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催化燃烧设备

催化反应器对压力的依赖性大吗?

更新时间:2018-12-10 点击数:414

催化反应器,催化燃烧设备

  介绍

  近年来,在天然气燃烧涡轮机中用于NO x(氮氧化物)还原的贵金属催化燃烧器的实施引起了极大的关注(Dalla Betta 等人, 1994)。目前,来自固定式燃气轮机系统的NO x排放通过用水注入降低燃烧温度或通过诸如选择性催化还原的废气处理除去NO x来控制。在催化燃烧器中,燃料转化的主要部分发生在催化剂表面上; 因此,避免了通过提示(或Fenimore)途径的气相NO x生产途径(Schlegel 等人。1994年)。此外,峰值气相燃烧温度显着降低,导致低的热(或Zeldovich)NO x形成速率。

  催化燃烧包括几个基本过程:(1)反应物从气相扩散到催化表面,(2)反应物吸附到催化表面上,(3)吸附物质的移动,(4)表面反应催化剂,(5)产物从表面解吸,和(6)产物从催化表面扩散到气相。根据条件,这些过程中的每一个都可以是速率限制的。由于难以测量催化剂表面附近或催化剂表面上的化学活性,因此催化剂表面附近的表面动力学,温度或气相物质浓度的实验数据很少。结果,催化燃烧器通常被建模为产生所需量的燃料转化的“黑匣子”。

  通过具有活性催化剂表面的二维流动代码模拟。计算域包含两个区域 - 气相反应器通道和固相基底壁。针对固体壁解决了能量守恒方程,从而可以适当地确定基板内的传导热传递。将预测的气相温度,甲烷百分比转化率和一氧化碳(CO)摩尔分数与Bond等人的测量值进行比较。第四,最后,通过使用所提出的表面化学和二维数值模型的参数研究来探索催化流动反应器中对甲烷转化的压力影响。

  压力对催化燃烧的影响

  由于催化燃烧器的工作压力范围从环境压力(住宅加热器)到大于20atm(固定式燃气轮机; Dalla Betta 1997),因此理解催化反应器对压力的依赖性具有重大的实际意义。尽管目前的表面机理是根据环境压力下的实验数据进行优化的,但如果表面反应的基本特征保持不变,其使用可以扩展到高达20个大气压的压力。在本研究中,通过对1 atm至20 atm的压力进行的模拟研究了压力效应。入口速度和气体温度分别保持恒定在1米/秒和800千克。燃料混合物的当量比为0。4,几何形状与图5b中所示的相同。

  由于气体扩散系数的降低,由于气体扩散速度在高压下较慢,因此大量气体混合物中的燃料需要更多的时间到达表面。因此,燃料被更均匀地消耗,并且催化剂表面在高压下比在低压下沿催化剂表面上的轴向更均匀地加热。上看到甲烷转化反应器压力的影响,在4点不同的反应器中的压力(气相甲烷分布1, 2,5,和10个大气压)示于图11中的甲烷质量分数的轮廓线之间的间隔是2 ×10 -3。等高线图说明了在各种反应器压力下沿催化剂表面的甲烷边界层的发展。如图11所示,高反应堆压力的甲烷边界层以低于低压的速率发展。在10-atm的情况下,由于在该压力下的缓慢扩散速度,靠近通道中心的甲烷分子从未到达催化剂表面。除了降低气体扩散速度之外,增加反应器压力还减小了表面化学动力学控制燃烧过程的表面积。

  塔格特机电设备数值结果表明,当反应堆压力发生变化时,两个竞争因素会影响整体燃料转化率。首先,气体扩散速度随压力降低。在扩散限制方案中,表面处的燃料转化量受到扩散传输的限制。因此,预计整体燃料转化率会随着压力而降低。其次,催化燃烧设备放的热量随压力增加。在动力学限制的方案中,表面反应速率随表面温度而增加。增加热量释放往往会促进燃料转化。预测的燃料转化率对压力的依赖性是这两个竞争因素的结果,如图12所示。燃料转化率在1到2个大气压之间略微增加,并且在压力高于2个大气压时单调减少。燃料转化率随压力的初始增加归因于随压力增加的热释放。当压力高于2个大气压时,大部分表面区域的燃烧过程受燃料的气体 - 表面扩散速率控制,燃料转化率随压力降低。



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