超低热值煤层气连续逆流催化燃烧机理研究

It is well known that methane is the second largest contributor to global warming after carbon dioxide, and it is 21 times more potent than carbon dioxide over a 100-year timeframe in trapping heat in the atmosphere. The ultra-low heating value coalbed methane (UHVCM) is one of the primary industrial methane emission sources. The reduction of UHVCM will make outstanding contributions for reducing emissions that cause of global warming. In view of the disadvantages of alternating flow-reversal oxidation, the continuous flow-reversal catalytic combustion is pointed out to realize continuous stable combustion of UHVCM, which achieves the reduction of greenhouse gas emission and the reasonable utilization of resource. The scientific issues of this program will focus on the followings: 1) revealing the continuous flow-reversal catalytic combustion mechanism of UHVCM; 2) compounding and selecting catalyst which suits to corresponding conditions which contains methane concentration, component and humidity, etc; 3) studying on the flow and heat transfer characteristics of the continuous flow-reversal catalytic combustion mechanism of UHVCM and analyzing its impact factors; 4) discussing the way of system's temperature control. The study results in this program will provide design theory for the continuous flow-reversal catalytic combustion system of UHVCM, and it will also provide the theoretical basis and the technological reserve for corresponding product development.

甲烷是仅次于二氧化碳的主要温室气体，单位质量的甲烷对大气温室效应的影响相当于同质量二氧化碳的21倍。超低热值煤层气是主要的甲烷工业排放源之一，减排超低热值煤层气，可以减少温室气体排放。本项目将针对目前周期换向热逆流氧化减排技术存在控制系统复杂、换向瞬间气体逃逸及装置运行不稳定等缺陷，提出采用连续逆流催化燃烧技术实现超低热值煤层气的连续稳定燃烧，从而实现温室气体减排和热回收合理利用。项目研究的科学问题集中在揭示超低热值煤层气连续逆流催化燃烧机理，配制筛选出适合相应条件（包括甲烷浓度、成分、湿度等）的催化剂，发现超低热值煤层气催化燃烧过程中的流动、传热与传质规律，分析其影响因素，探讨连续逆流催化燃烧的温度控制方法。研究结果将为超低热值煤层气连续逆流催化燃烧系统提供设计理论，为相应产品的开发提供理论依据和技术储备。

甲烷是仅次于二氧化碳的主要温室气体，单位质量的甲烷对大气温室效应的影响相当于同质量二氧化碳的21倍。超低热值煤层气是主要的甲烷工业排放源之一，减排超低热值煤层气，可以减少温室气体排放。同时，超低热值煤层气的主要成分为甲烷，是优质洁净的气体能源。因此，合理回收利用超低热值煤层气具有节能和环保双重意义。本项目针对目前周期换向热逆流氧化减排技术存在控制系统复杂、换向瞬间气体逃逸及装置运行不稳定等缺陷，提出采用连续逆流催化燃烧技术实现超低热值煤层气的连续稳定燃烧，从而实现温室气体减排和热回收合理利用。通过对热逆流氧化流动与燃烧过程理论分析，建立了氧化床一维温度场的简化理论解与多参数影响下氧化床冷热态下的阻力计算数学模型。采用碳酸铵共沉淀法制备六铝酸盐作为涂层，以γ-Al2O3为载体，负载Pd贵金属活性组分制成超低热值煤层气燃烧催化剂。采用自行设计的固定床单管试验仪考察了催化剂的活性、水热稳定性及抗硫中毒能力测试，并最终选取以La0.5Sr0.5MnAl11O19作涂层催化剂作为超低热值煤层气连续逆流催化燃烧用催化剂。通过建立超低热值煤层气连续逆流氧化的二维数学模型，应用Fluent软件对氧化床热结构及其相关影响因素（甲烷体积分数、进气速度、壁面热损失等）开展了数值模拟研究。基于自行设计制作的低浓度甲烷热逆流催化氧化实验系统，对低浓度甲烷连续逆流催化氧化开展了系统的实验研究。实验内容包括甲烷氧化温度、装置散热损失、热启动温度场以及进气速度、甲烷浓度、壁面热损失和蜂窝陶瓷孔隙率对热逆流氧化的影响。本项目研究成果将为超低热值煤层气连续逆流催化燃烧系统提供设计理论，为相应产品的开发提供理论依据和技术储备。