不同入口流考慮到經(jīng)濟(jì)效益和工作的高效性。最適宜的范圍在0.7~0.8；孔介質(zhì)燃燒器的物性參數(shù)所研究的有直接影響?？梢蕴岣呷紵?，經(jīng)對(duì)比得出輻射衰減系數(shù)宜選小孔1710，大孔260；孔徑宜選小孔0.030m，大孔0.10m；導(dǎo)熱系數(shù)宜選小孔0.4W/m?K，大孔0.2W/m?K。

5結(jié)論A.甲烷和空氣的混合當(dāng)量比不同混合當(dāng)量的甲烷和空氣在多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒情況不同。通過(guò)溫度云圖我們分析出過(guò)低或過(guò)高都有部分缺陷，過(guò)高不宜充分燃燒，過(guò)低火焰面不穩(wěn)定，不易產(chǎn)生回火，最適宜的范圍在0.6~0.8；B.甲烷和空氣的混合氣體的入口流速不同入口流速的狀態(tài)下也不同?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益和工作的高效性。最適宜的范圍在0.7~0.8；C.多孔介質(zhì)燃燒器的輻射衰減系數(shù)，孔徑，導(dǎo)熱系數(shù)孔介質(zhì)燃燒器的物性參數(shù)：輻射衰減系數(shù)，孔徑，導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)分析對(duì)充分且穩(wěn)定燃燒有直接影響。有為效防止脫火，回火等安全隱患，提高燃燒效率，輻射衰減系數(shù)宜選小孔1710，大孔260；孔徑宜選小孔0.030m，大孔0.10m；導(dǎo)熱系數(shù)宜選小孔0.4W/m?K，大孔0.2W/m?K。參考文獻(xiàn)雷群,王紅艷,趙群，等.國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及建議[J]天然氣工業(yè),2008,28（12）:7-10.呂兆華，RDMathews．分段多孔介質(zhì)燃燒器的二次進(jìn)氣燃燒排放研究[J]燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002，6（2）:124-128.劉慧，董帥，幸念強(qiáng)，等.多孔介質(zhì)特性參數(shù)對(duì)燃燒溫度及壓力影響的數(shù)值模擬研究[J]應(yīng)用能源技術(shù)2009，37（12）):31-37.馬國(guó)明．影響撫順油頁(yè)巖干餾生產(chǎn)操作因素的優(yōu)化[D]吉林：]吉林大學(xué)，2012呂兆華，孫思誠(chéng)．多孔介質(zhì)中預(yù)混燃燒速率的預(yù)示[J]燃燒科學(xué)與技術(shù)，1998，4（3）:242-246.李艷紅，程慧爾，胡國(guó)新，等.多孔陶瓷板預(yù)混燃燒NO的排放特性[J]上海交通大學(xué)學(xué)校學(xué)報(bào),2002，36（2）:226-229.王子興.多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)硫化氫超絕熱部分氧化分解制氫的研究[D]浙江：浙江大學(xué),2004.王海真.一種高效多孔介質(zhì)燃燒器模型建立及其燃燒數(shù)值[D]湖南：湖南科技大學(xué),2017.程義.微型燃燒器燃燒特性優(yōu)化及數(shù)值模擬[D]河南：河南科技大