微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢研究

为了强化甲醇水蒸气重整制氢过程,研制了一种集燃料预热、汽化、过热和重整反应功能于一体的微型反应器.实验考察了反应温度、水醇摩尔比、液体空速等对甲醇转化率、产氢率、反应器出口氢气和一氧化碳浓度的影响,建立了该反应器的数学和动力学模型并进行了三维数值模拟.结果表明,所建模型能较好地反映出反应器的性能,当反应温度、水醇摩尔比和液体空速分别为260℃、1.3、0.2 h-2时,产氢率达0.2 mol/(h·g),可为氢气利用率为80％、效率为60％的燃料电池提供10.2 W的功率.     

甲醇水蒸气重整制氢过程的优化分析

为强化甲醇水蒸气重整制氢反应过程,以出口甲醇转化率和氢气含量为目标考察了反应器中催化活性梯级分布和均匀分布对制氢效果的影响.利用计算流体力学软件FLUENT中的通用有限速率模型对反应器进行了二维数值研究.计算表明,可通过催化活性由低到高的梯级分布提高反应器出口甲醇转化率和氢气含量.与活性均匀分布相比,反应器中的冷点温差降低了10K,实验表明反应器出口H_2含量提高约8.5%,CO含量降低约0.19%.     

微通道内甲醇重整反应的LB方法

利用格子Boltzmann方法对微通道内甲醇水蒸汽重整制氢反应过程进行模拟,建立了双速率动力学平行反应机理的格子演化模型。分析了边界温度和进口流速的变化对甲醇转化率,氢气和一氧化碳的出口含量以及通道中的最大温差的影响。当边界温度和进口速度一定时,分析了整个反应过程中各组分的变化情况。结果表明,在水醇比,边界温度以及进口速度分别为1.3、523 K、0.1 m/s的情况下:甲醇出口转化率最高达94.36%;氢气的含量为0.0989;CO的含量为0.0095%。发现随边界温度升高,进口流速的减小,CO的含量会进一步增加。     

平板微反应器内甲烷－湿空气催化重整的数值分析研究

建立了二维稳态多组分传输反应的模型,对平板微反应器中Rh催化剂涂层上甲烷-干、湿空气催化重整制合成气进行了数值计算,并分析了采用湿空气时反应通道长度和高度对重整性能的影响.结果表明:进口速度低于2 m/s时,采用湿空气可提高甲烷转化率和产氢率,反应器出口的温度降低以及减少积碳的发生;采用湿空气时,反应通道长度增大,甲烷的转化率提高,出口氢气含量增大,出口温度相应地降低;反应通道高度增大,甲烷的转化率降低,出口氢气的含量减少,出口温度升高.     

CuZnZrAlO催化剂上甲醇蒸汽重整反应动力学

利用常压微型固定床反应器,采用CuZnZrA lO甲醇重整制氢催化剂,考察了503~543K下甲醇停留时间(W/FA0)对CO2和CO转化率的影响,在排除内外扩散影响的条件下,采用甲醇直接重整和甲醇分解平行进行的反应途径,以CO和CO2为关键组分,建立了适合其在甲醇蒸汽重整制氢反应中使用的动力学模型,并利用最小二乘法确定了模型参数.F-检验表明所提出的动力学模型可作为反应器模拟分析和设计的基础.     

弯管型微反应器内甲烷水蒸气重整制氢特性

为提高碳氢燃料的高效清洁利用,采用详细反应机理对弯管型微反应器内甲烷水蒸气催化重整制氢特性进行数值模拟,研究了速度、催化壁面温度、水碳(质量)比、隔板等因素对甲烷水蒸气催化重整反应特性的影响。结果表明,增加速度可降低甲烷重整反应;当温度T≤1 200 K时,可通过增加温度来提高甲烷的转化和氢气的生成,当T＞1 200 K以后,增加温度对甲烷重整反应起抑制作用;增加水碳比可提高甲烷转化率,却降低出口氢气质量分数。温度T=1 200 K、速度v=0.5 m/s、水碳(质量)比β=2时有利于甲烷重整反应的发生。     

甲醇重整制氢反应器的模拟研究

在Peppley等人提出的甲醇水蒸汽重整反应机理的基础上建立了甲醇重整制氢反应器的模型。并依据所建立的模型对不同压力及空速下甲醇的转化率进行了模拟并与实验数据进行了对比,结果显示甲醇转化率的模拟值与实验数据有较好的吻合（相对误差1.13%）。在所建立模型的基础上,进一步地讨论了反应器入口甲醇比率和入口温度对甲醇转化率以及单位甲 醇制氢量的影响。并得出了在所给出的操作条件下,当入口温度为570K,F_M,R/^FM,B=8.5时,单位甲醇的制氢量最高,可达到2.64（mol/mol）。     

