基于CFD的CO催化燃燒研究

王 強 馬 宏 閆海琴 程峰峰 葛 泰，2 董一凡*

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口工程力學(xué)分析重點實驗室，河北 張家口 075000)

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣都會排放出大量的CO，造成環(huán)境污染，危害人類健康.在眾多消除CO的方法中，催化燃燒以其能耗低、效率高、經(jīng)濟性、環(huán)保性等特點成為了學(xué)者們關(guān)注的焦點[1].CO在催化劑的作用下，在較低溫度時便可與O2反應(yīng)生成CO2，反應(yīng)放出的熱量不斷積累，最終依靠反應(yīng)本身的熱量實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，即“自持催化燃燒”現(xiàn)象[2].催化燃燒具有兩個明顯優(yōu)點：第一，燃燒效率高，反應(yīng)器規(guī)模小，前期投資少，能量利用率高，適用于便攜式發(fā)電；第二，能耗低，安全性高.只需要相對較少的熱量就可以使混合氣體起燃，并且催化燃燒是一種在催化劑相界面上產(chǎn)生的無焰燃燒，不存在火焰?zhèn)鞑ヒ鸨ǖ目赡苄?催化燃燒的效率與催化劑的選擇息息相關(guān)，針對CO催化燃燒的催化劑主要分為貴金屬催化劑和過渡金屬氧化物催化劑兩類，Cu-Ce-ZrO系列催化劑屬于過渡金屬氧化物催化劑，Cu、Ce、Zr三者的協(xié)同作用使得催化劑的氧化還原性能顯著提高[3].康潤寧[4]系統(tǒng)研究了CuCe0.75Zr0.25Oy催化劑上CO自持燃燒的反應(yīng)機理，發(fā)現(xiàn)CO自持燃燒臨界條件為3%CO+3%O2/N2，并且實現(xiàn)了10%CO條件下持續(xù)100h的穩(wěn)定催化燃燒.

數(shù)值模擬以其成本低、可視化等優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用.CO的催化燃燒已經(jīng)有大量學(xué)者進行了理論和實驗研究[5-8]，對CO催化燃燒進行數(shù)值模擬的必要性有以下幾點.第一，實驗研究往往需進行大量繁瑣、長周期、大批量的實驗，數(shù)值模擬利用計算機對催化燃燒過程進行運算，可以大大減少科研人員工作量，提高工作效率；第二，數(shù)值模擬可以獲得實驗室所不具備的反應(yīng)條件下，反應(yīng)器中溫度場、濃度場等的分布情況，可以應(yīng)用于催化反應(yīng)器的分析和設(shè)計；第三，有效克服實驗室研究中反應(yīng)器規(guī)模的局限性，增大反應(yīng)器，為實際工業(yè)應(yīng)用催化燃燒反應(yīng)器提供設(shè)計和優(yōu)化方案.本文擬采用FLUENT數(shù)值模擬軟件研究CO在CuCe0.75Zr0.25Oy催化劑中催化燃燒過程，通過建立催化燃燒的數(shù)學(xué)模型，得到模擬燃燒器內(nèi)部溫度場、速度場、濃度場的分布，分析不同因素對催化燃燒的影響.

1 數(shù)學(xué)模型及物理模型

1.1 物理模型

本文模擬CO在圓柱型燃燒器內(nèi)的催化燃燒，由于燃燒器具有中心對稱面，簡化為二維模型研究，所建立模型如下：

圖1 反應(yīng)器二維模型

網(wǎng)格全部劃分為四邊形網(wǎng)格，共20000個網(wǎng)格單元.

1.2 數(shù)學(xué)模型

CO在微型燃燒器中催化燃燒涉及分析化學(xué)、催化化學(xué)、材料科學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)及流體力學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，是典型的多學(xué)科交叉問題.這一復(fù)雜的物理化學(xué)過程除了要遵守基本的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒定律外，還需要加入和CO相關(guān)的化學(xué)反應(yīng).所建立方程如下：

1.2.1 化學(xué)反應(yīng)方程

1.2.2 質(zhì)量守恒方程

張量形式的質(zhì)量守恒方程：

1.2.3 動量守恒方程

對不可壓縮流體的動量方程以張量表示：

1.2.4 能量守恒方程

張量形式的能量守恒方程：

2 邊界條件與結(jié)果驗證

2.1 邊界條件設(shè)置

FLUENT中模型選擇：打開能量方程；由于氣體流動雷諾數(shù)較小，選擇層流模型；選擇組分輸運模型，描述化學(xué)反應(yīng)中各組分的變化情況；考慮反應(yīng)器內(nèi)的對流換熱與輻射換熱，選擇DO輻射模型.

材料設(shè)置:反應(yīng)氣體為空氣與CO的混合，直接從FLUENT材料庫中選取.催化劑為CuCe0.75Zr0.25Oy催化劑，孔隙率0.4，導(dǎo)熱系數(shù)230w/m.k[9].催化劑段設(shè)置為多孔介質(zhì)，賦予相關(guān)材料參數(shù).

