CN109559783A - 惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统及方法,属于瓦斯利用技术领域。该系统包括依次连接的气源及流量调节系统Ⅰ、均匀掺混系统Ⅱ、预热及反应系统Ⅲ和分析及测试系统Ⅳ;气源及流量调节系统包括空气压缩机、脱水干燥装置、减压阀、针形调节阀、甲烷气瓶、高压减压阀和低压减压阀和流量计;均匀掺混系统包括气体混合段、放空阀、流量计和甲烷浓度传感器;预热及反应系统包括加热器、反应器、套管式热电偶、压力表和热电偶;分析及测试系统包括水冷却段、水泵、水池、放空阀、红外光谱仪、气相色谱仪、压力表、热电偶和甲烷浓度传感器。本发明可得到用于指导工业放大设计的蓄热氧化装置数学模型。

Description

惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统及方法
技术领域
本发明属于瓦斯利用技术领域,涉及一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统及方法。
背景技术
甲烷为仅次于二氧化碳的温室气体,是同浓度二氧化碳温室效应的20倍。大量甲烷排放至大气亦是能源资源的浪费。但是乏风瓦斯浓度低(通常低于1%)且不稳定,不能使用常规途径燃烧,利用这一低品位能源已成为全世界面临的挑战。
目前常用于乏风瓦斯的系统,如瓦斯蓄热氧化装置,提供的蓄热层运行温度超过800℃(超出了甲烷的点火温度)。因为蓄热氧化装置中甲烷反应的自热平衡维持依赖于多孔介质填料层中的均质燃烧,所以研究甲烷均质燃烧机理是具有重要意义。甲烷均质燃烧通常伴随着大量自由基的生成,并由几十或数以百计的基元反应组成。针对这一复杂反应过程,已开展了很多相关的研究,并有多种不同的反应机理。然而已有研究成果中针对反应产物、动力学参数等均有较大差异,因反应机理直接关系到蓄热氧化装置数学模型的准确性及数值模拟结果用于指导工业设计的精度,有必要开展实验研究,得到体积浓度约1%甲烷在惰性蓄热通道内的氧化反应机理,并进行简化研究,得到可用于指导工业放大设计的蓄热氧化装置数学模型,具有重要的应用价值。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统及方法,得到用于指导工业放大设计的蓄热氧化装置数学模型。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
1、一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统,包括依次连接的气源及流量调节系统(Ⅰ)、均匀掺混系统(Ⅱ)、预热及反应系统(Ⅲ)和分析及测试系统(Ⅳ);
所述气源及流量调节系统(Ⅰ)包括空气压缩机(1)、脱水干燥装置(2)、减压阀(3)、针形调节阀(4、8)、甲烷气瓶(5)、高压减压阀(6)和低压减压阀(7)和流量计(F1、F2);所述均匀掺混系统(Ⅱ)包括气体混合段(9)、放空阀(10)、流量计(F3)和甲烷浓度传感器(C1);所述预热及反应系统(Ⅲ)包括加热器(12)、反应器(13)、套管式热电偶(14)、压力表(P1、P2)和热电偶(T1~T4);所述分析及测试系统(Ⅳ)包括水冷却段(15)、水泵(16)、水池(17)、放空阀(18)、红外光谱仪(19)、气相色谱仪(20)、压力表(P3)、热电偶(T5)和甲烷浓度传感器(C2);
空气压缩机(1)产生的压缩空气与甲烷气瓶(5)的甲烷气分别经减压及流量调节后,送至气体混合段(9),混合至均匀浓度,模拟乏风瓦斯等超低浓度瓦斯(实验一般取1.2%体积浓度及以下),根据高精度快测的甲烷浓度传感器(C1)的数值判断是否满足实验所需气源条件(通过放空阀10及针形调节阀11的开或者关操作);当达到实验所需气源条件后,打针形调节开阀(11),气体流入加热器(12),被预热至一定温度进入反应器(13),发生反应,并经水冷却段(15)流出,气体在此阶段被冷却至常温,分别通过红外光谱仪(19)和气相色谱仪(20)进行组分及浓度的测试;试验过程中,还通过放空阀(18)进行取样测试气体组分及浓度等参数。
