燃用超低热值燃气的旋转回热型催化燃烧器的数值分析.pdf

燃用超低热值燃气的旋转回热型催化燃烧
器的数值分析
摘要:研究了一种以超低热值燃气为燃料的反应器,即旋转回热型催化燃烧器。其以催化技术燃用超
低热值燃气;以蓄热和放热交替方式预热燃气至催化起燃温度;以旋转方式维持催化燃烧反应。基于改
进的塞流模型,计算分析了反应器的温度分布规律。结果表明:该反应器能有效氧化超热值燃气,适用
于锅炉或燃气轮机等系统;燃气和烟气出口温度具有明显的周期性;反应器壁面温度呈“中间高两端低”
分布;周期性旋转不仅维持了催化燃烧持续发生,而且避免了反应器内热量聚集和催化剂高温失活,有
利于提高反应器寿命。
关键词:超低热值燃料;催化燃烧;旋转回热;燃烧侧;换热侧
0 前言
在导致地球表面温度升高的温室气体中,甲烷的影响仅次于CO2,但甲烷
[1]
对温室效应的影响超过CO2的20倍。由于煤矿开采和农业生成等活动,据估
计到2020年世界上甲烷的增长率为12~16%[2]。2013年中国产煤38亿吨,占当
%,%[3],但煤炭生产
过程中排放的甲烷的回收和利用率却极低。因为这类气体多属于超低热值燃
气,其甲烷含量很低(~5%),难以点火燃烧,常直接排入大气环境,不仅加
剧了温室效应,也造成了能源浪费。
催化型流向变换器(catalytic flow reversal
reactor,CFRR),热力型流向变换器(thermal flow reversal
reactor,TFRR),催化型整体式反应器(catalytic monolith
reactor,CMR)和催化贫燃燃气轮机是消除和利用超低热值燃气的常用技术[4]
。热力型流向变换器在甲烷浓度较低时需要补充大量燃料,有一定的局限性。
TFRR和CFRR均使用了流向变换反应器,
CMR使用了整体式反应器。在相同质量流量下,CMR比TFRR和CFRR的压损
更低,换热面积更大和机械强度更加优异,是消除和利用超低热值燃气的更
好选择。催化燃烧易于控制,能适应宽广浓度范围和低温操作,可实现CO、N
Ox等污染物的低排放甚至零排放[5-
7]。但燃气温度达到催化起燃温度后才能发生催化燃烧,为了克服催化剂低温
(<627 K)起燃问题[8],常用蓄热介质[9,10]或传统回热器[11,
12]加热燃气到催化起燃温度。澳大利亚联邦科学研究院采用了整体式反应器
和回热器,%的矿井通风***气为主燃料,能产
生19~20Kwe的电量[13]。但系统中催化燃烧室和金属高温回热器的体积非常
庞大。
旋转回热器中热量借助一个旋转的多孔载体由高温烟气传递给低温空气
,能克服蓄
热介质压损大和传统回热器体积大等缺点。旋转回热器多使用金属载体,能
承受的极限
温度在1073~1273K之间,而一些陶瓷基能适应高达1673K的温度,适用于催
化燃烧的
基金项目:国家自然科学基金项目(51376123);国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2014AA052803)
载体。美国麻省理工Wilson教授研究了陶瓷高温热交换器,该换热器停留约1
4 s后快
速旋转(
s)90度,实验测量的效率超过98%,热流和冷流的压力损失低于2%[14]。
催化燃烧的数值计算有N-S方程、边界层和塞流模型三种方法[15]。N-
S方程模型能真实地反应出催化燃烧特性,但对全尺寸整体式反应器的计算
将消耗大量的资源[16]。相比N-
S方程,边界层模型计算时间快而精度差。塞流模型精度最差但计算最快,适
合于全尺寸整体式反应器的性能计算[11]。而改进的塞流模型,考虑了壁面与
通道气流之间的传热、传质,提高了塞流模型的计算精度,与二维模型的计算
结果吻合较好[17]。
针对超低热值燃气难以点火燃烧和传统回热器体积尺寸大和难以承受高
温等问题,本文研究了一种以超低热值燃气为燃料的催化反应器,即旋转回
热型催化燃烧器。根据其周期性旋转、蓄热、放热和催化燃烧等特点,采用改
进的塞流模型计算分析了反应器的温度分布规律,获得该反应器的基本数据
。
1旋转回热型器催化燃烧简介
为了消除和利用超低热值燃气中的甲烷,把燃烧室和回热器的功能融合
于一个部件中,研究了一种以超低热值燃气为燃料的旋转回热型催化燃烧器(
图1)。其主体是蜂窝陶瓷体反应器,催化剂被涂覆在基体结构内表面,催化燃
烧发生在基体涂层内,换热发生在反应器壁面与气体之间,所以其既是催化
燃烧器,又是高温换热器。旋转回热型催化燃烧器可分为燃烧侧和换热侧两
个部分。燃烧侧内存在换热和燃烧现象;换热侧仅发生热交换,