收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢过程传输特性研究

王锋  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池是21世纪高效、节能、环保的发电方式,在固定电站和移动电源方面有广泛的应用前景,然而要实现商业化则必须解决其氢源问题。通过甲醇重整供氢是一有效途径。在甲醇部分氧化、蒸气重整和自供热重整三种制氢方式中,甲醇水蒸气重整制氢有反应温度低、产物中氢气含量高、一氧化碳含量低等优点而成为人们解决质子交换膜燃料电池氢源的有力途径。 目前,对甲醇水蒸气重整制氢的研究主要集中在高效催化剂的开发上;由于甲醇水蒸气重整制氢为强吸热过程,该反应往往受热质传输的限制,有动态响应慢、催化剂床层存在“冷点”等问题。然而针对该问题的过程强化和传输优化研究较少,文献中仅有的报道是采用近年来才开展的微化工和涂层催化技术通过减小反应通道尺寸或扩散距离达到强化传输的目的。因此对微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢过程传输特性的研究将促进该技术的工业应用和推广。 有鉴于此,本文在分析国内外甲醇水蒸气重整制氢发展现状的基础上,创新设计和制作了可用于颗粒和涂层催化剂的微型反应器并开展了相应的试验研究和数值模拟分析;另外还探索了采用近年来才发展起来的冷喷涂技术于金属基板上制备催化涂层的设想并进行了相应的试验研究。本文的主要研究工作如下: (1)为了强化甲醇水蒸气重整制氢反应传输过程,创新研制了一种集燃料预热、汽化、过热和重整反应功能于一体的微型反应器。实验考察了反应温度、水醇比、液体空速等对甲醇转化率、产氢率、反应器出口氢气和一氧化碳浓度的影响,建立了该反应器的数学和动力学模型并进行了三维数值模拟。在三维模拟的基础上首次以优化微型反应器中的传热过程为途径,以反应器出口甲醇转化率和氢气含量为目标考察了催化剂颗粒非均匀稀释的影响。试验结果给出了反应器的最佳运行工况,模型能较好的反映出反应器的性能;通过催化剂颗粒由疏到密的非均匀布置可以提高反应器出口甲醇转化率和氢气含量。与均匀布置相比,反应器中冷点温差降低,验证试验表明反应器出口氢气含量提高而一氧化碳含量降低。 (2)为进一步优化微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢传输过程,通过数值模拟首次考察了微通道中催化表面分段布置、催化表面活性分布、催化涂层种类分布对该反应过程的影响。计算表明,在相同的反应条件下,通过对微通道中催化表面的间断分布可以提高反应通道出口甲醇的转化率,虽然催化表面的间断分布使通道内温度分布变得不均匀,但并不影响甲醇转化率的提高;对微通道内采用涂层催化剂的非均相催化反应过程而言,间断分布可以提高催化表面利用率,节约催化剂的用量。而通过微通道壁面上催化活性的合理分布同样可以提高反应器出口甲醇的转化率,合理的活性分布是进口处活性较低,沿着反应通道活性逐渐增加;这种催化活性分布还可降低反应通道中冷点温差。而利用铜基催化涂层和贵金属催化涂层的分段分布也可以在相同贵金属催化表面下提高甲醇转化率较高。 (3)采用冷气体动力喷涂技术在铝基板上制备了纯Cu涂层,并采用该技术首次开展了铝基板上Cu-Al2O3复合涂层、CuO/ZnO/Al2O3和NiO/Al2O3催化剂涂层的制备;以前三种涂层为催化剂进行了初步的甲醇水蒸气重整制氢试验;利用扫描电镜、能谱分析仪和X射线衍射仪对试验前后的涂层进行了表征。对涂层表征表明,四类喷涂颗粒都在铝基板上实现了有效的沉积,其中纯铜涂层与基板的结合较为紧密,喷涂中加热气体温度和喷涂中颗粒与基板的撞击角度对催化剂涂层的形貌影响较大,而复合涂层中颗粒的物理性质对涂层质量有较大影响。甲醇水蒸气重整制氢试验表明含铜涂层对该反应都有活性,其中纯铜涂层活性较差且易失活,而Cu-Al2O3复合涂层较之稳定,CuO/ZnO/Al2O3活性最好。 (4)最后数值考察了微通道反应器的集成和放大以及单通道中集成质子交换膜燃料电池重整制氢功能的可行性。对平板微通道反应器中甲醇水蒸气重整制氢过程三维数值模拟表明微反应器能够在较大反应物流量下保持较高的出口氢气含量和较高的甲醇转化率。在单通道中集成制氢和除一氧化碳三个功能单元后,在最佳反应条件下,甲醇的转化率、出口氢气和一氧化碳含量能达到质子交换膜燃料电池对富氢燃料中一氧化碳含量的要求。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王锋;李隆键;漆波;崔文智;辛明道;陈清华;邓联锋;;微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢研究[J];西安交通大学学报;2008年04期
