處理低濃度有機廢氣的流向變換催化燃燒反應技術研究.pdf

1、流向變換催化燃燒技術是人為非定態(tài)操作的一種，結合蓄熱換熱器和催化燃燒兩種技術的特點，通過周期性地切換固定床催化反應器內的氣流方向，使床層內出現(xiàn)中間高、兩邊低的溫度分布，因而適合于進行反應物濃度較低的不可逆強放熱反應或放熱較弱的可逆反應，能夠提高反應效率和對產物的選擇性。本文主要圍繞將流向變換催化燃燒技術應用于工業(yè)過程中低濃度有機廢氣凈化而展開，討論該類型反應器的基本運行特性、失穩(wěn)條件以相應的控制措施。
　　首先，自行設計搭建了小型

2、流向變換催化燃燒反應系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上進行了冷態(tài)條件下系統(tǒng)流動阻力特性試驗研究。隨著流向的周期性切換，床層的壓降也隨之呈現(xiàn)周期性的變化。在氣流流向發(fā)生切換后的瞬間，床層內的流動狀況需歷經一定的波動方能達到穩(wěn)定，但由于該過渡狀態(tài)對于反應器整體操作過程影響基本可以忽略。穩(wěn)定后的床層壓降變化規(guī)律可以用Ergun方程來描述，即壓降隨表觀氣速的增大呈二次曲線的形式上升，隨床層高度的增加而呈線性增長。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，回歸得到用于描述本反應系統(tǒng)壓降變化

3、的數(shù)學關聯(lián)式，該關聯(lián)式可較好地預測床層內的壓降變化。
　　隨后，進行了低濃度甲烷和苯的催化燃燒試驗研究，討論了操作條件對反應器運行特性的影響?；旧?，隨著周期性的流向切換，反應器內各個測點溫度也隨之作周期性波動變化；只要能夠維持反應器自熱運行，反應器內整體凈化率可達到98％以上，且不存在NOx等的二次污染。提高入口反應物濃度和縮短流向切換周期度，都會使得催化段的溫度水平和反應器內最高溫度上升，增加中間高溫平臺的寬度，令燃燒效率提升

4、。表觀氣速的影響是反應器內反應放熱和傳熱條件綜合作用的結果。當甲烷和苯兩種性質相差較大的有機物在反應器內協(xié)同燃燒凈化時，反應器內的溫度水平和軸向溫度分布會甲烷濃度的隨著升高而升高，苯的燃燒凈化效率基本保持在95％以上。降低入口反應物濃度、延長流向切換時間可以降低反應器內出現(xiàn)“M”型溫度分和發(fā)生“飛溫”的可能。而采用輔助電加熱或者添加輔助燃料的方法都可以有效避免入口濃度過低時反應器出現(xiàn)“熄火”現(xiàn)象。但如果所添加的輔助燃料與待處理有機物的催

5、化燃燒性質差異過大，會顯著增加輔助燃料的消耗量。
　　接著，建立了用于描述該種類型反應器行為的一維瞬態(tài)非均相數(shù)學模型。模擬計算的結果能較好地反映小型流向變換催化燃燒器的實際運行特性。
　　基于上述模型，討論了反應器壁面、床層內傳遞參數(shù)和反應動力學參數(shù)對反應器運行特性的影響。在橫向比較各種操作參數(shù)對反應器運行特性的影響時，提出采用熱波移動距離作為衡量的標準。通過在對各種操作參數(shù)影響的比較，認為在本文所選用的反應器參數(shù)范圍內，當

6、表觀氣速在0.2～0.4 m·s-1左右，熱波移動距離在約占催化床層長度的20～40％，惰性段裝填比例在20～40％之間時，反應器具有較高的熱穩(wěn)定性和較寬的可操作域，并且可適應于更低的入口濃度條件。
　　然后，通過試驗和數(shù)值模擬兩方面的研究，討論了當入口條件發(fā)生周期性波動時流向變換催化燃燒反應器的運行特性。結果表明，入口濃度的周期性波動會降低反應器內的溫度水平，削弱反應器的穩(wěn)定性，甚至可能導致最終發(fā)生熄火。在此情形下，適當調整流向

7、切換周期是維持反應器穩(wěn)定運行的較好手段。基于上述結果，從動態(tài)系統(tǒng)的角度提出了流向變換催化燃燒反應器的特征響應時間的概念，并采用諧波分析的方法對此加以系統(tǒng)闡釋，并解釋了當入口濃度波動的頻率和反應器流向切換頻率相同時，反應器最高溫度發(fā)生大幅度波動的原因。在此基礎上，模擬驗證了在系統(tǒng)發(fā)生諧波響應時，通過改變系統(tǒng)的特征響應時間來維持反應器穩(wěn)定的可行性。
　　最后，試驗和數(shù)值模擬結果，以處理60000 m3·h-1有機廢氣的工程實例為典型，