在猪粪的水热碳化过程中，有机物的腐殖化作用以及重金属的钝化现象

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Humification of organic matter and passivation of heavy metals during the hydrothermal carbonization of swine manure

多组分催化氧化模型与CFD模拟研究VOCs转化机理及优化方案。

　　

康玉杰|杨光润|王敬晓|沈中杰|徐建良|戴正华|刘海峰

摘要

再生催化氧化器（RCO）因其节能和稳定性而被广泛用于去除挥发性有机化合物（VOCs）。在这项研究中，构建了一个多组分催化反应模型，利用计算流体动力学（CFD）模拟来数值研究含烃VOCs在RCO中的反应过程。为了获得多组分烃类的转化特性，分析了进气负荷、当量比以及多组分烃类组成对反应器流动、传热和转化率的影响。还提出了一项针对难转化组分的可行性研究计划。结果表明，随着负荷的增加，各种组分的转化率降低，而反应速率增加。此外，流速的提高加剧了湍流，并增强了气体与壁面之间的碰撞频率，从而放大了多孔介质的阻力效应。当VOCs与氧的当量比增加时，缺氧条件会导致参与反应的烃类分子量减小。反应温度也呈现出下降趋势。对多组分VOCs和单组分气体的催化燃烧特性进行比较分析后发现，添加乙烷和丙烷可以促进甲烷的氧化。

引言

煤炭仍然是中国的主要能源。根据国家统计局的数据，2024年中国总能源消耗量为596亿吨标准煤，其中煤炭占比达到53.2% [1]。煤炭转化过程旨在最大化煤炭作为能源资源和化学原料的双重效益。然而，这些过程也会产生大量的低浓度VOCs排放，这对环境构成了紧迫的挑战。VOCs是会对环境、人类健康以及动植物生存产生重大影响的污染物。它们参与大气光化学反应，导致臭氧和PM_2.5的形成。此外，接触VOCs会通过引起呼吸系统、神经系统等方面的不良影响直接危害人类健康 [2]，[3]。鉴于这些多方面的影响，开展高效的VOCs处理技术研究至关重要。

再生催化氧化（RCO）是一种高效且有效的VOCs去除技术。其工作原理类似于再生热氧化（RTO），但反应温度较低，因此很少引起二次污染 [4]，[5]，[6]，[7]。蜂窝状整体式催化剂具有较高的比表面积和较低的压降，易于回收且成本效益高 [8]。这些特性使得蜂窝状整体式催化剂在当前的RCO系统中得到广泛应用。在这些系统中，它们同时充当热储存/释放介质和催化剂载体 [9]。然而，RCO内部密集的多孔结构使得直接测量许多关键参数变得困难。CFD能够有效解决这些氧化器中的多物理场耦合问题，显著降低实验成本。因此，CFD已成为研究RCO内部流动和传热过程的主要方法。

操作条件是影响VOCs处理效率的关键因素。许多研究已经考察了进气速度、浓度和切换时间对燃烧效率的影响 [10]，[11]，[12]。此外，还有一些基于单通道系统的研究探讨了热储存通道内的热交换和VOC转化 [13]，[14]，[15]，[16]。然而，需要注意的是，上述研究都使用单组分烃类作为VOCs的替代物。实际上，工业过程中的废气成分非常复杂。实验发现，在燃烧反应过程中，特定的烃类混合物由于竞争性吸附而相互促进或抑制 [17]，[18]。例如，Xia等人 [19] 对甲苯/二甲苯、丙酮/乙酸乙酯、丙酮/二甲苯和乙酸乙酯/二甲苯混合物的催化活性进行了深入研究。他们的结果表明，这些典型VOCs在催化剂表面的竞争性吸附会抑制它们的氧化。同样，He等人 [20] 发现，在多组分VOCs的催化氧化过程中，苯和甲苯会抑制乙酸乙酯的转化；相反，乙酸乙酯会显著抑制苯的氧化但促进甲苯的转化。因此，多组分催化燃烧反应的数值模拟仍需进一步研究和探索。长期以来，学者们主要关注再生器的燃烧温度和压降，但对RCO内部气体流动的研究相对较少，其湍流效应往往被忽视 [21]，[22]。鉴于气体流动对燃烧特性和设备稳定性有显著影响，有必要进一步开展研究。

为了准确研究RCO内的反应和流动，本研究提出了一个结合湍流模型的多组分催化燃烧模型。利用该模型对燃烧室内的流动、传热和化学反应进行了数值模拟，分析了进气气体负荷和当量比对VOCs转化率和温度分布的影响，并探讨了多组分催化燃烧的影响机制。

章节片段

湍流模型

纳维-斯托克斯方程是描述流体运动的基础。然而，在工业应用中直接求解纳维-斯托克斯方程往往不切实际，因为流体流动的复杂性和计算资源的限制。雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法通过将流动变量分解为平均值和波动分量来应对这些挑战。结合各种湍流模型，RANS方法可以高效模拟湍流

计算对象

双床再生催化氧化器的几何模型和网格如图1所示，基于Huang [33] 描述的实验装置。该模型包括整流段（A1和A2）、再生段（B1和B2）和催化段（C1和C2）。VOCs在再生段（B1和B2）吸收和释放能量，可燃组分在催化段（C1和C2）发生催化反应。阀门切换时间设置为两分钟。

进气负荷的影响

进气负荷是燃烧炉设计中的核心参数，直接影响污染物处理的效率。在本研究中，通过调整进气气体速度来实现负荷的动态控制。在进气VOC组成、浓度和温度恒定的条件下，进行了不同进气气体速度下的模拟，以研究它们对RCO内VOC转化效率和分布特性的影响。进气条件规定为

结论

本文提出了一个结合湍流模型的多组分催化燃烧模型。该模型用于研究含烃VOCs在再生催化氧化器中的流动、传热和催化转化过程的特性。研究揭示了进气流速和当量比对每种VOC组分的转化率及燃烧温度的影响机制。

CRediT作者贡献声明

沈中杰：撰写 – 审稿与编辑。王敬晓：撰写 – 审稿与编辑。徐建良：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、概念构思。杨光润：撰写 – 审稿与编辑。康玉杰：撰写 – 初稿撰写、验证、实验研究。刘海峰：监督、项目管理、资金获取。戴正华：项目管理、资金获取

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFB4101500）的财政支持。