預熱催化氧化反應器的變參數模擬計算

杜德娟， 劉永啟， 毛明明， 陳 帥， 鄭 斌， 孟 建

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255091)

中國煤礦每年排出的乏風瓦斯既造成了能源浪費又加劇了溫室效應的影響[1-6]，目前有效處理乏風瓦斯的技術有熱逆流氧化、催化逆流氧化和整體式催化氧化[7-10].山東理工大學自主研發的預熱催化氧化裝置是一種處理低濃度乏風瓦斯的催化氧化裝置，它不僅具有結構緊湊、占地面積小、機械強度高等優點，而且還能利用反應后的廢氣預熱新鮮進氣進行能量回收，減少了能耗，提高了熱利用率和催化氧化床進氣溫度，省去了加熱裝置，具有節能和環保的雙重意義.本文分析運行參數及陶瓷參數的變化對流場溫度分布特性的影響，以期為預熱催化氧化裝置在今后的工業應用中提供一定的技術參考和理論依據.

圖1預熱催化氧化反應器簡圖

預熱催化氧化裝置的結構如圖1所示，其工作原理如下：常溫的新鮮乏風流經預熱器、擴張段由電加熱器加熱后進入反應室，在催化氧化床內被氧化，氧化反應放出的熱量一部分進入陶瓷氧化床蓄熱，一部分由廢氣帶入預熱器內傳遞給新鮮乏風，降溫后的廢氣最終排入到大氣中.

1 模型的建立及實驗對比

1.1 數值計算模型

利用gambit建立不加導流板的反應室物理模型如圖2所示，簡化后的模型由反應室入口管道、擴張段和反應室構成，反應室的后半段為多孔介質區域，其第一排為均溫均流床層，第二排至反應室出口全部為催化氧化床層，是乏風進行氧化反應的主要場所.流出預熱器的乏風進入反應室入口管道，經過擴張段的導流作用進入反應室，通過多孔介質區域流出反應室.

(a)計算模型

(b)實驗測點布置圖2 模型及實驗測點布置

模型的結構尺寸：管道橫截面及擴張段縮口是邊長為300 mm的四邊形，擴張段擴口橫截面是邊長為600 mm的四邊形，反應室為700 mm×600 mm×600 mm的長方體.

邊界條件的設置：入口設置為速度入口，出口設為outflow出流邊界，壁面設置為絕熱或給定熱流密度，其中多孔介質的粘性阻力系數在速度方向上設置為7.6×106，慣性阻力系數設置為86.65，其它方向的阻力系數各擴大1 000倍，孔隙率設置為0.63，模型的網格數為155 200.

1.2 計算模型的實驗驗證

在催化床層中心軸線上均勻布置8個實驗溫度測點，如圖2所示，測量儀器為鎧裝熱電偶，允差等級為二級.由于實驗過程中存在散熱損失，模擬計算中的壁面設置為6kW/m2的熱流密度，圖3(a)、3(b)分別為入口溫度808K、甲烷濃度0.9%(條件1)和入口溫度797K、甲烷濃度0.65%(條件2)時對應的催化床中心軸線上溫度分布趨勢的模擬結果與實驗對照.

(a)條件1

(b)條件2圖3 模擬與實驗對照圖

圖3(a)、3(b)中出口處的溫度測值分別為868K、834K，模擬數據為897K和842K，比實驗值略高，但是就中心線上的溫度分布規律而言，模擬結果與試驗基本一致，隨著氣體的流動甲烷不斷發生氧化放熱反應，氣體溫度升高.溫度變化曲線還顯示甲烷的氧化反應在催化床入口端比較劇烈，隨著氣流后移反應逐漸變緩，這源于氣流在進入催化床初期，大部分甲烷達到燃燒溫度開始反應，放出的熱量加熱氣流更加快了催化反應的進行，隨著氣流后移甲烷分子變少，氧化放熱量減少，故氣流溫度升溫減緩.在試驗過程中由于散熱損失不均勻，散熱量較大以及局部存在漏氣現象等導致甲烷反應放出的熱量有較大一部分通過床體散失，加熱氣流本身的熱量比較少，因此整體氣流的升溫過程較之模擬要慢.

2 模擬結果分析

保持氧化床結構參數不變，外壁面設置為絕熱，比表面積設置為1 800(m-1)，對反應室模型進行變運行參數的模擬計算，分析運行參數包括氣流速度、入口氣體溫度和入口甲烷濃度的變化對催化床溫度和甲烷濃度的影響規律[11-12].

2.1 入口氣流速度的影響

圖4(a)、4(b)為氣流入口溫度800K、甲烷濃度0.8%時，入口氣流速度分別為0.5m/s、1m/s、1.5m/s時對應的反應室中心軸線上的溫度分布趨勢和甲烷濃度變化趨勢.

(a)溫度曲線

(b)甲烷濃度曲線圖4 速度對溫度場及甲烷濃度場的影響

由圖4中溫度變化趨勢可以看出，相同距離內速度較小的氣流溫升較大，且隨著氣流的后移溫度變化趨于緩和，說明甲烷分子在初期的反應放熱過程比較劇烈，在床體后半部分反應逐漸變緩；從甲烷濃度變化曲線看，0.5m/s時甲烷濃度下降迅速，在到達出口前50mm處基本反應完全，而1.5m/s的氣流其溫度自始至終保持穩步上升的趨勢，甲烷濃度呈緩慢下降，直到出口甲烷濃度仍有0.18%.