进一步,在所述反应器(13)内设置中心插入套管式热电偶(14),能从下端部抽出,按伸入长度不同测试不同位置的温度分布,与布置于反应器内壁的热电偶阵列温度进行对比验证,保证实验过程测试反应起始温度及反应起始温度的准确度及可靠度;
所述套管式热电偶(14)外壁与反应器(13)中装填的结构型蓄热陶瓷体紧密相接,陶瓷体为圆柱形,直径与反应器直径相同,中心为空腔,空腔直径即为套管式热电偶的直径。
2、一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验方法,包括以下步骤:
S1:设置从0.2%~1.2%不同浓度的甲烷混合气,将其通入加热器及反应器内;
S2:反应器内设置不同的温度梯度,根据反应燃烧区域平均温度及CH4浓度的变化情况(dCH4/dt),绘制阿希尼乌斯图(ln(k)~(1/T)),进而得到简化反应机理相关的动力学参数,包括反应速率常数k、活化能E及指前因子A。
进一步,步骤S2中,所述的反应燃烧区域平均温度的计算公式为:
其中,Tgas为气体温度,Tth为热电偶温度,σ为斯蒂藩-玻尔兹曼常数,εth为热电偶结的发射率,h为对流换热系数。
进一步,所述对流换热系数h的计算公式为:
Nu=hdthgas=2+0.4Re 1/2+0.06Re 2/3Pr 0.4μw 1/4
其中,dth是热电偶结的直径,λgas是气体热导率,Pr是普朗特数,μ是气体在环境温度时的粘度,μw是气体在壁温时的粘度,Nu是努塞尔数。
进一步,所述气体热导率λgas的计算公式为:
λgas=2.127×10-11Tgas 3-5.93883×10-8Tgas 2+1.06196×10-4Tgas6.48978×10-4
其中,μgas是气体粘度。
进一步,所述热电偶结的发射率εth由拟合公式求得:εth=0.475788+0.000127059Tth
本发明的有益效果在于:
(1)本发明采用的气源及流量调节系统I及均匀掺混系统II,通过减压及流量调节,实现常压条件瓦斯气源的模拟,并通过均匀掺混系统,实现了空气与高纯甲烷的均匀混合,浓度在2%以下,混合及掺混过程中无储气设备,避免了爆炸安全隐患,同时使用了快测高精度甲烷浓度传感器,在2s时间内即可测得甲烷浓度值,且精度大于95%,便于保证实验过程的精度。
(2)本发明采用的预热及反应系统III,通过设置加热器的方式,避免气体进入反应器时单向流动带走热量过多导致的反应器温度下降而影响实验的情况出现。同时在反应器壁面设置有电加热装置,在实验起始阶段用于加热反应器,使得反应器达到设定的实验温度梯度。
(3)本发明采用的分析及测试系统IV,通过设置水冷却段的方式,将反应气体冷却至常温,并设置有热电偶,对冷却效果进行检测,根据温度调节冷却水量,能够满足分析及测试系统的在线测量要求及取样测试的取样要求。
(4)本发明所述系统在反应器进出口均设置有压力表,可兼顾测试系统的阻力损失,为蓄热体结构优化设计提供必要的实验数据,而在气源处及分析测试端分别布置有快测高精度甲烷浓度传感器,可测试不同燃烧温度、蓄热层温度梯度对应的甲烷氧化率。
(5)通过本发明掌握极低当量比甲烷氧化反应动力学基理,能得到RTO换向反应流数学模型更为准确的数值解及解析解。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明所述系统结构连接图;
附图标记:Ⅰ-气源及流量调节系统,Ⅱ-均匀掺混系统,Ⅲ-预热及反应系统,Ⅳ-分析及测试系统,1-空气压缩机,2-脱水干燥装置,3-减压阀,4、8、11-针形调节阀,5-甲烷气瓶、6-高压减压阀,7-低压减压阀,F1~F3-流量计,9-气体混合段,10-放空阀,C1~C2-甲烷浓度传感器,12-加热器,13-反应器,14-套管式热电偶,P1~P 3-压力表,T1~T5热电偶,15-水冷却段,16-水泵,17-水池,18-放空阀,19-红外光谱仪,20-气相色谱仪。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示,本发明所述的惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统,包括依次连接的气源及流量调节系统Ⅰ、均匀掺混系统Ⅱ、预热及反应系统Ⅲ和分析及测试系统Ⅳ;
