微細腔內(nèi)甲烷自熱重整催化產(chǎn)氫暫態(tài)特性數(shù)值模擬及實驗研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，裝置的微型化與微型系統(tǒng)的開發(fā)和應用以成為當今社會的熱點研究問題。微型燃燒器由于其體積小，使得碳氫燃料很難穩(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)氫的方式對燃料混合氣加氫可以起到改善微細空間內(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和強吸熱的甲烷水蒸氣重整，反應能耗低，成為現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的熱點。目前，針對微尺度結(jié)構(gòu)下甲烷自熱重整反應特性的研究大多集中于穩(wěn)態(tài)條件下，反應條件變化對

2、重整產(chǎn)物的影響，對反應暫態(tài)特性的報道較少；此外，甲烷催化自熱重整產(chǎn)氫的實驗研究，催化劑均是以多孔介質(zhì)的形式填充在反應器內(nèi)部，而對反應器內(nèi)壁面負載催化劑的研究較少。
　　本文采用基元反應的詳細反應機理對微型直管反應器內(nèi)甲烷、氧氣、水蒸氣自熱催化重整的暫態(tài)特性進行了數(shù)值模擬，通過詳細的數(shù)值計算，重點分析了反應器催化壁面溫度、反應混合氣體初始溫度、反應混合氣體組分、質(zhì)量流量以及直管反應器入口尺寸變化等因素對自熱重整產(chǎn)氫量及甲烷轉(zhuǎn)化效率隨

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

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

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

6、整的反應實驗臺，首次使用沉淀法制備涂覆在微細陶瓷管內(nèi)的鎳基催化劑，在穩(wěn)定的微型反應器外部高溫環(huán)境中，研究催化重整反應溫度、空氣甲烷摩爾比以及水蒸氣甲烷摩爾比、反應混合氣中甲烷體積流量對微型直管反應器內(nèi)甲烷催化重整產(chǎn)氫量和甲烷轉(zhuǎn)化效率的影響，并對反應產(chǎn)物進行了相關(guān)分析。
　　實驗結(jié)果表明，催化溫度對重整反應中甲烷轉(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；其他條件不變時，氫氣產(chǎn)量隨反應混合氣體