蜂窝状催化剂的温度分布及催化燃烧炉热效率研究

摘要

为减少NOx、CO和未燃尽碳氢化合物等污染物排放，提高燃烧效率，本文对Ⅳ型全预混天然气催化燃烧器蜂窝陶瓷催化剂通道内温度分布和Ⅳ型催化燃烧炉热效率进行了研究。 Ⅳ型催化燃烧器上装载贵金属蜂窝陶瓷催化剂并进行对称双面催化燃烧，为了研究催化燃烧的特性，与无催化剂的普通蜂窝陶瓷气相燃烧情况进行了对比研究。研究内容包括：过量空气系数、热强度、流速、催化剂和催化剂载体长度对催化剂载体通道内温度分布的影响，烟气分析研究和辐射效率等，并与气相燃烧的相关情况进行比较。研究表明：双面催化燃烧通过辐射和导热作用预热了燃烧器腔体内的来流燃气预混气体，使燃烧熄灭的最低燃气浓度有所降低，维持了催化燃烧的稳定。由于催化反应在通道10mm左右内基本结束，所以将催化剂载体长度减小到20mm进行实验，发现在较高热强度下燃烧不易稳定，利用气相燃烧中腔体和上游通道内温度较低的特点，将一块20mm长的无催化剂普通蜂窝陶瓷叠放置催化剂内侧组成组合催化剂，高热强度下组合催化剂燃烧稳定，有效的防止了燃烧器腔体内回火。烟气分析表明，无催化剂陶瓷体上气相燃烧的烟气。NOx含量在9ppm以下，CO含量在13ppm以下，催化剂和组合催化剂中进行催化燃烧的烟气NOx和CO排放量近似为零。通过通道内温度分布、烟气分析、辐射效率的比较研究表明：组合催化剂是一种较理想的匹配Ⅳ型燃烧器的催化剂组合方法，具有节省催化剂成本的经济效益。 本文设计加工了组合换热器(一级、二级换热器)，并结合催化燃烧器建立了催化燃烧炉热效率实验系统。通过气相燃烧和催化燃烧热效率的对比研究，分析了催化燃烧组合换热器的换热特性。研究表明，催化燃烧在比气相燃烧的过量空气系数高0.4的情况下，总热效率仍高于气相燃烧总热效率。对比一定工况下的一级与二级换热器的热效率，表明催化燃烧的辐射对综合换热的作用明显强于气相燃烧，随着热强度增大，这种作用加强。这一结论为进一步优化一级和二级换热器结构提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、符号说明

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2催化燃烧技术研究现状

1.2.1催化燃烧器

1.2.2催化剂的研究现状

1.2.3催化燃烧技术的应用现状

1.3本课题研究的核心内容和创新点

2催化燃烧理论与催化剂

2.1气固相催化反应基本特征

2.2催化燃烧的重要概念

2.3贵金属催化剂上甲烷催化燃烧反应机理

2.4催化反应对气相点燃的抑制作用

2.5近零污染物排放理论

2.5.1 NOx、CO的形成机理

2.5.2催化燃烧对NOx与CO的抑制

2.6催化剂的特性

2.6.1催化剂的活性与热稳定性

2.6.2载体的选择

2.6.3催化剂的失活

2.7本章小结

3催化剂载体与无催化剂陶瓷体通道内温度分布的研究

3.1研究目的和内容

3.2实验系统

3.2.1实验过程

3.2.2实验材料

3.3实验方法

3.4实验数据处理

3.5实验结果分析

3.5.1过量空气系数对通道内温度的影响

3.5.2热强度对通道内温度的影响

3.5.3催化剂载体长度的影响

3.5.4组合催化剂的通道内温度分布

3.5.5 NOx与CO污染物的排放

3.5.6辐射效率的比较

3.6本章小结

4催化燃烧与气相燃烧的对比研究

4.1研究目的和内容

4.2运行现象

4.3通道内的温度分布

4.4陶瓷表面温度分布

4.5 NOx、CO污染物排放

4.6本章小结

5催化燃烧Ⅳ型炉换热器结构设计与热效率分析

5.1组合换热器的结构特点与设计

5.2催化燃烧Ⅳ型炉的热效率计算及分析

5.2.1烟气热力参数计算

5.2.2热效率计算

5.3过量空气系数、排烟温度和热效率之间的关系

5.4本章小结

6催化燃烧Ⅳ型炉的热效率研究

6.1研究目的和内容

6.2热效率实验系统

6.2.1 Ⅳ型燃烧器

6.2.2铜管铝肋片组合换热器

6.2.3气路系统与水路系统

6.2.4调节系统和测量系统

6.2.5实验材料

6.3实验方法

6.4实验数据处理

6.5实验结果分析

6.5.1气相燃烧与催化燃烧的热效率

6.5.2实验测量误差分析

6.6本章小结

7结语

7.1结论

7.2存在的问题

7.3展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