甲醇催化重整制氢反应器的二维模拟及管径的选取

以甲醇裂解和甲醇水蒸气重整制氢作为平行的独立反应,CO、CO2为关键组分,建立了甲醇催化重整制氢反应器的二维数学模型,用正交配置法计算了催化床内各组分浓度及床层温度随径向和轴向的分布。考察了反应管管径变化对反应器性能的影响。在整个床层催化剂装填量及反应操作条件均不变的情况下,反应管管径增加,催化床层的出口温度降低,径向温差加大,氢气的时空产率略有降低,但所需的反应管根数迅速减少。     

Cu/ZnO/CeO2/Al2O3四元涂层催化剂甲醇水蒸气重整本征动力学

为建立微槽道反应器上Cu/ZnO/CeO2/A l2O3四元涂层催化剂的本征动力学模型,在微环状反应器中对甲醇水蒸气重整反应进行了研究。结果表明:该反应可以利用甲醇水蒸气转化反应和甲醇分解反应作为独立反应平行进行的模型表示。经过数学变换,利用线性最小二乘法确定了模型参数,并进行了F统计检验,验证了其合理性。所获的动力学模型可为甲醇水蒸气重整微槽道反应器的数学模拟和优化奠定重要基础。     

甲醇重整微槽道反应器的性能

为了解决燃料电池系统的稳定氢源问题,研制了一种新型的甲醇重整微槽道反应器加工工艺方法。通过电火花加工技术在合金片上加工出平行的槽道,然后通过扩散焊将十多层的合金片焊接在一起,再通过溶胶-凝胶方法将催化剂涂层负载到微槽道反应器的内壁上。微槽道反应器的整体尺寸为40 mm×40 mm×8 mm。考察了催化剂涂层的配比、反应温度、水醇比、进料速度、反应时间对甲醇重整微槽道反应器性能的影响。结果表明:当反应温度、进料速度、水醇摩尔比分别为282°C、6 cm3/h、1.3时,该微槽道反应器的氢气产率可满足11W燃料电池的需要。     

入口气组分对质子交换膜燃料电池柴油水蒸气重整制氢流程的影响

考察了Ni--Yb/γ--Al2O3(Ni 16%,Yb 5%,质量分数)催化剂,入口气中添加不同组分(CO2、H2和CH4)对柴油低/高温水蒸气重整过程中转化率及重整率的影响,以及添加CO2入口气对质子交换膜燃料电池柴油水蒸气重整制氢流程中后续的CO水气变换和深度去除CO过程的影响.结果表明:入口气中添加CO2或H2进一步提高了柴油在低温(400～500℃)水蒸气重整反应中的转化率(95%),能够为后续的高温(550～750℃)水蒸气重整过程提供CH4代替柴油作为重整原料,从而显著抑制了积碳.入口气中添加H2对高温水蒸气重整有抑制作用,添加CH4不利于提高柴油转化率.入口气中添加CO2时,气碳摩尔比约为0.54时柴油转化率最佳,但重整产物中CO含量会增加,因而后续CO水汽变换过程的空速需降低以便保证CO去除率,添加CO2对最后深度去除CO过程(两段选择甲烷化法)无明显影响.     

Hydrogen production by reforming methane in a corona inducing dielectric barrier discharge and catalyst hybrid reactor

A novel corona inducing dielectric barrier discharge(CIDBD) and catalyst hybrid reactor was developed for reforming methane. This corona inducing technique allows dielectric barrier discharge(DBD) to occur uniformly in a large gap at relatively low applied voltage.Hydrogen production by reforming methane with steam and air was investigated with the hybrid reactor under atmospheric pressure and temperatures below 600°C.The effects of input power,O2/C molar ratio and preheat temperature on methane conversion and hydrogen selectivity were investigated experimentally.It was found that higher methane conversions were obtained at higher discharge power,and methane conversion increased significantly with input power less than 50 W;the optimized molar ratio of O2/C was 0.6 to obtain the highest hydrogen selectivity(112%);under the synergy of dielectric barrier discharge and catalyst,methane conversion was close to the thermodynamic equilibrium conversion rate.     

