微細通道內(nèi)甲烷濕空氣低溫自熱催化重整反應(yīng)理論分析及實驗研究.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，微動力裝置的研究已成為熱點問題。由于微動力裝置燃燒空間急劇減小，燃料燃燒的駐留時間也急劇縮短，很難保證燃料能完全燃燒，此外隨著燃燒空間的縮小，燃燒室的面積.容積比增大，從而使熱量損失嚴(yán)重。這樣，如何在微型燃燒室內(nèi)使燃料保持穩(wěn)定的燃燒、不熄火，采用何種措施提高微型燃燒室內(nèi)燃燒效率等，即燃燒要充分而且散熱損失小，已成為微燃燒領(lǐng)域面臨的難點問題。利用甲烷/濕空氣發(fā)生重整反應(yīng)，產(chǎn)生少量氫氣混入尚未燃燒或正在燃燒的體系

2、中，可明顯改善微細空間的燃燒特性。同時，甲烷/濕空氣自熱催化重整在熱量利用、氫氣產(chǎn)量及減少積炭等方面更適合于微燃燒初始段的低溫和欠氧環(huán)境。而甲烷/濕空氣自熱催化重整中合適的含濕量不僅有利于促進重整反應(yīng)和減小積炭，還不會影響甲烷的穩(wěn)定著火與燃燒。因此深入研究微細通道內(nèi)甲烷濕空氣低溫自熱重整的反應(yīng)特性及影響因素，可為進一步研究微燃燒機理與特性打下基礎(chǔ)。
　　 本文針對微燃燒器中甲烷燃燒不穩(wěn)定、著火困難等問題，提出了微細通道甲烷濕空氣

3、低溫(小于973K)自熱催化重整方法。結(jié)合預(yù)混腔結(jié)構(gòu)特點，分析了甲烷濕空氣在微細通道中低溫自熱重整的宏觀和微觀反應(yīng)機理。探討了低溫和欠氧條件下微細通道中甲烷濕空氣自熱重整的熱力學(xué)反應(yīng)特性，并對有無氧氣和有無含濕量的甲烷重整系統(tǒng)進行性能對比。通過對甲烷濕空氣在微細圓管腔和微型旋流腔中低溫自熱重整過程的數(shù)值模擬，研究了反應(yīng)條件、組分比例等因素對微通道內(nèi)自熱催化重整產(chǎn)氫及積炭的影響。設(shè)計并搭建了微細通道低溫自熱重整實驗系統(tǒng)，重點開展了參數(shù)變化

4、對重整體系的產(chǎn)氫及甲烷轉(zhuǎn)化率影響的研究，證明了甲烷濕空氣低溫自熱重整反應(yīng)在微細燃燒技術(shù)中的積極作用。
　　 通過對欠氧條件下微細通道內(nèi)甲烷濕空氣自熱重整的熱力學(xué)研究，得出溫度低于973K時，甲烷濕空氣自熱重整比無氧和無含濕量的甲烷重整在產(chǎn)氫和甲烷轉(zhuǎn)化上更具優(yōu)勢。并通過研究溫度、壓力和含濕量等操作條件的變化對低溫下甲烷濕空氣自熱重整產(chǎn)氫和消炭的影響，獲得了各反應(yīng)組分的變化特性，得出溫度在650～973K之間能實現(xiàn)微細通道內(nèi)甲烷濕空

5、氣的自熱重整，以及積炭在低溫下的變化規(guī)律和溫度在達到850K后積炭量趨于零。并指出反應(yīng)壓力在0.1～0.2 MPa和原料氣中的含濕量大于350g·kg-1時，才有利于反應(yīng)過程中減少積炭產(chǎn)生和促進甲烷濕空氣的低溫自熱重整。
　　 采用42步鎳基催化劑表面基元反應(yīng)機理數(shù)值分析了微細圓管腔和微型旋流腔中固定甲烷質(zhì)量流量、固定原料氣組分比例和固定進氣質(zhì)量流量時，不同反應(yīng)條件對微細通道內(nèi)甲烷濕空氣低溫(小于973K)自熱催化重整在產(chǎn)氫、甲

6、烷轉(zhuǎn)化及積炭的影響。得到微細通道內(nèi)發(fā)生自熱重整的最低溫度為650K、體系各組分隨溫度的變化規(guī)律與熱力學(xué)分析結(jié)果一致和積炭產(chǎn)量在反應(yīng)溫度達850K時接近于零。并得出質(zhì)量流量越小，體系進行的越完全；增加空氣和含濕量有利于體系重整產(chǎn)氫和消炭。
　　 在對微細旋流腔內(nèi)甲烷濕空氣自熱催化重整中氫氣和積炭的研究中還發(fā)現(xiàn)增加氧碳比的減炭效果要比增加水碳比的效果好。隨著兩者的增加，氫氣在腔內(nèi)分布區(qū)域和含量會隨之增大，積炭分布區(qū)域則由出口向進口處

7、回縮而減?。惑w系對外散熱量隨著氧碳比的增加而增大，隨著水碳比增加而減少。此外，組分產(chǎn)量在反應(yīng)壓力較低時隨壓力影響并不大，但壓力越大積炭的分布面積越?。煌糠蠖鄠€壁面催化劑對重整體系產(chǎn)氫有利，并且單獨涂敷催化劑在側(cè)壁面要比單獨涂敷在上下壁面的重整效果好。
　　 通過設(shè)計和搭建實驗臺，采用套管式負載鎳基催化劑的方法克服了金屬表面難以負載催化劑的問題，實現(xiàn)了微細反應(yīng)器自熱重整的實驗研究。通過實驗得到的低溫重整尾氣在半徑1mm空間容積內(nèi)不

8、熄火的可視化實驗，證明了甲烷濕空氣的低溫自熱重整可以有效地促進和保持燃燒。通過實驗研究反應(yīng)溫度、空碳比、水碳比及質(zhì)量流量變化對體系重整的影響和實現(xiàn)對微細通道內(nèi)甲烷濕空氣自熱重整積炭的測試，獲得的氫氣產(chǎn)量、甲烷轉(zhuǎn)化率及積炭沉積率的實驗結(jié)果均與理論分析結(jié)果一致，為微細通道碳氫燃料燃燒技術(shù)的研究打下了重要的實驗基礎(chǔ)和參考價值。
　　 本文通過熱力學(xué)分析、三維數(shù)值計算和實驗較為全面的研究了溫度低于973K時甲烷濕空氣在微細通道內(nèi)的低溫自