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1、隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)日新月異的發(fā)展,微型動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),尤其是在微電子、信息、生物、醫(yī)療、航天、國(guó)防等領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景,對(duì)微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)的研究也成為了學(xué)術(shù)界的熱門課題,微型燃燒器作為微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)的核心組成部分,國(guó)內(nèi)外研究專家對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。目前,在微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力裝置還是普通的鋰電池,世界上最好的鋰電池的能量密度僅為0.50MJ/kg,而采用甲烷氣體的微燃燒器的能量密度可以達(dá)到45
2、MJ/kg左右,即使能量轉(zhuǎn)換效率只有10%,這種燃燒器所能提供的能量密度也是普通鋰離子電池的10倍左右,因此微型燃燒器的應(yīng)用前景廣泛。但是由于微型燃燒器中的燃燒室空間急劇縮小,燃燒室面容比增大,散熱損失嚴(yán)重,同時(shí)在微細(xì)腔中燃燒不穩(wěn)定且容易熄火,這是微型燃燒器發(fā)展的難點(diǎn)。大量研究表明如果在甲烷中加入少量的氫氣,就可以改善微細(xì)腔內(nèi)的燃燒特性,因此,將甲烷自熱重整反應(yīng)應(yīng)用于微細(xì)腔內(nèi)甲烷燃燒成為一種可行的途徑;對(duì)微細(xì)腔中甲烷自熱重整反應(yīng)特性的研
3、究可為微型燃燒器的應(yīng)用和發(fā)展打下基礎(chǔ)。
本文針對(duì)微型反應(yīng)器內(nèi)甲烷自熱重整反應(yīng)特性進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)研究,采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD數(shù)值方法,重點(diǎn)考察了催化壁面溫度、反應(yīng)原料氣入口流速、水碳比(W/C)、氧碳比(O/C)、操作壓力、Ni基催化劑活性位密度對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率、催化壁面積炭以及出口個(gè)組分等的影響;分別以微細(xì)直圓管反應(yīng)器和微型旋流多層筒式反應(yīng)器為研究對(duì)象研究了甲烷自熱重整反應(yīng)特性,并對(duì)兩種研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
4、r> 研究表明,溫度的升高會(huì)極大地促進(jìn)甲烷自熱重整反應(yīng)的發(fā)生,但在高溫環(huán)境下,大量的CO2和H2的存在會(huì)促進(jìn)水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)向反方向進(jìn)行(水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)為放熱反應(yīng)),此時(shí)部分CO2和H2轉(zhuǎn)化成CO和H2O,對(duì)于微細(xì)直圓管反應(yīng)器,催化壁面溫度不超過1123K為宜,對(duì)于微型旋流多層筒式反應(yīng)器,催化壁面溫度不宜超過1000K,獲得相同的甲烷轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物收率微細(xì)直圓管要求的催化壁面溫度比旋流多層筒式反應(yīng)器高150K左右,這是因?yàn)槎鄬油彩浇Y(jié)構(gòu)散
5、熱損失小,更加節(jié)能。
在微細(xì)直圓管反應(yīng)器中,水碳比(W/C)的增加可以促進(jìn)甲烷的轉(zhuǎn)化,當(dāng)水碳比(W/C)超過2.2時(shí),適當(dāng)?shù)倪^量水會(huì)促進(jìn)水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的發(fā)生,提高氫氣產(chǎn)率,同時(shí)可以抑制積炭的形成;在旋流多層筒式反應(yīng)器中,甲烷自熱重整反應(yīng)的最佳水碳比(W/C)為2.1,這與在直圓管中的研究結(jié)果基本吻合。
從對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器的模擬可以得出,隨著氧碳比(O/C)的增加,甲烷轉(zhuǎn)化率增加,但當(dāng)氧碳比(O/C)超過0.3時(shí),氧
6、氣出現(xiàn)過量,會(huì)導(dǎo)致氫氣和一氧化碳的收率減小,此時(shí)的催化壁面積炭量也出現(xiàn)迅速下降,研究表明,當(dāng)氧碳比(O/C)為0.4時(shí),可以同時(shí)得到高甲烷轉(zhuǎn)化率、高氫氣和一氧化碳收率以及低催化壁面積炭量。Ni催化劑活性位密度的上升可提高甲烷轉(zhuǎn)化率和H2、CO收率,但綜合催化反應(yīng)效果和催化劑成本分析,可以得出9.98×10-6kmol/m2為最優(yōu)Ni催化劑活性位密度。
入口流速的增加導(dǎo)致反應(yīng)原料氣在微細(xì)腔內(nèi)停留時(shí)間減小,從而降低了甲烷轉(zhuǎn)化率
7、以及H2、CO收率,但同時(shí)也減少了催化壁面總積炭量,因此,選擇一個(gè)合理的原料氣入口流速對(duì)通過微型反應(yīng)器內(nèi)甲烷自熱重整獲得一定發(fā)電量的微機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)至關(guān)重要。
微型旋流多層筒式反應(yīng)器的壓力損失是微細(xì)直圓管反應(yīng)器的20-30倍,因此,操作壓力對(duì)微細(xì)直圓管反應(yīng)器內(nèi)的重整反應(yīng)特性影響很小,而對(duì)微型旋流多層筒式反應(yīng)器內(nèi)的重整反應(yīng)特性影響較大;操作壓力的增加,可以增大流場(chǎng)內(nèi)氣體傳質(zhì)的推動(dòng)力,氣體擴(kuò)散至催化劑活性中心參與重整反應(yīng)的實(shí)際量增
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