气固两相流体系内低浓度甲烷燃烧机理及动力学研究

Methane is the main combustible components in coal bed methane and industrial exhaust gases, and also one of most important components in coal volatiles. When methane combustion in fluidized particle system, effects of particle characteristic and gas-solid two-phase flow on low concentration methane combustion mechanism should be investigated. The intrinsic kinetics for low concentration methane combustion in fluidized particle system and coupling characteristic for heterogeneous and homogeneous combustion should be further studied. The combustion mechanism and intrinsic kinetics will be studied experimentally and theoretically in this project. The influence of inert particle on low concentration methane combustion will be investigated firstly. Effects of particle characteristic and gas-solid two-phase flow characteristic on detailed methane combustion mechanism will be revealed. And then, in fluidized catalytic particle system, the intrinsic kinetic and its controlling factors will be investigated. The influence mechanism of gas-solid two-phase flow on low concentration methane heterogeneous combustion will be developed. The accurate mathematic models for low concentration methane combustion will be proposed. The results can provide theoretical supports for low concentration methane and solid fuel volatile combustion in gas-solid two-phase flow system, which are significant in academic.

甲烷不仅是矿井煤层气以及一些工业废气中的主要可燃成分，也是煤等固体燃料挥发分的重要组分之一。低浓度甲烷在流态化颗粒体系中燃烧时，颗粒特性和气固两相流动特性对低浓度甲烷燃烧机理的影响、颗粒体系内低浓度甲烷燃烧的本征动力学以及低浓度甲烷非均相与均相燃烧反应耦合特性等都有待于进一步深入研究。本项目采用实验研究和理论分析相结合的方法，对低浓度甲烷在流态化颗粒体系中燃烧机理和本征动力学展开研究。首先获得惰性颗粒床料对低浓度甲烷燃烧的影响规律，揭示粒径、比表面积等颗粒特性以及气固两相流动特性对甲烷详细燃烧机理的影响；进而探索低浓度甲烷在流态化催化颗粒体系内的动力学特征参数及控制因素，研究获得气固两相流动对低浓度甲烷非均相燃烧的影响机制，发展和建立更加完善的流化颗粒体系内低浓度甲烷燃烧动力学数学模型。研究结果可为低浓度气体燃料以及固体燃料挥发分在气固两相流体系中的燃烧提供理论基础，具有重要的学术意义。

甲烷不仅是矿井煤层气以及一些工业废气的主要可燃成分，也是煤等固体燃料挥发分的重要组分之一。低浓度甲烷在流态化颗粒体系中燃烧时，颗粒体系内低浓度甲烷燃烧的本征动力学以及低浓度甲烷非均相与均相燃烧反应耦合特性等都有需要进一步深入研究。. 本项目采用实验研究和理论分析相结合的方法，对低浓度甲烷在流态化颗粒体系中燃烧机理和本征动力学展开研究。考察了惰性颗粒床料对低浓度甲烷燃烧的影响规律，分析了粒径、比表面积等颗粒特性以及气固两相流动特性对甲烷详细燃烧机理的影响；探索了低浓度甲烷在流态化催化颗粒体系内的动力学特征参数及控制因素，研究了气固两相流动对低浓度甲烷非均相燃烧的影响机制，建立了更加完善的流化颗粒体系内低浓度甲烷燃烧动力学数学模型，考察了杂质性气体SO2、水蒸气等对低浓度甲烷催化燃烧的影响规律。. 研究表明：在温度区间650℃<T<870℃，惰性颗粒壁面对甲烷燃烧反应中的H、OH等有一定的抑制和湮灭作用，采用整体校正的方法修正了简化机理中与相关的基元反应，得到了适用于惰性颗粒的均相和非均相耦合的34步改进简化机理。在流态化燃烧过程中，随着气泡直径的增加，传热系数先增加后减小，存在一个临界气泡直径；随着床层高度的增加，气体无量纲浓度减小，在床层表面无量纲浓度突然增加；床层温度降低、进气甲烷浓度增加或流化风速增加，均使甲烷在流化床中的催化反应向着床层上方移动；建立了超低浓度甲烷在流化床中反应的数学模型，模型中引入催化剂效率因子η、坦克莱准数Da和斯坦顿数Stm。研究发现温度在450℃以下时，反应受本征动力学所控制；温度在450℃以上时，低浓度甲烷在流化床中的反应除受动力学控制之外，还受到气体与催化剂表面的传质、扩散作用以及气泡相与乳化相之间传质作用所控制。反应气体中SO2的存在会使Cu基催化剂发生中毒，降低催化剂的活性，且催化活性随着SO2浓度的增加而降低。硫中毒催化剂在575℃以上的温度条件下具有一定再生性。随着Ni含量的增加，催化剂的Lewis酸性降低，吸附SO2的能力减弱，减缓了催化剂硫中毒现象。水蒸气对甲烷催化燃烧抑制的原因是水分子及羟基吸附在催化剂表面，占据催化活性位，阻碍甲烷与催化剂的接触，而温度升高后，水分子脱附速度加快，使催化活性位重新暴露出来。研究结果可为低浓度气体燃料以及固体燃料挥发分在气固两相流体系中的燃烧提供理论基础，具有重要的学术意义。