甲烷化反应器中流态化特性与反应机理研究

The demand for natural gas increases year by year due to implement of the sustainable development strategy and the society attach importance to environment protection, also the characteristics of energy structure in China. As the result, the contradiction between supply and demand of nature gas is daily outstanding. The development of methanation technology to product the nature gas utilizing coal is an effective method to fill the gap in natural gas consumption and ensure security of the energy supply. The aim of this project is to study the methanation technology by both experiment and simulation method for better understanding the gas-solid flow behavior and reaction process. To reveal the coupling mechanism between different parameters, physical processes and chemical reactions. Analyzing the transportation of mass, momentum and energy. Carrying out the research on agglomeration and breakage, mixing and segregation. Getting the insight into distribution of products, reaction rate, transportation and kinetic parameters. The research findings will provide guidance for design and optimization of methanation reactors.

随着我国可持续发展战略实施和环保政策越发严格，作为清洁能源的天然气的需求量逐年增长，加之我国富煤、少油、缺气的能源结构，天然气供需矛盾日益突出。开发甲烷化技术，利用丰富的煤炭资源制备合成天然气，对填补天然气供应缺口、优化煤炭深加工产业链、保证我国能源战略安全具有重要意义。本项目以流化床甲烷化技术作为研究对象，通过实验研究与数值模拟结合手段研究流化床甲烷化反应器中气固流动特性与化学反应机理，揭示多场、多物理化学过程的耦合机制，分析甲烷化反应过程中的质量、动量、能量传递规律，研究反应器中颗粒凝并、团聚、破碎、混合与分离机理，获得产物分布、化学反应速率、输运特性、动力学参数等重要数据，为甲烷化反应器的设计与优化提供理论指导。

在我国双碳目标背景下，对清洁能源的需求越来越高。天然气作为优质高效的清洁能源，是解决污染问题、保障工业与民生需求的理想资源。利用煤、生物质等气化热解气、合成气作为原料，通过甲烷化技术制备合成天然气对填补供需缺口、解决环境污染具有重要战略意义。为此，本项目以甲烷化技术为研究对象，对甲烷化反应系统中的气固流动、化学反应等现象开展研究工作，揭示流动、反应、传递现象的耦合机理，探索甲烷化反应器的高效运行和定向转化机制，为该技术的应用与推广做技术准备。.根据甲烷化过程的反应与流动特性，考虑气体湍流作用对颗粒碰撞的影响，发展了模化颗粒碰撞的耦合模型；引入多分散模型来计算固相间的作用力，开发了摩擦边界条件，根据固相浓度实时计算颗粒与壁面间动量传递，并优化了传热模型。基于数值模型的改进工作，构建耦合流动-反应-传热的多场计算平台，实现对甲烷化过程的模拟求解。.通过计算分析表明，甲烷化反应为强放热、体积缩小过程，通过对反应器加压、快速移出反应热，可以提升产物转化率和甲烷产率。在鼓泡床甲烷化反应器中，甲烷化反应在入口附近迅速完成，在该过程中温度快速升高形成局部热点。为了快速移除反应热，本项目对反应器内部增加换热埋管，甲烷产率与无换热条件相比提高约5%，且错列排布效果优于规则排布。本项目开展了近工业尺度循环流化床甲烷化反应器的研究工作，与鼓泡床比较，采用循环流化床后甲烷产率大幅提升；随着床料质量及颗粒循环量的增加，反应物转化率和甲烷选择性均得到提升。借鉴链式概念，在循环流化床反应器中增加中间冷却腔室，对颗粒进行循环高效利用，研究表明，该新型反应器可以实现对运行温度的调节，实现对反应过程精准把控。.综上，本项目获得了甲烷化反应器的流动与反应特性，研究结果表明甲烷化技术具有较高可行性和广阔应用前景，本研究可为该技术的应用提供理论依据和技术支持。