多场耦合煤制天然气甲烷化多尺度模拟与过程强化研究

Based on the SNG project of Xinjiang Yili Qinghua 1.375 billion cubic meters production per year, the research is conducted on the fixed-bed methanation reactor . By using experiment and numerical simulation ,multi-scale （micro-scale，meso-scale, macro-scale）study on the methanation process in fixed bed reactor will be carried out in order to acquire the mass transfer, momentum transfer, heat transfer and reaction process regulation and enhance the reaction process. In micro-scale, the methods of catalyst particles model establishment, reaction, mass transfer and heat transfer coupling inside particles, and numerical solution will be studied. Based on the fast heat dissipation and the maximum yield，optimization model of catalyst carrier structure will be achieved. In meso-scale, based on optimization structure of catalyst , catalyst bed will be packed randomly with different size catalyst particles. And the catalyst bed filling method, effect of particle size, bed size on the heat distribution and yield within the bed reaction process will be studied. Then the bed construction will be optimized. In macro-scale, with the optimal bed, the model of the whole reactor will be established, and the distribution characteristic parameter inside the whole reactor will be studied. The effects of the main structure and operating parameters of the reactor on the methane yield and heat distribution will be researched. Finally the reactor structure and operating parameters will be optimized and methanation process will be intensified.

本项目以新疆伊犁庆华集团煤制天然气一期年产13.75亿立方米煤制天然气甲烷化固定床反应器为研究对象，采用冷模与热模结合、实验与数值模拟结合的方法，从微观-介观-宏观对甲烷化反应进行多尺度研究，揭示多场耦合条件下甲烷化反应的“三传一反”过程规律，实现过程强化。研究微观尺度催化剂颗粒单体模型建立方法和颗粒内反应-传质-传热耦合建立方法和数值解法，提出基于最快散热和最大产率的催化剂载体结构优化模型；以最优载体结构催化剂颗粒为基础，从介观尺度建立不同粒径催化剂颗粒随机分布形成的催化床层，研究催化剂床层填充方法、颗粒尺寸、床层尺寸对床层内热量分布、产率的影响，提出最优床层方案；以最优床层为基础，建立宏观尺度甲烷化反应器整体模型，探索整体反应器内流体流动特性和反应过程、热场分布特征，研究反应器结构尺寸和操作参数对甲烷产率和热量分布的影响规律，进而优化设备结构与操作参数，最终实现反应过程强化。

甲烷化是煤制天然气工艺中的关键环节。本项目以煤制天然气中甲烷化过程为对象，运用试验和数值模拟的方法，从反应器宏尺度、催化剂颗粒随机堆积床层介尺度、催化剂颗粒本体微-介尺度进行了甲烷化过程多尺度数值模拟分析，揭示了催化剂载体结构、床层结构、反应器结构和操作条件对甲烷化反应的影响规律，提出了不同尺度、不同反应器甲烷化过程的强化条件。.在反应器宏尺度，建立了固定床、流化床反应器模型，提取了反应器内甲烷化反应特征场分布规律。研究了反应器结构与场分布、产率的关联，提出了基于最优场分布和最大产率的反应器结构优化方案。研究了操作条件对甲烷化过程的影响，实现了甲烷化过程强化。结果表明：对径向流反应器，入口温度543K-563K、入口速度15m/s-19m/s、氢碳比为3.0-4.2为最佳反应条件。对高通量流化床反应器，最佳反应条件为入口温度500K、入口气速4m/s、H2/CO比为3.5。.在催化剂颗粒随机堆积床层介尺度，建立了颗粒随机堆积床层的三维模型。探究了颗粒粒径、形状（球形，柱形，异形，单孔，多孔）、堆积方式对床层空隙率和特征流场分布的影响。基于冷-热态模拟，提出了基于颗粒粒径、形状、堆积方式的最优床层结构方案。结果表明：甲烷化反应体系中，采用上部柱形-下部四孔柱形的两种催化剂颗粒按等高混堆床层为最优床层结构，此时CH4产率最大。.在催化剂颗粒微-介尺度，构建了单体颗粒三维模型。建立了镍基甲烷化催化剂颗粒内“三传一反”模型和甲烷化反应动力学模型，完成了颗粒内微-介尺度甲烷化过程的模拟分析，提取了颗粒内的温度场、组分浓度分布等，提出了最优的催化剂颗粒载体结构。结果表明：柱形颗粒中心处CO2转化率比球形颗粒中心处高，球形颗粒稳态时正向转化主要在催化剂颗粒外层约10%的区域进行。针对dp=5.4mm的球形颗粒，最佳载体孔隙结构为εM=0.4，εm=0.1，dM=160nm，dm=4nm。.上述研究，对实现甲烷化催化剂载体结构的定向制造、催化剂颗粒堆积床层的优化、甲烷化反应器结构优化和过程强化，提高甲烷产率具有重要实际指导意义。