天然气预混催化燃烧的特性分析及实验研究

【摘要】：随着世界能源消费的增长与资源匮乏之间的矛盾越发尖锐,传统能源利用技术的革新成为备受关注的焦点问题。催化燃烧作为一种传统一次能源的新型利用技术,已经引起了学术界和工业界的多方关注。 就气体燃料的燃烧来说,大家所关注的问题主要集中在两个方面。第一方面是指催化燃烧的化学反应机理。它既涵盖了燃烧过程中催化剂的化学动力行为,又包括了混合物在燃烧中的所有化学反应过程。第二方面的问题是催化燃烧过程中的热动力特性,即燃烧流体内部的传热和传质情况。本课题的研究主要是围绕着第二方面的问题来展开的,尤其是研究多孔载体结构对燃烧过程中的传热、传质及催化特性的影响。并由此引出燃烧过程中催化剂的化学作用机理和气体混合物在燃烧过程中的传热传质特性这两方面因素相互作用的综合分析。 如何通过强化燃烧中的传热传质来控制催化燃烧的条件,从而达到理想的燃烧效果则是本课题研究的最终目的。理想的燃烧效果有两层含义,第一是看燃料是否在燃烧过程中达到完全氧化,第二是燃烧产物中有害物质(CO、NOx)的生成是否得到了有效的控制。 出于这一目的,我的研究要在理论方面和实验方面共同推进。理论探讨可以在建立整体的催化燃烧模型的同时帮助我们理清各种因素之间的影响关系。而实验研究是我们对问题的理解的有力验证,同时它也是我们进一步向应用技术研究推进的坚实基础。在充分理解燃烧机理的基础上,我需要通过实验研究对比,进一步分析催化燃烧中各种因素及一些新思路的作用。 通过实验研究和理论分析,我有针对性的讨论了催化燃烧中的一些基础性问题。其中,载体的孔隙密度、通道的长度及空气预热温度都对催化燃烧有明显的影响。而接下来,进一步的研究不同条件下催化燃烧过程的轴向温度分布,对我更深入的理解非均相燃烧与之后的均相燃烧之间的关系是非常重要的。另外,通过对比实验,我还分析了一种催化剂在燃烧过程中的催化效果,为进一步催化燃烧的研究奠定了基础。 【关键词】：非均相 催化燃烧 传热 传质 NO_x
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：O643.2
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题背景9
• 1.2 催化燃烧的研究发展及现状9-11
• 1.3 本课题研究的核心内容11-12
• 1.4 本章小节12-13
• 第2章 催化燃烧过程的分析13-29
• 2.1 反应条件与反应物的活性13-17
• 2.2 副产物对燃烧的影响17
• 2.3 催化燃烧的动力行为特性17-19
• 2.4 催化剂和催化剂床的特性19-21
• 2.5 载体结构对燃烧过程中的传热传质的影响21-23
• 2.6 非均相燃烧与均相燃烧的特性23-26
• 2.7 有害气体的减排26-28
• 2.7.1 CO 的形成及控制26-27
• 2.7.2 NO_x的形成与控制27-28
• 2.8 本章小节28-29
• 第3章 多孔载体中催化燃烧的理论模型29-47
• 3.1 燃烧对传热、传质过程的影响29-30
• 3.2 温度和浓度等因素对化学反应的影响30-36
• 3.2.1 化学反应速度30-33
• 3.2.2 化学生成热的计算33-35
• 3.2.3 天然气燃烧的化学动力模型35-36
• 3.3 催化燃烧过程的控制方程组36-46
• 3.3.1 组元的连续性方程36-37
• 3.3.2 动量守恒方程37-38
• 3.3.3 能量守恒方程38-39
• 3.3.4 边界条件39-40
• 3.3.5 控制方程的简化40-43
• 3.3.8 二维方程组的无量纲化43-46
• 3.4 本章小节46-47
• 第4章 实验研究47-78
• 4.1 实验系统47-51
• 4.1.1 实验装置47-48
• 4.1.2 测量系统48-49
• 4.1.3 测量仪器的校准及误差分析49-51
• 4.2 实验方案设计51-55
• 4.2.1 实验研究内容51-54
• 4.2.2 实验步骤安排54-55
• 4.3 实验结果与分析55-77
• 4.3.1 不同孔隙密度对燃烧的影响55-58
• 4.3.2 预热温度对催化燃烧的影响58-67
• 4.3.3 不同载体长度时燃烧区轴向温度变化分析67-73
• 4.3.4 燃烧过程中催化剂的作用73-77
• 4.4 本章小节77-78
• 结论78-81
• 1 温度边界条件对催化燃烧的影响78-79
• 1.1 流体进口温度的影响78
• 1.2 载体壁面温度的影响78-79
• 2 浓度边界的影响79
• 3 载体结构与燃烧状态的关系79-80
• 4 催化剂的性能80-81
• 参考文献81-85
• 附录185-86
• 致谢86

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