超低濃度甲烷流態(tài)化燃燒反應(yīng)模型的建立及實驗驗證.pdf

1、超低濃度甲烷廣泛存在于礦井抽采的煤層氣和化工廢氣中，它的濃度通常隨著開采條件的變化而波動，通常其體積濃度不超過3％，熱值很低，利用難度較大。在我國煤炭開采過程中，大量超低濃度甲烷不經(jīng)處理直接排放到外界環(huán)境中，不僅污染環(huán)境而且浪費(fèi)資源，因此，研究利用超低濃度甲烷具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。流態(tài)化燃燒技術(shù)具有燃料適應(yīng)性廣、熱容量大等優(yōu)點(diǎn)，適用于低熱值氣體的燃燒利用，當(dāng)超低濃度甲烷流化床內(nèi)催化燃燒時，反映其流態(tài)化催化燃燒特點(diǎn)的反應(yīng)模型需要進(jìn)一步研

2、究和建立。
　　本文根據(jù)超低濃度在鼓泡流化床中催化燃燒特點(diǎn)，建立分區(qū)模型并進(jìn)行耦合，并采用實驗研究和理論分析相結(jié)合的方法研究了0.15~3 vol.%超低濃度甲烷在以0.5%Pd/Al2O3作為催化劑顆粒床料的鼓泡流化床反應(yīng)器中催化燃燒特性并對反應(yīng)模型進(jìn)行了驗證，最后通過模型計算，對甲烷在流化床反應(yīng)器的變化進(jìn)行了預(yù)測。基于超低濃度甲烷在鼓泡流化床催化燃燒特性，在流化床流動、反應(yīng)和質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上，根據(jù)氣固兩相流理論，在密相區(qū)與稀相

3、區(qū)分別建立反應(yīng)模型，在密相區(qū)中考慮了氣泡相與乳化相之間的傳質(zhì)以及甲烷在催化顆粒表面的催化反應(yīng)；在稀相區(qū)，根據(jù)超低濃度甲烷燃燒的特點(diǎn)，又進(jìn)一步劃分為飛濺顆粒區(qū)和均相反應(yīng)區(qū)，并分別建立反應(yīng)模型。采用實驗研究的方法對所建立的反應(yīng)模型在不同工況下進(jìn)行了驗證，考察了床層溫度、進(jìn)氣濃度、流化風(fēng)速以及靜態(tài)床層高度等因素對低濃度甲烷流態(tài)化催化燃燒的影響，并與常見流態(tài)化反應(yīng)模型活塞流、混合流及 K-L反應(yīng)模型進(jìn)行了對比分析，研究表明本文建立的反應(yīng)模型與實

4、驗數(shù)據(jù)吻合較好，誤差在5%以內(nèi)。同時研究發(fā)現(xiàn)，床層溫度增加到650℃時，甲烷的轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%，減小甲烷進(jìn)氣濃度和流化風(fēng)速以及增加床層溫度均可提高低濃度甲烷的轉(zhuǎn)化率，并使反應(yīng)向著床層下方移動；甲烷在密相區(qū)床層的反應(yīng)主要發(fā)生在乳化相，氣泡相甲烷濃度的變化主要是通過氣泡相和乳化相間的傳質(zhì)來實現(xiàn)。根據(jù)超低濃度甲烷在鼓泡流態(tài)化燃燒反應(yīng)不同區(qū)域的特點(diǎn)，建立了催化燃燒的反應(yīng)模型，并對反應(yīng)模型進(jìn)行了實驗驗證，考察了操作條件等對低濃度甲烷流態(tài)化催化燃