超低濃度甲烷在流化床中催化燃燒及動力學特性研究.pdf

1、甲烷體積濃度低于5％的超低濃度甲烷廣泛存在于礦井煤層氣和化工廢氣中,由于其具有濃度低、流量變化大等特點,采用常規(guī)技術較難加以利用,大部分超低濃度甲烷未經處理而直接排向大氣,造成了能源的浪費和大氣的污染,研究利用超低濃度甲烷具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。流化床燃燒技術由于具有熱容量大、燃料適應性廣的優(yōu)點廣泛應用于劣質固體燃料的燃燒。目前氣體燃料在流化床中的燃燒主要是針對甲烷濃度較高的天然氣,且主要針對燃燒發(fā)生區(qū)域、床層溫度特點、燃燒產物等燃燒特

2、性的研究,在動力學方面主要是針對惰性顆粒為床料的流化床內高濃度甲烷的動力學特性研究。而對超低濃度甲烷在流化床中的催化燃燒特性以及甲烷濃度、流量變化等操作因素對其燃燒特性影響的研究鮮有報道,其在催化劑為床料的流化床內的動力學特性也有待于進一步深入研究。因此,研究超低濃度甲烷在流化床中的催化燃燒及動力學特性,具有重要的學術意義和工業(yè)應用價值。
　　 本文針對超低濃度甲烷燃燒利用的研究現(xiàn)狀及難點,提出采用流化床技術燃燒利用超低濃度甲烷

3、,設計了流化床燃燒系統(tǒng)及實驗裝置,進行了熱平衡分析并探討了超低濃度甲烷在流化床燃燒系統(tǒng)中維持運行的極限濃度,使用0.5％Pd/Al2O3顆粒作為催化劑,采用實驗研究和理論分析相結合的方法,研究了超低濃度甲烷在流化床內的流動、相間傳熱和燃燒特性,建立了超低濃度甲烷在流化床中的反應模型,探索了其在流化床中的反應控制區(qū)域、動力學參數(shù)變化等反應動力學特性等。
　　 首先,對流化床燃燒系統(tǒng)內的流動和相間的傳熱特性進行了研究,分析了操作條件

4、變化對流動及傳熱的影響,得到了床層膨脹高度、氣泡的生長、壓力的脈動、臨界流化風速、床層溫度、相間傳熱系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):溫度升高和流化風速增加都會使床層的膨脹高度增加,但溫度升高對氣泡的生長影響不大,流化風速增加時,氣泡直徑增大;流化床內壓力具有脈動特性,且在床層表面的幅度大于床層內;床層溫度升高時,臨界流化風速略有降低。在流化床的密相區(qū)溫度比較均勻;在進氣體積流量不變的情況下,升高床層溫度、增加顆粒粒徑都會使相間的傳熱系數(shù)

5、減小;隨著氣泡直徑的增加,傳熱系數(shù)先增加后減小,存在一個臨界氣泡直徑,且臨界值隨著顆粒粒徑的增加略減小。為更深入研究超低濃度甲烷在流化床中的催化燃燒及動力特性奠定了基礎。
　　 其次,研究了超低濃度甲烷在流化床中催化燃燒特性,首次考察了床層溫度、進氣甲烷濃度、流化風速等操作條件的變化對超低濃度甲烷在流化床中催化燃燒特性的影響規(guī)律,并對操作條件變化時燃燒產物沿軸向的分布進行了取樣分析。得到了燃燒產物、CO濃度、系統(tǒng)轉化率、無量綱甲

6、烷濃度等重要參數(shù)隨操作條件的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):在實驗范圍內,大部分超低濃度甲烷被轉化成CO2和H2O,并有少量的CO,CO濃度隨著溫度的升高而增加,造成這種現(xiàn)象的主要原因是在燃燒過程中同時還發(fā)生了甲烷催化重整和水煤氣轉化反應;在流化床床層內,隨著高度的增加,氣體無量綱濃度減小,在床層表面無量綱濃度突然增加;升高床層溫度,甲烷的轉化率增加,甲烷在流化床中的催化反應向著床層下方移動;增加進氣甲烷濃度或增加流化風速,都會使甲烷的轉化率減小,

7、甲烷在流化床中的催化反應向著床層上方移動。
　　 然后,在基于流化床流動、反應和質量平衡的基礎上,建立了超低濃度甲烷在流化床中反應的數(shù)學模型,提出在模型中引入催化劑效率因子η、坦克萊準數(shù)Da和斯坦頓數(shù)Stm,并通過分析Da,Stm以及η的變化來研究超低濃度甲烷在流化床中催化反應的控制因素,探索了超低濃度甲烷在流化床中催化燃燒的動力學特性,并和固定床中獲得的本征動力學參數(shù)進行了對比分析。研究表明:溫度在450℃以下時,反應受本征動

8、力學所控制,流化床和固定床中動力學參數(shù)基本一致;溫度在450℃以上時,超低濃度甲烷在流化床中的反應除受動力學控制之外,還受到氣體與催化劑表面的傳質、擴散作用以及氣泡相與乳化相之間傳質作用所控制。利用反應數(shù)學模型及獲得的動力學參數(shù)對各種工況進行了數(shù)值計算,模型計算值和實驗值吻合較好,產生誤差的主要原因是流化床內強烈的氣固流動以及氣泡的生長等因素。
　　 本文較系統(tǒng)地研究了超低濃度甲烷在流化床中的流動、相間傳熱、燃燒及動力學問題,得