反應(yīng)吸附強化沼氣水蒸汽重整制氫研究.pdf

1、我國有著豐富的沼氣資源，沼氣作為一種常見的可再生清潔能源，大力發(fā)展沼氣制氫技術(shù)，不僅可以最大限度地減少沼氣直接排放對環(huán)境的污染，增加沼氣的附加使用價值，還能為氫氣的生產(chǎn)，提供一種可再生的原料。本文首次提出并研究反應(yīng)吸附強化沼氣水蒸氣重整制氫(ReSER-Biogas)技術(shù)，能夠在更低的溫度條件下，一步式直接制取高濃度的氫氣產(chǎn)品，是更高效、節(jié)能地利用沼氣制氫的途徑，對實現(xiàn)沼氣高效制氫的目的具有非常重要的實際意義。
　　本文首先建立了

2、ReSER-Biogas反應(yīng)的熱力學(xué)模型，模擬計算了不同工藝條件下甲烷轉(zhuǎn)化率以及出口氫氣濃度的變化規(guī)律。由模擬計算結(jié)果可知，反應(yīng)吸附強化技術(shù)可以在降低反應(yīng)溫度的同時，降低產(chǎn)物中CO2和CO濃度，一步直接獲得高濃度氫氣產(chǎn)品。在得到相同濃度氫氣產(chǎn)品條件下，采用反應(yīng)吸附強化的方法可以降低反應(yīng)溫度約1500℃。當(dāng)反應(yīng)溫度為5500℃，CO2移除率增加到0.99時，理論計算發(fā)現(xiàn)此時甲烷轉(zhuǎn)化率為94％，出口氣體已經(jīng)沒有CO和CO2，此時產(chǎn)物中H2濃

3、度能夠達到98％。ReSER-Biogas的熱力學(xué)模擬計算充分說明了該技術(shù)制取高純氫的可行性的同時，也為工藝條件的實驗研究提供了依據(jù)。
　　其次，采用實驗室固定床反應(yīng)器用CH4和CO2模擬沼氣組成，采用工業(yè)甲烷水蒸氣重整鎳系催化劑與本課題組研究開發(fā)的納米CaO基CO2吸附劑混合裝填，在反應(yīng)溫度540-6000℃，沼氣二氧化碳含量20-40％，水碳摩爾比2-4的條件下，進行了ReSER-Biogas制氫的實驗研究。實驗表明:用納米C

4、aO基吸附劑，鈣碳比為1.31時，在反應(yīng)溫度為540-6000℃，吸附強化段的CO2移除率皆為0.99。在常壓，沼氣二氧化碳含量為30％，水碳摩爾比為3，反應(yīng)溫度為5800℃的條件下，出口HE濃度提高為91.8％，出口CO濃度降低為0.35％，CH4轉(zhuǎn)化率提高為76％。與普通沼氣水蒸氣重整制氫相比，反應(yīng)溫度降低2000℃左右，出口H2濃度提高20％以上，出口CO濃度降低10倍以上，CH4轉(zhuǎn)化率提高10％以上。這充分說明了ReSER-Bi

5、ogas制氫能夠降低反應(yīng)溫度以及出口氣體中CO濃度，提高沼氣中CH4轉(zhuǎn)化率同時，制取高濃度H2。
　　然后，利用化工模擬軟件Aspen Plus，結(jié)合熱力學(xué)計算和實驗研究結(jié)果，建立ReSER-Biogas制氫工藝流程，確定ReSER-Biogas制氫的最優(yōu)操作參數(shù)。由模擬結(jié)果可知:常壓下，反應(yīng)溫度為5800℃，水碳比為3，鈣碳比為2.75為最優(yōu)操作參數(shù)。此時，產(chǎn)氫率提高為2.35m3H2/m3 Biogas，沼氣能量轉(zhuǎn)化效率提高為

6、94.7％，單位能耗產(chǎn)氫量為0.00063kJ/m3 H2。與目前已有沼氣制氫工藝中產(chǎn)氫率最高的沼氣水蒸氣重整制氫工藝進行對比，ReSER-Biogas制氫不僅產(chǎn)氫率提高了42％，而且能量轉(zhuǎn)化效率也提高了24％。此外，與反應(yīng)吸附強化焦?fàn)t煤氣水蒸氣重整制氫(ReSER-COG)工藝進行對比， ReSER-Biogas產(chǎn)氫率提高了30％，能量轉(zhuǎn)化效率提高了24％。這些都充分體現(xiàn)了ReSER-Biogas制氫工藝的技術(shù)優(yōu)勢和先進性。