微細(xì)腔內(nèi)甲烷自熱重整催化產(chǎn)氫暫態(tài)特性數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，裝置的微型化與微型系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用以成為當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)研究問題。微型燃燒器由于其體積小，使得碳?xì)淙剂虾茈y穩(wěn)定、高效燃燒。研究表明甲烷在催化劑作用下，通過重整產(chǎn)氫的方式對(duì)燃料混合氣加氫可以起到改善微細(xì)空間內(nèi)甲烷燃燒的作用。由于甲烷催化自熱重整耦合了放熱的甲烷部分氧化反應(yīng)和強(qiáng)吸熱的甲烷水蒸氣重整，反應(yīng)能耗低，成為現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前，針對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)下甲烷自熱重整反應(yīng)特性的研究大多集中于穩(wěn)態(tài)條件下，反應(yīng)條件變化對(duì)

2、重整產(chǎn)物的影響，對(duì)反應(yīng)暫態(tài)特性的報(bào)道較少；此外，甲烷催化自熱重整產(chǎn)氫的實(shí)驗(yàn)研究，催化劑均是以多孔介質(zhì)的形式填充在反應(yīng)器內(nèi)部，而對(duì)反應(yīng)器內(nèi)壁面負(fù)載催化劑的研究較少。
　　本文采用基元反應(yīng)的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理對(duì)微型直管反應(yīng)器內(nèi)甲烷、氧氣、水蒸氣自熱催化重整的暫態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算，重點(diǎn)分析了反應(yīng)器催化壁面溫度、反應(yīng)混合氣體初始溫度、反應(yīng)混合氣體組分、質(zhì)量流量以及直管反應(yīng)器入口尺寸變化等因素對(duì)自熱重整產(chǎn)氫量及甲烷轉(zhuǎn)化效率隨

3、時(shí)間變化的影響，同時(shí)分析上述因素變化對(duì)反應(yīng)穩(wěn)定所需時(shí)間的影響。
　　數(shù)值研究結(jié)果表明，在甲烷自熱重整產(chǎn)氫過程中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，微型反應(yīng)器出口處的氫氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。無論是提高反應(yīng)器催化壁面溫度還是提高反應(yīng)混合氣的初始溫度，都會(huì)提高反應(yīng)穩(wěn)定后的產(chǎn)氫量和甲烷轉(zhuǎn)化率，同時(shí)也會(huì)加速反應(yīng)的穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)器熱催化壁面溫度較低時(shí)，提高混合氣初始溫度對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)效果較為明顯；而當(dāng)催化壁面溫度較高時(shí)，提高反應(yīng)混合氣體初始溫度只

4、對(duì)重整反應(yīng)的初始階段產(chǎn)生較明顯影響。在相同的溫升下，提高壁面溫度相對(duì)于提高混合氣初始溫度而言，更有利于反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定。
　　相同溫度下，反應(yīng)器出口處產(chǎn)氫量達(dá)到最大值所需的時(shí)間基本不隨反應(yīng)物組分的改變而改變。當(dāng)恒定O2/CH4摩爾比時(shí)，增加水蒸氣會(huì)使反應(yīng)器出口氫氣量增多，同時(shí)氫氣產(chǎn)量達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間縮短；恒定H2O/CH4摩爾比時(shí)，增加氧氣會(huì)使氫氣最終產(chǎn)量下降，同時(shí)延遲氫氣量的穩(wěn)定。CH4/O2/H2O摩爾比為1:0.5:3.5時(shí)，氫

5、氣體積分?jǐn)?shù)在90ms時(shí)穩(wěn)定于最大值54％。
　　質(zhì)量流量變化，會(huì)直接影響原料氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)而影響反應(yīng)特性。流量過大或過小均不利于反應(yīng)的進(jìn)行。在相同的溫度下，反應(yīng)器直徑的變化會(huì)影響反應(yīng)器內(nèi)的傳熱及分子擴(kuò)散。在本文研究的反應(yīng)器直徑變化范圍內(nèi)，無論是直徑變化時(shí)，反應(yīng)原料氣體積流量、催化劑負(fù)載量等其他物理量是否隨之同比例縮放，均發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器直徑越小，反應(yīng)速率越快，反應(yīng)越容易趨于穩(wěn)定。
　　本文搭建微型反應(yīng)器內(nèi)甲烷催化自熱重

6、整的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，首次使用沉淀法制備涂覆在微細(xì)陶瓷管內(nèi)的鎳基催化劑，在穩(wěn)定的微型反應(yīng)器外部高溫環(huán)境中，研究催化重整反應(yīng)溫度、空氣甲烷摩爾比以及水蒸氣甲烷摩爾比、反應(yīng)混合氣中甲烷體積流量對(duì)微型直管反應(yīng)器內(nèi)甲烷催化重整產(chǎn)氫量和甲烷轉(zhuǎn)化效率的影響，并對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了相關(guān)分析。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化溫度對(duì)重整反應(yīng)中甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)量影響較大，隨著催化溫度的升高，甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣產(chǎn)量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；其他條件不變時(shí)，氫氣產(chǎn)量隨反應(yīng)混合氣體