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微细通道内甲烷湿空气低温自热催化重整反应理论分析及实验研究

赵柳洁  
【摘要】:随着MEMS技术的迅速发展,微动力装置的研究已成为热点问题。由于微动力装置燃烧空间急剧减小,燃料燃烧的驻留时间也急剧缩短,很难保证燃料能完全燃烧,此外随着燃烧空间的缩小,燃烧室的面积-容积比增大,从而使热量损失严重。这样,如何在微型燃烧室内使燃料保持稳定的燃烧、不熄火,采用何种措施提高微型燃烧室内燃烧效率等,即燃烧要充分而且散热损失小,已成为微燃烧领域面临的难点问题。利用甲烷/湿空气发生重整反应,产生少量氢气混入尚未燃烧或正在燃烧的体系中,可明显改善微细空间的燃烧特性。同时,甲烷/湿空气自热催化重整在热量利用、氢气产量及减少积炭等方面更适合于微燃烧初始段的低温和欠氧环境。而甲烷/湿空气自热催化重整中合适的含湿量不仅有利于促进重整反应和减小积炭,还不会影响甲烷的稳定着火与燃烧。因此深入研究微细通道内甲烷湿空气低温自热重整的反应特性及影响因素,可为进一步研究微燃烧机理与特性打下基础。 本文针对微燃烧器中甲烷燃烧不稳定、着火困难等问题,提出了微细通道甲烷湿空气低温(小于973K)自热催化重整方法。结合预混腔结构特点,分析了甲烷湿空气在微细通道中低温自热重整的宏观和微观反应机理。探讨了低温和欠氧条件下微细通道中甲烷湿空气自热重整的热力学反应特性,并对有无氧气和有无含湿量的甲烷重整系统进行性能对比。通过对甲烷湿空气在微细圆管腔和微型旋流腔中低温自热重整过程的数值模拟,研究了反应条件、组分比例等因素对微通道内自热催化重整产氢及积炭的影响。设计并搭建了微细通道低温自热重整实验系统,重点开展了参数变化对重整体系的产氢及甲烷转化率影响的研究,证明了甲烷湿空气低温自热重整反应在微细燃烧技术中的积极作用。 通过对欠氧条件下微细通道内甲烷湿空气自热重整的热力学研究,得出温度低于973K时,甲烷湿空气自热重整比无氧和无含湿量的甲烷重整在产氢和甲烷转化上更具优势。并通过研究温度、压力和含湿量等操作条件的变化对低温下甲烷湿空气自热重整产氢和消炭的影响,获得了各反应组分的变化特性,得出温度在650~973K之间能实现微细通道内甲烷湿空气的自热重整,以及积炭在低温下的变化规律和温度在达到850K后积炭量趋于零。并指出反应压力在0.1~0.2 MPa和原料气中的含湿量大于350g·kg~(-1)时,才有利于反应过程中减少积炭产生和促进甲烷湿空气的低温自热重整。 采用42步镍基催化剂表面基元反应机理数值分析了微细圆管腔和微型旋流腔中固定甲烷质量流量、固定原料气组分比例和固定进气质量流量时,不同反应条件对微细通道内甲烷湿空气低温(小于973K)自热催化重整在产氢、甲烷转化及积炭的影响。得到微细通道内发生自热重整的最低温度为650K、体系各组分随温度的变化规律与热力学分析结果一致和积炭产量在反应温度达850K时接近于零。并得出质量流量越小,体系进行的越完全;增加空气和含湿量有利于体系重整产氢和消炭。 在对微细旋流腔内甲烷湿空气自热催化重整中氢气和积炭的研究中还发现增加氧碳比的减炭效果要比增加水碳比的效果好。随着两者的增加,氢气在腔内分布区域和含量会随之增大,积炭分布区域则由出口向进口处回缩而减小;体系对外散热量随着氧碳比的增加而增大,随着水碳比增加而减少。此外,组分产量在反应压力较低时随压力影响并不大,但压力越大积炭的分布面积越小;涂敷多个壁面催化剂对重整体系产氢有利,并且单独涂敷催化剂在侧壁面要比单独涂敷在上下壁面的重整效果好。 通过设计和搭建实验台,采用套管式负载镍基催化剂的方法克服了金属表面难以负载催化剂的问题,实现了微细反应器自热重整的实验研究。通过实验得到的低温重整尾气在半径1mm空间容积内不熄火的可视化实验,证明了甲烷湿空气的低温自热重整可以有效地促进和保持燃烧。通过实验研究反应温度、空碳比、水碳比及质量流量变化对体系重整的影响和实现对微细通道内甲烷湿空气自热重整积炭的测试,获得的氢气产量、甲烷转化率及积炭沉积率的实验结果均与理论分析结果一致,为微细通道碳氢燃料燃烧技术的研究打下了重要的实验基础和参考价值。 本文通过热力学分析、三维数值计算和实验较为全面的研究了温度低于973K时甲烷湿空气在微细通道内的低温自热重整反应,理解和认识该方法在微细反应领域内的可行性和优势,并获得了温度、压力、含湿量及空碳比等重要因素对体系重整尤其是积炭的影响规律,提供了有利于促进重整反应的控制参数。同时对该方法在具体反应器中重整反应的特点及结构变化对产物分布影响的研究,也丰富和充实了微通道甲烷低温自热重整的研究成果。本文的研究不仅有助于改进和优化微细反应设备,推进微细燃烧技术的深入研究,对微型动力装置的发展也具有重要的学术意义和工程价值。


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