煤礦乏風(fēng)瓦斯預(yù)熱催化氧化數(shù)值模擬.pdf

1、我國是一個煤炭大國,煤炭是我國非常重要的基礎(chǔ)性能源,煤炭開采中的瓦斯氣體含有一定濃度的甲烷氣體直接排放到大氣中會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源的浪費。由于煤礦乏風(fēng)中的甲烷的體積濃度較低,濃度波動范圍比較大,無法用傳統(tǒng)的方式對煤礦乏風(fēng)進(jìn)行利用。本文基于山東理工大學(xué)自行研制開發(fā)的煤礦乏風(fēng)預(yù)熱催化氧化裝置,利用Fluent軟件對甲烷的催化氧化過程進(jìn)行模擬研究,同時對甲烷催化氧化的自熱維持狀態(tài)過程進(jìn)行了模擬研究。具體內(nèi)容包括:
　　(1)以實驗

2、陶瓷為模型首先建立了單通道的三維計算模型,模型尺寸為1.8*1.8*350mm,壁厚為0.2mm;雖然甲烷在 Pd基催化劑表面進(jìn)行的是一系列比較復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng),但是仍然遵守能量,動量,連續(xù)等基本控制方程,本文給出了控制方程的具體形式;模擬甲烷在單通道中的催化氧化的過程,需要導(dǎo)入反應(yīng)動力學(xué)模型,本文介紹了反應(yīng)動力學(xué)模型的建立。
　　(2)對甲烷的催化氧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并進(jìn)行實驗驗證。由于模擬時的條件比較理想,實驗中可能還存

3、在局部漏氣的現(xiàn)象等導(dǎo)致模擬的數(shù)據(jù)比實驗數(shù)據(jù)略高。但是就陶瓷軸向的溫度分布規(guī)律而言,模擬結(jié)果與實驗基本一致。可以認(rèn)為模擬方法及計算模型選擇合適。驗證模型正確后,開始研究各個運行參數(shù)包括預(yù)熱溫度、空速、甲烷濃度對氧化床溫度場和甲烷轉(zhuǎn)化率的影響規(guī)律,得出的結(jié)論是隨著預(yù)熱溫度和甲烷濃度的增大,氧化床的溫度場是升高的,甲烷轉(zhuǎn)化率是在增大的。而隨著空速的增大,氧化床的溫度場和甲烷轉(zhuǎn)化率都是在降低的。
　　(3)以實驗裝置為原型進(jìn)行相應(yīng)的簡化建

4、立了甲烷預(yù)熱催化氧化的三維簡化模型,進(jìn)行預(yù)熱催化氧化裝置自熱維持狀態(tài)的模擬。模型的建立省去了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的預(yù)熱器,對預(yù)熱器的處理是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出相應(yīng)的公式,建立起反應(yīng)后煙氣的溫度和經(jīng)過預(yù)熱器后回收效率之間的相應(yīng)關(guān)系,然后運用逐步迭代的方法進(jìn)行甲烷在整個裝置中的催化氧化的模擬計算。
　　(4)對各個工況下的甲烷催化氧化的自熱維持狀態(tài)的實現(xiàn)進(jìn)行了模擬研究,并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比,從對比結(jié)果可以看出模擬的自熱維持狀態(tài)與實驗得到的自熱維持

5、狀態(tài)基本吻合。因此可以認(rèn)為本論文中選用的模擬自熱維持狀態(tài)的方法是合理的。并對各個工況下的自熱維持狀態(tài)進(jìn)行了能量計算,利用甲烷催化氧化放出的熱量=通過整個裝置的散熱損失散失到外界的熱量+反應(yīng)后的煙氣通過排氣管排入到大氣中的能量來計算煙氣能量即裝置可以再利用的能量。
　　(5)利用模擬自熱維持狀態(tài)相同的計算方法對煤礦乏風(fēng)預(yù)熱催化氧化裝置的擴(kuò)張段增加導(dǎo)流板時的情況進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬研究增加導(dǎo)流板時甲烷催化氧化達(dá)到自熱維持狀態(tài)時的情況,給