超低浓度甲烷在流化床中催化燃烧及动力学特性研究

论文摘要

甲烷体积浓度低于5%的超低浓度甲烷广泛存在于矿井煤层气和化工废气中,由于其具有浓度低、流量变化大等特点,采用常规技术较难加以利用,大部分超低浓度甲烷未经处理而直接排向大气,造成了能源的浪费和大气的污染,研究利用超低浓度甲烷具有节能和环保双重意义。流化床燃烧技术由于具有热容量大、燃料适应性广的优点广泛应用于劣质固体燃料的燃烧。目前气体燃料在流化床中的燃烧主要是针对甲烷浓度较高的天然气,且主要针对燃烧发生区域、床层温度特点、燃烧产物等燃烧特性的研究,在动力学方面主要是针对惰性颗粒为床料的流化床内高浓度甲烷的动力学特性研究。而对超低浓度甲烷在流化床中的催化燃烧特性以及甲烷浓度、流量变化等操作因素对其燃烧特性影响的研究鲜有报道,其在催化剂为床料的流化床内的动力学特性也有待于进一步深入研究。因此,研究超低浓度甲烷在流化床中的催化燃烧及动力学特性,具有重要的学术意义和工业应用价值。本文针对超低浓度甲烷燃烧利用的研究现状及难点,提出采用流化床技术燃烧利用超低浓度甲烷,设计了流化床燃烧系统及实验装置,进行了热平衡分析并探讨了超低浓度甲烷在流化床燃烧系统中维持运行的极限浓度,使用0.5%Pd/Al2O3颗粒作为催化剂,采用实验研究和理论分析相结合的方法,研究了超低浓度甲烷在流化床内的流动、相间传热和燃烧特性,建立了超低浓度甲烷在流化床中的反应模型,探索了其在流化床中的反应控制区域、动力学参数变化等反应动力学特性等。首先,对流化床燃烧系统内的流动和相间的传热特性进行了研究,分析了操作条件变化对流动及传热的影响,得到了床层膨胀高度、气泡的生长、压力的脉动、临界流化风速、床层温度、相间传热系数等参数的变化规律。研究发现:温度升高和流化风速增加都会使床层的膨胀高度增加,但温度升高对气泡的生长影响不大,流化风速增加时,气泡直径增大;流化床内压力具有脉动特性,且在床层表面的幅度大于床层内;床层温度升高时,临界流化风速略有降低。在流化床的密相区温度比较均匀;在进气体积流量不变的情况下,升高床层温度、增加颗粒粒径都会使相间的传热系数减小;随着气泡直径的增加,传热系数先增加后减小,存在一个临界气泡直径,且临界值随着颗粒粒径的增加略减小。为更深入研究超低浓度甲烷在流化床中的催化燃烧及动力特性奠定了基础。其次,研究了超低浓度甲烷在流化床中催化燃烧特性,首次考察了床层温度、进气甲烷浓度、流化风速等操作条件的变化对超低浓度甲烷在流化床中催化燃烧特性的影响规律,并对操作条件变化时燃烧产物沿轴向的分布进行了取样分析。得到了燃烧产物、CO浓度、系统转化率、无量纲甲烷浓度等重要参数随操作条件的变化规律。研究发现:在实验范围内,大部分超低浓度甲烷被转化成CO2和H2O,并有少量的CO,CO浓度随着温度的升高而增加,造成这种现象的主要原因是在燃烧过程中同时还发生了甲烷催化重整和水煤气转化反应;在流化床床层内,随着高度的增加,气体无量纲浓度减小,在床层表面无量纲浓度突然增加;升高床层温度,甲烷的转化率增加,甲烷在流化床中的催化反应向着床层下方移动;增加进气甲烷浓度或增加流化风速,都会使甲烷的转化率减小,甲烷在流化床中的催化反应向着床层上方移动。然后,在基于流化床流动、反应和质量平衡的基础上,建立了超低浓度甲烷在流化床中反应的数学模型,提出在模型中引入催化剂效率因子η、坦克莱准数Da和斯坦顿数Stm,并通过分析Da,Stm以及η的变化来研究超低浓度甲烷在流化床中催化反应的控制因素,探索了超低浓度甲烷在流化床中催化燃烧的动力学特性,并和固定床中获得的本征动力学参数进行了对比分析。研究表明:温度在450℃以下时,反应受本征动力学所控制,流化床和固定床中动力学参数基本一致;温度在450℃以上时,超低浓度甲烷在流化床中的反应除受动力学控制之外,还受到气体与催化剂表面的传质、扩散作用以及气泡相与乳化相之间传质作用所控制。利用反应数学模型及获得的动力学参数对各种工况进行了数值计算,模型计算值和实验值吻合较好,产生误差的主要原因是流化床内强烈的气固流动以及气泡的生长等因素。本文较系统地研究了超低浓度甲烷在流化床中的流动、相间传热、燃烧及动力学问题,得到了相关影响因素的变化规律,建立了超低浓度甲烷在流化床中的反应数学模型,并深入研究了其在流化床中的动力学特性。有助于推进低热值气体在流化床催化燃烧特性的深入研究,充实和丰富了气体燃料在流化床中燃烧的研究成果,可为超低浓度气体燃料在流化床中的燃烧利用提供理论基础和依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 超低浓度甲烷利用现状分析