所述气源及流量调节系统Ⅰ包括空气压缩机1、脱水干燥装置2、减压阀3、针形调节阀(4、8)、甲烷气瓶5、高压减压阀6和低压减压阀7和流量计(F1、F2);所述均匀掺混系统Ⅱ包括气体混合段9、放空阀10、流量计F3和甲烷浓度传感器C1;所述预热及反应系统Ⅲ包括加热器12、反应器13、套管式热电偶14、压力表P1、P 2和热电偶(T1~T4);所述分析及测试系统Ⅳ包括水冷却段15、水泵16、水池17、放空阀18、红外光谱仪19、气相色谱仪20、压力表P3、热电偶T5和甲烷浓度传感器C2;
空气压缩机1产生的压缩空气与甲烷气瓶5的甲烷气分别经减压及流量调节后,送至气体混合段9,混合至均匀浓度,模拟乏风瓦斯等超低浓度瓦斯(实验一般取1.2%体积浓度及以下),根据高精度快测的甲烷浓度传感器C1的数值判断是否满足实验所需气源条件(通过放空阀10及针形调节阀11的开或者关操作);当达到实验所需气源条件后,打针形调节开阀11,气体流入加热器12,被预热至一定温度进入反应器13,发生反应,并经水冷却段15流出,气体在此阶段被冷却至常温,分别通过红外光谱仪19和气相色谱仪20进行组分及浓度的测试;试验过程中,还通过放空阀18进行取样测试气体组分及浓度等参数。
进一步,在所述反应器13内设置中心插入套管式热电偶14,能从下端部抽出,按伸入长度不同测试不同位置的温度分布,与布置于反应器内壁的热电偶阵列温度进行对比验证,保证实验过程测试反应起始温度及反应起始温度的准确度及可靠度;
所述套管式热电偶14外壁与反应器13中装填的结构型蓄热陶瓷体紧密相接,陶瓷体为圆柱形,直径与反应器直径相同,中心为空腔,空腔直径即为套管式热电偶的直径。
根据本发明所述惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统的试验方法,包括以下步骤:
S1:设置从0.2%~1.2%不同浓度的甲烷混合气,将其通入加热器及反应器内;
S2:反应器内设置不同的温度梯度,根据反应燃烧区域平均温度及CH4浓度的变化情况(dCH4/dt),绘制阿希尼乌斯图(ln(k)~(1/T)),进而得到简化反应机理相关的动力学参数,包括反应速率常数k、活化能E及指前因子A。
所述的反应燃烧区域平均温度的计算公式为:
其中,Tgas为气体温度,Tth为热电偶温度,σ为斯蒂藩-玻尔兹曼常数,εth为热电偶结的发射率,h为对流换热系数。
所述对流换热系数h的计算公式为:
Nu=hdthgas=2+0.4Re 1/2+0.06Re 2/3Pr 0.4μw 1/4
其中,dth是热电偶结的直径,λgas是气体热导率,Pr是普朗特数,μ是气体在环境温度时的粘度,μw是气体在壁温时的粘度,Nu是努塞尔数。
所述气体热导率λgas的计算公式为:
λgas=2.127×10-11Tgas 3-5.93883×10-8Tgas 2+1.06196×10-4Tgas-6.48978×10-4
μgas=-4.48913×10-18Tgas 4+2.62003×10-14Tgas 3-5.47545×10-11Tgas 2
+7.5235×10-8Tgas+1.4769×10-7
其中,μgas是气体粘度。
所述热电偶结的发射率εth由拟合公式求得:εth=0.475788+0.000127059Tth
对计算结果使用方差分析,验证所得到的动力学模型参数。回归结果的可靠性可由下述方程表述:
其中,Δc是平均相对误差,ρ2是相关系数,F是方差分析的检验统计量,N是用于估计动力学参数的计算点的个数,Cexp,i是第i个计算点的浓度实验结果,Ccalc,i第i个计算点浓度的计算结果,xexp,i是第i个计算点的甲烷氧化率实验结果,xcalc,i是第i个计算点的甲烷氧化率计算结果,p是用于估计动力学特性的动力学参数个数。一般地,当ρ2>0.9和F>10F0.01(p,N-p)时的回归结果是可接受的。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统,其特征在于,该系统包括依次连接的气源及流量调节系统(Ⅰ)、均匀掺混系统(Ⅱ)、预热及反应系统(Ⅲ)和分析及测试系统(Ⅳ);