出現上述現象的原因是當速度較低時，甲烷分子在催化表面的駐留時間比較長，有足夠的時間進行吸附反應并在催化劑表面進行氧化放熱，氣流吸熱溫度升高后更加快了氧化反應的速率；而氣流速度增大降低了甲烷分子在催化壁面的停留時間，當停留時間小于某些關鍵的基元反應所需要的時間時，表面反應將不能進行，直接導致部分甲烷分子還未來得及參加反應就被高速氣流帶出氧化床，降低了甲烷氧化率及放熱效率.

2.2 入口溫度的影響

保持氣流的入口速度1m/s、甲烷濃度0.8%不變，分析氣流的入口溫度變化對溫度場及甲烷濃度場的影響規律，圖5是入口氣流溫度分別為700K、750K、800K所對應的溫度及甲烷濃度變化趨勢圖.

(a)溫度曲線

(b)甲烷濃度曲線圖5 入口溫度對溫度場及甲烷濃度場的影響

入口溫度提高對氣流溫度場的影響是顯而易見的，如圖5中溫度變化曲線所示，800K的入口溫度必然要高于700K和750K的氣流入口溫度；溫度對甲烷氧化過程有重要影響的原因在于，入口溫度的提高可以增加甲烷分子的活性，增大氣流進入催化床后達到起燃溫度的甲烷分子比例、加快反應的進行，初期反應放熱量增加、氣流迅速吸熱升溫，將會促使其它甲烷分子提前進入燃燒狀態，有利于后續表面催化反應的進行.

2.3 入口甲烷濃度的影響

煤礦乏風瓦斯的一個很大特點就是濃度波動范圍比較大，濃度的波動往往會導致氧化床的溫度變化，因此有必要研究入口氣流中甲烷濃度的變化對溫度場分布的影響.氣流的入口溫度800K、速度1m/s保持不變，分析甲烷濃度分別為0.4%、0.6%和0.8%時的燃燒反應過程，結果如圖6所示.

(a)溫度曲線

(b)甲烷濃度曲線圖6 甲烷濃度對溫度場和甲烷濃度場的影響

圖6中溫度變化曲線顯示，甲烷濃度0.8%的氣流在100mm距離內的溫升比甲烷濃度0.4%的要高100多K，隨著氣流的逐漸后移兩種工況的溫差逐漸加大，出口煙溫相差150K以上；0.8%的甲烷濃度變化曲線較之0.4%的下降更為迅速，且轉化率也略高.出現上述現象的原因是在其它條件相同的情況下，甲烷濃度高的氣流低活化能的甲烷分子多，與催化壁面的活性微粒接觸的頻率增加，在氣體進入反應室時，達到燃燒溫度的甲烷分子比較多，相同的時間、距離內放熱量大，氣流吸收燃燒放熱升溫較快，更加速了催化燃燒反應的進行，氣流整體反應速率就大.反之，入口甲烷濃度小的氣流氧化放熱少，氣流升溫遲緩，整體反應速率小.

2.4 比表面積的影響

陶瓷氧化床是反應室的主要工作部分，合適的陶瓷床參數對反應器的整體工作性能具有關鍵意義，分析陶瓷參數變化對氧化床溫度場的影響可以為氧化床的結構參數選取及反應室結構設計提供一定的理論依據.在氣流入口速度1m/s、溫度800K、甲烷濃度0.8%不變的條件下，分析氧化床比表面積的變化對溫度場的影響.圖7所示為催化床的比表面積分別為1 300(m-1)、1 800(m-1)和2 300(m-1)時的溫度場和甲烷濃度場的變化趨勢.

(a)溫度曲線

(b)甲烷濃度曲線圖7 比表面積對溫度場和甲烷濃度場的影響

圖7中溫度變化曲線顯示，比表面積較大時對應的流場初溫較高，且在整個流通通道內，2 300(m-1)對應的溫度始終高于其它兩種比表面積.再看甲烷濃度變化圖線，在氣流進入反應室的100mm距離內是催化反應激烈進行的階段，3種比表面積對應的甲烷濃度下降都比較快，但是3種反應速率的差別還是顯而易見的，比表面積較大更有利于反應的快速進行.

上述現象主要歸因于比表面積的大小造成活性位數量的變化，影響到甲烷分子在流經催化壁面時與活性微粒的吸附頻率.當比表面積增大時，吸附反應的速率增大可以加快表面催化反應進行的速率，單位時間內氣流吸收的氧化放熱量較多，促進了氣流整體反應速度的提升.但是氣流的溫升及甲烷的反應速率并不與比表面積的增加成正比關系，當比表面積增加到一定數值時，活性位數量不會持續增加，故選擇合適的比表面積可以節省催化劑的涂覆成本.

3 結束語

對預熱催化氧化反應器進行了變運行參數和陶瓷床比表面積的模擬計算，分析各參數的變化對流場溫度分布的影響，結果表明：

(1)入口氣流速度增加時，將會縮短甲烷分子在催化壁面的駐留時間、降低吸附反應發生的頻率，進而影響壁面催化反應的進行，導致部分甲烷分子未參加反應就流出反應室；入口溫度升高會增加甲烷分子的活性，進入氧化床初期達到起燃溫度的甲烷分子比例增多，反應放熱又促使氣體升溫加速催化反應的進行；適當提高甲烷濃度可以增加甲烷分子與催化壁面的活性微粒觸碰的頻率，對氣體的初期反應放熱過程有積極的促進作用.

(2)陶瓷床比表面積的變化對甲烷的催化燃燒過程也有重要的影響，其它條件不變的情況下，提高催化床的內比表面積可以增加單位體積內的活性位數目，增加甲烷分子與活性微粒的接觸頻率，提高吸附基元反應的速度.

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