入口：采用速度入口，v=0.27m/s,CO的質(zhì)量分數(shù)為11.7%，O2質(zhì)量分數(shù)為20.6%，其余為N2，T=400K(不同工況下各參數(shù)可變).

出口：采用壓力出口條件.

壁面：材料為石英玻璃，壁面厚度為1mm,無滑移壁面，標準壁面函數(shù)，對流換熱系數(shù)設(shè)為20，發(fā)射率為0.87.

求解設(shè)置：采用couple算法，能量方程松弛因子改為1，其余保持默認，全部殘差設(shè)為10-4，啟動穩(wěn)態(tài)計算，最大求解步長為1000.

2.2 結(jié)果驗證

工況1：CO與空氣混合氣，CO體積分數(shù)為5%，氧氣體積分數(shù)為20%，剩余為N2.轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分數(shù)，CO占4%，帶入FLUENT計算.與文獻對比結(jié)果如表1所示：

表1 工況1結(jié)果對比

工況2：CO與空氣混合氣，CO體積分數(shù)為15%，氧氣體積分數(shù)為17.85%，剩余為N2.轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分數(shù)，CO占11.7%，帶入FLUENT計算.與文獻對比結(jié)果如表2所示：

表2 工況2結(jié)果對比

結(jié)果表明：兩種工況下最高溫度誤差均不超5%，CO轉(zhuǎn)化率誤差小于1%，與實驗結(jié)果較為符合，證明了模擬方案的可行性.

3 影響因素分析

3.1 CO濃度的影響

設(shè)置CO濃度分別為5%、10%、15%的工況，同時保證O2濃度為10%不變，剩下氣體為N2，取反應(yīng)器對稱線上的各物質(zhì)變化量分析，結(jié)果如下：

圖2 不同工況下的溫度圖 圖3 不同工況下CO質(zhì)量分數(shù)

由圖2可知，X=0.04m時進入催化劑段，CO在催化劑作用下與O2發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)放出熱量，反應(yīng)器溫度不斷升高.對比CO濃度分別為5%、10%及15%時的曲線可知，隨著CO濃度的增加，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量增加，反應(yīng)器內(nèi)溫度升高越大(5%為550K、10%為740K及15%為957K).溫度最大值在催化劑前半段出現(xiàn)，說明催化反應(yīng)集中發(fā)生在催化劑前半段，隨后由于對流換熱和輻射換熱，溫度逐漸降低.由圖3可知，CO質(zhì)量分數(shù)在催化劑段極速降低，在催化劑中段，CO轉(zhuǎn)換率達到100%.對比曲線的下降速率可知，CO濃度越高，CO轉(zhuǎn)化速率越快，這是由于反應(yīng)物濃度的增加會加快反應(yīng)的進行.

3.2 O2濃度的影響

CO濃度為5%不變的情況下，分析O2濃度分別為5%、10%、15%時對燃燒溫度、CO質(zhì)量分數(shù)的影響.

圖4 不同工況下的溫度圖 圖5 不同工況下CO質(zhì)量分數(shù)

由圖4可知，O2濃度分別為5%、10%及15%時，反應(yīng)器內(nèi)最高溫度相差不大(5%為549K、10%為550K及15%為553K)，結(jié)果表明O2濃度對反應(yīng)器內(nèi)溫度影響很小.由圖5可知，不同O2濃度下，CO質(zhì)量分數(shù)曲線基本重合，表明O2濃度對CO轉(zhuǎn)化速率影響很小.

3.3 CO2濃度的影響

CO濃度為5%、O2濃度為10%不變的情況下，分析CO2濃度分別為5%、10%、15%時對燃燒溫度、CO質(zhì)量分數(shù)的影響.

圖6 不同工況下的溫度圖 圖7 不同工況下CO質(zhì)量分數(shù)

由圖6可知，CO2濃度分別為5%、10%、15%時，反應(yīng)器內(nèi)最高溫度依次下降(5%為546K、10%為540K及15%為536K)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式(CO+1/2O2→CO2)可知，CO2濃度增加會抑制正向反應(yīng)，導(dǎo)致最高溫度降低.另外反應(yīng)氣配比中增大CO2濃度的同時，減少了平衡氣N2的濃度，而CO2比熱容大于N2比熱容，導(dǎo)致吸熱量增大，溫度降低.由圖7可知，隨著CO2濃度增加，CO轉(zhuǎn)化率幾乎不變，仍能達到100%.

4 結(jié) 論

1)由分析可知，CO濃度越大，反應(yīng)器內(nèi)溫度越高(5%為550K、10%為740K及15%為957K)，CO濃度對溫度影響較大.溫度最大值在催化劑前半段出現(xiàn)，說明催化反應(yīng)集中發(fā)生在催化劑前半段，隨后由于對流換熱和輻射換熱，溫度逐漸降低.

2)O2濃度在5%以上時，O2濃度對反應(yīng)器內(nèi)溫度、CO轉(zhuǎn)化速率影響很小.

3)CO2濃度越大，反應(yīng)器內(nèi)溫度越低(5%為546K、10%為540K及15%為536K)，但溫度變化較小.不同CO2濃度下，CO轉(zhuǎn)化率幾乎不變.