2 王锋;周菁;王国强;周新晶;;微反应器内甲醇水蒸气重整制氢动力学研究[J];太阳能学报;2011年04期
3 郝少军,吴锋,陈实,孙杰,刘媛;用于燃料电池的甲醇水蒸气重整反应制氢的研究[J];能源环境保护;2004年02期
4 郝少军,吴锋,陈实,孙杰,刘媛;用于燃料电池的甲醇水蒸气重整反应制氢的研究[J];辽宁化工;2004年03期
5 王锋;郑世伟;张鼎纹;漆波;张翔宇;;甲醇水蒸气重整制氢过程的优化分析[J];重庆大学学报;2009年12期
6 张菊香,史鹏飞,张新荣,刘春涛;燃料电池甲醇重整制氢研究进展[J];电池;2004年05期
7 毛肖岸,郝小红,张西民,郭烈锦;超临界水中葡萄糖气化制氢实验研究[J];化学工程;2004年05期
8 吕友军,郭烈锦,郝小红,冀承猛;锯木屑在超临界水中气化制氢过程的主要影响因素[J];化工学报;2004年12期
9 许云波,延卫,樊娜,王彬,张耀君,郭烈锦;Cu,In-ZnSeS催化剂的制备及其光解水制氢性能的研究[J];西安交通大学学报;2005年09期
10 张志芹;洁净的新能源——氢能[J];现代物理知识;1999年04期
11 闫秋会,郭烈锦,梁兴,张西民;煤与生物质共超临界水催化气化制氢的实验研究[J];西安交通大学学报;2005年05期
12 冯恩福;冯晗;;发电厂低谷电、热制H_2和CO_2的利用研究[J];山东电力技术;2006年02期
13 孙立贤;张箭;刘颖雅;褚海亮;邹勇进;范美强;徐芬;张耀;;氢的制备、储存、安全检测与生物燃料电池研究[J];合成化学;2007年S1期
14 闫秋会;赵亮;吕友军;;操作参数对纤维素超临界水气化制氢产气性能的影响[J];应用基础与工程科学学报;2009年02期
15 胡成春;氢能——清洁而持久的能源[J];百科知识;1995年11期
16 陈兵,纪红兵,林维明;氢—二十一世纪的清洁能源[J];化学工程师;2000年01期
17 张新荣,史鹏飞;甲醇水蒸汽重整制氢的研究进展[J];电池;2002年02期
18 闫桂焕,孙立,许敏,孙荣峰;生物质热化学转化制氢技术[J];可再生能源;2004年04期
19 王桂芝;;甲醇制氢技术及在燃料电池中的应用[J];化学工业;2008年01期
20 ;未来的理想燃料——氢[J];山东国土资源;2009年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王锋;张鼎纹;郑世伟;漆波;崔文智;;冷喷涂新型催化功能涂层微结构[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年
2 吴贵升;王路存;刘永梅;曹勇;戴维林;贺鹤勇;范康年;;铜催化剂表面氧物种在甲醇水蒸气重整过程中作用机制研究[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年
3 黄曙良;郭烈锦;延卫;;CdS光催化分解水产氢动力学研究[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
4 王卫平;吕功煊;;助剂对Ni-Fe催化剂乙醇部分氧化反应的影响[A];21世纪太阳能新技术——2003年中国太阳能学会学术年会论文集[C];2003年
5 上官文峰;;新型光催化剂的构筑及光解水性能的研究[A];2004年全国太阳能光化学与光催化学术会议论文集[C];2004年
6 柳泉润;李永丹;;氢气还原对Co/Cu/Al_2O_3甲烷裂解催化剂的影响[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年
