中温铝水制氢反应器中的进汽方式与扩散动力学研究

发布时间：2020-04-19 19:34

【摘要】：随着化石能源危机的加剧,加速能源革命,发展可再生清洁能源已逐步在各国间达成共识。铝水反应以其高效制氢、反应放热量大、清洁无污染等优点,成为目前制氢领域研究的一大热点。本文以铝水反应的氢热联产系统为应用背景,利用自制的中温铝水反应制氢实验系统,实现了液下进汽方式下,6g铝锂合金与水蒸气在600℃启动温度下的快速高效制氢和产热。本文首先通过实验研究了载气流量和给水量变化对反应器内动态产氢放热过程的影响。在1.OmL/min的给水量下,随着载气流量的增大,反应的产氢速率和反应效率有了明显的提高。但是反应温度较低,最高只达733℃。通过调节给水量,反应最高温度得到了有效提升,表现出随给水量增加先升高后降低的趋势。在载气流量700mL/min,给水量1.5mL/min时,反应器内最高温度可达999℃。通过分析反应过程中高温区的迁移规律,得到了反应器内反应核心区的迁移规律:在通入水蒸气后,进水口附近样品最先反应升温,随着进水口附近样品的消耗和水蒸气的扩散,反应核心区表现出从进水口处沿垂直方向向上和向下作迁移运动,且向上迁移速度要快于向下迁移速度。反应结束后,在冷态下对反应产物沿垂直方向进行分层取样,并通过SEM、EDS和XRD等手段检测,结果表明反应产物在颜色、成分和氧化程度等方面沿垂直方向都存在着明显的递变趋势。在进水口处,样品反应程度高,晶型规则。随着产物与进水口距离增加,反应的氧化程度及结晶度逐渐降低,并在反应器底部检测到有未反应完的Al和Al-Li成分出现。为了更好地认识水汽扩散对反应的影响,为进汽方案的设计提供指导依据,对比研究了液上、液中和液底进汽方式对反应产氢放热及扩散特性的影响。相对于液上和液中进汽而言,液底进汽方式下,铝水反应的产氢速率和效率有了明显提升,其瞬时产氢速率可达463.76mL/(min·g),反应效率达85.9%。这主要是由于进汽口的下移,促进了底部样品与水蒸气的接触与反应,从而使得反应效率得以提升。同时,通过对温度变化的分析得出,液底进汽方式下,反应的向上传递速率要明显高于液上和液中进汽时的向下传递速率,这主要是由于气流的上升运动促进了水蒸气的扩散以及铝液与水蒸气的混合。
【图文】：

全球能源,制氧,消费结构,化石能源

工业革命以来，伴随着世界各国经济的蓬勃发展，交通、电力、水泥、钢铁逡逑等行业的壮大，人类对化石能源的依赖日益加重。据英国ＢＰ公司２０１３年就全逡逑球能源消费情况的统计数据显示，其中化石能源消费占比高徶８６．７％，如下图１．１逡逑所示⑴。无独有偶，据国际能源署统计，２０１４年全球煤炭消费达８２亿吨，与此逡逑同时，石油和天然气消费也分别达１．３３６亿桶和３．５万亿立方米。相较于１９６５年逡逑而言，２０１４年全球化石能源消费总量已由５１亿吨标准煤增加到１５９亿［２］。化石逡逑能源现已成为全世界消耗的最主要能源［３－５］。但是，化石能源的过度开采不仅会逡逑导致能源的枯竭，同时给环境带来的压力也早已如鲠在喉。地表沉陷、温室效应、逡逑雾霾、酸雨等话题层出不穷。因此，加速能源革命，由化石能源向可再生清洁能逡逑源转型的战略已逐步在各国间达成共识［６，７］。在常规新能源中，氢能以其清洁无逡逑污染、燃烧热值高、储量丰富、可持续发展等优点崭露头角

氢氧化合物,吉布斯自由能,化学式

逦（６）逡逑Ｄｉｇｎｅ［３６］通过研究得出了相似的结论。运用第一性原理密度泛函的方法，通逡逑过计算不同温度下铝的氢氧化合物的吉布斯自由能，，得到结果如下图１．２所示。逡逑结合实验结果，得出铝水反应在不同的温度下的反应过程。反应化学方程式可表逡逑示如下：逡逑当反应温度ｔ＜邋２８０°Ｃ时，逡逑２Ａ１邋＋邋６Ｈ２０邋—邋２Ａｌ（ＯＨ）３邋＋邋３Ｈ２逦（７）逡逑当邋２８０Ｋｔ＜４８０°Ｃ邋时，逡逑２Ａ１邋＋邋４Ｈ２０邋—邋２Ａ１０（０Ｈ）邋＋邋３Ｈ２逦（８）逡逑当邋ｔ２邋４８０°Ｃ时，逡逑２Ａ１邋＋３Ｈ２０邋—邋Ａｌ２0３＋３Ｈ２逦（９）逡逑２００！逦／逦逡逑ｂａｙｅｒｉｔｅ＾ｉｂｂｓｒｔｅ邋的的巾丨货＾逡逑＾逦１００邋－逦ｙ／逡逑0逦ｊ／逦ｄｉａｓｐｏｒｅ逡逑５逦５０邋＾逦逦逡逑２邋。逦逦逦逦逡逑ｐ二二逦ａ－ａｌｕｍｉｎａ逡逑Ｉ邋Ｊ逡逑＾逦／ｒ逦Ｇｅｇｒｅｅ邋ｏｆ邋ｈｙｄｒａｔｉｏｎ逡逑－１０。－邋／／逦—邋＾＝0逡逑＾逦－邋ｘ＝０．２逡逑：：：ｚＳ逡逑－２００邋逦逦逦逦逦■逦＇逦■逦逡逑４００逦５００逦６００逦７００逦８００逦９００邋１０００邋１１００邋１２００逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋（Ｋ）逡逑图１．２不同温度下铝的氢氧化合物的吉布斯自由能逡逑（以ａ－Ａｆｃ０３为参照，铝的氢氧化合物化学式可以统一表示为：ＡＩ２Ｏ３１Ｈ２Ｏ，逡逑其中Ｘ＝１￣３）逡逑１１１１３１＾等［３６＿３９］研究了邋Ａ１与水蒸气的反应过程。通过理论计算、数值模拟与逡逑实验相结合
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2

【参考文献】