流向變換催化燃燒反應系統(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注和研究。流向變換催化燃燒技術有效地將催化反應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)響應規(guī)律。結果表明，隨著反應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、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的相關系數(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。結果表明反應器

3、的總熱效應是反應放熱與系統(tǒng)散熱的綜合結果，濃度、換向周期以及風速等操作條件均能夠改變反應器的熱效應，最終反應器出現(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)反應放熱過少或者換向周期過長導致過多熱量移出反應器都有可能發(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。甲烷的轉化率

4、較大程度上受反應器溫度水平的影響，在甲烷濃度大于0.4％以上，轉化率基本上都超過了95％，滿足處理要求。 最后建立了反應器非定態(tài)、非均相的一維模型，與試驗結果進行對比，驗證了模型的有效性。模擬研究了操作因素、填料性質、反應器結構參數(shù)等反應器性能的影響。結果表明：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