所述气源及流量调节系统(Ⅰ)包括空气压缩机(1)、脱水干燥装置(2)、减压阀(3)、针形调节阀(4、8)、甲烷气瓶(5)、高压减压阀(6)和低压减压阀(7)和流量计(F1、F2);所述均匀掺混系统(Ⅱ)包括气体混合段(9)、放空阀(10)、流量计(F3)和甲烷浓度传感器(C1);所述预热及反应系统(Ⅲ)包括加热器(12)、反应器(13)、套管式热电偶(14)、压力表(P1、P2)和热电偶(T1~T4);所述分析及测试系统(Ⅳ)包括水冷却段(15)、水泵(16)、水池(17)、放空阀(18)、红外光谱仪(19)、气相色谱仪(20)、压力表(P3)、热电偶(T5)和甲烷浓度传感器(C2);
空气压缩机(1)产生的压缩空气与甲烷气瓶(5)的甲烷气分别经减压及流量调节后,送至气体混合段(9),混合至均匀浓度,模拟超低浓度瓦斯,根据甲烷浓度传感器(C1)的数值判断是否满足实验所需气源条件;当达到实验所需气源条件后,打针形调节开阀(11),气体流入加热器(12),被预热至一定温度进入反应器(13),发生反应,并经水冷却段(15)流出,气体在此阶段被冷却至常温,分别通过红外光谱仪(19)和气相色谱仪(20)进行组分及浓度的测试;试验过程中,还通过放空阀(18)进行取样测试气体组分及浓度。
2.根据权利要求1所述的惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验系统,其特征在于,在所述反应器(13)内设置中心插入套管式热电偶(14),能从下端部抽出,按伸入长度不同测试不同位置的温度分布,与布置于反应器内壁的热电偶阵列温度进行对比验证,保证实验过程测试反应起始温度及反应起始温度的准确度及可靠度;
所述套管式热电偶(14)外壁与反应器(13)中装填的结构型蓄热陶瓷体紧密相接,陶瓷体为圆柱形,直径与反应器直径相同,中心为空腔,空腔直径即为套管式热电偶的直径。
3.一种惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1:设置从0.2%~1.2%不同浓度的甲烷混合气,将其通入加热器及反应器内;
S2:反应器内设置不同的温度梯度,根据反应燃烧区域平均温度及CH4浓度的变化情况,绘制阿希尼乌斯图,进而得到简化反应机理相关的动力学参数,包括反应速率常数k、活化能E及指前因子A。
4.根据权利要求3所述的惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验方法,其特征在于,步骤S2中,所述的反应燃烧区域平均温度的计算公式为:
其中,Tgas为气体温度,Tth为热电偶温度,σ为斯蒂藩-玻尔兹曼常数,εth为热电偶结的发射率,h为对流换热系数。
5.根据权利要求4所述的惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验方法,其特征在于,所述对流换热系数h的计算公式为:
Nu=hdthgas=2+0.4Re 1/2+0.06Re 2/3Pr 0.4μw 1/4
其中,dth是热电偶结的直径,λgas是气体热导率,Pr是普朗特数,μ是气体在环境温度时的粘度,μw是气体在壁温时的粘度,Nu是努塞尔数。
6.根据权利要求5所述的惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验方法,其特征在于,所述气体热导率λgas的计算公式为:
λgas=2.127×10-11Tgas 3-5.93883×10-8Tgas 2+1.06196×10-4Tgas-6.48978×10-4
μgas=-4.48913×10-18Tgas 4+2.62003×10-14Tgas 3-5.47545×10-11Tgas 2+7.5235×10-8Tgas+1.4769×10-7
其中,μgas是气体粘度。
7.根据权利要求4所述的惰性通道内超低浓度瓦斯反应动力学参数试验方法,其特征在于,所述热电偶结的发射率εth由拟合公式求得:εth=0.475788+0.000127059Tth
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