微细通道内甲烷催化部分氧化特性的数值研究

摘要

随着微动力机电系统的迅速发展，对微动力装置的研究已经越来越广泛。微动力装置内部的燃烧存在很多与大空间内的燃烧不同的特点，例如燃烧空间相对较小，导致燃料在反应器内部的停留时间急剧缩短，燃料来不及完全燃烧就已经流出反应器；由于微型燃烧器的内部面容比较大，而较大的面容比使得燃料产生的热量极易散失，很容易导致燃烧熄火，因此如何保证燃料的稳定燃烧，同时具有较高的燃烧效率，已经成为目前微燃烧领域亟待解决的关键问题之一。利用甲烷的催化部分氧化反应产生的部分氢气混入微型燃烧器内尚未燃烧或者正在燃烧的反应体系中，可以显著的提高燃料在微小空间内的反应特性，同时该反应是一个温和的放热反应，能耗低，在大空速下转化率和选择性都很高。因此，甲烷催化部分氧化成为近年来研究的热点。目前对甲烷的催化部分氧化的研究主要集中在大空间内甲烷转化率、产物选择性等随着反应条件的变化特性，不同催化剂活性对反应特性的影响以及催化剂表面的积炭等，而对微小空间内的甲烷催化部分氧化的反应特性研究的较少，尤其是对壁面积炭的影响因素的研究更少，因此全面深入的研究微细腔内的甲烷催化部分氧化反应特性及影响其反应性能的关键因素可以为进一步研究甲烷在微小空间内的燃烧机理及特性提供依据，为其进一步的应用奠定理论基础。
　　 本文采用0.Deutshmann等提出的甲烷在微细腔内的详细反应机理对微型直管内的甲烷催化部分氧化进行了数值模拟，通过对模型的正确性分析及网格无关性划分，重点考察了进口组分的变化、壁面温度的变化、催化剂活性位密度的变化以及重力存在与否对甲烷催化部分氧化反应特性的影响。
　　 数值研究结果表明：在壁面温度低于1300K时，提高壁面温度可以显著提高甲烷和氧气的转化率以及氢气和一氧化碳的选择性，同时降低二氧化碳的选择性，当壁面温度高于1300K之后，随着壁面温度的升高，反应物的转化率和氢气及一氧化碳的选择性没有明显提高；壁面的积炭随着壁面温度的升高逐渐降低，当壁面温度为1300K时壁面的积炭已经很少，当壁面温度达到1500K之后，微细腔各个壁面的积炭趋于相同，并可以忽略；随着催化剂活性位密度的提高，反应物的转化率和氢气及一氧化碳的选择性逐渐升高，当催化剂活性位密度低于2.66E-06Kmol/m2，提高催化剂的活性位密度可以显著的提高反应特性，当催化剂的活性位密度高于2.66E-06 Kmol/m2后，提高催化剂活性位密度对反应特性的提高并不明显；催化剂活性位密度的增加会导致壁面积炭增加，而且基本呈线性关系；重力的存在对上下壁面的积炭影响较大，使得下壁面的积炭增多，上壁面的积炭减少，对左右壁面积炭的影响较小，同时沿流动方向上壁面的积炭是逐渐增加的，积炭主要在出口处积聚；甲烷的转化率随着C/O的增加而减小，当C/O大于2.0之后迅速减小，氧气的消耗率随着C/O的增加有小幅度的下降，之后趋于平缓；氢气和一氧化碳的选择性在C/O小于2.0时，随着C/O的增加而快速增加，当C/O大于2.0之后基本保持不变，二氧化碳的选择性在C/O小于2.0之前随着C/O的增加而快速下降，当C/0大于2.0之后，二氧化碳的选择性基本等于零；随着质量流量的增加，甲烷和氧气的转化率都是逐渐降低的，氢气和一氧化碳的选择性在99％以上，二氧化碳的选择性很低，可以忽略；壁面的积炭随着质量流量的增加呈现出逐渐降低的趋势。
　　 综合考虑甲烷转化率、氧气消耗率、氢气选择性、一氧化碳选择性、二氧化碳选择性、壁面积炭、催化剂活性、设备使用寿命等因素，合适的反应条件应为壁面温度为1300K，C/O=2.0，催化剂活性位密度为2.66E-06 Kmol/m2。