高溫氣冷堆耦合蒸汽重整制氫過程數(shù)值模擬.pdf

1、氫氣具有熱值高、無污染等優(yōu)點，并且可以有效儲存由核能或間歇性可再生能源產(chǎn)生的能量，因此氫能被認(rèn)為是一種新型能源載體。目前比較成熟的制氫技術(shù)主要是化石燃料蒸汽重整，但是該過程會產(chǎn)生大量溫室氣體CO2并消耗大量的熱能。利用核能供熱可以實現(xiàn)大規(guī)模、高效制氫，同時減少溫室氣體的排放。本文采用數(shù)值模擬的方法對高溫氣冷堆耦合蒸汽重整制氫過程進(jìn)行了計算研究。
　　本文主要研究了高溫氣冷堆出口高溫氦氣熱能的梯級利用，從熱力學(xué)角度分別對甲烷蒸汽重整

2、制氫（Steam Methane Reforming，SMR）、乙醇蒸汽重整制氫（Steam Reforming of Ethanol，SRE）和甲醇蒸汽重整制氫系統(tǒng)（Methanol Steam Reforming，MSR）進(jìn)行了分析。此后進(jìn)一步對高溫氣冷堆供熱的甲烷蒸汽重整制氫反應(yīng)器以及余熱加熱的甲醇蒸汽重整制氫微型反應(yīng)器內(nèi)傳輸特性和進(jìn)口參數(shù)影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。
　　論文首先研究高溫氣冷堆高溫氦氣加熱下SMR系統(tǒng)的操作參數(shù)

3、對重整性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下壓力對系統(tǒng)重整性能的影響很小。在操作壓力大于1MPa，水碳比大于2時，隨著溫度的升高，熱效率先增加到最大值然后又緩慢下降；在溫度800~1000℃范圍內(nèi)，隨著水碳比的增加熱效率先升高后下降；分析表明，利用高溫氣冷堆氦氣供熱的甲烷蒸汽重整制氫系統(tǒng)，選擇較高的水碳比和重整溫度有利于提高系統(tǒng)熱效率和制氫性能。
　　為實現(xiàn)高溫氣冷堆高溫氦氣熱能的梯級利用，論文進(jìn)一步對SMR后高溫氦氣加熱的SRE和M

4、SR制氫系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)平衡分析。SRE熱力學(xué)分析表明，重整溫度500~600℃范圍內(nèi)，重整壓力為常壓，水醇比在8~10區(qū)間內(nèi)，熱效率可以接近最大值。MSR系統(tǒng)熱力學(xué)研究表明，在重整溫度200~250℃范圍內(nèi)，重整壓力為常壓，水醇比為1.3~1.8范圍內(nèi)可使系統(tǒng)熱效率接近最大值。本文設(shè)計了高溫氣冷堆高溫氦氣先后加熱甲烷、乙醇和甲醇的蒸汽重整制氫系統(tǒng)，并進(jìn)行了熱力學(xué)數(shù)值分析，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)設(shè)計可以實現(xiàn)高溫?zé)崮艿奶菁壚?，在此過程中氦氣的溫

5、度變化與制氫系統(tǒng)的最佳反應(yīng)溫度條件匹配，系統(tǒng)總熱效率可達(dá)70.85％，遠(yuǎn)高于SMR系統(tǒng)熱效率。
　　通過對高溫氦氣加熱的甲烷蒸汽重整制氫反應(yīng)器數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，原料氣進(jìn)口速度增加，反應(yīng)器內(nèi)溫度降低，不利于甲烷重整反應(yīng)的進(jìn)行并導(dǎo)致甲烷轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氫率下降；而原料氣進(jìn)口溫度升高，甲烷轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氫率和產(chǎn)氫量都增加，但進(jìn)口溫度提高，系統(tǒng)熱效率增加程度下降。氦氣進(jìn)口速度增加，重整器內(nèi)溫度升高，重整器內(nèi)甲烷重整反應(yīng)更充分；氦氣進(jìn)口溫度升高，甲烷轉(zhuǎn)化

6、率和產(chǎn)氫率都增加，但是其影響程度較改變氦氣進(jìn)口速度小。因此在高溫氣冷堆加熱甲烷蒸汽重整制氫過程中，應(yīng)選擇較低的原料氣進(jìn)口速度、合適的原料氣進(jìn)口溫度、較高的氦氣進(jìn)口速度并盡量提高高溫氣冷堆氦氣出口溫度即重整反應(yīng)器的加熱溫度。
　　最后考慮到低品位余熱利用問題廣泛性，本文設(shè)計了不同流動形式的余熱加熱重整甲醇制氫反應(yīng)器并進(jìn)行了甲醇蒸汽重整的數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)，順流和逆流反應(yīng)器的計算結(jié)果基本相同，而順排反應(yīng)器重整制氫性能明顯高于叉排反應(yīng)器