低浓度瓦斯预热催化氧化装置工作过程模拟研究

摘要

煤矿瓦斯是一种与煤层伴生的气体，同时也是一种理想的清洁能源。但是，它却具有很强的温室效应。由于我国煤炭储量极其丰富，因此煤矿瓦斯的储量也非常丰富。目前，我国已经查明了有36万亿立方米储量的煤矿瓦斯，位居世界第三。若将如此巨大储量的煤矿瓦斯直接排到大气，不仅能造成严重的环境污染，还可能造成巨大的能源损失。因此，煤矿瓦斯的利用已经成为现在人类关注的焦点。
　　本文基于山东理工大学自主研发的低浓度瓦斯预热催化氧化装置，利用FlexPDE软件对甲烷在壁面涂有 Pd催化剂的反应室内的预热催化氧化反应特性进行了研究，并分别对不取热时预热催化氧化自热维持状态和取热时预热催化氧化自热维持状态进行了研究。主要内容包括：
　　（1）建立了低浓度瓦斯预热催化氧化装置数学模型。利用一维非均质连续数学模型建立反应室模型，该模型包括四个守恒方程：气相质量守恒方程、固相质量守恒方程、气相能量守恒方程、固相能量守恒方程；利用集总参数法建立预热器模型。通过FlexPDE软件数值计算反应室内温度分布规律，并与实验结果进行对比。计算结果表明：模拟结果与实验结果吻合较好，反应室内轴向温度变化趋势基本一致，都是呈先显著升高后缓慢下降的趋势。所以，本文所建立的低浓度瓦斯预热催化氧化装置数学模型基本适应于甲烷预热催化氧化反应特性的研究，可利用该数学模型对甲烷氧化进行后续的模拟研究工作，探究甲烷预热催化氧化装置自热维持状态的影响因素。
　　（2）对甲烷预热催化氧化反应特性进行了研究。研究了甲烷体积浓度、风量和预热器预热面积对反应室轴向温度分布、甲烷转化速率、预热温度和排烟温度的影响。模拟结果表明：随着甲烷体积浓度的增大，反应室轴向温度升高，甲烷转化速率加快，预热温度和排烟温度均升高；随着风量的增大，反应室轴向温度升高，甲烷转化速率减慢，预热温度和排烟温度均升高；随着预热器预热面积的增大，反应室轴向温度升高，甲烷转化速率加快，预热温度升高，排烟温度降低。
　　（3）对不取热时预热催化氧化自热维持状态进行了研究。第一，当排烟温度为100℃，预热催化氧化装置实现自热维持状态时，研究了一定风量下，甲烷体积浓度与预热器预热面积的关系和甲烷体积浓度与预热温度的关系。模拟结果表明：随着甲烷体积浓度的增大，预热器预热面积增大，预热温度也增大。最后，通过多项式函数分别拟合了甲烷体积浓度与预热器预热面积的关系和甲烷体积浓度与预热温度的关系。第二，当预热催化氧化装置实现自热维持临界状态时，研究了一定风量下，甲烷体积浓度与临界预热器预热面积的关系。模拟结果表明：随着甲烷体积浓度的增大，临界预热器预热面积减小。最后，通过指数函数拟合了甲烷体积浓度与临界预热器预热面积的关系。
　　（4）对取热时预热催化氧化自热维持状态进行了研究。当装置实现预热催化氧化自热维持临界状态时，研究了风量为900m3/h时，甲烷体积浓度与最佳取热百分数的关系。模拟结果表明：随着甲烷体积浓度的增大，最佳取热百分数增大。最后，通过多项式函数拟合了甲烷体积浓度与最佳取热百分数的关系。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 低浓度瓦斯利用技术的研究现状

1.3 规整结构催化剂研究现状

1.4 甲烷催化氧化装置数学模型研究现状

1.5 板式预热器数学模型研究现状

1.6 课题研究的主要内容

第二章 低浓度瓦斯预热催化氧化装置数学模型

2.1 低浓度瓦斯预热催化氧化装置介绍

2.2 反应室守恒方程

2.3 反应气体物性参数

2.4 预热器换热方程

2.5 边界条件及初始条件的建立

2.6 FlexPDE软件介绍

2.7 数学模型的迭代计算方法

2.8 模拟结果与实验结果分析

2.9 本章小结

第三章 预热催化氧化反应特性的研究

3.1 甲烷体积浓度对预热催化氧化反应特性的影响

3.2 风量对预热催化氧化反应特性的影响

3.3 预热器预热面积对预热催化氧化反应特性的影响

3.4本章小结

第四章 不取热时预热催化氧化自热维持状态的研究

4.1 研究目的和方法

4.2 定排烟温度下，预热催化氧化自热维持状态的研究

4.3 预热催化氧化自热维持临界状态的研究

4.4 本章小结

第五章 取热时预热催化氧化自热维持状态的研究

5.1 研究目的和方法

5.2 取热方法及数学模型

5.3 预热催化氧化自热维持临界状态取热的研究

5.4 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录 数值计算符号说明

在读期间公开发表的论文

致谢