LNG发动机废气重整制氢反应器数值模拟研究

发布时间：2020-10-13 20:09

　　 废气重整制氢再循环技术在改善天然气发动机动力性和排放特性的同时,提升了发动机整体的经济性,受到广泛关注。而废气-燃料混合气重整制氢反应过程直接影响着天然气发动机的掺氢燃烧过程,因此,本文以固定床废气重整反应器为研究对象,通过耦合甲烷详细催化反应动力学机理,利用数值模拟的手段对反应器内多孔催化反应区的反应特性进行了研究。首先,本文通过离散元法构建了颗粒随机堆积三维几何模型,给出了废气-燃料混合气体在反应器内的三维反应特性。研究结果显示,固定床废气重整反应器内多孔催化反应区局部孔隙率分布的不均匀性使得反应器内重整混合气体流场、温度场以及主要气相组分浓度场在轴向和径向上均呈现出较大的差异,混合气体进入反应区后在反应器前端主要涉及有氧化重整反应、水蒸气重整反应以及水煤气转换反应,随着轴向距离的增加,反应器内氧气浓度逐渐减小,氧化重整反应的比例不断减少,同时重整反应过程中C(s)活性位点逐渐增加,反应过程中积碳量不断增加。随后运用多孔介质模型对多孔催化反应区进行简化,探究了不同初始条件下废气-燃料重整制氢反应特性。研究结果显示,随着空速比的增加,甲烷的重整率及反应器出口氢气质量分数不断减小,而H_2/CO摩尔比呈现先增加后减小的趋势,而甲烷比例的增加使得单位质量甲烷产氢比逐渐增加,H_2/CO摩尔比不断减小。当混合气中水蒸气比例增加时,相应地甲烷的重整率不断增加,而反应器出口处的氢气摩尔分数出现小幅变化。当管壁温度增加时,甲烷的重整率呈指数型增长,然而H_2/CO摩尔比不断减小。此外,孔隙率变化对于甲烷的重整率影响较小,然而废气-燃料混合气体流经固定床废气重整反应器时压降则不断增大。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK402
【部分图文】：

明掺氢燃烧可以拓宽天然气稳定性增加，发动机排气持在较低水平范围内，发动。产成本以及储运困难使得天制氢再循环，通过置于排气未燃 HC、CO2、N2、O2和 H富氢混合气，并将重整气循术回收了部分废气余热，生不需进一步处理可直接充入温燃烧，因此废气重整再循示。火花塞废气总管进气管燃料供给

合各主要组分质量分数及其净反应速率在固定床废气重整反应器单管内轴布规律，探究废气-燃料重整制氢反应过程中涉及到的反应类型，分析重整过程中的积碳效应。3）不同边界条件下废气-燃料重整制氢反应特性研究利用多孔介质模型对固定床废气重整反应器单管模型进行简化，通过改速比、甲烷-废气摩尔比、进气温度以及孔隙率等参数，从多方面探究不同条件下甲烷重整率以及氢气选择性等目标参数的变化规律，实现重整器相数的优化，为后期重整器整体设计以及与发动机匹配运行提供参考。1.3.2 拟采用的研究方法、技术路线基于以上研究内容，本文通过离散元法生成颗粒球随机堆积几何模型，通过数值模拟软件耦合甲烷催化反应机理，探究固定床废气重整反应器内-燃料重整反应三维分布特性，同时运用多孔介质模型研究了不同初始条件整制氢反应过程的变化规律。本文的技术路线如下图 1.2 所示：

19图 2.2 固定床废气重整反应器三维结构示意图通过离散元法得到圆管内颗粒球堆积稳定结构时，颗粒球几何位置信以确定。根据颗粒球坐标信息及其几何尺寸，结合模拟过程中进口段的影响[50]，通过几何建模及网格生成软件 Gambit 2.4 建立的固定床反几何模型如图 2.2 所示。由废气-燃料组成的混合气体左端进入反应器颗粒球表面 Rh 基催化剂催化作用下发生表面反应，经反应器出口端一部分废气则通过与管壁之间的换热向管内的重整反应提供部分热量
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本文编号：2839648