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甲烷浓度在30%左右的煤矿井下抽放煤层气热值较低,研究开发适合这种煤层气高效清洁燃烧的专用燃烧器对缓解我国能源紧张、控制煤层气污染及合理利用煤层气资源具有很好的经济效益、社会效益和环境效益。文中对三种低热值煤层气燃烧器进行了全尺寸的三维燃烧数值模拟和实验研究。模拟预测了燃烧器的流动和燃烧特性随结构和热负荷的变化规律;冷态实验研究了燃烧器内部流动阻力随燃烧器结构和负荷的变化规律;热态实验考察了燃烧区域的火焰特性和温度分布随燃烧器结构和热负荷的变化规律。采用Realizable k-ε湍流模型、物质输运和漩涡耗散模型及P-1辐射换热模型对燃烧器进行燃烧模拟表明:完全预混式和部分预混式燃烧器燃烧效率都达到99.99%,扩散式燃烧器燃烧效率最低。部分预混式燃烧器燃烧温度高且高温区域分布广,射流刚性好,速度衰减慢,主流直径最小。完全预混式燃烧器燃烧温度最高,燃烧主要集中在喷口内部,主流受旋转射流影响大。扩散式燃烧器燃烧温度最低,速度衰减快。部分预混式和完全预混式燃烧器采用渐扩口燃烧效率更高,扩散式燃烧器采用渐缩口时燃烧效率更高。部分预混式燃烧器综合性能最佳。进一步的数值模拟考察了部分预混式燃烧器在不同喷口角度下的燃烧效率,结果预测当其喷口扩散角等于6.87°时的燃烧效率最高。冷态阻力实验结果表明:完全预混式燃烧器内部流动阻力最大,扩散式燃烧器内部流动阻力最小,部分预混式燃烧器和扩散式燃烧器内部流动阻力特性相似。热态燃烧实验结果表明:三种燃烧器在不同热负荷下均能稳定燃烧,不回火、不脱火,有较宽的负荷调节能力。部分预混式燃烧器燃烧温度高,高温段距离长,火焰刚性好,火焰宽度小,火焰扩散角小。扩散式燃烧器火焰长,宽度大,火焰扩散角大。完全预混式燃烧器的火焰长度最短,中心轴上的燃烧温度降幅大。数值模拟和热态实验结果基本吻合,证明数值模拟方法正确,模型选择合理,实验方法正确,结论可靠。为低热值煤层气燃烧器的工业应用和最终商业化奠定了理论与技术基础。