煤矿乏风瓦斯预热催化氧化数值模拟

摘要

我国是一个煤炭大国,煤炭是我国非常重要的基础性能源,煤炭开采中的瓦斯气体含有一定浓度的甲烷气体直接排放到大气中会造成严重的环境污染和能源的浪费。由于煤矿乏风中的甲烷的体积浓度较低,浓度波动范围比较大,无法用传统的方式对煤矿乏风进行利用。本文基于山东理工大学自行研制开发的煤矿乏风预热催化氧化装置,利用Fluent软件对甲烷的催化氧化过程进行模拟研究,同时对甲烷催化氧化的自热维持状态过程进行了模拟研究。具体内容包括:
　　(1)以实验陶瓷为模型首先建立了单通道的三维计算模型,模型尺寸为1.8*1.8*350mm,壁厚为0.2mm;虽然甲烷在 Pd基催化剂表面进行的是一系列比较复杂的物理和化学反应,但是仍然遵守能量,动量,连续等基本控制方程,本文给出了控制方程的具体形式;模拟甲烷在单通道中的催化氧化的过程,需要导入反应动力学模型,本文介绍了反应动力学模型的建立。
　　(2)对甲烷的催化氧化过程进行数值模拟,并进行实验验证。由于模拟时的条件比较理想,实验中可能还存在局部漏气的现象等导致模拟的数据比实验数据略高。但是就陶瓷轴向的温度分布规律而言,模拟结果与实验基本一致。可以认为模拟方法及计算模型选择合适。验证模型正确后,开始研究各个运行参数包括预热温度、空速、甲烷浓度对氧化床温度场和甲烷转化率的影响规律,得出的结论是随着预热温度和甲烷浓度的增大,氧化床的温度场是升高的,甲烷转化率是在增大的。而随着空速的增大,氧化床的温度场和甲烷转化率都是在降低的。
　　(3)以实验装置为原型进行相应的简化建立了甲烷预热催化氧化的三维简化模型,进行预热催化氧化装置自热维持状态的模拟。模型的建立省去了结构复杂的预热器,对预热器的处理是根据实验数据拟合出相应的公式,建立起反应后烟气的温度和经过预热器后回收效率之间的相应关系,然后运用逐步迭代的方法进行甲烷在整个装置中的催化氧化的模拟计算。
　　(4)对各个工况下的甲烷催化氧化的自热维持状态的实现进行了模拟研究,并与实验结果进行了对比,从对比结果可以看出模拟的自热维持状态与实验得到的自热维持状态基本吻合。因此可以认为本论文中选用的模拟自热维持状态的方法是合理的。并对各个工况下的自热维持状态进行了能量计算,利用甲烷催化氧化放出的热量=通过整个装置的散热损失散失到外界的热量+反应后的烟气通过排气管排入到大气中的能量来计算烟气能量即装置可以再利用的能量。
　　(5)利用模拟自热维持状态相同的计算方法对煤矿乏风预热催化氧化装置的扩张段增加导流板时的情况进行数值模拟,模拟研究增加导流板时甲烷催化氧化达到自热维持状态时的情况,给实验一定的建议。并与不加导流板的情况进行对比,得出增加导流板时反应室内甲烷催化氧化达到平衡时的温度更高,可以减少能量的浪费。

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第一章 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.2 煤矿乏风利用技术的研究现状

1.3 甲烷催化氧化数值模拟研究现状

1.4 课题研究的主要内容

第二章 数学模型及反应动力学模型的建立

2.1 数学模型的建立

2.2 反应动力学模型

2.3 本章小结

第三章 工况参数对预热催化氧化过程的影响

3.1 模型的建立及设置

3.2 网格的划分

3.3 网格依赖性分析

3.4 模拟与实验的对比

3.5 工况参数对预热催化氧化过程的影响

3.6本章小结

第四章 预热催化氧化自热维持状态的模拟

4.1 研究目的

4.2计算模型的选取及边界条件和初始条件

4.3 预热器的处理

4.4 自热维持状态的模拟结果与实验的对比

4.5 自热维持状态下的能量分析

4.6本章小结

第五章 装置加导流板时的自热维持状态的模拟

5.1 计算模型的建立

5.2导流对反应室温度均匀性的影响

5.3 各个工况下自热维持状态的模拟

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

致谢

参考文献

在校期间公开发表的学术论文