乙醇水蒸气重整制氢反应条件的优化

对不同反应条件下乙醇水蒸气重整反应系统平衡的物质分布进行了热力学计算。结果表明:低压有利于乙醇水蒸气重整主反应的进行;在n(水)∶n(乙醇)=8∶1条件下,温度越高乙醇的转化率越高,氢的含量也越高;在900 K时,水醇比越高越有利于乙醇水蒸气重整反应向正方向进行。实验结果与热力学计算的产物分布曲线基本一致,进一步证明了热力学计算的正确性。     

基于双效催化剂的生物油吸附强化重整实验

制备了镍基双效催化剂,并将其应用在多组分生物油模化物吸附强化重整制氢的研究中,考察了重整温度、水碳比、液体质量空速对反应过程的影响.结果表明,在双效催化剂作用下,吸附强化重整阶段获得的氢气体积分数和氢气产率较普通重整阶段显著提升;且随着温度升高、S/C比(水蒸气与碳物质的量之比)增大,氢气产率与氢气体积分数呈现先增加后小幅减少的趋势;且相比于普通重整阶段,最高氢气产率所对应温度明显下降,在650℃,S/C比为4.5时氢气产率达到最大值87.60%,此时氢气体积分数为94.75%.     

CO_2吸附强化模拟生物油重整制氢的实验研究

选用Ce-Ni/Co作催化剂、由醋酸钙煅烧制得的Ca O作重整催化剂、CO2吸附剂,进行模拟生物油吸附强化蒸汽重整制氢的研究.实验结果表明:在相同温度、M(S)/M(C)(加入水蒸气的摩尔质量与生物油模化物中碳的摩尔质量之比)条件下,吸附剂的加入有利于提高氢气摩尔分数和氢气产率;添加吸附剂后,随着温度的升高,氢气摩尔分数、氢气产率均呈现先增大后减小的趋势,在700℃时达到最大;随着M(S)/M(C)的增加,氢气摩尔分数先增大后减小,在M(S)/M(C)=9时氢气摩尔分数达到最大,而氢气产率则在M(S)/M(C)超过9后变化不大;随着M(Ca O)/M(C)(加入的氧化钙的摩尔质量与生物油模化物中碳的摩尔质量之比)的增加,氢气摩尔分数逐渐增大,达到M(Ca O)/M(C)=3后几乎不变,氢气产率则先增大后减小,在M(Ca O)/M(C)=3时达到最大;温度=700℃,M(S)/M(C)=9,M(Ca O)/M(C)=3为模拟生物油重整制氢的最佳条件,在此条件下氢气摩尔分数、氢气产率分别达到92.2%,84.1%.     

管壳型固定床二甲醚合成反应器的数学模拟

对管壳型固定床二甲醚合成反应器进行了数学模拟。选取CO、CO2加氢合成甲醇、甲醇脱水生成二甲醚反应为独立反应,CO、CO2和二甲醚为关键组分,建立了管壳型固定床二甲醚合成反应器的一维拟均相数学模型,得到了管内各组分气体浓度和温度分布;讨论了不同操作条件对二甲醚合成的影响。     

生物质制取氢气和生物油液体燃料

催化水蒸气重整由生物质快速裂解得到的生物油制取氢气,催化剂C12A7-O^-／15％Mg显示了很高的活性,并在我们所研究的几种催化剂中具有最高的氢产率．在最佳重整条件（T=750℃,S／C=6．0,GHSV=26000h^-1）下,得到70％的氢产率和约93％的最大碳转化率．结果显示,氢产率和碳转化率对温度和S／C（水蒸气和碳的摩尔比）具有选择性．目前结果表明,由水蒸气重整生物油制取的生物油舍成气,用费托合成法直接合成洁净液体生物油燃料将是一个很有前景的选择．研究了由生物油合成气制备的费托合成液体燃料的特征,在典型的反应条件（T=300℃,P=1．5MPa,W／F=12．5gcat·h／mol）下,总碳转化率（包括CO和CO2）约36％,C5＋的选择性约44％．     

基于化学回热的沼气冷热电联供系统

为了实现沼气化学能和物理能综合梯级利用,提出一种基于化学回热的沼气冷热电联供系统。新系统引入重整器,利用透平高温排气驱动沼气重整,生成具有更高化学能的合成气,以提升沼气燃烧前热值。利用Aspen plus软件进行仿真模拟,模拟结果表明:通过沼气重整可使沼气转化为化学能更高的合成气,同时可回收大量低温潜热用于沼气池保温。在设计点工况下,新系统效率较参比系统提升了21.88%～31.25%。通过参数分析可知,水蒸气与沼气摩尔比（水碳比）对系统性能影响较大,当水碳比从0.5提升到4.8时,甲烷转换率从0.12增大至0.48,提高了余热回收利用。燃气轮机输入热值的提高使得新系统发电量从13.37%提升到55.55%,最终使得系统的效率从9.68%增大至41.94%。