• 1.2.1 超低浓度甲烷利用技术研究进展
• 1.2.2 现有技术的优缺点分析
• 1.2.3 超低浓度甲烷能源化利用的难点
• 1.2.4 流化床燃烧技术的提出
• 1.3 气体燃料在流化床中燃烧的研究现状
• 1.3.1 气体燃料在流化床中燃烧的实验研究
• 1.3.2 数值模拟及数学模型研究
• 1.3.3 目前研究的不足
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 实验系统的设计及实验方法
• 2.1 流化床燃烧装置及系统
• 2.1.1 燃烧装置及系统的设计原则
• 2.1.2 实验装置的设计及重要参数的选取
• 2.1.3 燃烧系统的热平衡及维持运行的最低浓度
• 2.1.4 流化床燃烧装置
• 2.1.5 供气与取样系统
• 2.1.6 测量与数采系统
• 2.1.7 控制与安全系统
• 2.1.8 实验步骤
• 2.2 催化剂动力学实验装置及系统
• 2.2.1 装置及系统简介
• 2.2.2 实验步骤及注意事项
• 2.3 物料及特性
• 2.3.1 固体物料
• 2.3.2 气体
• 2.3.3 催化剂的评价
• 2.4 参数测量与数据处理
• 2.4.1 参数测量与仪器标定
• 2.4.2 数据的处理
• 2.5 小结
• 3 流化床燃烧系统的流动特性及相间的传热特性
• 3.1 床层的膨胀
• 3.1.1 冷态下床层的膨胀
• 3.1.2 热态下床层膨胀高度的估算
• 3.2 气泡的生长
• 3.2.1 冷态时气泡的生长
• 3.2.2 热态时气泡生长的预测
• 3.3 流化床内压力变化特性
• 3.3.1 压力的脉动特性
• 3.3.2 压力随表观气速的变化
• 3.4 燃烧系统内温度变化特性
• 3.4.1 燃烧系统的温度特征
• 3.4.2 进气浓度对床温的影响
• 3.4.3 流化速度对床温的影响
• 3.5 气泡相和乳化相间的传热特性
• 3.5.1 传热的模型
• 3.5.2 床层温度对传热的影响
• 3.5.3 颗粒特性对传热的影响
• 3.5.4 气泡直径对传热的影响
• 3.6 小结
• 4 超低浓度甲烷在流化床中的催化燃烧特性
• 4.1 燃烧产物分析
• 4.1.1 燃烧产物的组成
• 4.1.2 CO 排放特性
• 4.2 系统转化效率
• 4.2.1 床层温度对转化效率的影响
• 4.2.2 进气浓度对转化效率的影响
• 4.2.3 流化风速对转化效率的影响
• 4.2.4 床料对转化效率的影响
• 4.3 流化床内气体浓度轴向分布
• 4.3.1 气体浓度轴向分布的特点
• 4.3.2 床层温度对甲烷浓度轴向分布的影响
• 4.3.3 进气浓度对甲烷浓度轴向分布的影响
• 4.3.4 流化风速对甲烷浓度轴向分布的影响
• 4.4 小结
• 5 超低浓度甲烷催化燃烧的动力学特性
• 5.1 甲烷催化燃烧反应机理分析
• 5.2 超低浓度甲烷催化燃烧的本征动力学特性
• 5.2.1 外扩散与内扩散的消除
• 5.2.2 本征动力学模型的建立及参数评估
• 5.3 超低浓度甲烷在流化床中的反应模型及动力学特性
• 5.3.1 流化床反应模型
• 5.3.2 反应模型的无量纲化
• 5.3.3 流化床内反应动力学特性
• 5.3.4 超低浓度甲烷在流化床中燃烧的数值计算
• 5.3.5 数值计算结果与实验的对比分析
• 5.4 小结
• 6 结论及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A: 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B: 作者在攻读学位期间申请的专利目录
• C: 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录