流向變換催化燃燒反應(yīng)系統(tǒng)特性與數(shù)值模擬.pdf

1、每年在石油天然氣和煤礦生產(chǎn)中排放的大量甲烷已經(jīng)帶來了一系列環(huán)境和安全問題，如何實現(xiàn)數(shù)量大濃度低的甲烷氣體有效處理利用引起了廣泛的關(guān)注和研究。流向變換催化燃燒技術(shù)有效地將催化反應(yīng)放熱和熱量回收集中在一起，燃燒溫度低于傳統(tǒng)熱力燃燒，轉(zhuǎn)化率高，基本無二次污染，運行穩(wěn)定性強，適合處理濃度低流量大的甲烷氣體。本文圍繞甲烷高效清潔催化燃燒，采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對流向變換催化燃燒系統(tǒng)開展研究。 首先，對流向變換催化燃燒反應(yīng)器在冷

2、態(tài)條件下的流動與阻力特性進行了試驗研究。研究了反應(yīng)器在不同填料高度、床層表觀流速和換向周期下阻力損失特性和動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，隨著反應(yīng)器流向的周期性變化，阻力特性呈周期性的矩形波形式；壓力穩(wěn)定時間隨著填料高度、床層表觀流速的增加略有上升；填料性質(zhì)、高度、床層表觀流速對阻力損失影響較大；根據(jù)Ergun方程，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸并得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。 然后在較寬的試驗條件變化范圍內(nèi)進行了甲烷流向變換催化燃燒試驗研究。結(jié)果表明反應(yīng)器

3、的總熱效應(yīng)是反應(yīng)放熱與系統(tǒng)散熱的綜合結(jié)果，濃度、換向周期以及風(fēng)速等操作條件均能夠改變反應(yīng)器的熱效應(yīng)，最終反應(yīng)器出現(xiàn)三種變化狀態(tài)：循環(huán)定態(tài)、飛溫、熄火。高濃度和低流速會導(dǎo)致“M”型溫度分布甚至“飛溫”的出現(xiàn)，降低濃度和提高軸向傳熱可以減少發(fā)生“飛溫”的可能。濃度過低引起系統(tǒng)反應(yīng)放熱過少或者換向周期過長導(dǎo)致過多熱量移出反應(yīng)器都有可能發(fā)生“熄火”現(xiàn)象。對于濃度過低不能維持自熱的操作情況下，采用輔以電加熱的方法可以有效地解決該問題。甲烷的轉(zhuǎn)化率

4、較大程度上受反應(yīng)器溫度水平的影響，在甲烷濃度大于0.4％以上，轉(zhuǎn)化率基本上都超過了95％，滿足處理要求。 最后建立了反應(yīng)器非定態(tài)、非均相的一維模型，與試驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的有效性。模擬研究了操作因素、填料性質(zhì)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)等反應(yīng)器性能的影響。結(jié)果表明：濃度增大，溫度水平增大，高溫平臺變寬；流速增大，溫度水平現(xiàn)上升后下降；換向周期較小，催化段的溫度水平較高，高溫平臺較寬，切換周期增大，溫度分布變得更陡峭。不同粒徑的填料對