流向变换催化燃烧器谐振现象及其机理研究

Reverse flow catalytic reactor (RFCR) offers an optimum choice for low caloric gas treatment, of which the operation characteristic is an essential topic in engineering thermo-physics and energy utilization. Due to its strong nonlinearity and periodic characteristics, RFCR behaves in a rather complicated way when boundary condition of reaction system varies periodically. Resonance behavior will occur, with temperature in reactor vary dramatically. This proposal is motivated by our previous work of dynamic behavior of RFCR. This work is focused on operation conditions and transfer mechanism which induce the resonance behavior of RFCR. Also, the influence of boundary condition variation on operation state transition of RFCR and the way reactor operating state changes are objectives of this research. Those objectives will be achieved by conducting experimental study, model simulation and mathematical analysis, such as sensitivity analysis and bifurcation analysis. Moreover, discussion on possibility of RFCR reaction process reinforcement by introducing specific boundary condition variation is a target of this work too. We believe that the researching work on this topic will be an enrichment to the theories of forced unsteady operation of fixed bed catalytic reactors.

流向变换催化燃烧器是燃用或净化低热值气体的有效手段，其运行特性是工程热物理与能源利用领域的基础研究内容之一。此类催化燃烧器采用周期性操作，表现出强烈的周期性和非线性特征，在其运行过程中，可能因反应体系边界条件的周期性变化，而使反应器出现谐振现象，表现为燃烧器内温度水平的大幅波动，影响反应器原有运行状态。针对这一现象，本项目通过实验研究、数值模拟并引入参数敏感性分析和分岔理论等非线性系统分析的方法，研究此种燃烧器发生谐振现象的条件和诱发机理，掌握其在发生谐振现象时的运行特性与规律，确定关键影响参数及其作用机理，探明燃烧器在发生谐振时运行状态转变的条件和规律，探索通过诱发燃烧器谐振现象以提高燃烧效率的途径。通过本项目的研究，将提出描述流向变换催化燃烧器谐振现象的理论，加深对固定床非定态操作技术的现有认识，并为相关的控制系统开发提供重要的理论依据。

流向变换催化反应器在低热值气体的利用和气态污染物控制领域有着良好的应用前景，而对此类反应器谐振现象的研究，是对人为非定态催化燃烧理论的拓展。本项目围绕流向变换催化反应器谐振现象开展的主要研究工作包括：（1）搭建小型流向变催化反应器实验台，研究反应器在入口浓度周期性波动条件下反应器的运行特性；建立流向变催化反应器数学模型，研究不同类型边界条件波动时对反应器运行的影响规律。当引入周期性边界条件波动时，反应器温度场出现振荡，温度波动幅度加大，反应器稳定性被削弱。（2）通过反应器模型计算结合谐波分析，研究引发反应器谐振现象的条件及其机理，考察边界条件波动周期与流向切换周期比对反应器内温度振荡特性的影响。当边界条件波动周期为流向切换周期的奇次谐波分量时，引发反应器谐振现象。据此提出采用反应器内热波移动的速度函数来表达流向变换催化燃烧器的特征响应周期。提出引发谐振现象本质原因在于持续性边界条件波动导致燃烧器原有的时空对称特性被打破，引起反应器内的温度振荡。（3）考察反应物性质、反应物浓度、表观气速等操作条件以及反应器长度、催化剂装填比例等反应器特性参数对反应器谐振的影响，并结合参数敏感性分析考察反应器传递参数的影响规律。结果表明反应器特征响应周期仅取决于流向变换周期，上述参数不影响反应器谐振发生与否。（4）研究反应器谐振时的可操作域及如何维持反应器稳定运行。可通过改变反应器特征响应周期或削弱边界条件分布的不均衡性来避免反应器发生失稳，包括调节波动周期初始相位、添加辅助燃料、改变流向切换周期等，其中改变流向切换周期是比较经济有效的调节手段。本研究成果，丰富了对流向变换催化燃烧器运行规律的理论认识，为流向变换催化反应系统的设计和对应控制系统的开发提供理论基础。