7 李越湘;李树本;俞飞;;甲醛为电子给体光催化制氢[A];中国太阳能学会2001年学术会议论文摘要集[C];2001年
8 陈龙;李顺清;杨柯利;邹国军;张三兵;王晓来;;高容碳量Ni-Cu-Al_2O_3催化剂催化甲烷裂解制氢研究[A];第十三届全国催化学术会议论文集[C];2006年
9 吕功煊;;半导体催化剂修饰改性光催化制氢的研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
10 高宁博;李爱民;;生物质水蒸气气化及蓄热陶瓷重整制氢研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王锋;微型反应器中甲醇水蒸气重整制氢过程传输特性研究[D];重庆大学;2008年
2 陈鸿庆;乙醇重整制氢Ir-La催化剂设计及微反性能优化[D];华南理工大学;2010年
3 张建;氨分解制氢与钯膜分离氢的研究[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2006年
4 王晓光;镍基催化剂上氨分解反应与钯膜分离集成制氢的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
5 吴省;TiO_2纳米管的制备及其光、电催化特性研究[D];上海交通大学;2007年
6 凌忠钱;多孔介质内超绝热燃烧及硫化氢高温裂解制氢的试验研究和数值模拟[D];浙江大学;2008年
7 漆波;甲烷蒸汽重整反应本征动力学及微通道反应器性能研究[D];重庆大学;2009年
8 李苑;介孔CeO_2的制备及其负载Au-Pd催化剂甲醇部分氧化制氢性能的研究[D];南昌大学;2009年
9 张红漫;悬浮体系中污染物的直接测定及光催化反应[D];南京工业大学;2005年
10 李慧青;电晕放电甲醇分解制氢及其模拟研究[D];天津大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吕保民;冷喷涂锌镍合金工艺及性能研究[D];昆明理工大学;2012年
2 邓联锋;微型反应器内甲醇水蒸汽重整制氢性能研究[D];重庆大学;2007年
3 许庆利;生物质秸秆气合成甲醇工艺研究[D];郑州大学;2004年
4 曲风枫;二氧化碳加氢直接制备二甲醚非晶态铜基催化剂的研究[D];哈尔滨师范大学;2011年
5 文艺;二氧化碳加氢合成甲醇超细铜基负载型催化剂的制备表征及催化性能研究[D];南京理工大学;2004年
6 肖正涛;冷喷涂铜合金涂层制备工艺及其防护性能研究[D];中国海洋大学;2011年
7 梁胜;二氧化硅负载缺位硅钨杂多酸盐的制备与光解水制氢的研究[D];中南大学;2004年
8 周丽;负载Cu~I催化剂催化甲醇液相氧化羰基化反应的研究[D];太原理工大学;2004年
9 吴丹;半导体光催化剂的制备及分解硫化氢的研究[D];黑龙江大学;2007年
10 陈清波;Au-M/CeO_2催化剂甲醇部分氧化制氢性能的研究[D];南昌大学;2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 舒林;以煤制氢的前景与困难[N];中国煤炭报;2001年
2 李文娟;中韩核能制氢联合研究中心成立[N];新清华;2004年
3 晓磊;更经济的核能制氢新方法[N];中国石油报;2005年
4 王亚丽;小水电制氢闯出一条低成本新路[N];中国化工报;2008年
5 王俊鸣;美开发出核能制氢新方法[N];科技日报;2004年
6 徐岩;超临界水反应器实现连续制氢[N];中国化工报;2009年
7 ;新型催化剂:制氢成本低[N];新华每日电讯;2003年
8 本报记者 张长山;以煤制氢 净化未来[N];中国矿业报;2001年
9 记者 郁红;空气产品公司在四川建制氢厂[N];中国化工报;2010年
10 记者 杨沛洁;神马氯碱:确保下月投产 三源制氢:任务还很艰巨[N];平顶山日报;2005年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978