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2009年第28卷增刊
CAIEMIICAL INDUSTRYAND ENGNEERING PROGRESS
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天然气催化燃烧理论和应用
张世红,何林,孙威
(北京建筑工程学院,北京10004)
摘要:在一个置于大气压下,稳态的滞止点流动反应器内的多品晶铂箔上,对贫甲烷/氧气氩气混合气体的燃娆
进行了实验研究,同时用数值模拟方法重现了实验結果。从实验和模拟的角度提出了燃料转化率和一氧化碳选择
性与铂表面温度(一直到超过了单相点燃温度区)的关系,铂表面的异相反应抑制了气相氧化反应的程度,并且
提高了单相点燃的表面温度。实验观察到的抑制作用比预料的要强烈,实验表明在催化燃烧的高温区,抑制作用
在这一較大区城里一直起主导作用。在此理论的指导下,开发研制催化燃烧型冷凝锅炉,其排出的烟气平均温
度仅为21℃。热效率也会随之提高,平均为100%左右。天然气高温催化燃烧排放物NO、CO巴低于4x10-°
达到近零污染排放,同时燃效达近1009且因催化燃烧与普通不能完全燃烧相比具有节能的优势
关键词:催化燃烧;冷凝锅炉;热效率
催化作用与燃烧技术的结合已有很长的历史,点流动反应器内的多晶铂箔上,对贫甲烷/气氮
但现代催化燃烧技术是近几十年来对环保与节能的气混合气体的燃烧进行了实验研究,同时用数值模
要求日益迫切的形势下应运而生的一门新兴技术。拟方法重现了实验结果。甲烷转化率和一氧化碳选
20世纪50~60年代,汽车尾气净化技术和有机废择性对铂表面温度的依赖是比较数值模拟与实验的
气催化焚烧技术的发展为研究共进料情况下燃气催基础。模拟运用了针对异相和单相氧化机理的综合
化氧化积累了大量实验依据和数学模型。20世纪90和分步化学反应分子运动论如图1。
年代初期,各国政府对空气质量法规中排放标准的
100
进一步紧缩,更为高温催化燃烧技术的研究提供了
8035089
新的动力。从20世纪70年代中期开始,被催化燃
GL0.8580
△GL_,=0.8580
烧技术所带来的经济效益和环境效益所吸引,各大
60?DET-0.8580
企业和科研部门针对该技术的应用和基础理论展开
哥已出士
Exp
8404
40
了全球性的研究竞赛。特别是在20世纪初,新兴的
石油化学工业以及精细化学工业的蓬勃发展,推动
了催化作用基础理论的研究,大大地深化了对催化
剂和催化的本质的认识叫。催化燃烧技术不仅在消
80010001200140016001800
表面温度K
除污染,环境保护方面显示出独特的优势?而且在图1G;Gm,DEr和DE机理及实验条件下甲烷转
能源利用的节省方面也甚为有效に到。将燃气催化
化率的比较
燃烧器与冷凝锅炉配合使用。能够极大地提高锅炉
(对整个热循环a=0.3,不=08580或0.8404)
热效率并且拥有着近零污染排放的优势。
1高温催化燃烧机理
首次从实验和模拟的角度提出了燃料转化率和
一氧化碳选择性与铂表面温度(一直到超过了单相
催化燃烧反应较低的活化能容许反应在贫碳氢点燃温度区)的关系。根据分步化学机理方法模拟
化合物浓度下发生,因此绝热反应的温度低于NO2出的结果可以得出,铂表面的异相反应抑制了气相
形成的限制,并完全氧化,不形成CO和未完全燃氧化反应的程度,并且提高了単相点燃的表面温度。
烧的碳氢化合物,燃烧发生在常规气相易燃极限之实验观察到的抑制作用比预料的要强烈,实验表明
外,因此燃烧更加稳定;反应物在催化剂表面被吸在催化燃烧的高温区,抑制作用在这一较大区域里
附:然后它们在催化剂表面进行分解:进而在催化一直起主导作用。异相反应推迟单相点燃的机理,
剂表面复合成产物:最后产物从表面脱附。
催化燃烧中在1550K左右还是异相催化燃烧,排放
理论研究,在一个置于大气压下,稳态的滞止物中只含有极少量的一氧化碳
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化工进展
2009年第28卷
2实验仪器装置
态,呈内高外低的阶梯状分布。这主要是由于独石
四周与燃烧器内壁进行换热,最终通过燃烧器外壁
天然气催化燃烧V型炉中独石如图2所示。所与空气对流换热的方式消耗了部分热量。A1、A7、
用独石为青石蜂窝陶瓷,独石上镀着钯(Pd)催B3、B9,测温区域与燃烧器内壁接触面积最大,消
化剂,独石采用正方形截面尺寸为150mm×150耗的热量也就更多。
mm,长20mm。而对催化燃烧采用20mm长的镀
取各点温度绘柱状如图3,镀催化剂蜂窝状独石
钯催化剂独石和20mmn长的空白独石组合体,总表面红外测量温度分布自独石中心向四周呈阶梯状
长40mm。
降低,至A1、A7、B3、B9,测温区达到最低,分
独石孔道尺寸为1mn×1mm,壁厚为0.18别位于独石表面的四个顶点。并且A号独石A7、
mm。软化温度为1380℃,采用两块镀钯(Pd)催A8、A9测温区域的表面温度明显高于A1、A2、A3
化剂独石并排的催化燃烧器。实验中采用质量流量测温区域。而B号独石B7、B8、B9测温区域的表
计测量燃气及空气量,将独石表面划分为18个50面红外测量温度明显高于B1、B2、B3测温区域。B
mm×50mm测温区域,。使用便携式红外测温仪号独石的表面红外测量温度明显高于A号独石
(UX-20P)对镀催化剂独石的催化燃烧进行表面温
独石表面红外测量温度的分布呈现B号独石
度测量。
表面高,A号独石表面低,7、8、9号区域表面红
通过红外测温实验,可以更加直观了解到镀催外测量温度明显高于1、2、3号区域。经过观察分
化剂蜂窝状独石表面用红外测温仪测量温度分布状析,是由以下原因造成的:燃烧器与独石之间连接
处的石棉厚度不均。在A1、A2、A3、B1、B2、
B
B3測温区域与燃烧器内壁之间,起保温作用的石
棉厚度明显小于A7、A8、A9、B7、B8、B9测温
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区域与燃烧器内壁间石棉的厚度。而A号独石与
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燃烧器内壁间的保温层厚度明显小于B号独石
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造成了比B号独石更多的热量消耗。实验所用镀
催化剂蜂窝状陶瓷在进行催化燃烧时的最高表面
图2镀催化剂蜂窝状独石与燃烧器内壁间石棉厚度分布温度为1100℃。
B
B
A
6
图3镀催化剂蜂窝状独石表面温度分布柱状图
天然气催化燃烧型冷凝锅炉系统如图4所示,量,采用一个小时为一组数据的测量周期。
采用水流方向与烟气方向逆流的换热方式?低温气3实验数据分析
处为进水口,高温烟气处为出水口。采用二级铜管铝
肋片换热器,靠近燃烧器的一级换热器以辐射换热为
在催化燃烧Ⅴ型冷凝锅炉效率实验中,通过固
主,二级换热器以对流换热为主。使用多功能热量表定燃气流量固定锅炉输入功率,调节水流量进行锅
(西门子WFP21)对锅炉进出水的各项数据进行测炉的热效率实验。通过公式(1)计算锅炉热效率。